水利工程水工建筑物部分.doc

第二部分 水利工程（水工建筑物部分）

宋文晶

水利工程：对自然界的地表水和地下水进行控制和调配，以达成除害兴利目的而修建的工程。
第一节 概述
1.1 水利工程对环境的影响（了解）
1. 库区
淹没：库区回水范围内淹没耕地、生活区、名胜古迹等等，移民。
滑坡、坍岸：岸坡浸水后岩体抗剪强度减少，当库水位减少时有也许因失稳而坍滑。
水库淤积：水流入库后流速减少，挟沙能力下降。
水温变化：水温变幅随水深增长而减小。
水质变化：库内生物分解。
气象变化：大水域影响小气候，多雾、气温变幅减小、降雨形态变化。
诱发地震：库区存在活动性地质构造。
卫生条件：水位上升导致土地盐碱化，孳生蚊虫微生物。
2. 水库下游
河道冲刷：泥沙淤积库内，下泄清水冲刷能力加大。
河道水流变化：电站调配下泄水量。
河道水温：溢洪道以外的下泄水流多来自水库底层，水温较低。
河道水质：库水的浑浊度随水深而异，深水的溶解氧低。
3. 其他
阻断鱼类洄游通道和野生动物迁徙。
1.2 水工建筑物分类及等级划分（掌握）
1. 水工建筑物的分类（按功用）
l 挡水建筑物
用以拦截江河，相成水库或壅高水位。坝、闸、堤防、海塘
l 泄水建筑物
用以宣泄多余水量，排放泥沙和冰凌等。溢流坝、泄水孔、溢洪道、泄水隧洞
l 输水建筑物
为灌溉、发电和供水的需要而从上游向下游输水的建筑物。引水隧洞、引水涵管、渡槽、渠道
l 取（进）水建筑物
输水建筑物的首部建筑。引水隧洞的进口段、灌溉渠首、进水闸、扬水站
l 整治建筑物
用以改善河流的水流条件、调整水流对河床及河岸的作用以及为防护波浪和水流对岸坡的冲刷。丁坝、顺坝、导流坝、护底和护岸
l 专门建筑物
发电用的压力前池、调压室、电站厂房；灌溉用的沉沙池、冲沙闸；过坝用的船闸、升船机、鱼道
2. 水利工程分等
水利工程根据工程规模、效益和在国民经济中的重要性分为五等。
表1 水利水电工程分等指标表（水利部2023年分布）
工程等级
工程
规模
水库
总库容
(亿m3)
防 洪
排涝
灌溉
供水
水力发电
保护城乡及
工矿公司的
重要性
保护农田面积
（万亩）
排涝面积
（万亩）
灌溉面积
（万亩）
供水对象重要性
装机容量
（万kw）
I
大(1)型
≥10
特别重要
≥500
≥200
≥150
特别重要
≥120
II
大(2)型
10~1.0
重要
500～100
200~60
150~50
重要
120~30
III
中型
1.0~0.1
中档
100～30
60~15
50~5
中档
30~5
IV
小(1)型
0.1~0.01
一般
30～5
15~3
5~0.5
一般
5~1
V
小(2)型
0.01~0.001

<5
<3
<0.5

<1
3. 水工建筑物分级
水利工程中的水工建筑物，根据所属工程等别及其在工程中的作用和重要性划分为五级。
表2 水工建筑物的级别
工程等别
永久性建筑物级别
临时性建筑物级别
重要建筑物
次要建筑物
一
1
3
4
二
2
3
4
三
3
4
5
四
4
5
5
五
5
5

注：① 永久建筑物――工程运营期间使用的建筑物，根据重要性分为：
重要建筑物――系指失事后将导致下游灾害或严重影响工程效益的建筑物，如坝、闸、电站厂房、泵站等。
次要建筑物――系指失事后不致导致下游灾害或对工程效益影响不大，易于修复的建筑物，如挡土墙、导流墙、护岸等。
② 临时性建筑物――系指工程施工期间使用的建筑物，如：导流建筑物、施工围堰等。
(1) 对于二至五等的工程及临时工程，下述情况经论证可提高或减少档别：
（1） 工程位置特别重要，失事后将导致重大灾害者，可提高一级。
（2） 工程地质条件特别复杂或者采用经验较少的新型结构时，可提高一级。
（3） 临时性水工建筑物一旦失事将导致严重灾害或对施工有严重影响时，可提高一级。
（4） 失事后影响不大的工程，经论证可适当减少档别。
(2) 对水工建筑物的规定：
（1）设计基如期。 一级挡水建筑物12023，其他永久建筑物50年。临时建筑物按预定的使用年限及也许滞后的时间拟定。特大工程挡水建筑物的设计基如期经专门研究决定。
（2）抗御灾害能力。如：防洪标准、抗震标准、坝顶超高等
（3）安全性。如：建筑物的强度和稳定安全指标，限制变形规定等
水工建筑物的结构安全级别，应根据建筑物的重要性及破坏也许产生后果的严重性而定，与水工建筑物的级别相应而分为三级。
表3 水工建筑物的结构安全级别
水工建筑物的级别
水工建筑物的结构安全级别
1
I
2，3
II
4，5
III
对有特殊安全规定的水工建筑物，其结构的安全级别应专门研究决定。
结构及其构件的安全级别，可依其在水工建筑物中的部位，自身破坏对水工建筑物安全影响的大小，取与水工建筑物的结构安全级别相同或减少一级。
地基基础的安全级别与建筑物的结构安全级别相同。
（4）运营可靠性。如：建筑物的供电、供水、通航保证率、闸门等设备的可用性等。
（5）建筑材料。如：使用材料的品种、质量和耐久性等。
水坝坝型分类：重力坝、拱坝、土石坝、支墩坝、溢流坝、非溢流坝。
第二节 重力坝
坝体基本剖面为三角形，筑坝材料为混凝土或浆砌石。
坝轴线通常为直线，有时为了合用地形、地质条件，或为了
枢纽布置上的规定也可布置成折线或曲率不大的拱向上游的
拱形。为了合用地基变形，温度变化和混凝土的浇筑能力，
坝体沿坝轴线用横缝提成若干个独立坝段。
2.1 工作原理
工作原理：依靠坝体自重产生的抗滑力来满足稳定规定，依靠坝体自重产生的压应力来抵消水压力引起的上游坝面拉应力来满足强度规定。
2.2 特点
1. 优点
① 安全可靠。重力坝剖面尺寸大，坝内应力较低，筑坝材料强度高，耐久性好，因而抵抗洪水漫顶、渗漏、地震等破坏的能力比较强。
② 对地形、地质条件适应性强。任何形状的河谷都适合修建重力坝。甚至在土基上也可以修建高度不高的重力坝。
③ 枢纽泄洪问题容易解决，枢纽布置紧凑。重力坝可以做成溢流的，也可以在坝内不同高程设立泄水孔，一般不需另设溢洪道或泄水隧洞。
④ 便于施工导流。施工期可运用坝体导流，一般不需另设导流隧洞。
⑤ 施工方便。大体积混凝土，可采用机械化施工，在放样、立模和混凝土浇筑方面都比较简朴，并且补强、修复、维护或扩建也比较方便。
⑥ 结构作用明确。重力坝沿坝轴线用横缝提成若干坝段，各坝段独立工作，结构作用明确，稳定和应力计算都比较简朴。
2. 缺陷
① 坝体剖面尺寸大，材料用量多。
② 坝体应力较低，材料强度不能充足发挥。
③ 坝体与地基接触面积大，相应坝底扬压力大，对稳定不利。
④ 坝体体积大，由于施工期混凝土的水化热和硬化收缩，将产生不利的温度应力和收缩应力，因此，在混凝土浇筑时需要较严格的温控措施。
2.3 合用条件
任何形状的河谷都可以修建重力坝。地质条件规定也较低，土基上也可以修建高度不大的重力坝。
2.4 设计内容（了解）
1. 剖面设计
原则：①满足稳定和强度规定，保证大坝安全；②工程量小；③运用方便；④便于施工。
基本剖面：
指坝体在自重、库水压力和扬压力三项重要荷载作用下，满足强度和稳定规定的、最小的三角形断面。
实用剖面：
重力坝的基本剖面拟定后，需考虑其他荷载和运用条件，修正基本断面。

2. 荷载分析
重力坝的荷载：自重；静水压力；扬压力；泥沙压力；浪压力；冰压力；动水压力；土压力（试坝体外是否填有土石而定）；地震荷载。

3. 稳定分析
目的：核算坝体沿坝基面或沿地基深层软弱结构面抗滑稳定的安全度。
重力坝稳定破坏的模式：

表层滑动 浅层滑动 深层滑动

深层滑动：当坝基内存在不利的缓倾角软弱结构面时，在水荷载作用下，坝体有也许连同部分基岩沿软弱结构面产生滑移。

4. 应力分析
目的：检查大坝在施工期和运用期是否满足强度规定，同时为研究解决设计和施工中的某些问题提供依据，如混凝土标号分区和某些部位的配筋。
5. 构造设计
根据施工和运用规定拟定坝体的细部构造，如廊道系统、排水系统、坝体分缝等。
蓄水后，库水会通过坝体和坝基向下游渗透。为减小渗流对坝体稳定和应力的不利影响，在靠近坝体上游面设排水管，坝踵附近地基设防渗帷幕，帷幕后设排水孔。
坝体排水管
交通、检查廊道
灌浆廊道
排水孔幕
防渗帷幕
重力坝防渗、排水系统

6. 地基解决
重力坝对岩基的规定：有足够的强度；足够的整体性和较小较均匀的压缩性；透水性小以及耐水的侵蚀等。

地基解决的重要任务：防渗；提高基岩的强度和整体性。
7. 溢流重力坝和泄水孔设计
涉及：堰顶高程、孔口尺寸、体形及消能、防护设计等。
8. 监测设计
坝体内部、外部的观测设计，制定大坝的运营、维护和监测条例。
2.5 提高坝体抗滑稳定性的工程措施
1. 运用水重。
当坝底面与基岩的抗剪强度参数较小时，常将坝的上游面做成倾向上游，运用坝面上的水重来提高坝的抗滑稳定性。注意上游坡度不宜过缓，否则在上游坝面容易产生拉应力，对强度不利。
2. 采用有利的开挖轮廓线。
开挖坝基时，最佳运用岩面的自然坡度，使坝基面倾向上游。当基岩比较坚固时，可开挖成锯齿状，形成局部的倾向上游的斜面，但能否开挖成齿状，重要取决于基岩节理裂隙的产状。
3. 设立齿墙。
当基岩内有倾向下游的软弱面时，可在坝踵部位设齿墙，切断较浅的软弱面。在坝趾部位设齿墙，将坝趾放在较好的岩层上，在一定限度上改善了坝踵应力，同时由于坝趾压应力较大，坝趾下齿墙的抗剪能力也相应增长。
4. 抽水措施。
在坝基面设立排水系统，定期抽水以减少坝底浮托力。
5. 加固地基。（见后）
6. 横缝灌浆。
将部分或整个坝体的横缝进行局部或所有灌浆，以增强坝的整体性和稳定性。
7. 预应力措施。
靠近坝体上游面，采用深孔锚固高强度钢索，并施加预应力，可增强坝体的抗滑稳定，又可消除坝踵处的拉应力。
2.6 温度裂缝和防止措施
1. 裂缝的分类
1－横向竖直贯穿裂缝；2－纵向竖直贯穿裂缝；3－水平深层裂缝；4坝表面裂缝
表面裂缝、深层裂缝、贯穿性裂缝三类。

横向贯穿性裂缝会导致漏水和渗透侵蚀性破坏，纵向贯穿性裂缝会损坏坝的整体性，水平向贯穿性裂缝会减少大坝的抗剪强度。横向和纵向贯穿性裂缝多发生在降温过程因混凝土收缩受到基岩约束的情况下。
为防止大坝裂缝，除适当分缝、分块和提高混凝土质量外，还应对混凝土进行温度控制。
2. 温度控制目的
对大体积混凝土进行温度控制的目的，一是防止由于混凝土温升过高、内外温差过大及气温骤降产生各种温度裂缝；二是为做好接缝灌浆，满足结构受力规定，提高施工工效，简化施工程序提供依据。
3. 温度控制标准
基础允许温差；上、下层允许温差；内外允许温差。
4. 温度控制措施
① 减少混凝土的初浇温度。
预冷骨料、加冰屑拌和；采用合理的混凝土分区，埋设块石，掺用适宜的外加剂和塑性剂等尽量减少水泥用量；采用低热水泥；并在运送中注意隔热保温。
② 减少混凝土水化热温升。
混凝土硬化初期发热量最大，温升最快，采用冷却水管进行初期冷却或减小浇筑层厚度，运用仓面天然散热，可以有效地减小水化热温升。
③ 加强对混凝土表面的养护和保护。
在混凝土浇筑后初期需要对坝块表面加覆盖、浇水养护。冬季要抵御寒潮袭击，夏季要防止热量回灌进入混凝土。
综合考虑工程的具体条件和设计原则研究拟定以上措施，并同时做好施工组织设计、安排好施工季节、施工进度、坝块浇筑顺序等。
2.7 地基解决
重要任务：①防渗；②提高基岩的强度和整体性。
1．坝基的开挖与清理：使坝体座落在稳定、坚固的地基上。
开挖深度根据坝基应力、岩石强度及完整性，结合上部结构对地基的规定和地基加固解决的效果、工期和费用等研究拟定。《混凝土重力坝设计规范》（SDJ21-78）规定：H>70m的高坝需建在新鲜、微风化或弱风化下部基岩上；30m<H<70m的中坝可建在微风化至弱风化上部基岩上；同一工程中两岸较高部位的坝段，运用基岩的标准可比河床部位适当放宽。

2．固结灌浆：提高基岩的整体性和强度，减少地基透水性。
固结灌浆孔一般布置在应力较大的坝踵和坝趾附近，以及节理裂隙发育和破碎带范围内。灌浆孔呈梅花状或方格状布置，孔距、排距、和孔深取决于坝高和基岩的构造情况。孔距内差逐步加密，钻孔方向垂直于基岩面，或尽也许正交于重要裂隙面，但倾角不能太大。

3．帷幕灌浆：减少坝底渗透压力，防止坝基发生管涌，减少坝基渗流量。
灌浆材料常用为水泥，此外尚有化学灌浆。防渗帷幕布置于靠近上游面坝轴线附近，自河床向两岸延伸。防渗帷幕要有一定的深度、厚度，依据规范而定，灌浆压力依实验拟定。灌浆孔的排数，一般高坝设2～3排，中坝设1～2排，低坝设1排，对地质条件较差的地段可适当增长。帷幕灌浆必须在浇筑一定厚度的坝体混凝土后施工。钻孔和灌浆常在坝体内的廊道内进行，靠近坝坡处可在坝顶、岸坡或平洞内进行。
4．坝基排水。
为进一步减少坝底面的扬压力，在防渗帷幕后设立排水孔幕。排水孔幕在混凝土坝体内的部分要预埋钢管，待帷幕灌浆后才干钻孔。对较高的坝，当下游尾水较深时，可采用抽排降压措施，在主排水帷幕后，沿坝基面设辅助排水帷幕、纵、横向廊道相连通，构成坝基排水系统。
5．断层破碎带、软弱夹层和溶洞的解决
开挖回填混凝土。

2.8 重力坝的分缝、分块
1. 横缝
垂直于坝轴线，将坝体分为若干独立坝段。作用是：减小温度应力、适应地基不均匀变形和满足施工规定如：混凝土浇筑能力及温度控制等。
(1) 永久横缝：做成竖直平面，不设键槽，缝内不灌浆，需设止水，止水后设排水井。
(2) 临时性横缝：缝面设键槽和灌浆系统。
(3) 坝段与基岩面的连接：
当基岩横向（对岸方向）坡度缓于1：2时，用帷幕灌浆对接触面进行灌浆封实；当横向坡度陡于1：2时，设接触面止水；当横向坡度陡于1：1时，按临时性横缝解决，进行接缝灌浆。
2．纵缝
为适应混凝土的浇筑能力和减小施工期的温度应力，在平行坝轴线方向设纵缝，将一个坝段提成几个坝块，待温度降到稳定温度后再进行接缝灌浆。
纵缝按布置型式可分为：铅直纵缝，斜缝和错缝。
纵缝为临时缝，缝面设水平向三角形键槽，并布设灌浆系统。

3．水平施工缝
上、下层浇筑块之间的结合面。
要传力、防渗, 必须解决好——清洗、凿毛、铺水泥沙浆（2～3厘米厚）。
2.9 泄水重力坝
坝顶溢流或坝身泄水孔。
消能工：底流消能――消力坎、消力池、护坦
挑流消能――挑流鼻坎
面流消能与消力戽消能

第三节 拱坝
3.1 特点
拱坝是固结于基岩上的空间壳体结构，在平面上呈凸向上游的拱形，拱冠剖面呈竖直的或向上游凸出的曲线形，坝体结构既有拱作用又有梁作用，其所承受的水平荷载一部分通过拱的作用压向两岸，另一部分通过竖直梁的作用传到坝底基岩。
坝体的稳定重要靠两岸拱端的反力作用，并不全靠坝体自重来维持。由于拱是一种重要承受轴向压力的推力结构，拱内弯矩较小，应力分布较均匀，有助于发挥材料的强度。拱坝的体积比同一高度的重力坝大约可节省1/3～2/3。
拱坝属于高次超静定结构，当外荷载增大或坝的某一部位发生局部开裂时，坝体的拱和梁作用会自行调整，使坝体应力重新分派。拱坝的超载能力可达成设计荷载的5～11倍。抗震能力强。
拱坝坝身不设永久伸缩缝，温度变化和基岩变形对坝体应力的影响显著。
不仅可以安全溢流，并且可以在坝身设立泄水孔。
由于拱坝剖面较薄，坝体几何形状复杂，因此对施工质量、筑坝材料强度和防渗规定都较复杂。
3.2 对地形地质条件的规定（合用条件）
1．抱负的地形条件（重要因素）：
左右岸对称，岸坡平顺无突变，在平面上向下游收缩的峡谷段。坝端下游侧要有足够的岩体支撑，以保证坝体的稳定。
一般情况下，河谷宽高比L/H<1.5的深切河谷可修建薄拱坝，厚高比T/H<0.2；L/H＝1.5～3.0的稍宽河谷可修建中厚拱坝，T/H＝0.2～0.35；L/H>3.0~4.5的宽河谷可修建重力拱坝，T/H>0.35；L/H>4.5的宽浅河谷应修建重力坝。
左右对称的V型河谷，拱厚度较薄；U型河谷拱厚度较大，梯形河谷介于两者之间。
拱坝最佳修建于对称河谷中，在不对称河谷中修建的缺陷是坝体受力条件较差，设计、施工复杂。当河谷不对称时，可采用人工措施使坝体尽也许接近对称，如（1）在较陡的一岸向深处开挖；（2）在较缓一岸建造重力墩；（3）设立垫座及周边缝等。有时也可采用不对称的双心圆拱布置。
2．抱负的地质条件：
基岩比较均匀，坚固完整，有足够的强度，透水性小，能抵抗水的侵蚀，耐风化，岸坡稳定，没有大断裂等。
3.3 拱坝的形式
单曲拱坝：上游面铅直，整个坝体仅在水平面上呈曲线型。
双曲拱坝：坝体在水平面和铅直面都呈曲线型。
在接近矩形或较宽的梯形河谷，坝体上游面铅直，整个坝体仅在水平面呈曲线形，称为单曲拱坝。施工比较简便，直立的上游面也有助于布置进水口或泄水孔的控制设备。
在底部狭窄的V型河谷，坝体在水平面和铅直面均呈曲线形，称为双曲拱坝。优点：由于梁系也呈弯曲的形状，兼有竖向拱作用，承受水平荷载后，在产生水平位移的同时，尚有向上位移的倾向，使梁的弯矩有所减小而轴向力加大，对减少坝的拉应力有利；另一方面在水压力作用下，坝体中部的竖向梁应力是上游面受压而下游面受拉，这同坝体自重产生的梁应力正好相反。
3.4 拱坝的基本设计环节（了解）
1．荷载分析
水压力；自重（涉及水重）；泥沙压力及浪压力；温度荷载；地震力；冰压力。
（1）基本荷载组合
① 水库为正常蓄水位和相应的尾水位+设计正常温降引起的温度荷载+自重+扬压力+泥沙压力+浪压力+（冰压力）
② 水库死水位（或运营最低水位）及相应的尾水位+设计正常温升引起的温度荷载+扬压力+泥沙压力+浪压力
③ 设计洪水位和相应的尾水位+设计正常温升引起的温度荷载+自重+扬压力+泥沙压力+动水压力+浪压力
④ 其它常遇的不利荷载组合
（2）特殊荷载组合
① 校核洪水位及相应的尾水位+设计正常温升引起的温度荷载+自重+扬压力+泥沙压力+动水压力+浪压力
② 基本荷载组合①+地震荷载
③ 基本荷载组合①+其他稀遇的不利荷载组合
④ 施工期的荷载组合：
接缝没有灌浆：1）自重； 2）自重+施工洪水期的静水压力
接缝分期灌浆：1)自重+接缝灌浆部分坝体温度荷载（温升或温降）
2)自重+施工洪水期的静水压力+接缝灌浆部分的温升荷载
2．拱坝的体形及布置
坝体尺寸：拱圈的平面形式，各层拱圈轴线的半径和中心角，拱冠梁（中心铅直平面）上、下游形式及其沿高程的厚度。
拱坝布置的基本原则：坝体轮廓力求简朴，基岩面、坝面变化平顺，避免有任何突变。
3．应力分析
（1）方法：纯拱法；拱梁分载法；有限元法，壳体理论
（2）拱坝设计的应力指标：
《混凝土拱坝设计规范》（SL282－203）规定：拱坝应力分析应以拱梁分载法或有限元法计算结果作为衡量强度安全的重要标准；1、2级拱坝和高拱坝或情况比较复杂的拱坝（如拱坝内设有较大的孔洞、基础条件复杂等），除用拱梁分载法计算外，还应采用有限元法计算，必要时，应进行结构模型实验加以验证。
《混凝土拱坝设计规范》（SL282－203）规定：用拱梁分载法或有限元等效应力法计算拱坝应力时，对于基本荷载组合，1、2级拱坝的抗压安全系数采用4.0，3级拱坝的抗压安全系数采用3.5；对于非地震情况的特殊荷载组合，1、2级拱坝的抗压安全系数采用3.5，3级拱坝的抗压安全系数采用3.0。
主拉应力的安全系数――规范规定：对基本荷载组合，用拱梁分载法算得主拉应力不得大于1.2MPa，用有限元等效应力法算得主拉应力不得大于1.5MPa；对于非地震情况的特殊荷载组合，用拱梁分载法算得主拉应力不得大于1.5MPa，用有限元等效应力法算得主拉应力不得大于2.0MPa；施工期在横缝灌浆前，按单独坝段验算时，最大拉应力不大于0.5MPa，并规定在坝体自重单独作用下，合力作用点应落在坝体厚度中间的2/3范围内，遭遇施工洪水时，坝体抗倾覆稳定安全系数不小于1.2。地震区的拱坝应力分析及指标参照抗震设计规范。
4．坝肩岩体稳定分析
方法：刚体极限平衡法；有限元法；地质力学模型实验。
稳定指标――抗滑稳定安全系数（略）
5．体形的优化设计（略）
6．坝身泄水
坝身泄水方式：自由跌流式；鼻坎挑流式；滑雪道式（拱坝特有）；坝身泄水孔。
消能方式：跌流消能，挑流消能，底流消能。
7．材料及构造
8．建基面与地基解决
3.5 拱坝的构造
筑坝材料为混凝土，中小型工程可用浆砌块石。
1. 分缝与接缝解决
施工期分段浇筑，各段之间设有收缩缝。收缩缝有横缝、纵缝两类。收缩缝表面作成键槽，预埋灌浆管与出浆盒，坝体冷却后进行压力灌浆。
横缝：
横缝是半径向的，间距一般取15～20m，铅直面。横缝底部与地基面的夹角不得小于60º，并尽也许接近正交。缝内设铅直向的梯形键槽。横缝上游侧设止水片。
纵缝：
拱坝一般不设纵缝，对厚度大于40m的拱坝，经分析论证，可考虑设立纵缝。相邻坝块间的纵缝应错开，间距约为20～40m，一般铅直，到缝顶附近应缓转与下游坝面正交。
在一定条件下，可将横缝的一部分保持为永久缝，如近拱端地质条件较差局限性以承受拱端推力时。
2. 坝顶与坝面，廊道与排水，管孔（与重力坝相同）
3. 垫座与周边缝
对地形不规则的河谷或局部有深槽时，可在基岩与坝体之间设立垫座，在垫座与坝体之间形成周边缝，一般为二次曲线或卵形曲线，使垫座以上的坝体尽量接近对称。在径向断面上多数为圆弧形，缝面略向上游倾斜，与坝体传至垫座的压力线正交，也有一般弧线或直线。
周边缝的作用：
① 梁的刚度减弱，相对加强了拱的作用，改变了拱梁分载的比例。
② 减小坝体传至垫座的弯矩，从而减小甚至消除坝体上游面的竖向拉应力，使坝体和垫座接触面的应力发布趋于均匀。
③ 可运用垫座增大与基岩的接触面积，调整和改善地基的受力状态。
④ 由于周边缝的存在，坝体即使开裂，只能延伸到缝边就会停止发展。若垫座开裂，也不致影响到坝体。
⑤ 垫座是人工基础，可减少河谷地形的不规则性和地质上局部软弱带的影响，改善拱坝的支承条件。
⑥ 垫座对坝体振动起缓冲作用。
3.6 拱坝的地基解决
与重力坝基本相同，但规定更为严格，特别是对两岸坝肩的解决。
1. 坝基开挖
拱端应嵌入岸坡内，最佳开挖成全径向，也可采用非全径向开挖。同一坝体采用两种开挖形式时，自上而下应平缓过渡。河床段建基面的上、下游高差不宜过大，且尽也许略向上游倾斜。整个坝基可运用岩面在垂直水流方向应平顺，避免突变，也不宜开挖成台阶状。
2. 固结灌浆和接触灌浆
拱坝坝基的固结灌浆孔一般按照全坝段布置，对于比较坚硬完整的基岩，也可只在坝基的上游侧和下游侧设立数排固结灌浆孔。孔距一般为3～6m，岩石破碎地区适当加密，孔深一般5～15m。固结灌浆压力，在保证不掀动岩石的情况下宜采用较大值，一般为0.2～0.4MPa，有混凝土盖重时，可取0.3～0.7MPa。
对坝体与陡于50°～60°的岸坡间和上游侧的坝基接触面，以及基岩中所有槽、井、洞等回填混凝土的顶部，均需进行接触灌浆，以提高接触面强度，减少渗漏。接触灌浆应在坝体混凝土浇筑到一定高度、混凝土充足收缩、钻排水孔之前进行。
3. 防渗帷幕
拱坝的帷幕灌浆孔原则上应进一步隔水层以下3～5m；若相对隔水层埋藏较深，孔深可采用（0.3～0.7）倍坝高；地质条件特别复杂的地段，经论证孔深可达1倍坝高以上。帷幕灌浆孔一般用1排到3排，试坝高和地基情况而定，其中1排孔应钻灌至设计深度，其余各排孔深可取主孔深的0.5～0.7倍。孔距逐步加密，开始为6m，最终为1.5～3.0m，排距略小于孔距。
帷幕位置一般布置在压应力区，并尽也许靠近上游坝面。防渗帷幕还应进一步两岸山坡内，并与河床部位的帷幕保持连续性。
4. 坝基排水
排水孔幕设在防渗帷幕下游侧，一般只设1道主排水孔，必要时增设1～2排辅助排水孔。排水孔与防渗帷幕下游侧的距离应不小于帷幕孔中心距的1～2倍，且不得小于2～4m。主排水孔间距一般3m左右，辅助排水孔间距一般3～6m，孔径不宜小于15cm，主排水孔深度在两岸坝肩可采用帷幕孔深的0.4～0.75倍，河床部位孔深不大于帷幕孔深的0.6倍，但不应小于固结灌浆孔的深度。
对高坝及两岸较陡、地质条件较复杂的中坝，宜在两岸设立多层排水平洞，加钻排水孔，形成空间排水孔洞系统。
5. 断层破碎带或软弱夹层的解决

第四节 土石坝
4.1 特点
（1） 可就地、就近取材，经济节省。
（2） 能适应各种地形、地质和气候条件。
（3） 施工机械的发展，提高了土石坝的施工质量，加快了进度，减少了造价，促进了高土石坝的发展。
4.2 土石坝类型
（1） 按坝高分：
30m以下为低坝；30～70m为中坝；超过70m为高坝。
（2） 按施工方法分：
碾压式土石坝；冲填式土石坝；水中填土坝；定向爆破堆石坝等。应用最广泛的是碾压式土石坝。
（3） 按土料在坝身内的配置和防渗体用的材料种类，碾压式土石坝可分为：
① 均质坝；
② 心墙坝：土质心墙，沥青混凝土或混凝土心墙、钢筋混凝土心墙
③ 土质斜墙坝；
④ 多种土质坝；
⑤ 面板坝（坝体由透水土石料组成，防渗面板由钢筋混凝土、沥青混凝土或塑料薄膜等组成）。
4.3 土石坝设计的基本规定
（1）具有足够的断面维持坝坡的稳定。
土石坝的边坡和坝基稳定是大坝安全的基本保证。
（2）设立良好的防渗和排水设施以控制渗流。
（3）根据现场条件选择好筑坝土石料的种类、坝的结构形式以及各种土石料在坝体内的配置。
（4） 泄水建筑物具有足够的泄洪能力，坝顶在洪水位以上有足够的安全超高，以防漫溢。
（5） 采用适当的构造措施，使坝运用可靠和耐久。
上游面护坡防浪，下游坝坡防雨水冲刷。

4.4 土石坝设计环节
1．基本剖面
（1）坝顶高程

式中：H――静水位（正常运营和非正常运营）；ha――波浪在坝坡上的爬高；e――风浪壅高；A――安全加高。
（2）坝顶宽度
土石坝设计规范规定，高坝最小顶宽为10～15m，中低坝为5～10m。
坝顶宽度必须考虑心墙或者斜墙顶部及反滤层布置的需要。
（3）坝坡
土石坝的坝坡一般根据经验初选。上游缓于下游；斜墙坝的上游坡缓于心墙坝，下游坡相反；粘性土坝坡为上陡下缓的曲面。
均质坝的平均坡度为1：3；
心墙坝：下游坡――堆石常用坝坡为1：1.5~1：2.5；土料为1：2~1：3
上游坡――堆石常用坝坡为1：1.7~1：2.7；土料为1：2.5~1：3.5
斜墙坝：下游坡参照心墙坝，上游坡――石坡放缓0.2，土坡放缓0.5。
面板坝：上游坡为1：1.4~1：1.7；下游坡1：1.3~1：1.4；卵砾石时放缓至1：1.5~1：1.6。
2．渗流分析
渗流分析内容：
（1） 拟定浸润线位置；
（2） 拟定渗流流速和坡降；
（3） 拟定渗流量。
土坝的渗流变形：
（1）管涌：土体中部分颗粒被渗流水带走的现象。只发生于无粘性土中。
（2）流土：渗流作用下，粘性土及均匀无粘性土体被浮动的现象，常见于渗流从坝下游溢出处。
（3）接触冲刷：细粒土（砂土或粘土）与粗粒土交界面上，细粒土被渗流水冲动发生破坏的情况。此时渗流方向与交界面平行。
（4）剥离：粘性土与粗粒土接触面上，由于渗流作用使土颗粒与整体结构分离的现象。剥离可发生于粘性土与反滤层交界面上。
（5）化学管涌：土体中的盐类被渗流水溶解带走的现象。
3．稳定分析
刚体极限平衡法（瑞典圆弧）坝坡稳定安全系数：
坝的级别
I
II
III
IV、V
正常运用条件
1.30
1.25
1.20
1.15
非常运用条件I
1.20
1.15
1.10
1.05
非常运用条件II
1.10
1.05
1.05
1.00
分析工况：施工期；稳定渗流期；库水位降落期。
4．固结、沉降与应力分析
5. 筑坝土石料及填筑标准（见后）
6. 土石坝的构造（见后）
7．土石坝的地基解决（见后）

4.5筑坝土石料及填筑标准
1. 防渗土料
（1）选择原则
①防渗性。渗透系数小于1×10-5cm/s，均质坝或低坝可放宽到1×10-4cm/s。
②抗剪强度；③压缩性；④抗渗稳定性；⑤含水量；⑥膨胀量及体缩值；⑦可溶盐、有机质含量；
⑧ 颗粒级配：小于0.005mm的粘粒含量不宜大于40％，一般30％以下为宜。最大粒径不应超过铺土厚度的2/3。
（2）砾石土防渗料：具有粗砾土和细粒土的混合料，粗粒含量在50％以内。
（3）填筑标准
粘性土料以干容重为设计指标，按压实实验的最大干容重乘以压实系数拟定。I、II级坝和高坝，压实系数不低于0.97~0.99，对III级及以下的坝不低于0.95~0.97。
含砾粘性土料的压实性由细料的压实性控制。I、II级坝和高坝，细粒的压实系数不低于0.97~0.99，对III级及以下的坝不低于0.96。当含砾量大于30％时，压实度下限值可适当减少。
2．坝壳料
填筑标准：
（1）无粘性土：压实标准按相对密度拟定，不低于0.70~0.75。地震区浸润线以上不低于0.70，浸润线以下按设计烈度大小，不低于0.75~0.85。
（2）堆石料：碾压参数（碾压设备型号、重量，铺土厚度，加水量，碾压遍数等）和干容重同时控制。
3．反滤料、过渡料及排水材料（见后）

4.6 土石坝的构造
1．防渗体
作用：控制坝内浸润线的位置，保持渗流稳定。
材料：土质，沥青混凝土。
结构形式：心墙，斜墙。
厚度/宽度以平均允许坡降作为控制标准。
2．坝体排水
作用：控制和引导渗流，减少浸润线，加速孔隙水压力消散，以增强坝的稳定，并保护下游坝坡免遭冻胀破坏。
（1）棱体排水
又称滤水坝趾，在下游坝脚处用块石堆成的棱体。可减少浸润线，防止坝坡冻胀，保护下游坝脚不受尾水淘刷且支持坝体增长稳定性。
（2）贴坡排水
又称表面排水。用1、2层堆石或砌石加反滤层直接铺设在下游坝坡表面，不伸入坝体的排水设施。
（3）坝内排水
涉及褥垫排水层、网状排水带、排水管、竖式排水体等。
3．反滤层
（1）作用
滤土排水，防止土工建筑物在渗流逸出处发生渗透破坏以及不同土层界面处的接触冲刷。对下游侧有承压水的土层，还可起压重的作用。
（2）部位
在土质防渗体与坝壳或坝基透水层之间，以及渗流逸出处或进入排水体，都必须设立反滤层。
（3）规定
① 被保护土层不发生管涌等有害的渗透变形，在防渗体发生裂缝的情况下，土颗粒不会被带出反滤层，能促使裂缝自愈。规定孔隙足够小。
② 透水性大于被保护土，能顺利排除渗透水流，同时不致被细粒土淤塞而失效。
（4）结构
反滤层一般由1～3层级配均匀、耐风化的砂、砾、卵石或碎石构成，每层粒径随渗流方向而增大。规范规定：
；
式中：D15为相邻的粒径较大一层土的特性粒径；d85、d15为相邻的粒径较小一层土的控制粒径和特性粒径。
4．土石坝的裂缝控制
（1）纵缝
走向与坝轴线大体平行，多发生在心墙坝、斜墙坝的坝顶和坝坡中部。
成因：心墙坝的坝壳土料比心墙土料固结沉降快；斜墙坝的坝壳料如压实局限性，上部和下部沉降不均，都可使斜墙断裂，形成纵缝。
（2）横缝
走向与坝轴线垂直，多发生在两岸坝肩附近。岸坡较陡或岸坡地形忽然变化时，都易发生横缝。
（3）内部裂缝
重要由坝体和坝基的不均匀沉降引起。
（4）防治措施
① 改善坝体结构或平面布置：
坝轴线改成略凸向上游的拱形；放缓坝坡；加厚心墙或斜墙；布设反滤层；不同土料间设过渡层。
② 重视地基解决
③ 适当选用土料
④ 采用合宜的施工措施和运营方式
（5）裂缝解决
表面裂缝：先用砂土填塞，再以低塑性粘土封填、夯实；
深部裂缝：灌浆解决；
严重裂缝：坝内做混凝土防渗墙。
5．土石坝与混凝土建筑物的连接
（1）插入式
混凝土坝断面逐渐缩小，最后成为刚性心墙插入土石坝心墙内。
（2）翼墙式
在组合部位作出混凝土挡土墙并向上下游延伸形成翼墙。
4.7 土石坝的地基解决
重要规定：① 控制渗流，避免渗透破坏；② 保持坝体和坝基的静力和动力稳定，③在保证安全运营的条件下节省投资。
规定较混凝土坝低。
1．岩基解决
当岩基上的覆盖层较薄时，只需防渗体座落在岩基上形成截水槽隔断渗流即可。对高坝规定更严格。
防渗体与基岩的接触面规定结合紧密。基岩内部防渗解决重要是帷幕灌浆。
2．砂砾石坝基解决
重要问题是渗流控制。
垂直防渗措施：粘性土截水槽、混凝土防渗墙、帷幕灌浆等
上游水平防渗铺盖：
下游排水设施：水平排水层、排水沟、减压井、透水盖重
3．细砂、软粘土和湿陷性黄土地基解决
（1）细砂等易液化地基
挖除或人工加密。表面振动加密、振冲法、强夯。
（2）软粘土地基
排水固结：砂井加速排水固结。
（3）湿陷性黄土地基
挖除、翻压或强夯，预先浸水解决。
第五节 水 闸
5.1 功能与分类
水闸是一种运用闸门挡水和泄水的低水头水工建筑物，多建于河道、渠系及水库、海、湖泊岸边。按功能分类：
（1）节制闸
拦河或在渠道上建造，用于拦洪、调节水位、控制下泄流量。河道上的节制闸又称拦河闸。
（2）进水闸
又称取水闸、渠首闸。建在河道、水库或湖泊的岸边，用以控制引水流量，以满足灌溉、发电或供水的需要。
（3）分洪闸
常建于河道的一侧，用来将超过下游河道安全泄量的洪水泄入分洪区或分洪道。
（4）排水闸
建于江河沿岸，用来排除内河或低洼地区对农作物有害的渍水。
（5）挡潮闸
建在入海河口附近，涨潮时关闸，退潮时开闸泄水。
（6）冲沙闸（排沙闸）
常建在进水闸一侧的河道上与节制闸并排布置或在引水渠内的进水闸旁。
其他尚有排冰闸、排污闸等。
按闸室结构分：开敞式、胸墙式、涵洞式等。
5.2 水闸的组成
（1）闸室
涉及闸门、闸墩、边墙、底板、胸墙、工作桥、交通桥、启闭机等。
（2）上游连接段
涉及两侧的翼墙、护坡、河床部分的铺盖。
（3）下游连接段
涉及护坦、海漫、防冲槽、两岸的翼墙、护坡等。
5.3 软土地基上水闸的工作特点
（1）软土地基的压缩性大，承载力低，细砂易液化，抗冲能力差。地基也许产生较大的沉降或沉降差，导致闸室倾斜，止水破坏，闸底板断裂，甚至破坏，引起