水利工程概论要点大坝安全监测培训班实用教案

1、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(chxin)，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。第1页/共48页第一页，共48页。4. 我国水资源开发利用中存在(cnzi)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(xdu)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。 缺水严重的地区，河川径流利用率达56%，地下水利用率

2、达80%。第2页/共48页第二页，共48页。（2）利用效率不高，损失浪费(lngfi)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(bdun)提高，而单位产品耗水量不断(bdun)下降。第3页/共48页第三页，共48页。（3）水资源过量(guling)开采后果堪忧（4）水资源污染(wrn)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(bn su)地面下沉。1985年，工业污水和生活污水排放量342亿m3

3、，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。第4页/共48页第四页，共48页。三、 水工(shu n)建筑物hydraulic structure(1)挡水建筑物water retaining structure(2)泄水(xi shu)建筑物water release structure(3)引水建筑物water diversion structure(4)整治建筑物regulati

4、ng structure(5)专门建筑物special hydraulic structure引水(ynshu)建筑物包括取水建筑物和输水建筑物。1. 分类第5页/共48页第五页，共48页。(1)挡水建筑物water retaining structure 用以拦截河流，形成水库(shuk)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(shu lin)，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

5、水库（或河道(hdo)）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。第6页/共48页第六页，共48页。水利枢纽(shulshni)“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(gishn)河流的水流条件，调整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(zhunmn)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。

6、第7页/共48页第七页，共48页。2. 水工(shu n)建筑物的特点第8页/共48页第八页，共48页。自然地形、地质条件(tiojin)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、管理科学第9页/共48页第九页，共48页。3 河川水利枢纽对环境(hunjng)的影响一、物理(wl)影响1. 淤积和冲刷 上游：流速降低，泥沙(n sh)淤积 下游：清水下泄，加大冲刷2. 气候变化、诱发地震、

7、边坡失稳 雾天增多 高坝：坝高超过100m，库容超过10108m3，达17%第10页/共48页第十页，共48页。二、生态(shngti)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(dnglu)、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(shj)范围很广，需研究。如：第11页/共48页第十一页，共48页。四、重力坝的荷载(hzi)及组合1. 主要荷载(hzi)（1）自重dead load / dead weight（2）水压力water pressure / hydraulic press

8、ure（3）扬压力uplift pressure（4）冰压力ice pressure（5）土压力earth pressure / soil pressure （6）地震荷载(hzi)earthquake load / seismic load（7）温度荷载(hzi)load of temperature variation第12页/共48页第十二页，共48页。（1）自重建筑物（坝体）及附属永久(yngji)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）第13页/共48页第十三页，共48页。（3）扬压力(yl)坝基扬压力(yl)、坝体扬压力(yl) 两

9、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(yl)（seepage pressure）。第14页/共48页第十四页，共48页。（4）冰压力静冰压力、动冰压力（5）土压力主动土压力、被动(bidng)土压力、坝前泥沙压力第15页/共48页第十五页，共48页。（6）地震荷载(hzi)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(binhu)引起的热胀冷缩，水温、气温等第16页/共48页第十六页，共48页。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(fnwi)内随机出现的。如： 上游水位、下游水位不断变化；

10、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 load） 第17页/共48页第十七页，共48页。 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(n sh)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 （

11、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第18页/共48页第十八页，共48页。 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(qt)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，由基本荷载+一种或几种特殊荷载组成第19页/共48页第十九页，共48页。1. 抗滑稳定(wndng)分析 抗滑稳定安全系数建筑物的抗

12、滑力与建筑物所受的滑动力之比，用K表示。 对于(duy)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。第20页/共48页第二十页，共48页。（1）沿坝基(b j)面抗滑稳定A、摩擦(mc)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(gngsh)凝聚力抗剪断摩擦系数接触面面积式中：cfAPAcUWfK)(第21页/共48页第二十一页，共48页。2. 应力(yngl

13、)分析目的：验算大坝在施工期、运用期强度的安全度要求：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(ybn)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。第22页/共48页第二十二页，共48页。应力分析部分(b fen)成果（1）由重力坝剖面和受力特点：在空库时，坝踵处压应力(yngl)最大，坝趾处压应力(yngl)最小，甚至出现拉应力(yngl)；在满库时，坝趾处压应力(yngl)最大，坝踵处压应力(

14、yngl)最小，甚至出现拉应力(yngl)。第23页/共48页第二十三页，共48页。2. 灌浆(gungjing)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(tin si)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。第24页/共48页第二十四页，共48页。3. 坝基(b j)排水系统目的(md)

15、：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。第25页/共48页第二十五页，共48页。一、拱坝的工作(gngzu)原理(1) 依靠拱的作用(zuyng)，将力传给拱座(2) 依靠悬臂梁的作用(zuyng)，将力传给地基第26页/共48页第二十六页，共48页。 拱坝同时有拱的作用(zuyng)和悬臂梁的作用(zuyng)，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(zuyng)大，梁作用(zuyng)小 河谷浅而宽，拱作用(zuyng)小，梁作用(zuyng)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

16、。(1) 受力条件(tiojin)好(2) 坝的体积小 拱是一种受压结构，拱的作用越显著(xinzh)，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、拱坝的工作特点第27页/共48页第二十七页，共48页。 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(ynzhng)： 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

17、水平拱设计的，悬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(nngl)强，安全度高第28页/共48页第二十八页，共48页。 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(xn

18、gnng)。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78m，1966年3月(4) 抗震(kngzhn)性能好(5) 施工(sh gng)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。第29页/共48页第二十九页，共48页。五、拱坝(n b)的温度荷载拱坝的温度(wnd)荷载是拱坝设计中主要的荷载之一。第30页/共48页第三十页，共48页。1、封拱温度拱坝(n b)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

19、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(ynq)的荷载，称为拱坝的温度荷载。三部分(b fen)：均匀温度变化沿坝厚的温度梯度变化非线性温度变化第31页/共48页第三十一页，共48页。温度荷载对坝体应力和稳定(wndng)的影响因此(ync)，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(xin tn)，但轴力方向相反，结果是拱端上游面受拉、下游面受压

20、，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(xin tn)，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。第32页/共48页第三十二页，共48页。一、土石坝的特点(tdin)(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(fngf)选择灵活性大。能适应不同的施工方法(fngf)，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

21、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。第33页/共48页第三十三页，共48页。二、土石坝的工作(gngzu)条件土石坝由散粒体材料(cilio)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。第34页/共48页第三十四页，共48页。(1) 渗流(shn li)问题土石坝在挡水后，在上下游水位(shuwi)差的作用下，坝体、坝基会有一系列的问题需要考虑： 水流经过坝身与坝基的结合面、坝体土与混凝土的结合

22、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(sh sh)。 在渗流的出口处，易引起渗透变形，严重时会导致坝的失事(sh sh)。第35页/共48页第三十五页，共48页。(2) 冲刷(chngshu)问题土颗粒(kl)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。第36页/共48页第三十六页，共48页。(3) 沉降(chnjing)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

23、产生沉降(chnjing)。过大沉降(chnjing)：会导致坝顶高程不足。过大不均匀沉降(chnjing)：会导致坝体开裂，形成渗水通道，威胁大坝。第37页/共48页第三十七页，共48页。(4) 其他(qt)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(hp)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、渗漏通道等第38页/共48页第三十八页，共48页。七、土石坝的裂缝(li fng)1. 类型及其成因(

24、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(x l)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。常见于含水量较高的细粒(x l)土体。仅限于表层土体，不至威胁大坝的安全。第39页/共48页第三十九页，共48页。(2) 变形(bin xng)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(shnr)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

25、，对坝的威胁很大，应尽量避免。变形裂缝纵向裂缝、横向裂缝、水平裂缝第40页/共48页第四十页，共48页。纵向(zn xin)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(jio d)。这种缝是由横向不均匀变形引起的。第41页/共48页第四十一页，共48页。横向(hn xin)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(duqio)、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的。横缝常贯穿防渗体，对坝的危害很大。第42页/共48页第四十二页，共48页。水平裂缝多发生在窄心墙坝中。它是由于

26、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(tnggu)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。第43页/共48页第四十三页，共48页。(3) 滑坡(hup)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(ynshn)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。第44页/共48页第四十四页，共48页。(4) 水力(shul)劈裂缝在孔隙水压力作用下