水利工程水工建筑物部分.doc
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1、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
2、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
3、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500200150特
4、别重要120II大(2)型101.0重要5001002006015050重要12030III中型1.00.1中档100306015505中档305IV小(1)型0.10.01一般30515350.5一般51V小(2)型0.010.001530.570m的高坝需建在新鲜、微风化或弱风化下部基岩上;30mH70m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
5、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23排,中坝设12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
6、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
7、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(23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
8、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1/32/3。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511倍。抗震能力强。拱坝坝身不设永久伸缩缝,温
9、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/H1.5的深切河谷可修建薄拱坝,厚高比T/H3.04.5的宽河谷可修建重力拱坝,T/H0.35;L/H4.5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
10、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
11、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 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) 水库死水位(或运营最低
12、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 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 其它常遇的不利荷载组合 (2)特殊荷载组合 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 基本荷载组合+地震荷载 基本荷载组合+其他稀遇的不利荷载组合 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
13、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(SL282203)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(SL282203)规定:用拱梁分载法或有限元等
14、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
15、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
16、力灌浆。横缝:横缝是半径向的,间距一般取1520m,铅直面。横缝底部与地基面的夹角不得小于60,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2040m,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
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