水工建筑物.doc

水工建筑物一、水工建筑物分类水工建筑物按服务对象可分为：服务于多种目标的通用性水工建筑物和服务于单一目标的专门性水工建筑物。通用性水工建筑物主要有：挡水建筑物、泄水建筑物、取水建筑物、输水建筑物、整治建筑物等。专门性水工建筑物主要有：水力发电的水电站厂房、高压室（井）、压力前池、压力管道等，城镇供排水的沉淀池、污水处理厂等，内河航运的船闸、升船机、码头、防波堤等，过木、过鱼的筏道、鱼道等，农田水利专用的灌溉管道、喷灌、滴灌等灌水设施以及水土保持、水产养殖、环境水利等专用性水工建筑物。1.挡水建筑物挡水建筑物是控制江河水流、抬高水位、调蓄水量，或为阻挡洪水泛滥、海水入侵而修建的各种闸、坝、堤防、海塘等水工建筑物。河床式水电站厂房、河道中船闸的闸首、闸墙和临时性的围堰等，也属于挡水建筑物。仅用以抬高水位、但高度较低的闸、坝也称壅水建筑物。有不少挡水建筑物兼有其他功能，也常列入其他水工建筑物。如溢流坝、拦河闸、泄水闸常列入泄水建筑物，进水闸则常列入取水建筑物。2.泄水建筑物泄水建筑物是宣泄水库、河道、渠道、涝区超过调蓄或承受能力的洪水或涝水，以及为泄放水库、渠道内存水以利于安全防护或检查维修的水工建筑物。常用的泄水建筑物有：低水头水利枢纽的滚水坝、拦河闸（泄水闸）、冲沙闸；高水头水利枢纽的溢流坝、溢洪道、泄水孔、泄水涵管、泄水隧洞;由河道分泄洪水的分洪闸、溢洪堤;由渠道分泄入渠洪水或多余水量的泄水闸、退水闸;由涝区排泄涝水的排水闸、排水泵站等。泄水建筑物是保证水利枢纽和水工建筑物安全、减免洪涝灾害的重要水工建筑物。3.取水建筑物取水建筑物是从河流、水库、湖泊、地下水等水源取水的水工建筑物，包括进水闸、取（引）水隧洞、坝下取水涵管、坝身取（引）水管、取水泵站等，又称进水建筑物。取水建筑物是农田灌溉、城乡供水、水力发电等用水部门从水源取水必不可少的水工建筑物。4.输水建筑物输水建筑物是输送水的建筑物，是取水建筑物和配（用）水建筑物之间的联接建筑物。主要有输水渠道、输水隧洞、输水涵管、输水管网、渡槽、倒虹吸、跌水、陡坡等。根据不同的水文、地形、地质条件和用水要求选用不同的输水建筑物。输水建筑物是水资源配置中不可缺少的水工建筑物。5.过坝建筑物为船舶、木（竹）材和洄游鱼类通过闸、坝水利枢纽而修建的过坝设施，统称为过坝建筑物。为船舶过坝而设置的水工建筑物称为过船建筑物，主要有船闸、升船机。为木（竹）材流放运输过坝而设置的建筑物或机械设备，称为过木建筑物或机械设备，有水力过坝和机械过坝，主要有筏道、漂木道、过木机等。为鱼类越过闸坝上溯或下行而设置的建筑物或机械设备，称为过鱼建筑物，主要有鱼道、鱼梯、鱼闸、升鱼机、诱鱼设施等。各类过坝设施都要在枢纽中占有一段前缘位置，并与上下游河道有较好的衔接。因此，在水利枢纽总体布置中，各种过坝建筑物与其他水工建筑物的相对位置，应尽可能相互协调，互不干扰，各尽其用。二、水利工程等别和水工建筑物设计标准依据规模、效益、失事后果来衡量水利工程和水工建筑物的重要性，分别以“等”和“级”来表示的一种指标。这种指标直接关系到工程本身的造价、效益、安全及其下游人民生命财产的安全，是我国社会经济发展水平和技术政策的具体体现。1.水利工程等别水利工程按其规模、效益和在国民经济中的重要性进行分等。水利水电工程等级划分及洪水标准（SL 2522000）规定：水利水电枢纽工程根据水库规模、防洪保护对象的重要性和范围、治涝和灌溉规模、供水对象的重要性、水电站装机容量等划分为5等；拦河水闸工程根据其设计过闸流量划分为5等；灌溉、排水泵站工程根据其装机流量和装机功率划分为5等。综合利用水利工程，根据各项分等指标确定的等别不同时，以其最高等别定为整个工程的等别。2.水工建筑物级别水利工程中的永久性建筑根据所属工程的等别及其在工程中的作用和重要性进行分级，临时建筑物根据被保护建筑物的级别、本身规模、使用年限和重要性进行分级。水工建筑物分级，主要是为了对不同级别的水工建筑物采用不同的设计标准，以达到既安全又经济的目的。水利工程永久性水工建筑物，根据其所属工程的等别及其在工程中的重要性划分5级；施工期的临时挡水和泄水建筑物的级别，根据被保护对象的重要性、失事后果、使用年限和临时建筑物的规模确定。当永久性水工建筑物基础的地质条件复杂或采用实践经验较少的新型结构时，可提高一级设计，但洪水设计标准不予提高；工程位置特别重要，失事后损失巨大或影响十分严重者，经过论证并报主管部门批准，25级主要永久性水工建筑物可提高一级设计，并按提高后的级别确定洪水设计标准；工程失事后损失不大者，经过论证并报主管部门批准，14级主要永久性水工建筑物可降低一级设计，并按降低后的级别确定洪水设计标准；水库大坝的土石坝高度超过90m的2级建筑物和超过70m的3级建筑物可提高一级设计，洪水设计标准不予提高；水库大坝的混凝土坝、浆砌石坝高度超过130m的2级建筑物和超过100m的3级建筑物可提高一级设计，洪水设计标准不予提高。3.水工建筑物安全标准水工建筑物的安全问题，不仅关系到其自身的安全，而且直接影响到服务对象的安全，甚至威胁到生命财产的安全。因此，从设计、建设到运行管理都必须严格执行相关规程规范的标准，确保工程安全。根据水利工程长期运行经验总结，水工建筑物的主要安全影响因素有：（1）防洪安全标准。各种防洪保护对象和建筑物本身要求达到防御洪水的标准。通常以频率法计算的某一重现期的设计洪水为防洪标准。我国的防洪标准按防洪标准（GB 5020194）执行。各种挡水建筑物顶部安全超高按水利水电工程等级划分及洪水标准（SL 2522000）执行。（2）抗滑稳定安全系数。标志水工建筑物在荷载作用下抵抗滑动、保持稳定程度的数据指标。通常以滑动面上的抗滑力与滑动力的比值表示。我国在水利水电工程设计中，对于不同的建筑物（重力坝、拱坝、土石坝等）有关规范都有明确规定。（3）抗倾覆稳定安全系数。水工建筑物在荷载作用下抵抗倾覆、保持稳定程度的数据指标。一般为作用在建筑物上的力，通常以建基面上某一计算点所产生抗倾覆力矩与倾覆力矩之比值。（4）强度安全系数。在结构设计中，为保证水工建筑物的安全，对材料强度计算所采用的系数。材料强度系数是对不同材料不同设计方法在不同的范围内取值，它是一个综合性系数。其取值大小直接影响到建筑物的经济性和安全度。而工程结构可靠度设计统一标准（GB 5015392）中规定，强度安全系数的各影响因素在5个分项指标中分别考虑。三、水工建筑物设计荷载作用在水工建筑物上的各种外力及其他产生内力和变形的因素，称为荷载（或作用）。荷载是水工建筑物设计的重要依据。作用在水工建筑物上的荷载按其特性及出现概率分为基本荷载和特殊荷载两类。1.基本荷载直接施加在结构物上的集中力或分布力，对建筑物安全经常起作用的荷载，称为基本荷载。水工建筑物的基本荷载主要有：结构物自重和永久设备自重；水压力，包括静水压力、扬压力（渗透压力和浮托力）、动水压力（水流冲击力、离心力）、浪压力；冰压力（静冰压力和动冰压力）、冻胀力；土压力和淤沙压力；地应力和围岩压力；风荷载和雪荷载；温度荷载（根据混凝土结构特征，分别考虑施工期和运行期温度变化对结构的影响）；移动设备和人群活动产生的可动荷载等。2.特殊荷载荷载在水工建筑物设计基准期内出现的机会（概率）很小，一旦出现其破坏力（量值）很大且持续时间很短的突发性荷载，称为特殊荷载。水工建筑物的特殊荷载主要有：地震荷载，包括地震惯性力、地震动水压力、地震动土压力；校核洪水位时的静水压力。3.荷载组合同时作用在水工建筑物上的各种荷载，称为荷载组合。水工建筑物的荷载除自重外，其他荷载在一定范围变化，各种荷载的耦合概率也不相同。因此，在设计时需要根据实际情况考虑可能同时出现的荷载组合，分别进行建筑物的水力和结构计算，并按荷载组合出现的概率，采用不同的安全系数。我国在水工建筑物荷载设计规范中把荷载组合分为基本组合和特殊组合两类。基本组合由同时出现的几种基本荷载组成，正常蓄水位情况、设计洪水位情况和冰冻情况都属于基本组合。在水工建筑物运行期内，两种特殊荷载同时出现的概率很小，因此，特殊组合由同时出现的几种基本荷载和其中一种特殊荷载组合。长期以来，水工结构设计的荷载计算和组合情况，一般均有各类水工结构设计规范分别作出规定，缺乏统一的取值标准和方法。1994年颁布的水利水电工程结构可靠度设计统一标准（GB 5019994）将荷载统称为作用，荷载组合改称为作用效应组合。目前在实施过程中，荷载与作用、荷载组合与作用效应组合均可采用，经过一段过渡时期后，将统一为一种标准。四、水工建筑材料水工建筑物所用的基本材料主要有：矿物质材料、有机质材料、金属材料和复合材料。1.矿物质材料矿物质材料是以矿物为主要成分的材料，主要包括石料、无机胶凝材料（石灰、水泥、粉煤灰、硅粉、磨细矿渣与天然矿石粉等）。天然石料丰富，且分布很广，便于就地取材。新鲜石料的抗压强度较高，坚固耐久。块状石料多用于堆石或砌石工程，散粒石料或按一定级配轧制的石料用作混凝土的骨料。石灰与水泥为富含钙质的无机胶凝材料，其中石灰为气硬性胶凝材料，水泥则为水硬性胶凝材料。粉煤灰、硅粉、磨细矿渣等工业废料为现代混凝土的重要辅助胶凝材料。以水泥及其辅助胶凝材料配制的砂浆、混凝土和钢筋混凝土在水利工程中应用极为广泛。2.有机质材料有机质材料是含有机质的材料，主要包括木材、沥青及高分子合成材料等。木材具有质轻、强度高，能承受冲击和振动，易于加工，在适宜环境下经久耐用，产地分布广，易于就地取材等特点，是水利工程中的常用材料。沥青主要用于防水、防腐材料。沥青及其改性沥青常用于渠道、蓄水池防渗、大坝的防渗墙、灌注伸缩缝、止水井及灌浆材料。高分子合成材料主要包括合成树脂、塑料、涂料、胶黏剂、合成橡胶、合成纤维及合成化学外加剂等。主要用作黏结剂、防水止水、护面、装修、改性材料以及加固与修补材料等。高分子合成材料发展很快，其品种时有更新，性能不断改善。3.金属材料金属材料是由金属元素组成的单质与合金材料，具有良好的导电性和导热性、强度和弹性，以及延展性，其组织均匀密实，为晶体结构。分为黑色金属和有色金属两大类。黑色金属材料在水利工程中应用广泛，如用于钢结构中的型钢（圆钢、角钢、槽钢、工字钢）、板材和管材；用于钢筋混凝土结构中的钢筋和钢丝等。水力发电工程中的电厂设备、送变电设备、施工机械及钢闸门、钢模板等都需用大量钢材和有色金属材料。4.复合材料两种或两种以上的材料复合组成的材料，一般常以不同的非金属（或金属）材料相复合或非金属材料与金属材料相复合。复合材料能发挥组成材料各自的优点，克服单一材料的缺点，其综合性能往往是单一材料无法相比的。工程复合材料一般由高强度、高弹模的增强材料（如玻璃纤维、钢纤维、合成纤维、碳纤维、金属材料等）和基体（如塑料、树脂、橡胶、水泥砂浆、混凝土等）组成,如水利工程用的聚合物混凝土、土工合成材料、合成胶黏剂等。