水利工程概论要点_大坝安全监测培训班

1、总体：南方水多、人多、地少，西南多； 北方水少、人多、地多，东北多。人均：南方是北方的4.4倍；亩均：南方是北方的9.1倍我国位于世界著名的东亚季风区，降水和径流的时间分布很不平均：年际间水量变化大，丰水年和枯水年交替出现，最大年降水量是最小年降水量的162倍；年间水量变化大，每年60%的降水集中在夏秋之交的三、四个月，且往往以暴雨形式集中降落，特别是北方地区。4. 我国水资源开发利用中存在的问题（1）供求矛盾日益突出一方面有限的水资源难以利用，另一方面许多地区水资源短缺。如：全国400多个城市中3/4缺水。 由于供水不足，每年影响工业产值1200亿元。 由于较大的旱灾，粮食减产达数百亿斤。

2、缺水严重的地区，河川径流利用率达56%，地下水利用率达80%。（2）利用效率不高，损失浪费严重国名年份重复利用率（%）中国西德日本美国前苏联1991196419851985198020-3064748775-80重复利用率是表示水资源利用效率的一个指标。水资源的重复利用率不断提高，而单位产品耗水量不断下降。（3）水资源过量开采后果堪忧（4）水资源污染严重北方许多城市持续超量开采地下水，使地下水储量亏损，地下水水位大幅度下降，形成降落漏斗，并伴随地面下沉。1985年，工业污水和生活污水排放量342亿m3，其中85%未经任何处理直接排入江河湖泊。全国城市自来水水源80%以上受到不同程度的污染。全国

3、水质有机物污染18505.8km，20.7%，三级以上；全国水质五项毒物污染18555.5km，218%，三级以上。1985年因水污染造成的经济损失约300亿元。三、 水工建筑物hydraulic structure(1)挡水建筑物water retaining structure(2)泄水建筑物water release structure(3)引水建筑物water diversion structure(4)整治建筑物regulating structure(5)专门建筑物special hydraulic structure引水建筑物包括取水建筑物和输水建筑物。1. 分类(1)挡水建筑物

4、water retaining structure 用以拦截河流，形成水库或雍高水位。如坝、闸、堤等。(2)泄水建筑物water release structure 用以宣泄水库（或渠道）在洪水期间或其他情况下的多余水量，以保证坝（或渠）的安全。如溢流坝、河岸溢洪道、泄洪隧洞和泄水涵洞等。(3)引水建筑物water diversion structure 用以从水库（或河道）向库外（或下游）引水，以满足灌溉、发电、供水等要求。如引水隧洞、引水涵管、渠道等。水利枢纽“三大件”：挡水建筑物、泄水建筑物、引水建筑物(4)整治建筑物regulating structure 用以改善河流的水流条件，调整

5、水流对河床及河岸的作用，防止水库、湖泊中的波浪和水流对岸坡的冲刷。如丁坝、顺坝、导流堤、护岸、护底等。(5)专门建筑物special hydraulic structure 为实现某一水利事业而修建的建筑物。如水电站厂房、船闸、升船机、鱼道、鱼闸、过木筏道、过竹筏道等。2. 水工建筑物的特点自然地形、地质条件千差万别，因此，设计只能按各自的特征进行。除非规模很小，一般不能采用定型设计。但某些部件可以标准化，如：水工闸门。解决施工导流问题；气温、雨季的影响，如：浇筑混凝土、填筑土坝；洪水威胁，要求在汛期前填筑到足够高程；工程量大，工期长，要求施工机械先进、管理科学3 河川水利枢纽对环境的影响一、

6、物理影响1. 淤积和冲刷 上游：流速降低，泥沙淤积 下游：清水下泄，加大冲刷2. 气候变化、诱发地震、边坡失稳 雾天增多 高坝：坝高超过100m，库容超过10108m3，达17%二、生态影响1. 水库养鱼，但阻碍回游2. 调蓄水量，但水温不一定适应作物生长3. 增加了传播疾病有利条件（钉螺、疟蚊）4. 库水化学成分改变，影响生物5. 大库影响气候变化6. 大量淹没生态问题涉及范围很广，需研究。如：四、重力坝的荷载及组合1. 主要荷载（1）自重dead load / dead weight（2）水压力water pressure / hydraulic pressure（3）扬压力uplift

7、pressure（4）冰压力ice pressure（5）土压力earth pressure / soil pressure （6）地震荷载earthquake load / seismic load（7）温度荷载load of temperature variation（1）自重建筑物（坝体）及附属永久设备的重量（2）水压力静水压力（上游、下游）、动水压力（挑流反弧段）、浪压力（上游库水面）（3）扬压力坝基扬压力、坝体扬压力 两部分组成：下游水深产生的浮托力（uplift pressure），上下游水头产生的渗透压力（seepage pressure）。（4）冰压力静冰压力、动冰压力（5）土

8、压力主动土压力、被动土压力、坝前泥沙压力（6）地震荷载地震惯性力、地震动水压力、地震动土压力（7）温度荷载温度变化引起的热胀冷缩，水温、气温等2. 荷载组合 作用在重力坝上的各种荷载，除坝体自重外，都是在一定范围内随机出现的。如： 上游水位、下游水位不断变化； 宣泄最大洪水时，不一定发生强烈地震； 封冻时，存在静冰压力，就不会有风浪压力，等等 因此，设计时应把各种荷载根据它们出现的概率，合理地组合成不同的情况，用不同的安全系数进行核算，以解决安全和经济之间的矛盾。 把荷载分成两类：（1）基本荷载：出现概率较大的荷载（base load）（2）特殊荷载：出现概率较小的荷载（special loa

9、d） 基本荷载：（1）坝体及其永久设备的自重（2）正常蓄水位或设计洪水位的静水压力（3）正常蓄水位或设计洪水位的扬压力（4）泥沙压力（5）正常蓄水位或设计洪水位的浪压力（6）冰压力（7）土压力（8）相应于设计洪水位的动水压力（9）其他出现机会较多的荷载 特殊荷载：（10）校核洪水位时的静水压力（11）校核洪水位时的扬压力（12）校核洪水位时的浪压力（13）相应于校核洪水位的动水压力（14）地震压力（15）其他出现机会很少的荷载 荷载组合有两种：（1）基本组合（设计情况）水库处于正常运用情况下可能发生的荷载组合，由基本荷载组成（2）特殊组合（校核情况）水库处于非常运用情况下可能发生的荷载组合，由

10、基本荷载+一种或几种特殊荷载组成1. 抗滑稳定分析 抗滑稳定安全系数建筑物的抗滑力与建筑物所受的滑动力之比，用K表示。 对于重力坝，要求任意一个剖面（截面）上均满足稳定条件。通常，岩基上的重力坝，坝体混凝土和基岩的接触面往往是一个薄弱面，这是因为：（1）两种材料的接触面（2）混凝土干缩可能产生裂缝因此，只要该接触面上满足抗滑稳定要求，则该坝体肯定满足稳定要求。（1）沿坝基面抗滑稳定A、摩擦公式摩擦系数扬压力全部水平向作用力全部竖向重力式中：fUPWPUWfK)(B、剪摩公式凝聚力抗剪断摩擦系数接触面面积式中：cfAPAcUWfK)(2. 应力分析目的：验算大坝在施工期、运用期强度的安全度要求：

11、坝体内各部分材料的应力不超过该种材料的容许应力，即s=s。 s=R/k式中：R材料的极限强度；k材料强度的安全系数，一般取k=35，由建筑物的级别及工作情况确定。计算方法：模型试验、理论分析（材料力学、弹性力学、有限单元法）设计规范：采用材料力学法。取1m长坝段，按平面形变问题考虑。应力分析部分成果（1）由重力坝剖面和受力特点：在空库时，坝踵处压应力最大，坝趾处压应力最小，甚至出现拉应力；在满库时，坝趾处压应力最大，坝踵处压应力最小，甚至出现拉应力。2. 灌浆固结灌浆：浅孔低压灌注水泥浆对坝基加固处理。目的：提高岩体的整体性和弹性模量，减少基岩受力后的变形，并提高基岩的抗压、抗剪强度；降低坝基

12、的渗透性，减少渗漏量；帷幕旁边的固结灌浆可提高帷幕的灌浆压力。帷幕灌浆：靠近上游坝基设一排或几排钻孔，利用高压灌浆填塞基岩内的裂隙和孔隙等渗水通道，在基岩中形成一道相对密实的阻水帷幕。目的：降低坝基的渗透压力，减少渗流量； 防止坝基内产生机械或化学管涌。3. 坝基排水系统目的：收集并排走由地基渗透过来的水，进一步降低坝基扬压力。因为：坝基虽然已经进行帷幕灌浆，但并不能完全截断渗流。一、拱坝的工作原理(1) 依靠拱的作用，将力传给拱座(2) 依靠悬臂梁的作用，将力传给地基 拱坝同时有拱的作用和悬臂梁的作用，拱和悬臂梁分担荷载，其大小取决于河谷形状： 河谷深而窄，拱作用大，梁作用小 河谷浅而宽，拱

13、作用小，梁作用大主要依靠两岸拱座和坝基来保持稳定，自重对稳定的影响不大。(1) 受力条件好(2) 坝的体积小 拱是一种受压结构，拱的作用越显著，越能减小坝的厚度，从而减小工程量。梁的作用越大，越需要依靠坝体自重来抵抗水压力。 拱坝的坝轴线比重力坝长，但总的工程量至少比同高度的重力坝减少1/32/3。二、拱坝的工作特点 拱坝是周边嵌固的高次超静定结构，当外荷载增大至坝的某一部位因拉应力过大而开裂时，能调整拱作用和梁作用及其荷载分配，使坝内应力重分配，而不致使大坝丧失全部承载能力。 裂缝对于拱坝的威胁不象对其他坝型那样严重： 水平缝：扬压力只会降低悬臂梁的作用。一般薄拱坝是以独立的水平拱设计的，悬

14、臂的作用只作为一种安全储备 垂直缝：使拱圈未开裂部分的应力增加，原来的拱圈变成具有更小曲率半径的拱圈，坝内应力重分配，成为无拉应力的有效拱 按结构的观点来看，拱坝的坝面允许局部开裂。如果拱座岩体坚固，那么，拱坝的破坏主要取决于压应力是否超过筑坝材料的强度极限。 一般混凝土具有塑性和徐变特性，在局部应力特大的部位，如果变形受限制，经过一段时间，混凝土的徐变变形增大，弹性变形减小，使这些特大的应力有所降低。(3) 超载能力强，安全度高 拱坝是整体的空间结构，坝体较坚韧，富有弹性，又能自行调整结构特性，故可以提高坝体的抗震性能。如： 意大利：柯尔菲诺拱坝，高40m 中国：河北峡沟水库浆砌石拱坝，高7

15、8m，1966年3月(4) 抗震性能好(5) 施工技术要求高 拱坝坝体断面小，几何形状复杂，故对施工技术、施工质量控制和筑坝材料的强度有较高的要求，对地基处理的要求更严格，开挖较大。五、拱坝的温度荷载拱坝的温度荷载是拱坝设计中主要的荷载之一。1、封拱温度拱坝建成并经过充分冷却后，当施工期混凝土产生的水化热已经基本散尽、坝体混凝土温度趋于相对稳定时，对坝体各施工缝进行灌浆，使各坝块固结形成整体，称为封拱。相应的混凝土温度称为封拱温度。2、拱坝的温度荷载指拱坝封拱形成整体后，在上下游水温、气温周期性变化的影响下，坝体内产生相对于封拱温度的温度变化所引起的荷载，称为拱坝的温度荷载。三部分：u均匀温度

16、变化u沿坝厚的温度梯度变化u非线性温度变化温度荷载对坝体应力和稳定的影响因此，温降对坝体应力不利；温升对坝体稳定不利。当坝体温度低于封拱温度（温降）时，坝轴线收缩，使坝体向下游位移，产生的弯矩、剪力的方向与水库水压力所产生的相同，但轴力方向相反，结果是拱端上游面受拉、下游面受压，在拱冠则上游面受压、下游面受拉。当坝体温度高于封拱温度（温升）时，坝轴线伸长，使坝体向上游位移，产生的弯矩、剪力的方向与水库水压力所产生的相反，但轴力方向相同，结果是拱端上游面受压、下游面受拉，在拱冠则上游面受拉、下游面受压。一、土石坝的特点(1) 筑坝材料就地取材。可节省大量钢材、水泥、木材等。(2) 适应地基变形能

17、力强。土石体是散粒体结构，对地基的要求比混凝土坝低。(3) 施工方法选择灵活性大。能适应不同的施工方法，且工序简单、施工速度快、易保证质量。（人工机械化）(4) 结构简单、造价低廉、运行管理方便、工作可靠，便于维修加高。缺点：(1) 坝顶不能溢流，通常需另开溢洪道。(2) 施工导流不便，增加了工程造价。(3) 坝体断面大，土料填筑的质量受气候影响，给施工带来困难。二、土石坝的工作条件土石坝由散粒体材料填筑而成，其剖面一般呈梯形。土石坝的失稳一般是坝坡滑动或坝坡连同地基一起滑动的剪切，这是土石坝特有的。(1) 渗流问题土石坝在挡水后，在上下游水位差的作用下，坝体、坝基会有一系列的问题需要考虑：

18、水流经过坝身与坝基的结合面、坝体土与混凝土的结合面，易产生渗漏。 坝体内形成自由面，饱和区的土体有效重量减轻，土的强度（内摩擦角和凝聚力）减小 渗透动水压力增大了下游坝坡的滑动可能性。当库水位骤降时，易引起上游坝坡的失事。 在渗流的出口处，易引起渗透变形，严重时会导致坝的失事。(2) 冲刷问题土颗粒间的粘结力很小，抗冲能力很低： 雨水侵入坝体，会降低坝的稳定性；沿坝坡下流会冲刷坝面。 库内风浪会淘刷坝坡，易引起滑坡。(3) 沉降问题土粒间存在孔隙，在坝体自重和水荷载作用下，坝体和坝基都会因压缩而产生沉降。过大沉降：会导致坝顶高程不足。过大不均匀沉降：会导致坝体开裂，形成渗水通道，威胁大坝。(4

19、) 其他问题 严寒地区，库面的冰盖层与坝坡、岸坡冻结在一起，对坝坡产生很大的冰压力，易导致护坡的破坏 自由面以上的坝体粘土，在冻融作用下会造成孔穴、裂缝；夏季干旱作用下，易引起干裂而导致集中渗漏 地震地区，坝坡塌滑的可能性增大；粉砂地基，存在振动液化问题 南方，白蚂蚁可以蛀空坝体，导致坝体塌陷、渗漏通道等七、土石坝的裂缝1. 类型及其成因(1) 干缩和冻融裂缝干缩缝：土体表面失去水分收缩，而土体内部不收缩或收缩甚微，表层土体受约束产生拉应力，形成裂缝。常见于含水量较高、薄膜水较厚的细粒土体。冻融裂缝：土体冻结后，气温骤降，表层土体发生收缩，受到内部未降温土体约束产生拉应力，在表层形成裂缝。常见

20、于含水量较高的细粒土体。仅限于表层土体，不至威胁大坝的安全。(2) 变形裂缝主要由不均匀沉降所引起。由于不均匀变形，在坝的某些部位产生较大的拉应变和剪应变，因而产生裂缝。这种裂缝一般规模较大，并深入坝体，是破坏坝体完整性的主要裂缝。特别是防渗体的拉伸缝，对坝的威胁很大，应尽量避免。变形裂缝纵向裂缝、横向裂缝、水平裂缝纵向裂缝缝的走向平行于坝轴线。多出现于坝坡，有时也出现在坝坡，也可能出现在坝的内部。缝的宽度往往较大。这种缝是由横向不均匀变形引起的。横向裂缝缝的走向垂直于坝轴线。多出现于局部变化地形、岸坡陡峭、坝体埋有刚性建筑物的、易出现局部拉伸的区域。这种缝是由于坝轴线方向的纵向不均匀变形引起

21、的。横缝常贯穿防渗体，对坝的危害很大。水平裂缝多发生在窄心墙坝中。它是由于坝体和坝基的不均匀沉降引起的，是一种内部裂缝。有时贯穿上下游，形成集中渗水通道。这种缝不易发现，往往出现事故后才知道，对危害性很大。由于坝体非粘性土沉降速度快，较早达到稳定。而粘土心墙由于固结速度慢，沉降还在继续。坝壳通过心墙接触面的摩擦力作用阻止心墙沉降，形成心墙拱效应。拱效应使心墙的垂直应力减小，如果拱效应过大，使垂直应力由压变拉，超过土体的强度，会产生水平裂缝。(3) 滑坡裂缝滑坡引起的裂缝，在顶部呈张开缝、底部隆起处产生许多细小裂缝。这种缝延伸较长、较深、较宽，有较大的错距。这是坝失稳前，滑动体开始发生位移时，在周界上出现的缝，是滑坡的前兆。(4) 水力劈裂缝在孔隙水压力作用下，土体局部有效