河海大学水工建筑物.pptx

水水 工工 建建 筑筑 物物(农业水利工程专业农业水利工程专业)任课教师：詹美礼任课教师：詹美礼 戴文鸿戴文鸿学时：学时：4040考试成绩评定：考试成绩评定：1 1、笔试、笔试 70%70%；2 2、课堂出勤及练习、课堂出勤及练习 30%;30%;3 3、缺课、缺课20%20%者取消参加考试资格。者取消参加考试资格。教学环节：教学环节：1 1、课堂授课；、课堂授课；2 2、课外练习；、课外练习；3 3、观看教学录象；、观看教学录象；4 4、课外实验；、课外实验；5 5、课程认识实习；、课程认识实习；6 6、课程设计；、课程设计；7 7、生产实习；、生产实习；8 8、毕业设计。、毕业设计。教学大纲说明教学大纲说明(农业水利工程专业用农业水利工程专业用)课程特点课程特点是是农农业业水水利利工工程程专专业业的的一一门门专专业业课课。介介绍绍水水工工建建筑筑物物的的基基本本知知识识，阐阐述述水水工工建建筑筑物物的的设设计计基基本本理理论论；同同时时，结结合合这这门门课课，培培养养学学生生分分析析问问题题和和独独立立解解决决问问题题的的能能力力、自自学学能能力力，培培养养学学生生有有关关设设计计计计算算、绘绘图图及及科科学学试试验的基本技能。验的基本技能。课程内容课程内容一、本课程重点章名一、本课程重点章名1 1、绪论、绪论、2 2、重力坝、重力坝3 3、拱坝、拱坝4 4、土石坝、土石坝5 5、河岸溢洪道、河岸溢洪道6 6、隧洞、隧洞7 7、水闸、水闸8 8、渡槽。、渡槽。二、所讲的各章内容重点、深度要求等分别说明以下：二、所讲的各章内容重点、深度要求等分别说明以下：1 1、绪绪论论：主主要要阐阐明明水水利利枢枢纽纽定定义义、组组成成及及分分类类，水水利利工工程程标标准准以以及本专业课的学习方法。及本专业课的学习方法。2 2、重重力力坝坝：本本章章重重点点是是荷荷载载及及其其组组合合、抗抗滑滑稳稳定定分分析析 、坝坝体体应应力计算及基本构造力计算及基本构造 。荷荷载载及及其其组组合合，不不仅仅针针对对本本章章而而言言，对对其其它它水水工工建建筑筑物物均均有有用用处，要注意讲清基本概念。处，要注意讲清基本概念。抗抗滑滑稳稳定定分分析析中中，不不仅仅介介绍绍计计算算方方法法与与公公式式，而而且且要要加加以以分分析析并要讲解计算公式中各种参数的选用问题。并要讲解计算公式中各种参数的选用问题。应应力力分分析析要要讲讲清清孔孔隙隙水水应应力力和和接接触触应应力力的的概概念念，以以便便讲讲清清楚楚未未考虑扬压力计算的应力和考虑扬压力计算的应力。考虑扬压力计算的应力和考虑扬压力计算的应力。坝坝体体材材料料及及构构造造，地地基基处处理理这这两两部部分分，要要交交待待其其在在工工程程中中的的重重要要性性。限限于于时时间间及及毕毕业业后后工工作作中中学学习习，所所以以在在讲讲课课时时讲讲清清其其设设计基本原理，简要介绍主要措施。计基本原理，简要介绍主要措施。3 3、拱坝：、拱坝：本本章章重重点点是是拱拱坝坝布布置置，应应力力分分析析及及坝坝头头稳稳定定分分析析。坝坝体体应应力力分分析析中中，温温度度荷荷载载要要讲讲清清楚楚。限限于于课课时时，这这里里主主要要讲讲解解拱拱坝坝的的工工作原理与重力坝不同之处。作原理与重力坝不同之处。4 4、土石坝、土石坝本章重点是：渗流计算与稳定计算。土料设计也要重视。本章重点是：渗流计算与稳定计算。土料设计也要重视。稳稳定定计计算算中中，要要注注意意那那些些与与土土力力学学课课程程重重复复之之处处，如如圆圆弧弧法法。这这部部分分也也可可简简单单地地提提一一下下，起起到到衔衔接接作作用用。在在稳稳定定计计算中，还要注意讲清计算条件及计算参数的选用等问题。算中，还要注意讲清计算条件及计算参数的选用等问题。反反滤滤层层的的作作用用，要要求求及及其其设设计计，要要讲讲清清楚楚，以以后后的的水水闸闸一一章中就不重复讲。章中就不重复讲。不不透透水水地地基基上上带带棱棱体体排排水水的的均均质质土土坝坝渗渗流流计计算算、堆堆石石坝坝及及土石混合坝，仅作简单的介绍。土石混合坝，仅作简单的介绍。5 5、河岸溢洪道、河岸溢洪道本本章章重重点点是是：开开敞敞式式正正槽槽溢溢洪洪道道的的泄泄水水槽槽设设计计原原则则以以及及侧侧槽槽式式溢流洪道中的侧槽设计。溢流洪道中的侧槽设计。非非常常溢溢洪洪措措施施，要要讲讲其其重重要要性性。至至于于其其型型式式及及结结构构部部分分，仅仅作作简要介绍。简要介绍。6 6、隧道与涵管、隧道与涵管本章重点为隧道衬砌结构计算。本章重点为隧道衬砌结构计算。隧洞的线路选择，讲解原则。不要花太多时间。隧洞的线路选择，讲解原则。不要花太多时间。隧洞消能计算，与重力坝消能部分联系起来讲。隧洞消能计算，与重力坝消能部分联系起来讲。7 7、水闸、水闸本本章章重重点点是是，孔孔口口尺尺寸寸的的确确定定，消消能能防防冲冲、闸闸基基渗渗流流，闸闸室室稳稳定及闸室结构计算。定及闸室结构计算。孔孔口口尺尺寸寸。主主要要针针对对拦拦河河闸闸讲讲解解。至至于于进进水水闸闸的的孔孔口口尺尺寸寸确确定定，仅讲其与拦河闸不同之处。仅讲其与拦河闸不同之处。讲讲解解消消能能方方式式时时要要注注意意其其与与水水力力学学课课程程内内容容的的衔衔接接、重重复复等问题。等问题。地地下下轮轮廓廓线线布布置置，要要结结合合不不同同地地基基、水水闸闸的的不不同同要要求求等等讲讲解。解。闸室结构计算的重点是底板计算，其次是闸墩。闸室结构计算的重点是底板计算，其次是闸墩。8 8、渡槽、渡槽梁梁式式渡渡槽槽的的重重点点是是：渡渡槽槽纵纵剖剖面面设设计计，荷荷载载及及其其组组合合，稳稳定定计计算算及及槽槽身身结结构构计计算算。拱拱式式渡渡槽槽重重点点是是：主主拱拱圈圈轴轴线线的的确定及主拱圈结构计算。确定及主拱圈结构计算。槽槽身身横横剖剖面面结结构构计计算算，可可对对一一种种形形式式（如如矩矩形形）讲讲透透，其其它剖面的计算，仅讲其不同之处。它剖面的计算，仅讲其不同之处。主主拱拱圈圈轴轴线线及及主主拱拱圈圈结结构构计计算算，既既要要讲讲清清物物理理概概念念，又又要要讲清其必要的数学推导问题。讲清其必要的数学推导问题。第第1 1章章 绪论绪论第一节、水资源与水利建设第一节、水资源与水利建设 一、水资源一、水资源1 1、为什么说水是一种重要资源？、为什么说水是一种重要资源？(1)(1)必需品必需品生命、工农业生产；生命、工农业生产；(2)(2)必要介质必要介质航运交通，水产事业；航运交通，水产事业；(3)(3)重要能源重要能源可利用，可再生；可利用，可再生；(4)(4)必要条件必要条件改善环境，发展旅游。改善环境，发展旅游。2 2、全球水量分布特点：、全球水量分布特点：海洋咸水为主，淡水海洋咸水为主，淡水2.52.53 3、我国水资源分布特点：、我国水资源分布特点：(1)(1)我国水资源不丰富我国水资源不丰富(人均意义人均意义-占全球人均占全球人均1/4)1/4)；(2)(2)降水在时间，区域分布上不均衡；降水在时间，区域分布上不均衡；(3)(3)我国西部水能资源丰富。我国西部水能资源丰富。二、水利建设二、水利建设1 1、悠久的发展史、悠久的发展史 (1)(1)岷江都江堰分洪灌溉工程岷江都江堰分洪灌溉工程(泰代泰代李冰李冰)；(2)(2)芍级大型蓄水灌溉工程芍级大型蓄水灌溉工程公元前公元前600600年左右；年左右；(3)(3)引引漳漳十十二二渠渠工工程程(十十二二级级低低坝坝引引水水)公公元元前前390390年年左右；左右；(4)(4)四千年前大禹冶水四千年前大禹冶水黄河大堤。黄河大堤。2 2、新中国水利建设成就、新中国水利建设成就(1949(1949 )(1)(1)堤防堤防(整修，兴建整修，兴建)170000KM)170000KM (2)(2)河道疏竣，整治，海河，淮河河道疏竣，整治，海河，淮河开辟排洪；开辟排洪；(3)(3)兴建水库：兴建水库：8600086000多座多座 (4)(4)灌溉：万亩灌区灌溉：万亩灌区25002500多处；多处；(5)(5)电站装机：电站装机：34583458万万KWKW3 3、展望、展望 (1)(1)大江，大河防洪达标问题，中小河流尚待根治；大江，大河防洪达标问题，中小河流尚待根治；(2)(2)农业受制于自然、地理、气候条件农业受制于自然、地理、气候条件 (3)(3)工业和城市用水迅猛增长，水资源等缺口日益严重；工业和城市用水迅猛增长，水资源等缺口日益严重；(4)(4)水能资源已开发量与可开发量的比例尚低；水能资源已开发量与可开发量的比例尚低；(5)(5)倡导环境水利。倡导环境水利。第二节第二节 水利枢纽与水工建筑物水利枢纽与水工建筑物一、基本概念一、基本概念1 1、水水利利枢枢纽纽由由几几种种不不同同类类型型与与功功能能的的水水工工建建筑筑物物聚聚合合一一起起组组成的成的建筑物群建筑物群，以，以控制水流控制水流并便于并便于协调运行与管理协调运行与管理。2 2、水水工工建建筑筑物物凡凡实实现现某某一一水水利利、水水电电功功能能为为防防洪洪、发发电电、灌灌溉、航运等的溉、航运等的建筑物建筑物，如，如控制水位，调节水流，兴利除害控制水位，调节水流，兴利除害。在农田水利工程中，常见的水利枢纽有以下三种。在农田水利工程中，常见的水利枢纽有以下三种。(1)(1)蓄水枢纽蓄水枢纽。为了满足防洪、灌溉、发电等各种要求，常需。为了满足防洪、灌溉、发电等各种要求，常需在河流上修建拦河坝，以形成水库，拾高水位，调节径流。这种在河流上修建拦河坝，以形成水库，拾高水位，调节径流。这种以拦河坝为主体的水利枢纽称蓄水枢纽以拦河坝为主体的水利枢纽称蓄水枢纽(或水库枢纽或水库枢纽)。蓄水枢纽除拦河坝外，还包括：蓄水枢纽除拦河坝外，还包括：泄水建筑物；泄水建筑物；取水建筑物。取水建筑物。这三种建筑物是任何一个蓄水枢纽均不可缺少的。除上述三种建这三种建筑物是任何一个蓄水枢纽均不可缺少的。除上述三种建筑物外，根据开发目标的不同，还可能有专门建筑物，如水电站、筑物外，根据开发目标的不同，还可能有专门建筑物，如水电站、通航船闸等。通航船闸等。(2)(2)取水枢纽取水枢纽。为了从河流、湖泊等水源取水，以满足灌溉及其他用为了从河流、湖泊等水源取水，以满足灌溉及其他用水部门的需要。而水部门的需要。而在渠首河段附近修建的建筑物综合体称在渠首河段附近修建的建筑物综合体称取水枢纽。取水枢纽。主要包括进水闸、滚水坝主要包括进水闸、滚水坝(或拦河或拦河闸闸)、防沙及冲沙设施等，对综合利用的取水枢纽，还可能、防沙及冲沙设施等，对综合利用的取水枢纽，还可能有电站、船闸、鱼道、筏道等专门建筑物。有电站、船闸、鱼道、筏道等专门建筑物。(3)(3)泵站枢纽泵站枢纽。为了为了将低处水提送到高处将低处水提送到高处以以达到灌溉、排涝、航运、达到灌溉、排涝、航运、发电发电等目的而兴建的等目的而兴建的以泵站为主体的水工建筑物综合体称以泵站为主体的水工建筑物综合体称为泵站枢纽为泵站枢纽。组成这种枢纽的建筑物类型，因枢纽任务和。组成这种枢纽的建筑物类型，因枢纽任务和工作条件不同而各有差别，但多以泵站及水闸为主体。工作条件不同而各有差别，但多以泵站及水闸为主体。（4 4）渠系建筑物：渠道在调水和配水过程中，为了）渠系建筑物：渠道在调水和配水过程中，为了控制水控制水流、合理分配水量、保证渠道安全流、合理分配水量、保证渠道安全运用以及使渠道运用以及使渠道通过天通过天然或人工障碍然或人工障碍，需，需在渠道上修建一系列建筑物，统称为渠在渠道上修建一系列建筑物，统称为渠道系统上的水工建筑物道系统上的水工建筑物，或，或简称渠系建筑物简称渠系建筑物。二、水工建筑物分类二、水工建筑物分类1 1、按功能分、按功能分 (一一)挡水建筑物：如拦河坝、堤防、施工围堰等；挡水建筑物：如拦河坝、堤防、施工围堰等；功能：拦截或约束水流。功能：拦截或约束水流。(二二)泄泄水水建建筑筑物物：如如溢溢流流坝坝、泄泄水水闸闸(孔孔)、河河岸岸溢溢洪洪道道、泄水隧洞；泄水隧洞；功能：宣泄多余洪水降低水位、放空。功能：宣泄多余洪水降低水位、放空。(三三)输输水水建建筑筑物物：引引水水隧隧洞洞、涵涵管管、渠渠道道、渡渡槽槽、倒倒虹虹吸管、输水涵洞等；吸管、输水涵洞等；功能：将水源从一处输送到另一处。功能：将水源从一处输送到另一处。(四四)取水建筑物：取水口、进水闸、扬水泵站等；取水建筑物：取水口、进水闸、扬水泵站等；功能：从水源取水以达应用之目的。功能：从水源取水以达应用之目的。(五五)整整治治建建筑筑物物：丁丁坝坝、顺顺坝坝、潜潜坝坝、导导流流坝坝、防防波波堤堤、护岸等；护岸等；功功能能：改改善善河河道道水水流流条条件件，调调整整河河势势，稳稳定定河河床床(槽槽)，保保护护河岸。河岸。(6)(6)专门建筑物。是为某种特定的专门建筑物。是为某种特定的单一目标单一目标而专门修建的建筑而专门修建的建筑物，如水电站厂房、船闸、鱼道及筏道等。物，如水电站厂房、船闸、鱼道及筏道等。2 2、按建筑物使用期限分类、按建筑物使用期限分类 按使用期限分类可分为按使用期限分类可分为永久性永久性建筑物和建筑物和临时临时性性建筑物两大类。建筑物两大类。永久性建筑物永久性建筑物-指枢纽工程运行期间使用的建筑指枢纽工程运行期间使用的建筑物。物。根据其重要件又分为根据其重要件又分为主要建筑物主要建筑物和和次要建筑物次要建筑物。主要建筑物主要建筑物-指指失事后失事后将将造成下游灾害造成下游灾害或或严重影响工程效益严重影响工程效益的建筑物。如坝、水闸、泄洪建筑物、电站厂房等。的建筑物。如坝、水闸、泄洪建筑物、电站厂房等。次要建筑物次要建筑物-指指失事后失事后不致造成下游灾害或对工程效益不致造成下游灾害或对工程效益影响影响不大不大并并易于修复易于修复的建筑物。如挡土墙、护岸、导流墙等。的建筑物。如挡土墙、护岸、导流墙等。临时性水工建筑物临时性水工建筑物-指枢纽工程施工期间使用的指枢纽工程施工期间使用的建筑物。如导流建筑物、施工围堰等。建筑物。如导流建筑物、施工围堰等。3 3、水工建筑物的特点、水工建筑物的特点(一一)工作条件的复杂性工作条件的复杂性：水工建筑物在运用时，其工作条件因水的作用远较一般的建水工建筑物在运用时，其工作条件因水的作用远较一般的建筑物复杂。例如挡水建筑物，筑物复杂。例如挡水建筑物，在上下游水位差的作用下，将在上下游水位差的作用下，将承受相当大的水平推力。承受相当大的水平推力。为此，建筑物与地基必须有足够的为此，建筑物与地基必须有足够的抗滑力以维持稳定。与此同时，抗滑力以维持稳定。与此同时，上游的水还将通过建筑物和上游的水还将通过建筑物和地基向下游渗透，形成渗透水压力，这不仅降低了建筑物的地基向下游渗透，形成渗透水压力，这不仅降低了建筑物的稳定性，还将可能使地基遭受破坏而危及建筑物的安全。稳定性，还将可能使地基遭受破坏而危及建筑物的安全。又又如泄水建筑物，如泄水建筑物，下泄的高速水流可能引起建筑物的气蚀、磨下泄的高速水流可能引起建筑物的气蚀、磨损、振动，以及冲刷破坏损、振动，以及冲刷破坏，故需设计合理的水流边界，采用，故需设计合理的水流边界，采用抗磨材料，抗磨材料，设置消能防冲设施等。此外，有的水工建筑物设置消能防冲设施等。此外，有的水工建筑物还要承受库水对建筑物还要承受库水对建筑物附加的浪压力、冰比力、地震时产生附加的浪压力、冰比力、地震时产生的地震动水压力、水的化学侵蚀作用的地震动水压力、水的化学侵蚀作用等。等。(二二)设计选型的独特性设计选型的独特性水工建筑物的工作条件还与其所在地区的地形、水工建筑物的工作条件还与其所在地区的地形、地质、水文、气象等条件有密切关系。地质、水文、气象等条件有密切关系。由于各个地区情况不同、由于各个地区情况不同、自然条件千差万别自然条件千差万别，每，每个水工建筑物都有其个水工建筑物都有其特定的工作条件特定的工作条件，这就决定，这就决定了每个水工建筑物都具有一定的了每个水工建筑物都具有一定的独特性独特性。(三三)施工建造的艰巨性施工建造的艰巨性 在河道、湖泊及其他水域修建水工建筑物，施工条件在河道、湖泊及其他水域修建水工建筑物，施工条件要比其他建筑物复杂得多。要比其他建筑物复杂得多。首先在水中施工需首先在水中施工需修建围堰修建围堰，并保护水工建筑物施工不受水流影响。如果建筑物修建在并保护水工建筑物施工不受水流影响。如果建筑物修建在河道上，还要河道上，还要截流截流，并采取，并采取导流措施导流措施，将上游来水安全导，将上游来水安全导向下游。这些工作十分重要且非常艰巨，处理不好会影响向下游。这些工作十分重要且非常艰巨，处理不好会影响施工甚至始误工期。其次、水工建筑物的施工甚至始误工期。其次、水工建筑物的工程量大工程量大、施工、施工项目多、工期紧、强度大，相互干扰严重，而且还需注意项目多、工期紧、强度大，相互干扰严重，而且还需注意解决施工过程中的防洪及渡汛问题，以确保安全。施工受解决施工过程中的防洪及渡汛问题，以确保安全。施工受自然条件影响大自然条件影响大、受季节性制约受季节性制约强，可变因素多，而且强，可变因素多，而且施施工技术复杂工技术复杂。如。如地下或水下施工地下或水下施工、复杂地基复杂地基的处理、大体的处理、大体积混凝土：施工的积混凝土：施工的温度控制温度控制等。此外，对于一个大型水利等。此外，对于一个大型水利工程，施工所需材料、设备和生活资料数量十分庞大，而工程，施工所需材料、设备和生活资料数量十分庞大，而工程往往又地处高山峡谷，工程往往又地处高山峡谷，交通运输交通运输也很困难。也很困难。(四四)失事后果的严重性失事后果的严重性水工建筑物，特别是堤坝等挡水建筑物，一旦失事，将给下水工建筑物，特别是堤坝等挡水建筑物，一旦失事，将给下游人民的生命财产和经济建设带来灾难性损失。因此，在勘游人民的生命财产和经济建设带来灾难性损失。因此，在勘测、规划、设计、施工及管理时都要慎重对待，按科学规律测、规划、设计、施工及管理时都要慎重对待，按科学规律办事，妥善解决安全与经济的矛盾。办事，妥善解决安全与经济的矛盾。第三节第三节 水利枢纽与水工建筑物的等级划分水利枢纽与水工建筑物的等级划分 为了解决安全性与经济性的矛盾，首先要对水利枢纽进行分为了解决安全性与经济性的矛盾，首先要对水利枢纽进行分等，对水工建筑物进行分级，等级越高者，在规划、设计、施工等，对水工建筑物进行分级，等级越高者，在规划、设计、施工和管理等方面的要求也越高。和管理等方面的要求也越高。(一一)等别：共分五等等别：共分五等 确定原则：确定原则：工程模型大小，效益大小。工程模型大小，效益大小。失事后的破坏程度。失事后的破坏程度。对于综合利用的多功能工程，其等别按最高者对于综合利用的多功能工程，其等别按最高者为标准。为标准。工程工程等别等别工程工程规模规模分等指标分等指标水库总库容水库总库容（10108 8m m3 3）防洪防洪灌溉面积灌溉面积（10104 4hmhm2 2）水电站水电站装机容量装机容量（10104 4kwkw2 2）保护城镇保护城镇及工矿区及工矿区保护农田面积保护农田面积（10104 4hmhm2 2）一一大（大（1 1）型）型1010特别重要特别重要城市、工矿区城市、工矿区33.3333.3310107575二二大（大（2 2）型）型1.010.01.010.0重要城市、重要城市、工矿区工矿区33.336.6733.336.67103.33103.3375257525三三中型中型1.00.11.00.1中等城市、中等城市、工矿区工矿区6.6726.6723.330.333.330.33252.5252.5四四小（小（1 1）型）型0.10.010.10.01一般城市、一般城市、工矿区工矿区220.330.030.330.032.50.052.50.05五五小（小（2 2）型）型0.010.0010.010.0010.30.30.051010特别特别重要重要33.3333.3313.3313.331010特别特别重要重要二二大（大（2 2）型）型1.010.01.010.0重要重要33.336.6733.336.6713.334.013.334.0103.33103.33重要重要三三中型中型1.00.11.00.1中等中等6.6726.6724.01.04.01.03.330.333.330.33中等中等252.5252.5四四小（小（1 1）型）型0.10.010.10.01一般一般2.00.332.00.331.00.21.00.20.330.030.330.03一般一般2.50.052.50.05五五小（小（2 2）型）型0.010.0010.010.0010.330.330.20.20.30.30.05200200大（大（2 2）型）型2005020050中型中型50105010小（小（1 1）型）型102102小（小（2 2）型）型2300300300100300100100201002020520555表表0-6 0-6 坝的提级标准坝的提级标准坝的原级别坝的原级别2 23 34 45 5坝高坝高（m m）土坝、堆石土坝、堆石坝、干砌石坝、干砌石坝坝9090707050503030混凝土坝、混凝土坝、浆砌石坝浆砌石坝1301301001007070404011、升级：、升级：a a、坝高超过规范表列数值可提高一级，但洪水标准不予提、坝高超过规范表列数值可提高一级，但洪水标准不予提高；高；b b、工程地质条件特别复杂或实践经验缺泛、新坝型、新材、工程地质条件特别复杂或实践经验缺泛、新坝型、新材料，提高一级，但洪水标准不予提高；料，提高一级，但洪水标准不予提高；c c、综合利用工程，库容和不同用途分等指标有两项接近同、综合利用工程，库容和不同用途分等指标有两项接近同一等别上限时，将共同主要建筑物提高一级。一等别上限时，将共同主要建筑物提高一级。22、降级：应格外慎重，并报上级审批、降级：应格外慎重，并报上级审批（三三）、不不同同级级别别水水工工建建筑筑物物的的不不同同要要求求的的具具体体表现：表现：(1)(1)抗御洪水能力抗御洪水能力：洪水标准，坝顶安全超高；：洪水标准，坝顶安全超高；(2)(2)强强度度和和稳稳定定性性：建建筑筑物物强强度度，稳稳定定安安全全系系数，抗裂要求，限制变形；数，抗裂要求，限制变形；(3)(3)建筑材料建筑材料：品种，质量，标号，耐久性；：品种，质量，标号，耐久性；(4)(4)运运行行可可靠靠性性：各各尺尺寸寸裕裕度度，是是否否设设置置专专门门设备等。设备等。第二章第二章 重力坝重力坝1.1 1.1 概述概述 重重力力坝坝是是一一种种古古老老而而迄迄今今仍仍广广泛泛应应用用的的一一种种坝坝型型，因因主主要要依依靠靠自重维持稳定而得名。自重维持稳定而得名。发展进程发展进程：材料材料:1919世纪前世纪前毛石砌体毛石砌体1919世纪后世纪后砼砼2020世纪世纪7070年代年代碾压砼重力坝碾压砼重力坝 施工工艺，筑坝技术：施工工艺，筑坝技术：a)a)防渗排水防渗排水减小扬压力减小扬压力 b)b)施工分缝，灌浆施工分缝，灌浆温度控制温度控制 c)c)低热水泥，分块浇筑低热水泥，分块浇筑提高施工速度提高施工速度 d)d)新坝型：碾压砼重力坝新坝型：碾压砼重力坝 e)e)新结构：拱形重力坝，宽缝重力坝，空腹重力坝新结构：拱形重力坝，宽缝重力坝，空腹重力坝 f)f)实现复杂地基上建坝实现复杂地基上建坝(基础处理技术发展基础处理技术发展)。设计理论发展设计理论发展 a)a)有限元理论有限元理论 b)b)可靠度理论可靠度理论 c)c)坝基渗流场，应力场耦合作用分析理论坝基渗流场，应力场耦合作用分析理论 d)d)优化设计理论等优化设计理论等1.1.11.1.1、重力坝的工作原理和特点、重力坝的工作原理和特点 1 1、重力坝的工作原理：、重力坝的工作原理：依依靠靠坝坝体体自自重重在在坝坝基基面面上上产产生生摩摩阻阻力力来来抵抵抗抗水水平水压力平水压力以达到稳定要求；以达到稳定要求；利用利用坝体自重坝体自重在水平截面上产生的在水平截面上产生的压应力压应力来来抵消抵消由于水压力引起的由于水压力引起的拉应力拉应力以满足强度要求。以满足强度要求。由此决定了由此决定了重力坝的剖面特征重力坝的剖面特征：1)1)剖面较大剖面较大；2)2)一般为上游面接近于垂直的一般为上游面接近于垂直的三角形剖面三角形剖面。2 2、重力坝与其他坝型相比具有的、重力坝与其他坝型相比具有的显著特点显著特点表现在：表现在：重重力力坝坝筑筑坝坝材材料料抗抗冲冲能能力力强强坝坝顶顶溢溢流流，利利用用较较低低的的坝坝块块，底孔导流；底孔导流；重重力力坝坝结结构构简简单单一一般般可可不不设设河河岸岸溢溢洪洪道道或或泄泄水水隧隧洞洞，便便于于施施工；工；对对地地形形地地质质条条件件适适应应性性较较好好，但但对对地地基基要要求求高高于于土土石石坝坝，要要求求地基有地基有较高的承载能力较高的承载能力；由由于于坝坝与与坝坝基基接接触触面面积积大大，受受扬扬压压力力作作用用亦亦较较大大，故故需需采采取取有有效的效的防渗排水防渗排水措施，措施，降低扬压力降低扬压力，增强坝体稳定，改善应力状况；，增强坝体稳定，改善应力状况；大大坝坝坝坝体体大大，材材料料强强度度不不能能充充分分发发挥挥，坝坝体体应应力力一一般般不不大大，材材料强度不能充分发挥，料强度不能充分发挥，不同部位采用不同标号砼，以降低造价不同部位采用不同标号砼，以降低造价；坝坝体体体体积积大大，水水泥泥用用量量多多，水水化化热热高高，易易引引起起开开裂裂，温温度度控控制制问题突出；问题突出；注：重力坝设计，亦围绕上述特点和主要问题展开。注：重力坝设计，亦围绕上述特点和主要问题展开。1.1.21.1.2、重力坝的类型、重力坝的类型 （1 1）按结构形式分类：）按结构形式分类：1 1、实体重力坝、实体重力坝 2 2、宽缝重力坝、宽缝重力坝 3 3、空腹重力坝、空腹重力坝 4 4、预应力重力坝、预应力重力坝（2 2）按泄流条件分类：溢流、非溢流）按泄流条件分类：溢流、非溢流（3 3）按筑坝材料分类：混凝土、浆砌石）按筑坝材料分类：混凝土、浆砌石（4 4）按施工方法分类：浇注混凝土、碾压混凝）按施工方法分类：浇注混凝土、碾压混凝土。土。1.1.31.1.3、重力坝的布置、重力坝的布置 如图如图1 13 3所示所示 1 1、组组成成：溢溢流流坝坝段段、非非溢溢流流坝坝段段(挡挡水水坝坝段段)、连连接接边边墩墩、导导流流墙、坝顶建筑物；墙、坝顶建筑物；2 2、布置原则：、布置原则：坝轴线坝轴线一般为直线，必要时可布置为折线或拱形曲线，即一般为直线，必要时可布置为折线或拱形曲线，即拱形重力坝；拱形重力坝；各坝段协调一致；各坝段协调一致；溢流坝段，厂房重迭布置溢流坝段，厂房重迭布置(坝体式，坝后式坝体式，坝后式厂顶溢流厂顶溢流)1.2 1.2 重力坝上的作用（荷载）重力坝上的作用（荷载）1.2.11.2.1作用及其分类作用及其分类 结构上的作用又称荷载，指对结构产生效应（内力、变形结构上的作用又称荷载，指对结构产生效应（内力、变形等）的各种原因的总称。等）的各种原因的总称。作用：作用：直接作用直接作用施加在结构上的集中力或分布力；施加在结构上的集中力或分布力；间接作用间接作用使结构产生外加变形或约束变形的原因，如地使结构产生外加变形或约束变形的原因，如地震、变温作用等。震、变温作用等。作用分类（随时间的变异）：作用分类（随时间的变异）：永久作用永久作用设计基准期内量值不随时间变化，或其变化与平均值设计基准期内量值不随时间变化，或其变化与平均值相比可忽略不计的作用；相比可忽略不计的作用；（自重、永久设备、土压力、泥沙压力、（自重、永久设备、土压力、泥沙压力、地应力、予应力等）地应力、予应力等）可变作用可变作用设计基准期内量值随时间变化的作用；设计基准期内量值随时间变化的作用；（静水压力、（静水压力、扬压力、动水压力、浪压力、冰压力、冻涨力、变温作用等）扬压力、动水压力、浪压力、冰压力、冻涨力、变温作用等）偶然作用偶然作用设计基准期内出现概率很小，一旦出现其量值很大且设计基准期内出现概率很小，一旦出现其量值很大且持续时间很短的作用。（持续时间很短的作用。（地震作用、校核水位作用地震作用、校核水位作用）1.2.21.2.2作用的计算作用的计算主要荷载：见图主要荷载：见图1 14 4，重力坝上作用力示意图，包括：，重力坝上作用力示意图，包括：自重；自重；上、下游坝面水压力；上、下游坝面水压力；扬压力；扬压力；浪压力；浪压力；泥沙压泥沙压力；力；地震荷载；地震荷载；冰压力等。冰压力等。三种主要荷载计算：三种主要荷载计算：（一）坝体自重：（一）坝体自重：混凝土混凝土23.523.524.0kN/m24.0kN/m3 3（较大孔洞扣除）（较大孔洞扣除）；永久设备等；永久设备等；非固定设备等。非固定设备等。（二）静水压力：（二）静水压力：水平水压力；水平水压力；铅直水压力铅直水压力n-n-上游坝坡系数，上游坝坡系数，H H1 1-坝前水深坝前水深（三）扬压力（三）扬压力取决于地基地质条件，防渗排水措施，坝体结构形式取决于地基地质条件，防渗排水措施，坝体结构形式1 1、坝基面的扬压力、坝基面的扬压力 见图见图1 15 5无防渗排水措施无防渗排水措施 有防渗帷幕和排水有防渗帷幕和排水 扬压力折减系数扬压力折减系数河床坝段河床坝段0.20.20.3 0.3 岸坡段岸坡段0.30.30.40.42 2、坝体内部扬压力、坝体内部扬压力 见图见图1 16 6，坝体水平截面上扬压力分布，坝体水平截面上扬压力分布分下游水位以上、以下两种情况：分下游水位以上、以下两种情况：1 1）下游水位以上）下游水位以上上游面：上游面：排水孔幕处排水孔幕处 ：下游坝面：下游坝面：0.0 0.0 控制点之间按线性分布控制点之间按线性分布2)2)下游水位以下下游水位以下上游面：上游面：排水孔幕处：排水孔幕处：下游面：下游面：控制点之间按线性分布。控制点之间按线性分布。(四四)、浪压力、浪压力(自学自学)1 1、波浪要素计算：、波浪要素计算：要素：波高、波长、波浪中心线高出静水位的高度要素：波高、波长、波浪中心线高出静水位的高度官厅水库公式（官厅水库公式（内陆峡谷内陆峡谷）h-h-波高，波高，L Lm m-波长，波长，V V0 0-计算风速，计算风速，D-D-吹程。吹程。鹤地水库公式（鹤地水库公式（丘陵、平原丘陵、平原）注意应用条件注意应用条件。H H2%2%-累计频率为累计频率为2%2%的波高。的波高。波浪中心线高出静水位的高度波浪中心线高出静水位的高度2 2、直墙式挡水建筑物的浪压力计算（自学）、直墙式挡水建筑物的浪压力计算（自学）分三类：分三类：1 1、深水波、深水波 2 2、浅水波、浅水波 3 3、破碎波、破碎波（五）泥沙压力（五）泥沙压力（六）动水压力（六）动水压力（七）冰压力（自学）（七）冰压力（自学）（八）地震作用（八）地震作用地震引起的作用于重力坝的动荷载，包括地震引起的作用于重力坝的动荷载，包括地震惯性力地震惯性力、地震动水压地震动水压力力和和动土压力动土压力。地震荷载的大小取决于地面运动的强度和建筑物的动力特性。抗震地震荷载的大小取决于地面运动的强度和建筑物的动力特性。抗震设计中常用到设计中常用到基本烈度基本烈度和和设计烈度设计烈度的概念。前者系指建筑物所在地的概念。前者系指建筑物所在地区今后一定时期内区今后一定时期内(约为约为5010050100年年)可能遭遇的地震最大烈度；后者可能遭遇的地震最大烈度；后者系指抗震设计时实际采用的地震烈度。一般情况下，设计烈度等于系指抗震设计时实际采用的地震烈度。一般情况下，设计烈度等于基本烈度。但基本烈度。但对于一级挡水建筑物可根据工程的重要性和遭受震害对于一级挡水建筑物可根据工程的重要性和遭受震害的危害性，在基本烈度的基础上提高的危害性，在基本烈度的基础上提高1 1度度。设计烈度在设计烈度在6 6度以下时度以下时不考虑地震作用。不考虑地震作用。表表1-2 1-2 工程抗震设防类别工程抗震设防类别工程抗震设防类别工程抗震设防类别建筑物级别建筑物级别场地基本烈度（度）场地基本烈度（度）甲甲1 1（壅水）（壅水）6 6乙乙1 1（非壅水）、（非壅水）、2 2（壅水）（壅水）丙丙2 2（非壅水）、（非壅水）、3 3 7 7丁丁4 4、5 5依据抗震规范：依据抗震规范：甲类抗震：地震效应模拟甲类抗震：地震效应模拟-动力法动力法乙、丙类：动力法或拟静力法（坝高小于乙、丙类：动力法或拟静力法（坝高小于7070米按拟静力法）；米按拟静力法）；丁类：拟静力法或着重于抗震措施。丁类：拟静力法或着重于抗震措施。1 1、地震惯性力的计算、地震惯性力的计算 因沿坝轴线方向刚度大，主要校核顺河流方向的地震作用。对因沿坝轴线方向刚度大，主要校核顺河流方向的地震作用。对于设计烈度为于设计烈度为8 8度、度、9 9度的度的、级坝，同时考虑水平向和垂直向地级坝，同时考虑水平向和垂直向地震作用。对于两岸陡坡上的重力坝段，宜计入垂直河流方向的水平震作用。对于两岸陡坡上的重力坝段，宜计入垂直河流方向的水平地震作用。地震作用。沿重力坝高度，作用于质点沿重力坝高度，作用于质点i i上的水平地震惯性力上的水平地震惯性力P Pi i按下式计算按下式计算2 2、地震动水压力、地震动水压力3 3、地震动土压力、地震动土压力 重力坝挡水一般不存在动土压力，仅当重力坝某部位挡土才需重力坝挡水一般不存在动土压力，仅当重力坝某部位挡土才需考虑。考虑。1.2.31.2.3作用效应组合作用效应组合1.31.3重力坝的应力分析重力坝的应力分析稳定分析的主要稳定分析的主要目的目的：1 1、验算重力坝在各种可能荷载组合下的稳定安全度。、验算重力坝在各种可能荷载组合下的稳定安全度。2 2、解解决决设设计计与与施施工工中中的的典典型型问问题题：材材料料分分区区、孔孔洞洞及及分分缝缝位位置置、配筋等。配筋等。计算分析计算分析内容内容：1 1、计算选定剖面应力；、计算选定剖面应力；2 2、计算薄弱部位局部应力（孔口、管道等处）；、计算薄弱部位局部应力（孔口、管道等处）；基岩上重力坝基岩上重力坝失稳失稳的的可能情况可能情况：坝体沿抗剪能力不足的薄弱面产生滑动坝体沿抗剪能力不足的薄弱面产生滑动 a)a)沿坝与基岩接触面的滑动；沿坝与基岩接触面的滑动；b)b)沿坝基岩体内连续软弱结构而产生的深层滑动沿坝基岩体内连续软弱结构而产生的深层滑动 水平荷载作用下水平荷载作用下 a)a)上游坝踵以下岩体受拉产生倾斜裂缝；上游坝踵以下岩体受拉产生倾斜裂缝；b)b)下游坝趾以下岩体受压发生压碎引起倾斜滑移破坏。下游坝趾以下岩体受压发生压碎引起倾斜滑移破坏。1.3.11.3.1应力分析方法应力分析方法材料力学法：材料力学法：特点：特点：材料力学法是一种常用的基本计算方法，其优点是简单，材料力学法是一种常用的基本计算方法，其优点是简单，应用范围广，适用于各种坝体外形和各种荷敦。应用范围广，适用于各种坝体外形和各种荷敦。本章仅对材料力学法进行介绍。由于坝体最大应力和最小应力一本章仅对材料力学法进行介绍。由于坝体最大应力和最小应力一般都出现在坝面，因此本章仅论述坝体边缘应力的计算，对于坝般都出现在坝面，因此本章仅论述坝体边缘应力的计算，对于坝体内部各点应力可根据边缘应力用插入法估算。体内部各点应力可根据边缘应力用插入法估算。基本假定：基本假定：A、不考虑两侧坝体的影响；、不考虑两侧坝体的影响；B、坝体材料为均质、连续、各向同性的弹性体、坝体材料为均质、连续、各向同性的弹性体C、任意水平截面上的正应力呈直线分布。、任意水平截面上的正应力呈直线分布。弹性理论法：弹性理论法：有限元、有限差分法等。有限元、有限差分法等。模型实验法：模型实验法：电测法、光测法、地质力学模型实验法。电测法、光测法、地质力学模型实验法。1.3.21.3.2、应力分析的材料力学法、应力分析的材料力学法(一一)基本假定基