1、水 工 建 筑 物 (农业水利工程专业) 任课教师：詹美礼 戴文鸿 学时：40 考试成绩评定： 1、笔试 70%； 2、课堂出勤及练习 30%; 3、缺课20%者取消参加考试资格。,教学环节： 1、课堂授课； 2、课外练习； 3、观看教学录象； 4、课外实验； 5、课程认识实习； 6、课程设计； 7、生产实习； 8、毕业设计。,教学大纲说明 (农业水利工程专业用),课程特点 是农业水利工程专业的一门专业课。介绍水工建筑物的基本知识，阐述水工建筑物的设计基本理论；同时，结合这门课，培养学生分析问题和独立解决问题的能力、自学能力，培养学生有关设计计算、绘图及科学试验的基本技能。,课程内容 一、本课
2、程重点章名 1、绪论、 2、重力坝 3、拱坝 4、土石坝 5、河岸溢洪道 6、隧洞 7、水闸 8、渡槽。 二、所讲的各章内容重点、深度要求等分别说明以下： 1、绪论：主要阐明水利枢纽定义、组成及分类，水利工程标准以及本专业课的学习方法。 2、重力坝：本章重点是荷载及其组合、抗滑稳定分析 、坝体应力计算及基本构造 。,荷载及其组合，不仅针对本章而言，对其它水工建筑物均有用处，要注意讲清基本概念。 抗滑稳定分析中，不仅介绍计算方法与公式，而且要加以分析并要讲解计算公式中各种参数的选用问题。 应力分析要讲清孔隙水应力和接触应力的概念，以便讲清楚未考虑扬压力计算的应力和考虑扬压力计算的应力。 坝体材料
3、及构造，地基处理这两部分，要交待其在工程中的重要性。限于时间及毕业后工作中学习，所以在讲课时讲清其设计基本原理，简要介绍主要措施。 3、拱坝： 本章重点是拱坝布置，应力分析及坝头稳定分析。坝体应力分析中，温度荷载要讲清楚。限于课时，这里主要讲解拱坝的工作原理与重力坝不同之处。,4、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。 稳定计算中，要注意那些与土力学课程重复之处，如圆弧法。这部分也可简单地提一下，起到衔接作用。在稳定计算中，还要注意讲清计算条件及计算参数的选用等问题。 反滤层的作用，要求及其设计，要讲清楚，以后的水闸一章中就不重复讲。 不透水地基上带棱体排水的均质土坝渗流计
4、算、堆石坝及土石混合坝，仅作简单的介绍。,5、河岸溢洪道 本章重点是：开敞式正槽溢洪道的泄水槽设计原则以及侧槽式溢流洪道中的侧槽设计。 非常溢洪措施，要讲其重要性。至于其型式及结构部分，仅作简要介绍。 6、隧道与涵管 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。 隧洞消能计算，与重力坝消能部分联系起来讲。 7、水闸 本章重点是，孔口尺寸的确定，消能防冲、闸基渗流，闸室稳定及闸室结构计算。 孔口尺寸。主要针对拦河闸讲解。至于进水闸的孔口尺寸确定，仅讲其与拦河闸不同之处。,讲解消能方式时要注意其与水力学课程内容的衔接、重复等问题。 地下轮廓线布置，要结合不同地基、水闸的
5、不同要求等讲解。 闸室结构计算的重点是底板计算，其次是闸墩。 8、渡槽 梁式渡槽的重点是：渡槽纵剖面设计，荷载及其组合，稳定计算及槽身结构计算。拱式渡槽重点是：主拱圈轴线的确定及主拱圈结构计算。 槽身横剖面结构计算，可对一种形式（如矩形）讲透，其它剖面的计算，仅讲其不同之处。 主拱圈轴线及主拱圈结构计算，既要讲清物理概念，又要讲清其必要的数学推导问题。,第1章 绪论 第一节、水资源与水利建设 一、水资源 1、为什么说水是一种重要资源？ (1) 必需品生命、工农业生产； (2) 必要介质航运交通，水产事业； (3) 重要能源可利用，可再生； (4) 必要条件改善环境，发展旅游。 2、全球水量分布
6、特点：海洋咸水为主，淡水2.5 3、我国水资源分布特点：(1) 我国水资源不丰富(人均意义-占全球人均1/4)；(2) 降水在时间，区域分布上不均衡；(3) 我国西部水能资源丰富。,二、水利建设 1、悠久的发展史(1) 岷江都江堰分洪灌溉工程(泰代李冰)；(2) 芍级大型蓄水灌溉工程公元前600年左右；(3) 引漳十二渠工程(十二级低坝引水)公元前390年左右；(4) 四千年前大禹冶水黄河大堤。 2、新中国水利建设成就(1949 )(1) 堤防(整修，兴建) 170000KM(2) 河道疏竣，整治，海河，淮河开辟排洪；(3) 兴建水库：86000多座(4) 灌溉：万亩灌区2500多处； (5)
7、 电站装机：3458万KW,3、展望(1) 大江，大河防洪达标问题，中小河流尚待根治；(2) 农业受制于自然、地理、气候条件(3) 工业和城市用水迅猛增长，水资源等缺口日益严重；(4) 水能资源已开发量与可开发量的比例尚低；(5) 倡导环境水利。,第二节 水利枢纽与水工建筑物 一、基本概念 1、水利枢纽由几种不同类型与功能的水工建筑物聚合一起组成的建筑物群，以控制水流并便于协调运行与管理。 2、水工建筑物凡实现某一水利、水电功能为防洪、发电、灌溉、航运等的建筑物，如控制水位，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。(1)蓄水枢纽。为了满足防洪、灌溉、发电等各种要求，常
8、需在河流上修建拦河坝，以形成水库，拾高水位，调节径流。这种以拦河坝为主体的水利枢纽称蓄水枢纽(或水库枢纽)。 蓄水枢纽除拦河坝外，还包括：泄水建筑物；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。,(2)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水部门的需要。而在渠首河段附近修建的建筑物综合体称取水枢纽。主要包括进水闸、滚水坝(或拦河 闸)、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。 (3)泵站枢纽。为了将低处水提送到高处以达到灌溉、排涝、航运、
9、发电等目的而兴建的以泵站为主体的水工建筑物综合体称为泵站枢纽。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。,（4）渠系建筑物：渠道在调水和配水过程中，为了控制水流、合理分配水量、保证渠道安全运用以及使渠道通过天然或人工障碍，需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，或简称渠系建筑物。二、水工建筑物分类 1、按功能分(一) 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。(二) 泄水建筑物：如溢流坝、泄水闸(孔)、河岸溢洪道、泄水隧洞； 功能：宣泄多余洪水降低水位、放空。(三) 输水建筑物：引水隧洞、涵管、渠道、渡槽、倒虹
10、吸管、输水涵洞等； 功能：将水源从一处输送到另一处。,(四) 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。(五) 整治建筑物：丁坝、顺坝、潜坝、导流坝、防波堤、护岸等； 功能：改善河道水流条件，调整河势，稳定河床(槽)，保护河岸。 (6)专门建筑物。是为某种特定的单一目标而专门修建的建筑物，如水电站厂房、船闸、鱼道及筏道等。,2、按建筑物使用期限分类按使用期限分类可分为永久性建筑物和临时性建筑物两大类。 永久性建筑物-指枢纽工程运行期间使用的建筑物。 根据其重要件又分为主要建筑物和次要建筑物。 主要建筑物-指失事后将造成下游灾害或严重影响工程效益的建筑物。如坝、水
11、闸、泄洪建筑物、电站厂房等。 次要建筑物-指失事后不致造成下游灾害或对工程效益影响不大并易于修复的建筑物。如挡土墙、护岸、导流墙等。 临时性水工建筑物-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。,3、水工建筑物的特点 (一)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筑物复杂。例如挡水建筑物，在上下游水位差的作用下，将承受相当大的水平推力。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，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稳定性，还将可能使地基遭受破坏而危及建筑物的安全。又如泄水建筑物，下泄的高速水流
12、可能引起建筑物的气蚀、磨损、振动，以及冲刷破坏，故需设计合理的水流边界，采用抗磨材料， 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、水的化学侵蚀作用等。,(二)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、地质、水文、气象等条件有密切关系。 由于各个地区情况不同、自然条件千差万别，每个水工建筑物都有其特定的工作条件，这就决定了每个水工建筑物都具有一定的独特性。,(三)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，施工条件要比其他建筑物复杂得多。首先在水中施工需修建围堰，并保护水工建筑物施工不受水流影响。如果建
13、筑物修建在河道上，还要截流，并采取导流措施，将上游来水安全导向下游。这些工作十分重要且非常艰巨，处理不好会影响施工甚至始误工期。其次、水工建筑物的工程量大、施工项目多、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。施工受自然条件影响大、受季节性制约强，可变因素多，而且施工技术复杂。如地下或水下施工、复杂地基的处理、大体积混凝土：施工的温度控制等。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，而工程往往又地处高山峡谷，交通运输也很困难。,(四)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，将给下游人民的生命财产和经
14、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，按科学规律办事，妥善解决安全与经济的矛盾。,第三节 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。 (一) 等别：共分五等确定原则：工程模型大小，效益大小。失事后的破坏程度。对于综合利用的多功能工程，其等别按最高者为标准。,表0-1山丘、丘陵区水利水电枢纽工程分等指标表,(二) 级别：共分五级确定依据： 等别； 重要性； 特殊情况下可升级或降级。 1、升级： a、坝高超过规范表列数值可提高一级，但洪水标准
15、不予提高； b、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； c、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。 2、降级：应格外慎重，并报上级审批,表0-2 平原、海滨地区水利水电枢纽工程分等指标,表0-3 引水枢纽工程分等指标,表0-4水工建筑物的级别表,表0-5灌溉建筑物分级指标表,表0-6 坝的提级标准,1、升级： a、坝高超过规范表列数值可提高一级，但洪水标准不予提高； b、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； c、综合利用工程，库容和不同用途分等指标有两项接
16、近同一等别上限时，将共同主要建筑物提高一级。 2、降级：应格外慎重，并报上级审批,（三）、不同级别水工建筑物的不同要求的具体表现：(1) 抗御洪水能力：洪水标准，坝顶安全超高；(2) 强度和稳定性：建筑物强度，稳定安全系数，抗裂要求，限制变形；(3) 建筑材料：品种，质量，标号，耐久性；(4) 运行可靠性：各尺寸裕度，是否设置专门设备等。,第二章 重力坝 1.1 概述重力坝是一种古老而迄今仍广泛应用的一种坝型，因主要依靠自重维持稳定而得名。 发展进程： 材料: 19世纪前毛石砌体 19世纪后砼 20世纪70年代碾压砼重力坝 施工工艺，筑坝技术：a) 防渗排水减小扬压力b) 施工分缝，灌浆温度控
17、制c) 低热水泥，分块浇筑提高施工速度d) 新坝型：碾压砼重力坝e) 新结构：拱形重力坝，宽缝重力坝，空腹重力坝f) 实现复杂地基上建坝(基础处理技术发展)。, 设计理论发展a) 有限元理论b) 可靠度理论c) 坝基渗流场，应力场耦合作用分析理论d) 优化设计理论等,1.1.1、重力坝的工作原理和特点1、重力坝的工作原理： 依靠坝体自重在坝基面上产生摩阻力来抵抗水平水压力以达到稳定要求； 利用坝体自重在水平截面上产生的压应力来抵消由于水压力引起的拉应力以满足强度要求。 由此决定了重力坝的剖面特征： 1) 剖面较大； 2) 一般为上游面接近于垂直的三角形剖面。,2、重力坝与其他坝型相比具有的显著
18、特点表现在：重力坝筑坝材料抗冲能力强坝顶溢流，利用较低的坝块，底孔导流；重力坝结构简单一般可不设河岸溢洪道或泄水隧洞，便于施工；对地形地质条件适应性较好，但对地基要求高于土石坝，要求地基有较高的承载能力； 由于坝与坝基接触面积大，受扬压力作用亦较大，故需采取有效的防渗排水措施，降低扬压力，增强坝体稳定，改善应力状况；大坝坝体大，材料强度不能充分发挥，坝体应力一般不大，材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；坝体体积大，水泥用量多，水化热高，易引起开裂，温度控制问题突出；注：重力坝设计，亦围绕上述特点和主要问题展开。,1.1.2、重力坝的类型（1）按结构形式分类： 1、实体重力
19、坝2、宽缝重力坝3、空腹重力坝4、预应力重力坝,（2）按泄流条件分类：溢流、非溢流 （3）按筑坝材料分类：混凝土、浆砌石 （4）按施工方法分类：浇注混凝土、碾压混凝土。,1.1.3、重力坝的布置 如图13所示1、组成：溢流坝段、非溢流坝段(挡水坝段)、连接边墩、导流墙、坝顶建筑物；2、布置原则：坝轴线一般为直线，必要时可布置为折线或拱形曲线，即拱形重力坝；各坝段协调一致；溢流坝段，厂房重迭布置(坝体式，坝后式厂顶溢流),1.2 重力坝上的作用（荷载） 1.2.1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、变形等）的各种原因的总称。 作用：直接作用施加在结构上的集中力或分布力；间接
20、作用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。 作用分类（随时间的变异）： 永久作用设计基准期内量值不随时间变化，或其变化与平均值相比可忽略不计的作用；（自重、永久设备、土压力、泥沙压力、地应力、予应力等） 可变作用设计基准期内量值随时间变化的作用；（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） 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持续时间很短的作用。（地震作用、校核水位作用）,1.2.2作用的计算 主要荷载：见图14，重力坝上作用力示意图，包括：自重；上、下游坝面水压力；扬压力；浪压力；泥沙压力；地震荷载；冰压力等。,三种主要荷载计算： （
21、一）坝体自重：混凝土23.524.0kN/m3（较大孔洞扣除）；永久设备等；非固定设备等。 （二）静水压力：水平水压力；铅直水压力n-上游坝坡系数，H1-坝前水深,（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 1、坝基面的扬压力 见图15 无防渗排水措施 有防渗帷幕和排水 扬压力折减系数 河床坝段0.20.3 岸坡段0.30.4,2、坝体内部扬压力 见图16，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： 1）下游水位以上 上游面： 排水孔幕处 ： 下游坝面：0.0 控制点之间按线性分布 2) 下游水位以下 上游面： 排水孔幕处： 下游面： 控制点之间按线性分布。,(
22、四)、浪压力(自学) 1、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 官厅水库公式（内陆峡谷）h-波高，Lm-波长，V0-计算风速，D-吹程。 鹤地水库公式（丘陵、平原）注意应用条件。H2%-累计频率为2%的波高。,波浪中心线高出静水位的高度,2、直墙式挡水建筑物的浪压力计算（自学）分三类： 1、深水波 2、浅水波 3、破碎波,（五）泥沙压力（六）动水压力（七）冰压力（自学）,（八）地震作用 地震引起的作用于重力坝的动荷载，包括地震惯性力、地震动水压力和动土压力。 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。抗震设计中常用到基本烈度和设计烈度的概念。前者系指建筑物所
23、在地区今后一定时期内(约为50100年)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的危害性，在基本烈度的基础上提高1度。 设计烈度在6度以下时不考虑地震作用。,表1-2 工程抗震设防类别,依据抗震规范： 甲类抗震：地震效应模拟-动力法 乙、丙类：动力法或拟静力法（坝高小于70米按拟静力法）； 丁类：拟静力法或着重于抗震措施。 1、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。对于设计烈度为8度、9度的、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
24、垂直河流方向的水平地震作用。 沿重力坝高度，作用于质点i上的水平地震惯性力Pi按下式计算,2、地震动水压力3、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考虑。,1.2.3作用效应组合,1.3重力坝的应力分析 稳定分析的主要目的： 1、验算重力坝在各种可能荷载组合下的稳定安全度。 2、解决设计与施工中的典型问题：材料分区、孔洞及分缝位置、配筋等。 计算分析内容： 1、计算选定剖面应力； 2、计算薄弱部位局部应力（孔口、管道等处）； 基岩上重力坝失稳的可能情况： 坝体沿抗剪能力不足的薄弱面产生滑动a) 沿坝与基岩接触面的滑动；b) 沿坝基岩体内连续软弱结构而产生的深层滑动
25、水平荷载作用下a) 上游坝踵以下岩体受拉产生倾斜裂缝；b) 下游坝趾以下岩体受压发生压碎引起倾斜滑移破坏。,1.3.1应力分析方法 材料力学法： 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，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。 基本假定： A、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 C、任意水平截面上的正应力呈直线分布。 弹性理论法：有限元、有限差分法等。模型实验法：电测法、光测法、地质力学模型
26、实验法。,1.3.2、应力分析的材料力学法 (一)基本假定： （1）坝体混凝土为均匀、连续、各向同性的弹性体； （2）各坝段均为固接于基岩上的悬臂梁，各坝段独立，横缝不传递力，不考虑基岩变形对坝体应力的影响； （3）坝体水平切面上的正应力 按线性分布，不考虑廊道、孔洞对坝体应力分布的影响。 （二）边缘应力计算 1、不计扬压力时的边缘应力 （1）水平面上的竖向正应力（线性分布）,（2）水平面上的剪应力（二次曲线分布）分别取上游面、下游面的微元体列出竖直向平衡方程，即解得,（3）铅直面上的水平正应力（3次曲线分布） 分别取上游面、下游面的微元体列出水平向平衡方程，即解得（4）边缘主应力 针对图（1
27、-12b）列出力的平衡方程，可解出主应力2、计入扬压力时的坝体边缘应力计算此时，只需在各式的应力计算项减去扬压力分布值即可。,（三）内部应力计算 1、坝体内部应力的平衡条件2、坝内水平截面上的正应力线性分布,3、坝内剪应力二次抛物线分布 (将代入平衡方程积分，并确定边界常数),4、坝内水平正应力三次曲线分布,需进行差分求解,对于中等高度以下的坝可采用：,1.4重力坝的结构可靠度设计 结构设计的任务：通过对作用相效应、结构抗力进行比较，寻求满足运用要求，既安全又经济的设计方案。 安全储备的必要性： 1、各种作用的随机性与变异性决定工程设计需一安全储备； 2、材料性能、强度、结构尺寸等方面的不完全
28、确定性因素引起的不利性变异是又一原因； 3、设计时所采用的理论（如方程表达式）也可能不尽准确等。 安全储备定义： (R-S) 0 其中：R-结构抗力；S-作用效应。 设计方法： 1、单一安全系数法：设计中引入一个根据经验确定的安全系数K(其值一般大于1），使得 SKR. 设计中常采用K=R/S是否满足,来评判结构安全与否。 单一安全系数法的特点： 1）、优点：方法简单易行，工程界仍常采用 2）、缺点：把原本属于不确定性因素的各种量值（如结构材料性能、强度、尺寸及作用等）作为确定性量值计算，用笼统的安全系数来替代对各种不确定性因素的考虑，势必使得安全系数K对于结构安全性的判断只具有定性意义。（或
29、者说，加大结构的安全系数，并不一定按比例增加结构的安全度）。 2、可靠度设计方法： 依据的基本理论： 1）、结构可靠度理论的概率极限状态设计原则； 2）、分项系数极限状态结构设计方法,1.4.1水工结构的可靠度分析 （一）可靠度与失效概率 结构可靠度-结构在规定时间内，在规定条件下完成预定功能的概率。 规定时间-设计基准期，根据结构的预定使用年限，考虑到影响结构可靠度的各主要随机变量（基本变量，如作用、材料性能、几何参数等）与时间的关系所取的基准时间。 规定条件-正常设计、正常施工、正常运行条件等。 预定功能- 1）在正常施工、正常使用期内能承受可能出现的各种作用，并能在偶然事件发生时和发生后
30、保持整体稳定性； 2）在正常使用时具有良好的工作性能； 3）在正常维护下具有设计规定的耐久性等。 可靠概率Pr-完成结构预定功能的概率； 失效概率Pf-结构不能完成预定功能的概率。,可靠概率与失效概率的关系 Pr+Pf=1 （1-35） （二）结构的极限状态方程与可靠度表达式 承载能力极限状态： 结构失去刚体平衡； 结构因超过材料强度而曹破坏，或因过度的塑性变形而丧失继续承载的能力； 结构或构件丧失弹性稳定； 结构转变为机动体系； 土石结构或地基、围岩产生渗透变形而失稳等。 正常使用极限状态： 影响结构正常使用或外观变形； 对运行人员或仪器、仪表等有不良振动影响； 对结构外观、耐久性以及防渗结
31、构抗渗能力有不良影响的局部损坏等。,结构的功能函数 状态方程 只有在简单的情况下，状态方程才能表达为显式，如 Z=R-S=0 显然，传统的单一安全系数法即可认为属于其一特例。 在可靠度设计中应满足的条件为,1.5重力坝的稳定分析及强度验算 1.5.1重力坝的稳定分析 稳定分析的主要目的：验算重力坝在各种可能荷载组合下的稳定安全度。基岩上重力坝失稳的可能情况： 坝体沿抗剪能力不足的薄弱面产生滑动，图219aa) 沿坝与基岩接触面的滑动；b) 沿坝基岩体内连续软弱结构而产生的深层滑动 水平荷载作用下图219ba) 上游坝踵以下岩体受拉产生倾斜裂缝；b) 下游坝踵以下岩体受压发生压碎引起倾斜滑移破坏
32、。,（一）坝体混凝土与基岩接触面的抗滑稳定计算 1、分项系数极限状态法 2、单一安全系数法 1、摩擦公式 水平滑动面倾向上游的倾斜滑动面,2、抗剪断强度公式坝体与坝基胶结良好,要求按上述公式计算出的稳定安全系数不小于规格规定值。,计算参数的确定,1.5.2重力坝的强度验算 (一) 坝基面应力的控制标准1、运用期： 上、下游边缘：帷幕防止拉裂；2、施工期：下游,基岩抗压：,(二) 坝体应力的控制标准1、运用期：,2、施工期： 上游： 下游： (三)有限元计算结果 1、坝基上游面拉应力区控制：小于0.07倍底宽，防渗帷幕处于受压区（防渗要求）； 2、坝体上游面拉应力区控制：小于计算截面宽度的0.0
33、7倍，坝体排水孔位于受压区（防渗要求）。,1.5.3、各种非荷载因素对坝体应力的影响1、地基变形对坝体应力的影响2、地基不均匀性对坝体应力的影响3、施工纵缝对坝体应力的影响4、分期施工对坝体应力的影响1.6非溢流重力坝的剖面设计 1.6.1设计原则 基本要求： 满足稳定与强度； 剖面最小（工程量最省）； 便于施工； 满足运行要求。,1.6.2重力坝的基本剖面 定义：重力坝的基本剖面，是指在主要荷载作用下满足坝基面稳定和应力控制条件的最小三角形剖面。 (一)按应力条件确定坝底最小宽度 1、满库2、空库,按重力坝上、下游边缘不允许出现拉应力的控制要求推得： 空库 01 满库：令推得： 求极限(使得
34、L/H最小),注意： 在考虑倒悬时，应结合到施工以及空库时的情况， 一般取0上式可见：坝基防渗排水措施极为重要，1值越小，L越小说明防渗排水措施的重要性。,(二)按稳定条件确定坝底最小宽度K安全系数 f摩擦系数 上游坡： (00.2)下游坡： (0.60.85)坝底宽：B(0.70.9)H 同样说明重力坝坝基防渗排水的必要性。,1.6.3、实用剖面(一)坝顶宽度(810)H and2m 同时满足其他应用要求； (二)坝顶高程：顶max,1.6.4实用剖面的优化设计 （一）优化设计的基本概念 1）设计变量 设计参数-设计方案往往由若干个参数来表示，如结构的截面尺寸、有关几何参数、材料物理、力学参
35、数等，统称为设计参数。 设计变量-优化设计过程中发生变化的 设计参数即为设计变量； 预定参数-优化设计过程中始终不变的 设计参数即预定参数。 2）目标函数目标函数是判别设计方案优劣的 标准，是设计变量的函数，代表所设 计结构的某个重要特征或指标（如坝 体体积最小，即表现混凝土方量最少， 亦表述经济性）。,3）约束条件-优化设计中必须满足的条件。包含：几何约束、动态约束。 （二）、优化设计的数学模型及求解途径优化设计数学模型-由目标函数极值关系、及相对应的约束条件所构成的联立关系（常以方程组或联立不等式关系），即称之为优化设计数学模型。 求解途径-详见最优化方法专著。,1.7溢流重力坝 1.8重
36、力坝的坝身泄水孔 以上二节内容，因课时关系不单独讲解，并入泄水建筑物、引水建筑物（泄洪道、隧道）部分结合介绍。 1.9重力坝的材料及构造 1.9.1混凝土重力坝的材料 基本要求： 混凝土重力坝的材料主要是混距土。重力坝除要求材料有足够强度外，还应满足抗渗性、抗冻性、抗侵蚀性、抗磨性，以及低热性等要求。,1.9.2混凝土重力坝的材料分区,1.9.3坝体分缝,1.9.4施工期的温度应力及防裂措施 （一）温度应力的成因： 1、基础温差引起混凝土的应力和裂缝； 2、坝块内外温差引起混凝土的应力和裂缝。 （二）防裂措施 1）、加强温度控制； 2）、提高抗裂强度； 3）、保证施工质量； 4）、合理分缝、分
37、块等。,1.9.5坝内廊道系统1.9.6坝内排水设施,1.10坝基处理 1.10.1坝基开挖 1.10.2坝基加固处理 （一）坝基固结灌浆 方法：用浅孔低压关注水泥浆。 目的： 1、提高基岩的整体性、弹性模量，减少荷载作用下的变形； 2、提高抗压、抗剪强度； 3、降低坝基渗透性、减少渗透量； 4、在防渗帷幕旁边的固结灌浆可提高帷幕的灌浆压力等。 灌浆设计：a、确定灌浆范围； b、确定灌浆孔深、孔距； c、排距布置等。,（二）、断层破碎带及软弱夹层的处理,1.10.3坝基帷幕灌浆 坝基帷幕灌浆是坝基和两岸最主要的防渗措施。 帷幕灌浆目的： 1、降低坝基渗透压力； 2、减少渗流量； 3、防止基岩内
38、的软弱夹层、断层破碎带等抗水性能差的岩体发生渗透变形破坏。 灌浆材料：水泥浆、化学材料灌浆。,控制标准： 1、帷幕深度： a）、全封闭：当基岩存在明显的相对隔水层时，帷幕深入相对隔水层35米； b）、悬挂式：当坝基下相对隔水层加深或分布无规律时，帷幕深度需达到0.7倍坝高。 2、帷幕渗透性：要求在防渗帐幕体内，岩体的透水性根据不同坝高应降低到下列单位吸水量值。 坝高100m 单位吸水量： 坝高50100m 单位吸水量： 坝高50 m 单位吸水量： 帷幕孔距：1.54.0米； 灌浆压力：帷幕表层1.01.5倍坝前静水头；孔底23倍坝前静水头。,1.10.4坝基排水 主排水孔幕：1排；孔深：0.4
39、0.6倍帷幕深度；孔距：23米。 辅助排水孔幕：23排；孔深：612米；孔距：35米。,1.10.5两岸处理 岸坡削缓；加锚系钢筋,1.11碾压混凝土重力坝 1、施工工艺：利用土石坝碾压机具进行碾压施工的干硬混凝土。碾压混凝土筑坝技术是对传统混凝土筑坝施工技术的重大革新。 2、剖面布置形式： （1）“金包银”式： （2）全剖面碾压混凝土:(3) 防渗层+碾压混凝土：,1.12其他形式的重力坝与支墩坝 1.12.1浆砌石重力坝,1.12.2宽缝重力坝,1.12.3空腹重力坝,1.12.4支墩坝作业：教材第85页，习题1-1.,第2章 拱坝 2.1概述 2.1.1拱坝的特点 1、拱坝是什么样的建筑
40、物？拱坝是平面上呈凸向上游 的拱形建筑物，有时在立面上 也凸向上游，借助拱的作用将 水压力的全部或部分传递给河 谷两岸的基岩。 2、工作原理 拱坝可以看作由拱、梁系统组成 ，上游面所受水压力（绝大部分） 通过拱作用传至两岸岩壁，通过 梁作用将部分（小部分）传至 坝基。,3、工作特点： A）拱坝传力方式使其充分发挥混凝土抗压特性。拱坝上述传力特点（拱为主、梁为辅），决定了拱坝的稳定性主要是依靠两岸拱座基岩的反作用力来支承。拱坝的荷载在拱圈内主要是轴力传递，若设计得好，拱圈截面上的弯矩较小，应力分布较均匀。因此，拱坝可以充分利用混凝土或浆砌石材料的抗压强度，坝体厚度较薄，从而节省筑坝材料。对于有条
41、件修拱坝的坝址，修建拱坝与修建同样高度的重力坝相比，拱坝工程量一股可比重力坝工程节省1312。 B）高次超静定结构特性使其承载能力、抗震性得起显著提高。对比,2.1.2拱坝的地形和地质条件 （一）地形条件 地形条件是决定拱坝结构形式、工程布置及经济性的主要因素。理想的地形应是坝址河谷相对宽度较窄，两岸基岩面大致对称，岸坡平顺无突变且坝两端下游有足够大的岩体支承，这样的地形可以充分发挥拱的作用。,河谷形状：分为V形、U形、梯形三种。 不同的河谷形状对拱坝的形式起关键性影响，有以下关系：TB最大坝高处的坝底厚度； H最大坝高（二）地质条件 要求：要求岩基坚硬致密、质地均匀、有足够的强度、透水性小、
42、能抗风化，也没有大的断层构造和软弱夹层。总体要求高于重力坝对坝基地质的要求，特别是坝头。,2.2拱坝的布置 2.2.1拱圈的形状与尺寸 （1）、单曲拱坝仅在水平截面上呈拱形，铅直悬臂梁不弯曲或曲率很小。（2）、双曲拱坝 拱坝的水平拱图形式以圆弧拱最为常用。 应力方面：采用较大的中心角和较小的半径比较有利； 稳定方面：过大的中心角将使拱轴线与河岸基岩等高线的交角过小，以致拱端推力方向过于趋向下游，不利于坝肩稳定。 经验建议值范围： 1）、0.40.7倍坝高处，中心角80100度； 2）坝底部，中心角5080度。 注：实际工程设计中，在设计初拟布置基础上通过拱坝体型优化后最终确定。,都呈拱形,2.
43、2.2铅直断面（悬臂梁） 拱冠梁-穿过各层拱圈顶点的悬臂梁。（图中为几种拱冠梁的典型剖面）拱冠梁的控制性尺寸： 1）梁顶厚度：根据构造、交通、溢流、变温、人防等要求确定，无交通要求时按式（2-2）、（2-3）拟定，通常不小于3.0米。,2）、梁底厚度：混凝土拱坝：浆砌石拱坝：2.2.3拱坝平面布置的步骤： 1）根据地形地质资料，确定开挖深度，绘制坝址可利用基岩的地形图； 2）试定顶拱轴线的位置； 3）拟定拱冠梁断面尺寸； 4）拟定拱圈形式； 5）顶层拱圈布置； 6）自顶层向下依次绘出各层拱圈平面； 7）切取代表悬臂梁，验算整体倒悬度； 8）绘出各层圆心的连线，校验上下游面应力连续情况； 9）根
44、据初拟布置进行有关计算分析校核、布置调整循环过程，直至满意为止。,2.3拱坝的应力分析 2.3.1荷载 拱坝上的主要荷载：水压力、变温荷载、自重、扬压力、浪压力、冰压力及地震荷载等。 计算方法：同重力坝。 变温作用对拱坝的影响： 1）温升情况：环境温度高于封拱后的相对稳定温度时，拱圈膨胀，向上游变位（图2-12（a），造成 拱端的上游面受压，下游面受拉， 拱冠的上游面受拉，下游面受压； 2）温降情况：环境温度低于封拱后的相对稳定温度时，拱圈膨收缩，向下游变位（图2-12（b），造成 拱端的下游面受压，上游面受拉， 拱冠的下游面受拉，上游面受压；,2.3.2荷载组合,2.3.3拱坝应力分析方法概
45、况 （1）纯拱法： 假定：拱坝是许多相互独立的拱圈所组成，荷载全部有拱圈承担，每层拱圈均作为弹性固端拱进行计算。 特点：计算简单，但计算的应力结果一般偏大，特别对于厚拱坝误差更大。对于狭窄河谷中的薄拱坝，仍属一个实用计算方法。但主要用于小型工程的计算分析。 （2）拱梁分载法： 假定：拱坝是由许多水平拱圈和铅直悬臂梁所组成，荷载由拱和梁共同承担，按拱、梁交点处的位移协调条件将荷载分配拱、梁两个系统上。荷载分配后：梁按静定结构计算应力；拱则按弹性固端拱计算应力。 特点：计算方法比较合理，其结果与模型实验成果比较吻合。但计算工作量大，可借助计算机计算。,拱冠梁简化法： 假定：用一根梁（拱冠梁）与许多
46、水平拱圈组成拱、梁体系，然后上述原理进行荷载分配，并分别计算拱冠梁和各层拱圈的应力。 特点：计算工作量显著减少，计算结果比较接近于拱梁分载法。 （3）有限元法- 特点： 1）将坝体和地基划分为有限个单元，并以节点互相连接，用这样一个离散模型代替连续结构体，进行坝体内各单元的变位和应力计算，并能反映拱坝建筑过程对应力的影响。 2）有限元法既能模拟复杂的边界条件，又能模拟坝体及地基材料的非均匀性，当引入塑性力学应力应变关系时，还能模拟材料的非线性等。 3）计算工作量很大，必须借助计算机才得以实现。,（4）结构模型试验法- 1）、地质力学模型法 使用石膏加硅藻土组成的脆性材料制作成拱坝的结构模型，并
47、用应变仪量测加荷前后模型各点的应变值的变化，以此求得坝体应力； 2）光弹实验法 用环氧树脂制作拱坝模型，并用偏光弹性试验方法进行量测，从而推求坝体应力。拱坝设计分析方法选择及注意问题： 1、拱坝设计时，应以拱梁分载法或有限元法计算成果作为评价安全的主要标准。 2、对于、级混凝土拱坝、高拱坝和复杂地质条件、新型结构形式等情况，除用拱梁分载法计算外，还应采用有限元法计算； 3、对于特别重要工程，应进行结构模型实验加以验证。,拱坝应力控制指标： 1、混凝土拱坝 1）拱梁分载法： a）容许压应力控制 混凝土容许压应力等于混凝土极限抗压强度除以安全系数。 基本组合：、级拱坝采用4.0；级坝3.5 非地震
48、特殊组合： 、级拱坝采用3.5；级坝3.0 b)容许拉应力控制 基本组合：拉应力不大于1.2Mpa 非地震特殊组合：拉应力不大于1.5Mpa 2.3.4地基变位计算 地基常数计算方法-伏格特（F.Vogt，挪威1925） 假定： 1）坝底与基岩接触面沿着拱弧方向展开、推平后，所构成的不规则平面图形，可以等值矩形（当量矩形）来代替，等值矩形的长宽比为b/a;,2）假定展开后的平面为弹性半无限体的顶面，而坝底单元面积 （ ）受力后的变位，相当于同样的作用力均匀分布在a b 的矩形面上的平均变位值， a 即为坝底厚度 3）当不考虑水压力对坝基变位的影响，则可采用费拉曼、布辛涅茨克与罗西涕等人的弹性理
49、论解。,2.3.5纯拱法 要点： 1、纯拱法的基本假定； 2、利用对称性，取半个拱圈绘制力学简图； 3、利用结构力学中的力法求解，列出力法方程。,2.3.6拱冠梁法 要点： 1、基本原理 1）在拱冠处截取单宽铅直悬臂梁（拱冠梁）； 2）将拱坝沿铅直方向划分为若干水平层（57层），每层高度相等。在各层顶面及拱坝底面，切取高度为1m的水平拱圈。 3）根据拱冠梁与水平拱圈相交处拱、梁径向位移协调列出对应的位移协调方程，并求解拱梁荷载分配值。 4）假定拱圈其他各点的水平荷载与拱冠处相同。 5）在确定拱梁承担荷载后，拱圈内力及应力计算按纯拱法，悬臂梁的内力及应力计算与重力坝相同。 2、荷载分配计算（自学）,
