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水工建筑物实训

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2023年10月12日

水工建筑物实训设计
一、设计目的和规定
水工建筑物课程设计的目的，在于训练初步掌握水工建筑物的设计及计算方法，提高绘图及编写说明书技能，并通过设计巩固所学的理论知识，培养独立解决实际工程问题的能力。
本课程设计系在水库已完毕水利规划的基础上，进行布置和建筑物设计工作。在设计中规定学生根据枢纽任务和枢纽的自然条件等，做出技术上可行、经济上合理、施工运用上安全可靠的布置方案和建筑物的初步设计。
二、 设计内容与环节
1、 拟定组成
根据流域规划对水库提出的任务，并根据地形、地质、水文、气象、建筑材料、交通运送、施工和运用条件等，拟定枢纽中应涉及的重要建筑物，以及各重要建筑物的型式和布置。
2、 调洪演算
根据河道相应标准的设计洪水过程线和校核洪水过程线进行调洪演算，以拟定泄洪建筑物尺寸和调洪库容（其相应的水位即为设计洪水位及校核洪水位）。
3、 建筑物设计
（1） 土坝
①坝型选择 根据土料的种类、储量和分布位置，并考虑施工条件、工程量等因素选择出最优坝型。
②拟定重要尺寸及构造 涉及坝顶高程，坝顶宽，上、下游坝坡，防渗排水设施的型式及尺寸等。
③渗流及稳定计算 本次设计仅进行上游为正常蓄水位条件下的浸润线计算和渗流量计算，并于下游坝坡取一个滑弧进行稳定计算。
④细部设计 涉及坝顶，上、下游护坡，坝面排水，防渗设施与坝体及坝基的连接，反滤层布置等。
（2） 溢洪道
①溢洪道型式及重要尺寸拟定 根据地形地质条件、水流条件、工程量大小及下泄洪水安全归河等因素，拟定溢洪道的型式及重要尺寸。
②泄水渠水面线计算及出口消能计算 拟定边墙（或衬砌）高度及消能设施尺寸。
③构造设计 拟定边墙、护底防渗排水等各部分的构造尺寸。
（3） 涵管
①型式选择 选择进口控制建筑物、管身断面及出口消能设施的型式，并拟定涵管进出口高程。
②涵管水力计算 涉及过水能力计算及出口水流衔接计算。
干支渠渠道防渗技术及其发展趋势
近年来我国随着经济的发展，国家对农业重视，农业用水量随之上升，水利技术水越来越的到人们的重视。本文将农三师四十四团中干渠渠道防渗技术的发展，结合小海子水库实际工程，对渠道防渗技术、防渗效果以及经济效益进行分析，并提出目前渠道防渗技术难点，以及可实行的解决方案。
渠道防渗是我国目前农田灌溉节水措施中最为经济并且易于实行的节水措施之一，是我国目前最优先使用的也是使用范围最为广泛的节水技术措施。渠道防渗的作用不仅可以显著减少水的渗漏，提高渠系水运用系数，并且可以提高输水、输沙能力，水在防渗渠道中的流速一般较土渠高30%左右，引水能力比土渠增长50%左右，同时渠道防渗尚有调控地下水水位、防止土壤盐碱化、沼泽化，改良生态环境和减少渠道管理养护费用以及减小渠道尺寸等作用，正是由于渠道防渗有着如此经济且显著的使用效果才使得进一步发展和优化渠道防渗技术具有了重要的意义。
一、土料防渗
土料防渗就是将渠基土夯实或者在渠床表面铺筑一层夯实的土料防渗层，涉及压实素土、粘砂混合土、三合土、四合土、灰土等。
（1)特点和合用条件
土料防渗具有一定的防渗效果［0.07～0.17m3/（m2 /天）］，能就地取材，造价低廉，技术简朴，群众容易掌握，但允许流速小，抗冻耐久性差，故土料防渗合用于气候温和地区流速较小的中、小型渠道，本地应有丰富的土料资源。
若防渗规定高，本地砂石料缺少，难以采用后述的衬砌方法时，可运用土壤固化剂（如GA剂）对土料进行固结解决。
(2)防渗结构和材料
土料防渗，一般由等厚的土料防渗层构成。如用于寒冷地区，则应根据冰冻情况，加设30～50厘米的保护层，土料防渗层的厚度可参考表1选用。为了防止三合土、四合土、灰土等混合土料防渗层由于温度变化等因素引起裂缝，可每隔3～5米设一条伸缩缝。为了提高土料防渗层的表面强度，可用水泥砂浆抹面1厘米，亦可在灰土、三合土和四合土防渗层表面，涂刷一层1：10～1：15的硫酸亚铁溶液。
素土的选用和混合土料的配合比，应通过实验拟定最大干容重和最佳含水率，按照强度最大、渗透系数最小的原则选用防渗土料。
素土和粘砂混合土应进行泡水实验。若发现试件崩解，或呈浑浊液时，应改换素土和调整粘砂混合土的配合比。
(3)施工要点
土料防渗要做到“六防”即“防渗、防冻胀、防湿胀、防干缩、防滑坡和防冲刷”。除了必须有合理的设计外，施工质量直接影响其效果和寿命。因此，施工时必须掌握好削坡清淤、配料、拌和、铺料、锤实和养护等各个环节。重要应注意如下几点：
土料的原材料应粉碎、过筛，素土粒径不应大于2.0厘米，石灰不应大于0.5厘米。
施工中应严格控制配合比和含水率，拌和后含水率与最佳含水率的偏差值不大于1％。
混合土料宜先干拌后湿拌。
铺筑顺序是三合土、四合土、灰土先渠坡后渠底；素土、粘砂混合土先渠底后渠坡。防渗层厚度大于15厘米时，应分层铺筑。铺筑时应边铺筑，边夯实，夯实后土料的干容重不得小于设计容重。
二、水泥土防渗
1、特点和合用条件。
水泥土防渗分为干硬性水泥土和塑性水泥土两种，北方多用前者，南方多用后者。水泥土具有较好的防渗效果［0.06～0.17m3/（m2 /天）］，能就地取材，造价低，技术简朴，群众容易掌握，其水泥用量与低标号混凝土的水泥用量相称，允许流速小，抗冻性差。合用于温和地区，且附近有砂土和砂壤土而缺少砂石料的渠道。
2、施工要点
（1）水泥土所用土料应风干、粉碎、过5毫米筛。
（2）水泥土铺筑应做到配料准确，拌和均匀、摊铺平整、浇捣密实。拌和水泥土时先干拌后湿拌，铺筑水泥土前，应洒水润湿渠基。半小时左右，将拌好的水泥土，按先渠坡后渠底的顺序均匀地铺筑。初步抹平后，宜在表面撒一层厚2毫米的水泥，随即揉压抹光。应连续铺筑，每次抹和料从加水至铺筑宜在1.5小时内完毕。
（3）设立保护层的塑性水泥土，其保护层应在塑性水泥土初凝前铺设完毕。当保护层为水泥砂浆时，应在水泥砂浆上刷一层水泥浆，用钢板压光，并且养护两周以上。
三、混凝土防渗
1、特点和合用范围
混凝土衬砌渠道具有防渗抗冲效果好，输水能力大，经久耐用，便于管理等特点。因而，合用于各种地形、气候和运营条件的大、中、小型渠道，附近应有骨料来源。
2、施工技术
混凝土衬砌按施工方法分为现浇和预制两种。现浇混凝土防渗层时，除了有分块的两侧挡板和伸缩缝成型夹板外，还应有外模板，否则施工质量不易保证。为节约模板、提高质量、减少成本，可采用活动模板和分块跳仓法、滑模振捣器法施工。近十几年来使用衬砌机浇注U型混凝土渠道，在土基梯形和U形渠道上采用喷射混凝土以及对塑料养护剂的实验应用是混凝土衬砌施工技术的重要发展；现浇完毕后，应及时收面，及时养护。
混凝土预制板初凝后即可拆模；强度达成设计强度的70％方可运送；安砌应平稳、坚固；砌缝应用水泥砂浆填满、压平、抹光。
四、膜料防渗
1、特点和合用条件
膜料防渗是用塑料薄膜或沥青玻璃纤维布油毡或者复合类膜料作防渗层，其上设保护层的防渗方法。膜料防渗性能好，适应变形能力强，南北方均可采用，特别是北方冻胀变形较大的地区，效果抱负。
2、施工技术
膜料防渗的施工程序为渠道基槽开挖整平、薄膜加工及铺衬、保护层回填夯实三个环节。膜料防渗施工质量的核心问题，是在施工过程中保持膜层的完整和土保护层的边坡稳定。
土渠层的铺膜基槽可采用梯形、台阶形、五边形和锯齿形等断面形式，当渠槽开挖整平后，一方面进行灭草解决，然后根据渠道大小将膜料加工成大幅，自渠道下游向上游，由渠道一岸向另一岸铺设膜料，膜料应留有小褶，并平贴渠基。
保护层的回填夯实，直接影响保护层的稳定和衬砌的防渗效果。土保护层可用压实法或浸水泡实法填筑，刚性材料保护层的施工方法与相同材料防渗层施工方法相同。
塑料薄膜渠道防渗技术,顾名思义,就是在渠道内铺设塑料薄膜来防止渗漏的方法。与用混凝土、浆砌石、砖砌等渠道相比,塑料薄膜渠道有不少优点。它不仅大大提高了渠道水的运用系数,并且造价低、运料方便、施工简朴,防渗效果比较抱负。此外这种渠道柔性好,有一定防冻胀能力,适合寒区采用。据有关资料表白,塑料薄膜防渗有效期,在南方可达10—2023,东北寒地也可在9—2023。经实际核算,用塑料薄膜防渗的费用仅为混凝土衬砌的1/8。
五、沥青混凝土防渗
1、特点和合用条件
沥青混凝土衬砌属于柔性结构，其防渗能力强，适应变形性能好，造价与混凝土相近，合用于冻害地区，且附近有沥青料源的渠道。
2、沥青混凝土衬砌分有、无整平胶结层两种。
一般岩石地基的渠道才考虑使用整平胶结层。为提高沥青混凝土的防渗效果，防止沥青老化，在沥青混凝土表面涂刷沥青玛蹄脂封闭层。涂刷的沥青玛蹄脂，必须满足在高温下不流淌，在低温下不脆裂，具有较好的热稳定性和变形性能。沥青混凝土衬砌每隔4～6米应设立横向伸缩缝，以适应外界温度变化对衬砌的影响。
沥青混凝土防渗一般采用等厚断面，中小型渠道为5～6厘米，大型渠道为8～10厘米。整平胶结层应能填平岩石基面。沥青玛蹄脂的厚度一般为2～3毫米。冻脂性土基，渠坡采用楔形断面时，坡顶厚度一般为5～6厘米，坡度厚度8～10厘米。
3、施工技术
沥青混凝土衬砌正式施工前，必须一方面进行试铺筑，以拟定沥青混合料的配合比、摊铺厚度、施工温度、碾压遍数等工艺参数。
沥青混凝土衬砌施工工序是：铺筑整平胶结层→铺筑防渗层→涂刷封闭层。碾压是沥青混凝土衬砌施工的关键环节，按选定的摊铺厚度均匀摊铺后，先静压1～2遍，再振动压实。压实渠坡时，上行振动，下行静压。压实过程中应严格控制施工温度和碾压遍数。
六、我国渠道防渗发展趋势
进二十年来，我国渠道防渗技术得到很高的重视，发展也相称快，从最初简朴的土料防渗到最新高分子防渗材料的使用，我国在渠道防渗工程方面走出了一条符合我国国情、逐步走向高效的经济技术发展路线。由于受到我国目前经济实力的限制，科研经费投入有限，一些深层次的问题还没有得到很好的解决，特别是成套的防渗技术方案和防渗施工的机械化、自动化还没有实现，目前重要还是简朴的靠人力，使用简朴的防渗技术进行防渗解决，致使一些防渗工程耐久性差、易损坏、返修多。要进一步提高防渗水平，节约成本、提高水运用率，这些都是需要解决的问题。
1、渠道防渗发展难点：
(1)在我国北方地区冬季寒冷，渠道防渗工程存在相称严重的冻胀问题。我国目前采用的渠道防渗防冻胀措施大体可归纳为两种：一是进行土的置换或是强夯解决；二是在衬砌的结构上选择合理的衬砌结构和断面形式。为减少基土冻胀作用对渠道防渗工程的破坏,标准冻深大于10cm的季节冻土地区衬砌渠道,必须进行防冻胀设计：做好渠道沿线土质、地下水位、冻深的调查，因地制宜，不同的冻胀情况做好不同的解决方法，并选择有代表性的区段进行实验观测和计算。
(2)特种土基渠道防渗技术。特种土基渠道,指渠床土是湿陷性黄土、盐渍土、软弱土、膨胀土、冻胀土的渠道。在这类渠道上修建防渗工程,应先采用措施,对渠床土进行解决,然后再根据本地条件,选用常用的防渗方法,并注意设立排水设施。
(3)施工机械化及施工工艺的改善。与发达国家机械化施工为主相比，我国目前仍然以人工施工为主，但也在逐步朝机械化方向发展。机械化施工能更加快速、高质量的完毕渠道防渗施工，耐久性好、返修率低、水运用率高。
七、发展和推广防渗工程新技术的对策
(1)渠道防渗工程,虽然形式简朴,但各项技术复杂,应加强设计与施技术培训,建立完善的工程设计审查和评议以及工程施工的监理和监测制度。
(2)增长科研投入力度,增长跨行业合作,在工程材料、设计方法、施工技术和施工机械、等方面增长创新进行深化研究。
(3)提倡就地材料的运用,以减少工程造价，减少周边生态环境的扰动，保护和改善生态环境。
(4)结合节水重点县建设,选择几个具有代表性的的地区,建立综合性高技术示范工程,以促进渠道防渗工程技术的发展。
近几十年以来，我国在干支渠渠道防渗技术以及其在工程应用上取得一定进展，无论是衬砌结构方面还是在防渗材料的开发方面，以及施工新技术方面都取得了长足的进展。随着着我国灌区节水任务的开展，干支渠渠道防渗工程技术必将被大规模地应用。因此，在我国渠道防渗节水在农业方面起着相称重要的作用。然而在渠道防渗的应用过程中必将会发现跟多新的需要去研究的问题，渠道防渗工程技术技术复杂性使其必须加强跨领域合作，加大科研投入以提高渠道防渗抗冻和耐久性为重点以提高施工速度和减少工程造价为目的加大渠道防渗工程技术的研究力度。