水工建筑物整理

水工建筑物绪论：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。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。水工建筑物分类（1） 按功能分：挡水建筑物：如拦河坝、堤防、施工围堰等；功能：拦截或约束水流抬高水位或调蓄水量。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。输水建筑物：引水隧洞、涵管、渠道、渡槽、倒虹吸管、输水涵洞等；功能：将水源从一处输送到另一处。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。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。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：永久性建筑物（工程长期使用）和临时性建筑物（工程施工期间使用）两大类。（3） 按重要性分：主要建筑物和次要建筑物水工建筑物的特点（与一般土建工程相比）工作条件的复杂性：设计选型的独特性；施工建造的艰巨性；失事后果的严重性书上的是：复杂性；艰巨性；个别性；显著性水利枢纽与水工建筑物的等级划分（1） 原因（目的）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。（2） 等别分五等，确定原则：①工程模型大小，效益大小。②失事后的破坏程度。③对于综合利用的多功能工程，其等别按最高者为标准。（3） 级别分五级，确定依据：①等别；②重要性；③特殊情况下可升级或降级。第一章重力坝重力坝：用混凝土或歧视等材料修筑而成的，主要依靠坝体重力维持自身稳定的挡水建筑物。组成：由溢流坝段、非溢流坝段以及边墩、导墙和坝顶结构等组成。（1） 工作原理：①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。（2） 剖面特征：剖面较大；一般为上游面接近于垂直的三角形剖面。坝轴线呈直线，垂直坝轴线方向常设有永久伸缩缝。（3） 与其他坝型相比具有的显著特点表现在：重力坝筑坝材料抗冲能力强，耐久性好，可靠性强，坝顶溢流，利用较低的坝块，底孔导流;重力坝结构简单一一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，坝内应力较低且分布均匀，但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；重力坝基本断面适用于在坝顶布置溢洪道和在坝身设置泄水孔，一般不需要另外设置溢洪道或泄洪隧洞。注：重力坝设计，亦围绕上述特点和主要问题展开。重力坝上的作用（荷载）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。作用效应（由结构抗力R承担）：结构对外界作用的响应，即结构受到作用后所产生的内力、变形和振动等（如轴力、弯矩、剪力、位移、挠度、裂缝和结构动力响应等）。作用：①直接作用一施加在结构上的集中力或分布力；间接作用一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）：永久作用一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）；可变作用一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）；偶然作用一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）；主要荷载：重力坝上作用力包括：①自重；②上、下游坝面静水压力；③扬压力（渗透压力与浮托力之和，向上）；④浪压力；⑤泥沙压力；⑥地震荷载；⑦冰压力等。作用效应组合：原因：永久作用、可变作用、偶然作用出现的机率不相同，在进行设计时，应根据工程的具体条件，将各种作用按可能同时出现的机率合理的组合成不同的设计情况。为降低坝基面扬压力，通常在坝踵附近的坝基中设置防渗帷幕，用以增加渗径，肖U减渗流水头并在帷幕后设置排水孔幕，以便使渗透水流在排水孔中逸出，从而进一步降低渗透压力。重力坝的稳定性（稳定分析：抗剪、抗滑、抗倒伏）承载能力极限状态：结构达到最大承载能力或不适宜继续承载变形为依据；正常使用极限：结构达到正常使用或耐久性要求的某一功能限值为依据。（1） 失稳破坏形式（两种类型）：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）下游坝踵以下岩体受压发生压碎引起倾斜滑移破坏。（2） 稳定验算的方法：安全系数计算法和分项系数极限状态计算法（3） 提高重力坝稳定性的工程措施：将坝的迎水面做成倾斜或折坡行，利用坝面上的水重来增加坝体的抗滑稳定；将坝基面开挖成倾向上游的斜面，或降低坝踵，使坝基面倾向上游；利用地形地质特点，在坝踵或坝趾设置深入基岩的齿墙；采用有效的防渗排水或抽水减压措施，降低扬压力，增大稳定性；加固地基；利用预加应力措施提高抗滑稳定性。重力坝应力分析（1） 目的：①检验重力坝在施工期和运用期是否满足强度要求；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。（2） 分析方法：①材料力学法弹性理论法：有限元、有限差分法等。模型实验法：电测法、光测法、地质力学模型实验法（3） 材料分析法的基本假定：坝体混凝土为均匀、连续、各向同性的弹性体；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；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。（4） 内容：计算选定截面（坝基面、折坡处断面和其他需计算的截面）上的应力；计算坝体削弱部位的局部应力；计算坝体个别部位（如宽缝重力坝的头部、闸墩和胸墙等）的应力。（5） 影响重力坝的因素：直接作用的荷载因素，非荷载因素：地基变形、材料分区、施工纵缝、分期施工、温度变化。重力坝的基本剖面：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。剖面设计过程：先拟定基本剖面，再根据实际情况将其修改成实用剖面，然后根据稳定、应力分析和强度验算成果对剖面反复修改，最后得到经济合理的实用剖面。设计考虑原则：①满足稳定和强度要求；②剖面最小，即工程量最小；③便于施工；④满足运行要求。剖面设计的原则：满足稳定和强度要求；剖面最小即工程量最小；便于施工；满足运行要求。结构设计的任务:对作用效应与结构抗力进行比较，需求及满足使用要求，又安全经济的设计方案。结构安全储备的必要性：各种作用具有随机性和变异性；结构抗力因材料的性能、强度和结构尺寸等方面的不确定性因素产生不利性变异；设计时所用方程不尽准确。结构可靠度：指结构在规定时间内，在规定条件下完成预定功能的概率。Pr失效概率：结构不能完成预定功能的概率。Pf。Pf+Pr=1溢流重力坝的消能防冲措施：挑流、底流、面流、戽流重力坝分缝（1） 目的：为防止在运用期由于温度变化发生伸缩变形和地基可能产生不均匀沉陷而引起裂缝，以及为了适应施工期混凝土的浇筑能力和温度控制等（2） 分类:按缝的作用分：沉降缝：将坝体沿长度分段，以适应地基的不均匀沉降，避免坝体由此产生裂缝温度缝：将坝体分块，以减小坝体伸缩时对坝体的约束及新旧混凝土之间的约束而造成的裂缝施工缝：为了便于分期浇筑、装拆模板以及混凝土的散热而设的临时缝按缝的位置分：横缝、纵缝、水平缝（3） 布置要求：（斜缝可存在）横缝：垂直于坝轴线的竖直缝，为平面，不设键槽，不灌浆，使各坝段独立工作，兼有沉降缝和温度缝的作用。缝内需设置可靠地止水设备。纵缝：平行于坝轴线的缝，目的在于适应混凝土的浇筑能力和减小施工期的温度应力。水平缝：上下层浇筑块新老混凝土的结合面。材料分区及表1-16I区：上下游水位以上坝体外部表层混凝土；（抗冻）II区：上下游水位变化区坝体外部表层混凝土；（抗冻、抗裂）m区和w区：分别为上、下游最低水位以下坝体外部表层混凝土和坝体基础混凝土；（抗渗抗裂V区:坝体内部混凝土，多采用低等级低热混凝土；W区:抗冲刷部位的混凝土，如溢流面、泄洪孔、导墙、闸墩等。（抗冲耐磨温度应力和温度裂缝的成因：（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。防止温度裂缝的措施：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、分块。温度控制的标准：基础温差、上下层温差、内外温差温度控制的措施：选择低热水泥或水泥用量（如加掺和剂、外加剂等），减少混凝土的发热；降低混凝土的入仓温度；加速混凝土入仓后的热量散发；放置气温的不利影响，进行混凝土块的表面保护；合理安排施工季节，将防裂难度较大的部位，如基础及大孔洞结构等部位安排在气温较低的季节施工。坝基固结灌浆（还有回填灌浆、接触灌浆（1） 方法：用浅孔低压灌注水泥浆。（2） 目的（作用）：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；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。（3） 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。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。浇筑一定厚度混凝土后施工。（1） 目的：①降低坝基渗透压力；②减少渗流量；防止基岩内的软弱夹层、断层破碎带等抗水性能差的岩体发生渗透变形破坏。（2） 灌浆材料：水泥浆、化学材料灌浆。重力坝对地基的要求：具有足够的强度，以承受坝体的压力；具有足够的整体性和均匀性，以满足坝基抗滑稳定和减少不均匀沉陷的要求；具有足够的抗渗性，以满足坝基渗透稳定和减少渗透的要求；具有足够的耐久性以防止在水的长期作用下基岩性质发生恶化。重力坝的地基处理：坝基开挖、坝基加固处理、坝基防渗处理、地基排水、两岸处理等。第二章拱坝拱坝: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。（失稳破坏：抗滑稳定（1） 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，通过悬臂梁作用将部分（小部分）传至坝基。（2） 工作特点：A） 拱坝传力方式使其充分发挥混凝土抗压特性，断面较重力坝单薄，工程量节省。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，稳定性依靠两岸拱座的反力作用。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。双曲拱坝：铅直向断面为弓形，使梁的重力偏向上游，从而在梁底上游面产生压应力，可以起到抵消库水压力在此处产生拉应力的作用，悬臂梁上下游面均向上游凸出。拱坝的地形和地质条件（1）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。（2）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、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。拱坝平面布置的步骤：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；试定顶拱轴线的位置； ③拟定拱冠梁断面尺寸；拟定拱圈形式； ⑤顶层拱圈布置；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；绘出各层圆心的连线，校验上下游面应力连续情况；根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。拱坝的应力分析（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。（2） 变温作用对拱坝的影响：温度荷载：由于拱端嵌固于基岩而限制坝体变形，使坝体产生温度应力。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；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；拱坝应力分析方法（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。除弹性拱的一般假定外，拱圈的轴向力、剪力及拱端基岩变形（即地基变位）不能忽略。（3） 拱冠梁简化法：假定：用一根梁（拱冠梁）与许多水平拱圈组成拱、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。（4） 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。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。（5） 结构模型试验法：①地质力学模型法②光弹实验法拱坝设计分析方法选择及注意问题：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。对于1、11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；对于特别重要工程，应进行结构模型实验加以验证。坝座稳定分析（1） 校核方法：块体抗滑稳定刚体极限平衡法。（2） 拱座可能滑动块体选取原则：由若干滑裂面和临空面组成的多面体。（3） 边界面包含：岩体内主要结构面、尤其软弱结构面；临空面-开挖后的地表、宽度较大的软弱带、断层等拱坝的坝身泄流方式：自由跌落式、鼻坎挑流式、滑雪道式、坝身泄水孔式第三章土石坝（大坝、溢洪道、引水隧洞）土石坝：是用土、石等当地材料填筑而成的坝，也称当地材料坝或填筑坝。（1） 分类：根据施工方法分:碾压式土石坝；抛填式堆石坝；定向爆破堆石坝；水中倒土坝；水力冲填坝根据筑坝材料分：土坝；堆石坝；土石混合坝（2） 碾压式土石坝按土料在坝体中的配置和防渗体位置的不同，可分为：⑴均质坝：坝体由一种材料组成，既是防渗体，又是坝的主体，坡度较缓，用于中低坝。⑵分区坝：组成：防渗体、反滤层、过渡层、坝壳、排水体和护坡等。心墙坝：把防渗体放在坝体中部，断面比均质坝小。土料透水性自中央向两边逐渐增大。同时施工，相互干扰大。斜墙坝：把防渗体放在靠近上游坝面处，有效降低坝体浸润线，但适应地基变形的能力比心墙坝差。易产生纵向裂缝，抗震性能不如心墙坝。土料透水性自上游向下游逐渐增大。干扰小。土石混合坝： 要求：越靠近防渗体，土料性能越接近防渗体。透水性自中部向上、下游两侧逐渐增大。⑶钢筋混凝土、沥青混凝土面板堆石坝堆石坝主体为堆石，强度高；上游坝面以钢筋混凝土面板或沥青混凝土面板防渗。断面较小。（3） 土石坝的特点优点：⑴就地取材。 ⑵适应地基变形的能力强，对地基的要求比砼坝低。⑶施工方法灵活性大。⑷结构简单，便于维修和加高。缺点：⑴坝顶不能溢流，坝身不便开孔泄洪，需另设岸边溢洪道。⑵施工导流不如混凝土坝便利，需另设溢洪道宣泄施工期洪水。⑶坝体断面大，工程量相应增大。土石坝的工作条件：（1） 渗流问题及其控制：渗流问题坝体大部分浸泡在水中，土体有效重量降低，土的强度指标降低。II.渗流力（动水压力）的作用，增加了滑坡的可能性。m. 渗流在土体中流动产生渗透坡降，如果超过允许渗透坡降，可能产生渗透变形。w.渗流量，渗流量过大会影响水库蓄水量，尤其对抽水蓄能水库。控制：必须满足渗流控制要求进行合理的防渗设计来有效降低水流不利条件，上阻下排，合理布置排水及反滤设施，加强防渗体与其它部位的连接，保证坝体和坝基的渗透稳定性。（2） 冲刷问题及其控制：冲刷问题:土石坝抗冲能力低，雨水、风浪的淘刷作用，削弱了坝体的有效部分。绝大多数土石坝不允许水流漫顶。控制:不允许水流漫顶,顶时水流拖曳作用将表面颗粒带走，削弱坝体，会造成土石坝失事。要求：①要有足够的坝高，应预留沉陷值。要设置泄水能力足够大的泄水建筑物。在上、下游坝坡应采取有效的防护措施及坝面排水措施。沉降问题及其控制沉降问题：沉降过大会造成坝顶高程不足。过大的不均匀沉降会引起坝体开裂，导致漏水。控制：设计中要预留沉降值。为防止不均匀沉降，要合理设计坝体剖面及细部构造，正确选择坝体土料，施工时土料压实要符合设计标准。稳定问题(25%)坝体为散粒体结构，局部范围剪应力＞允许剪应力，就会产生坝体滑动或坝体连同地基一起滑动。控制：坝体和坝基必须稳定可靠合理选择土料；合理设计坝坡；施工中做好地基处理，土料压实要符合设计标准。其他问题:冰冻破坏；动物破坏；地震破坏。幻灯片46坝体排水设备：主要作用：排除坝身及坝基渗水，降低浸润线，有利于下游坝坡稳定并防止渗流逸出处的渗透变形，保护坝坡，防止冻胀破坏。影响因素：坝型、地基条件、下游水位、气候、材料及施工条件。组成：由砾石、块石或排水管做成的排水体和由数层粒径沿渗流方向逐渐增大的砂砾料做成的反滤层两部分组成。反滤层：指使液体通过的同时，保持受渗透压力作用的土粒不流失，与过滤的方向相反，粒径大小由渗透方向由小到大。主要形式：贴坡排水：位置：设在下游坝坡底部。优点：构造简单，石料用量少，便于检修。作用：防止渗透破坏，保护下游坝脚，但不能降低浸润线。要求：由广2层堆石筑成，在石块与坝坡间应设反滤层。顶部应高出浸润线逸出点并高于下游最高水位1.5~2.0m。适用条件：适用于中小型下游无水的均质坝以及有良好防渗体而坝内浸润线较低的中等高度土石坝。棱体排水位置：在下游坝脚处设排水棱体。作用：可降低浸润线，并可防止坝坡冻胀破坏和渗透变形，保护下游坡脚。要求：顶部高程应超出下游最高水位0.5~1.0m，应大于波浪沿坡面的爬高，同时应保证坝体浸润线距坡面的距离大于冰冻深度。在排水与坝体及坝基之间应设置反滤层。排水棱体其内坡约为1：1~1：1.5，外坡约为1：1.5~1：2。适用条件：适用于下游有水的情况。优点：排水效果好，体积大，用料多，对坝体施工有干扰，检修困难，堆石坝较大时，可作为坝坡的支撑，有利于坝坡稳定。褥垫排水位置：用块石平铺在下游的坝基面上，并用反滤层包裹。作用：下游无水时可有效降低浸润线，并有助于坝基排水。但对不均匀沉降的适应性差，对下游有水情况作用不大。要求：伸入坝体的长度不超过1/3~1/4的坝体宽度，一般向下游做成0.005~0.01的坡度，厚度一般为0.4~0.5m。适用条件：适用于下游无水或下游水位很低的情况。综合式排水护坡和坝顶构造护坡上游护坡：作用：主要是防止风浪淘刷。厚度：其厚度选择时应考虑波浪因素。材料(形式)：砌石、堆石、混凝土或钢筋混凝土、沥青混凝土等。护坡范围：从坝顶至水库最低水位以下1.5~2.5m。下游护坡：作用：防止雨水冲刷、干裂、动物破坏及下游有水部位的波浪、冰冻和水流作用。材料(形式)：砌石、堆石、碎石、草皮等。护坡范围：坝顶至排水棱体，无排水棱体时护至坡脚。坝顶构造：交通、排水、防浪墙土料设计：任务：对坝体各部位的土料进行选择，然后确定土料的填筑标准。(土石坝主要由坝壳、防渗体、排水设备、护坡等组成，还有反滤层及过渡层。)筑坝土料的选择：一般土料原则上均可作为碾压式土石坝的筑坝材料，或经处理后用于坝的不同部位。但下列土料不宜采用：沼泽土、斑脱土、地表土及含有未完全分解有机质的土料。均质坝对土料的要求强度指标④、c较大。 (2)渗透系数k较小，＜10-4cm/s。要有一定的塑性：塑性指数Ip=wL-wP=7〜17。一能适应坝基变形而不会产生裂缝。有机杂质含量W5%。 (5)土质：绝大多数采用粘性土。防渗体对土料的要求渗透系数k较小，＜10-5cm/s。一抗渗性有较好的塑性以适应坝体及坝基变形，塑性指数Ip大于10〜12。有机杂质含量W2%，水溶盐含量按重量比W3%，有良好级配。浸水和失水时体积变化较小。土质：粘粒含量(粒径：0.005mm)为15%~30%或塑性指数为10〜17的中、重壤土以及粘粒含量30%~40%或塑性指数为17〜20的粘土较合适。坝壳对土石料的要求强度指标④、c较大，具有抗震、抗滑稳定性。排水性能好，k＞103Xk防渗体。一经过防渗体后，迅速降低浸润线。有良好级配：级配连续；不均匀系数n=d60/d10e30〜100。土质：级配良好的无粘性土(砂、砾石、卵石、碎石等)，料场开采的石料、开挖的石渣。排水、护坡对土石料的要求良好的抗水性、抗冻性和抗风化性。 (2)具有一定的强度：抗压强度N50Mpa（3）岩质：不宜用风化料，用新鲜岩石、卵石、碎石。反滤料及过渡层土料（1） 应具有必要的透水性、强度，具有高度的抗水性和抗风化能力。（2） 必须具有良好的级配，粒径小于0.1mm的颗粒含量小于5%，不应含有粒径小于0.05mm的粉土和粘粒。（3） 土质：反滤料应尽量采用天然砂砾筛分，也可用人工砂和碎石。关于风化料及特殊粘土料的采用（1） 风化料也可作为筑坝材料，但应注意其性能的不稳定性，不可作为护坡、排水，上游及下游浸润线以下也不能采用风化料，应使其在干燥区工作。（2） 特殊粘土料有（南方）红土、膨胀土等。红土是要作降低含水率处理；膨胀土用于心墙或均质坝内部，表面有一定压重，就可正常使用，用于筑坝时，应正确选择其填筑标准可调节其涨缩特性。土石料填筑标准设计：（1） 粘性土料的填筑标准：设计指标：设计填筑干重度：按压实度P确定。影响土的压实性的因素很多，主要有含水量、击实功能以及土的种类和级配等。施工时主要控制填筑含水量3，选在最优含水量附近。（2） 粘性土料设计的步骤：初拟设计含水量3:计算填土的最大干重度：理论最大干重度一般难以达到，所以一般估算填土的最大干重度：拟定填土的设计填筑干重度：校验填土的设计干重度：应满足调整含水量3使满足填筑要求。一般碾压式土坝设计干重度为15.7~17.2kN/m3,I、II级坝及高坝的压实度P不低于0.96~0.99,对III、IV、V级坝应不低于0.93~0.96。施工时压实干重度的合格率，对I、II级坝及高坝的防渗体为90%，对中小型土坝的防渗体和I、II级均质土为85%~90%，对中小型均质坝为80%~85%。（3） 非粘性土料的填筑标准：压实程度与填筑含水量关系不大，主要与砂石料的级配和压实功能有关。压实程度用相对紧密度Dr表示，要求Dr不低于0.7~0.75，若为地震区，要求浸润线以上不小于0.7，浸润线以下不低于0.75~0.85。（4） 非粘性土料土料设计的步骤：计算相对紧密度Dr:计算设计干重度：计算不同含砾量的砂砾料填筑干重度非粘性土料的施工合格率要求一般为80%~85%。渗流分析（1）目的（任务）：确定坝体浸润线及其下游逸出点的位置，绘制坝体和坝基内的流网图，为稳定分析、应力应变分析及排水设备选择提供依据；确定坝体与地基渗流量，以便估计水库渗漏损失并校核坝的排水尺寸；确定渗在下游坝坡或地基出逸处的渗透坡降以及渗流场内不同土层之间的渗透坡降，以便验算抗渗稳定性；确定库水位骤降时上游坝壳内自由水面位置，以便计算孔隙水压力，供上游坝坡稳定分析用。计算坝肩的等势线、渗流量和渗透坡降；确定坝体和岸基内的浸润面。渗流计算的方法：流网法；②有限单元法；③电拟试验法：用电流场模拟渗流场，通过试验测定渗流流网。水力学方法：在平面渗流条件下的一种近似方法，它用达西定律，并假定沿任一铅直过水断面内各点的渗透坡降相等。渗流具体计算见P137-147土石坝的抗渗稳定验算渗透变形的形式及其判别无粘性土：管涌、流土；粘性土：流土渗透变形：土石坝及其地基在渗流的物理作用和化学作用下发生土体颗粒流失的局部破坏现象管涌：无粘性土中细颗粒被渗流从孔隙通道中的连续移动并带出，形成挟沙渗流的集中通道，导致土体破坏的现象。管涌可能发生的部位：非粘性土的渗流逸出点和进入排水处。管涌判别：级配连续时不均匀系数>20，级配不连续时细粒含量小于25%。流土：渗流作用下，土体的同时浮起或流失的现象。流土发生的部位：多发生粘性土坡和颗粒较均匀的非粘性土坡中。判别：级配连续时不均匀系数<10，级配不连续时细粒含量大于35%。接触冲刷：顺着两种土壤的接触面的渗流对接触面颗粒的冲刷。判别：一般认为当相邻两层土体的d10比值小于10且两层土的不均匀系数小于10时，不会产生接触冲刷，反之应考虑接触冲刷和接触流失的问题。一般发生在非粘性土中。接触流失：渗流垂直于渗透系数相差较大的两相邻土层的接触面流动时，将渗透系数较小土层中的细颗粒带入渗透系数较大的另一土层。防止渗透变形破坏改善渗透稳定性的工程措施：提高土的抗渗性：土料设计时需考虑。采取水平或垂直防渗措施，以便近可能延长渗径，达到降低渗透坡降的目的；降低渗透坡降：设置水平与垂直防渗体，调整防渗结构的型式和尺寸。降低下游渗流出口处的渗透压力：设置排水沟或减压井。对可能产生流土的地段加盖重以增加土体抵抗渗透变形的能力，盖重与被保护土体之间也要设反滤层。对可能发生管涌的部位，需设置反滤层，拦截可能被带走的细颗粒。反滤层设计：反滤层的主要作用：排水滤土，防止坝体和坝基在渗流逸出处产生渗透破坏。反滤层位置：J较大处。各种排水与坝体和地基之间；防渗体与上、下游坝壳之间，防渗体与坝基透水层之间，下游渗流逸出处。渗水逸出处一般均需设反滤层。反滤层型式：土反滤：由几层砂砾料按粒径沿渗流方向增大铺设。土工织物反滤。保护非粘性土的反滤层设计：D15\d85=<4~5抗管涌要求，使反滤料不至于太粗；D15\d15>=5渗透性要求，使反滤层不会受到较大的渗透压力，以免反滤层不被渗水托起(流土)。稳定分析(局部稳定问题)目的：保证其在自重、渗透压力、孔隙水压力和其他外荷载作用下，具有足够的稳定性，不至于因剖面设计不当，或坝体和坝基土料抗剪能力不足而造成失稳。(1)土石坝的局部失稳状态：滑坡、液化、塑性流动。滑坡：由于坝坡过陡或筑坝土料抗剪强度不够，使某一滑动面以上土体所受滑动力或滑动力矩超过了其下相应土体可能施加的抗滑力或抗滑力矩；由于坝基土体抗剪强度不够，使部分坝体连同坝基一起滑动，尤其当坝基有软弱夹层时，滑动往往在该层发生。液化:易发生在由不紧密均匀细砂构成的坝体或坝基中。发生的原因：饱和松砂受振动或剪切而发生体积收缩，但孔隙中的水分不能立即排出，沙砾相互接触的有效应力部分或全部转化为没有抗剪强度的孔隙水压力，砂粒就随水流动而“液化'。塑性流动：指坝体或坝基土的剪应力超过土体实有的抗剪强度，变形远超过弹性限值，失去承载能力，坝坡或坝角土被压出或隆起，或坝体、坝基发生严重裂缝，过量沉陷等情况。坝体或坝基由软粘土构成又设计处理不当时才会出现这种现象。（2） 滑坡滑动面的基本类型：曲线滑动面：近似于圆弧面，多发生于粘性土坡及厚的心墙坝、厚斜墙坝中。折线滑动面：发生于非粘性土坡，以及斜墙连同保护层。复合滑动面：发生于厚的心墙坝、由多种粘性土和非粘性土组成的多种土质坝、地基内有软弱夹层。（3） 稳定分析方法：刚体极限平衡理论应力应变分析法滑动面法：①圆弧滑动法：瑞典条分法（均质坝、厚心墙坝、厚斜墙坝）：不考虑条块间的作用力。毕肖普法：考虑土条间的作用力。简化毕肖普法：考虑土条间水平作用力而忽略竖向作用力。折线滑动法一一非粘性土坡计算：③复合滑动面法：不同土料，砂土直线，粘性土圆弧圆弧滑动法的基本原理:假定滑动面为圆弧形，将圆弧滑动面以内的土体作为脱离体，以圆心作为力矩中心，当圆弧范围内的土体底部滑裂面上的滑动力绕O点下滑的滑动力矩Ms大于滑裂面上的阻滑力绕O点的抗滑力矩Mr时，坝坡便丧失稳定。瑞典条分法：自重：浸润线以上取湿重度，以下取浮重度。考虑渗透力：浸润线以下，下游水位以上土体计算滑动力矩时采用饱和重度，计算抗滑力矩时用浮重度。（4） 稳定分析的计算情况：I.正常运用情况：库水位处于正常蓄水位或设计洪水位，以及自正常蓄水位正常降落所对应的工作条件。（库水位在上述范围内经常性正常起落；抽水蓄能电站的库水位经常性变化和降落水库蓄满水形成稳定渗流时一验算下游坡的稳定；上游库水位为某一最不利水位时一验算上游坡的稳定；上游水位正常降落，上游坝坡产生渗透动水压力（流线方向指向上游）时的稳定计算。非常运用情况：（施工期；校核洪水位有可能形成稳定渗流的情况；正常运用条件遇地震库水位骤降（kW10-3cm/s，V>3m/d），形成反向渗流一验算上游坡的稳定；正常蓄水位+地震一验算上、下游坡的稳定；校核洪水位时一验算下游坡的稳定；施工期考虑孔隙水压力时一验算上、下游坡的稳定。（5） 提高坝坡抗滑稳定的工程措施：①加大断面，放缓边坡；②提高坝体填筑标准；合理减压，减小下滑力和滑动力矩；设加压重，增加抗滑力和抗滑力矩；提高导渗、排水。（6） 斜墙连保护层一起滑动的抗滑稳定->刚体极限平衡法原理先假定滑裂面；确定滑裂面上的抗剪强度值，cd面和df面分别位于保护层和斜墙中，应分别选取相应土料的抗剪强度值，且fb面处于斜墙和反滤层两种土料的交界面上，故在fb面上应取较小值后求得临界压应力，确定试算交界面上抗剪强度分界点e；作铅直线将滑动体分块，各滑块上的安全系数Kc等值；假定Kc，按各滑块力的平衡关系进行试算，各滑块间作用力的假定与坝坡平行。（6）稳定计算工况：施工期的上下游坝坡；稳定渗流期上下游坝坡；水库降落期的上下游坝坡；正常运用条件遇地震11.土石坝的地基处理及裂缝控制（1）、地基处理主要解决防渗问题，主要措施：帷幕灌浆目的：渗流控制；稳定控制；变形控制。常见地基：岩基或浅覆盖地基；砂砾石地基；细砂或有淤泥地基；粘土或黄土地基砂砾石地基处理砂砾石地基的特点：具有较高的抗剪能力和承载能力，压缩变形小，抗渗性能差，因此对这类地基的处理以渗流控制为主。垂直防渗：粘土截水槽、砼防渗墙，灌浆帷幕；水平防渗：铺盖；下游设排水减压设施及盖重。*当砂砾石透水层深度不大时(10~15米以内)，采用水平铺盖加截水槽的措施.*当砂砾石透水层较深时(>10~15米)，采用水平铺盖加混凝土防渗墙的措施.*当砂砾石透水层很深时，采用水平铺盖加灌浆帷幕的措施.土石坝裂缝类型及控制措施类型：干缩、冻融、不均匀沉降、滑坡、水力劈裂等。控制措施：挖除回填；灌浆处理预防土坝裂缝的途径：合理地计算坝体应力和应变的大小及分布，根据实验测定的的土体强度特性，分析和估计坝体可能产生裂缝的危险部位、裂缝的性质以及裂缝的几何参数，据以采取相应的地基处理措施;合理地设计土石坝剖面和细部结构；m. 选择适宜的土料并采取合理的设计参数；w.严格控制施工质量，明确运行管理上的要求，并精心进行管理。坝体材料分区堆石体的材料分区图3-47垫层区：垫层的作用是平整上游坡面，避免面板出现应力集中，故要求垫层料的粒径不能过大，应含有适量的细料。为改善面板的受力条件，垫层料应级配良好，细料足以填满粗料间的空隙，以便压实到很高密度，并具有较高的变形模量。过渡区：该区的材料粒径级配和密实度介于垫层区和主堆石区二者之间，既有与垫层区共同承担面板传力作用，也有防止垫层内细颗粒流失的反滤作用。堆石区：在堆石体中，主堆石区内是承受水压力的主要部分，其作用是将面板承受的水压力传递到地基。该区要求石料具有低压缩性、高抗剪强度，并具有较好的透水性和耐久性。宜采用硬岩堆石料或砂砾料填筑。接缝与止水周边缝：一般均采用有底部止水铜片、中部塑胶止水和表面塑性填料组成的三道止水。垂直缝：受拉缝与周边缝相同或只设底部和表面两道止水，受压缝只设一道止水铜片。水平缝：面板的水平缝均按施工缝处理，面板顶部与防浪墙间的水平缝宜设表面及底部两道止水。第四章河岸溢洪道泄水建筑物：用来宣泄洪水期间(泄洪)或其他情况下水库(或渠道)中多余水量(泄水)以保证大坝安全的建筑物。包括：泄洪建筑物、泄水孔、施工泄水道、水闸消能设计原则：①尽量增加水流的内部紊动；②限制水流对河床的冲刷范围消能方式：底流消能、面流消能、挑流消能、戽流消能。底流消能工作原理：在坝趾下游设消力池、消力坎等，促使水流在限定范围内产生水跃，通过水流的内部摩擦、掺气和撞击消耗能量。

挑流消能工作原理：利用鼻坎将水流挑向空中，并使其扩散，掺入大量空气，然后落入下游河床水垫，形成旋滚，消耗能量约20%。起初冲刷河床，形成冲坑，达一定深度后，水垫加厚冲坑趋于稳定。3.河岸溢洪道(与泄洪隧洞比较：一般造价较低，除具有正常泄洪能力外，当发生非常洪水时又具有较大的超泄能力)(1)采用条件：①河谷狭窄，洪峰流量大，采用河床布置有困难；②坝体不宜作河床溢洪道；有垭口地形； ④利用施工导流洞改建。溢洪道分类：正槽溢洪道；②侧槽溢洪道；③井式溢洪道；④虹吸溢洪道；⑤泄洪隧洞。河岸溢洪道的布置因素：地形条件、地质条件、水流条件、施工条件、经济、枢纽中的布置。4.正槽溢洪道：水流特征：过堰水流与泄槽轴线方向一致。工作特点：开敞式正面进流.泄槽与溢流堰轴线正交,过堰水流与泄槽方向一致.组成：进水段(引水渠)，控制段，泄槽(陡槽)，消能段，尾水渠(进水渠和尾水渠的设置视情况而定)优:结构简单，进流量大，泄流能力强，工作可靠，施工、管理、维修方便，因而被广泛采用。缺：当两岸地势较高且岸坡较陡时，开挖方量大。、正槽溢洪道各组成部分的设计(i)引水渠：①作用：使水流平顺地进入控制段，改善堰身及泄槽的流态。设计原理：在合理的开挖方量下，尽量减少水头损失，以增加溢洪道的泄水能力，因此要控制流速。④进口布置形式：喇叭口。②横断面:矩形④设计要求:有足够的泄流能力.断面形式：岩基上接近矩形，土基上采用梯形。④进口布置形式：喇叭口。②横断面:矩形④设计要求:有足够的泄流能力.(ii)、控制堰段①作用:控制溢洪道的泄流能力.纵剖面:实用堰和宽顶堰实用堰:流量系数大，需要的溢流前缘较短，但施工复杂，多用于岩石地基上，尤其是岸坡较陡的大中型工程。 形式：克-奥型 WES曲线型宽顶堰:结构简单，施工方便。但流量系数较小，需要的溢流前缘较长。多用于泄洪量不大或附近地形较平缓的中小型工程中。迷宫堰：由于泄洪前缘加长，堰顶高程可适当抬高，有利于增大水库兴利库容；尤其适用于枢纽布置受限，泄洪前缘不足，无闸门控制的中、低水头溢洪道。、泄槽段工作特点：在溢流堰后用泄槽与消能段相接，为使槽内水流呈急流状态其纵坡常为大于临界坡度的陡坡，因此又称其为陡槽。由于泄槽内水流流速较高，设计时必须考虑高速水流产生的冲击波、脉动和空蚀现象，在布置和构造上予以重视，一般应加高、加固泄水槽的边墙，以确保溢洪道的安全。泄槽的纵剖面设计泄槽的纵坡一般做成为大于临界坡度的陡坡，通常i=1%~5%，有时可达10%~15%。变坡：泄槽很长时，为适应地形、地质条件而设。由陡变缓，变坡处用反弧段连接R8~10倍水深，易出现动水压力破坏，应尽量避免。由缓变陡：变坡处用抛物线连接。槽底易产生负压。泄槽的平面布置：从高速水流考虑，泄槽在平面上应尽量直线、等宽、对称布置。实际上，由于地质(形)条件的限制，或从减少开挖、处理洪水归河、有利消能等方面考虑，往往改变横断面，设置收缩段、弯曲段或扩散段。断面型式：在岩基上一般接近矩形断面，土基上用梯形较多，边坡不宜太缓以防止水流外溢和对流态不利，一般应做衬砌。弯曲段：渠底超高法一作用是使流量分布均匀并适当改善流态。对弯曲的泄槽，为使槽内流量分布均匀和改善流态，可将渠底做成外侧高于内侧的横向底坡，用重力来平衡离心力。弯曲段：受离心力作用，外侧水深大，流速与单宽流量分布不均。要求：使断面内流量分布均匀，抑制冲击波设计方法：施加侧向力法，如渠底超高法；干扰处理法，如螺旋线过渡段法收缩段与扩散段：收缩段的收缩角大小直接影响由于断面收缩而产生的冲击波的大小。收缩角越小，冲击波就越小，通常收缩角11.25°.扩散段一般设在泄槽的末端有利于消能.在高速水流的条件下，扩散角不宜过大以免水流于边墙脱离.水平槽底取小值，即扩散角可大些；斜坡槽底取大值，即扩散角可小些。K的取值：1.5-3.0空化空蚀及其减蚀措施空化：压力降低至蒸汽压力后，出现蒸汽气穴(初始空化)空蚀：气核膨胀遇高压溃灭，撞击固壁使固壁发生破坏，即发生空蚀。空化空蚀的原因：泄水建筑物的体型不合理；泄水建筑物表面不平整；放样不准；模板走样;混凝土质量不佳；泥沙的不均匀磨损；减蚀方法：选用好的体型；采用高强度的抗蚀材料；提高抗滑平整度；掺气减蚀泄槽的衬砌：防冲、防渗、防风化、承载混凝土及砌石结构，分缝但缝内必须做止水，衬砌底部设排水设备，有时衬砌要以钢筋锚固。、消能设施：位于泄水槽出口处，作用是为了消除下泄水流具有破坏作用的动能，从而防止建筑物被水流冲刷，保证安全。消能方式：底流消能和挑流消能。、尾水渠:当流经泄槽的急流经过消能后，不能直接进入原河道，需布置一段尾水渠，要求短、直、平顺，底坡尽量接近原河道的坡度，以使水流能平稳顺畅地归入原河道。2、侧槽溢洪道在坝址处山高坡陡，采用正槽式溢洪道将使挖方量增加很多时，可采用侧槽式溢洪道。组成：溢流堰、侧槽、调整段、泄槽、出口消能段、尾水渠。特点：堰轴线、泄槽轴线可与山坡等高线平行布置，开挖量小，但侧槽中水流流态复杂。水流经过溢流堰，泄入与堰大致平行的侧槽后，在槽内转向约90，经泄槽或泄水隧洞流入下游。侧向进流，纵向泄流。适用:坝址山头较高、岸坡较陡的情况，尤其适于中小型水库中采用无闸门控制的溢洪道中。、侧槽的设计：①②③④⑤⑥⑦⑨⑧⑩泄流量沿侧槽轴线均匀增加，所以侧槽断面积应沿程增大，始末断面底宽比约为1：1~1：4；槽断面应为深窄型梯形断面，堰一侧边坡为1:0.5,山坡一侧边坡为1:0.3~1:0.5；槽底高程应保证溢流堰为自由溢流，侧槽中水流应为缓流流态，底坡坡度为缓坡，1:0.01~1:0.05、调整段的设计：调整段是侧槽后的平底梯形断面的渠道，作用是稳定水流。调整段与泄槽间利用断面的局部收缩或槽底小坎构成一控制断面，使侧槽水流壅高后入泄槽。自溃坝的启溃方式：漫溢式、引冲式。第五章水工隧洞及坝下涵洞水工隧洞有压隧洞，严禁高速水流时采用时而有压、时而无压的明满流交替；低速校核洪水可以出现（1） 概念：在地基内开挖而成，四周被围岩包围起来的水工建筑物。（2） 功能：①泄洪；②发电、灌溉、给水等所需的引水；③检修或其他原因需要放空水库；排沙；⑤施工导流涵管作用：灌溉、供水、放空水库及施工（3） 类型：按功能分：泄洪、泄水、引水、输水、放空、排砂、施工导流。按流态分：有压和无压。按衬砌方式分：不衬砌隧洞，喷锚、混凝土衬砌或钢筋混凝土衬砌等。按流速分：高速（＞16m/s），低速（＜16m/s）（3） 工作特点结构型式和承载方面开挖前：岩体处于整体稳定状态；开挖后：原由的地应录平衡被打破，引起变形，严重时可能导致岩石崩塌，需进行开挖衬砌支护。围岩压力（山岩压力）与弹性抗力的概念围岩压力:隧洞开凿后由于围岩变形（或塌落）而作用在衬砌上的压力，是一种主动力.II.弹性抗力:当衬砌受到某些主动力的作用而向围岩方向变位时,会受到围岩的限制而产生反作用力.是一种被动力，能协助衬砌分担外荷载，是有利的.计算时一般不考虑地层反力（被动力）：为了满足铅直向平衡条件，在隧洞底部仍有反力存在。这种力称~同一断面，主被动力可以存在，同一点不行水力特性：封闭断面水工隧洞受高水头动水压力作用。有压隧洞一相当于管流，受内水压力作用。若衬砌漏水，压力水渗入围岩裂隙，从而产生附加渗透压力，导致岩体失稳。要求坚固的衬砌。无压隧洞一明渠流，高速水流下，在固体不平整边界上可能会引起空蚀。施工方面：无论开挖或衬砌，其工作面比地面上小得多，洞线长，干扰大。（4） 采用水工隧洞的条件山岭起伏地区的引水式电站；过水建筑物设计高程在地面以下，采用明渠挖方大不经济时；修建明渠可能受到滑坡、塌方、泥石流、雪崩和冰冻威胁时；深山峡谷中修建当地材料坝无条件采用其他导流及泄洪建筑物时；水电站厂房采用地下结构时。洞线的选择：路线尽可能短，直线；洞轴线应尽可能布置在坚固岩石中；洞顶以上岩层应有足够地厚度以保证围岩稳定，不产生塌方；施工条件有利，方便。水工隧洞的总体布置（1） 水工隧洞的结构组成：进口段（控制水流），洞身段，出口段。（2） 闸门的布置：对泄水隧洞来说，一般需设两道闸门，即控制泄流的工作闸门和工作闸门检修时挡水的检修闸门。检修闸门一般位于隧洞进口处，且在工作闸门上游。工作闸门一般位于：有压隧洞：出口处；无压隧洞：进口处。启闭：工作闸门应能在动水中启闭；检修闸门在动水中关闭，静水中开启。（3） 泄水隧洞的布置形式：表孔泄洪隧洞和深式泄水隧洞。（4） 表孔泄洪隧洞的布置①表孔泄洪隧洞的主要方式：正堰斜井式斜洪洞。所谓表孔就是进水口位于水面附近。组成：正向溢流堰，陡坡斜井，隧洞及出口消能段。②正堰斜井式斜洪洞的布置进口：选择地质、地形条件好的地方以保证洞口稳定、入流顺畅。出口：高程受下游水位控制，除对地质地形条件有所要求外，应注意消能工的布置以利于与下游水流的衔接。其结构组成类似于河岸正槽式溢洪道，不同之处在于泄水陡槽以封闭式代替开敞式。泄洪时闸门的斜井及隧洞中多为无压流。（5） 深孔泄水隧洞的布置组成：水下进水口，洞身和出口消能段。根据进水口位置的不同可将进水口分为低位进水口和“龙抬头”式进水口。（6） 水工隧洞的选线和定位：水工隧洞的布置是其设计问题中的关键，隧洞的选线则是隧洞布置得首要问题，直接关系到施工期限，工程造价及工程运行的可靠性。影响隧洞线路选择堵塞因素很多，诸如地形、地质条件，施工条件等。设计时必须根据隧洞的用途，综合考虑地形地质、施工，枢纽总体布置及对周围环境的影响等各种因素，拟定不同方案，经技术经济比较后确定。选线原则：地质条件好，线路短，水流顺畅，与枢纽和其他建筑物互不影响，安全经济。具体要求：地质条件：洞线宜选在地质构造简单，岩体完整且稳定，其上的覆盖层厚度大（尤其对有压隧洞来说洞顶以上围岩厚度至少要大于洞顶静水压力的重量），施工方便的地段。避开破碎带，避开地下水位高、可能坍塌的不稳定岩石II.地形条件：平面上尽量直线布置，必须转弯时要求转弯半径不小于5倍洞径或洞宽，弯道转

角不大于60°，弯段上下游直线段长度不小于5倍洞径或洞宽。无压隧洞高速流段尽量不转弯。m. 纵剖面上：（1） 有压隧洞（引水）的进水口高程取决于发电死水位，尾水高程取决于下游最低尾水位。纵向坡度的选取考虑施工排水和防空隧洞进行检修的要求，一般为不小于0.5%—0.1%的正坡。（2） 无压泄水隧洞的进口高程取决于水库要求泄放的最低水位，出口高程决定于下游最高洪水位，应避免水跃。其纵坡通过水利计算确定，多采用陡坡以防止洞内泥沙淤积。N.运行条件：不影响枢纽和其他建筑物的正常工作。泄水隧洞出口应与拦河坝的坝脚有一定距离，泄洪消能出口与坝脚相距200米以上，以防出洞水流冲刷坝脚。发电洞尾水则应避开或隔开枢纽建筑物泄流时可能导致的水位波动。V.施工开挖条件：洞线应与枢纽其他建筑物保持一定距离以免洞室开挖爆破影响建筑物基岩的稳定。长隧洞可设几个支洞以增加开挖面。水工隧洞的进口段（1） 表孔泄洪隧洞的进口：：类似于正槽溢洪道的进口堰型选择（2） 深孔水工隧洞的进口基本结构形式：按其布置和结构型式不同，分为：竖井式塔式，岸塔式，斜坡式,组合式竖井式进水口：组成：闸前渐变段，竖井，闸后渐变段。优点：结构简单，节省工作桥,不受风浪和冰的影响，抗震及稳定性好。缺点：竖井开挖困难，检修门前一段隧洞检修不便。适用：河岸岩石坚固，开凿竖井无塌方危险。塔式进水口：组成：闸前渐变段，塔身，闸后渐变段。优点：为独立悬臂结构，布置紧凑，闸门检修相对来说方便。缺点：另设工作桥，可能增加投资，需进行稳定验算。适用：进口处岸坡低缓，覆盖层较厚,山岩破碎，不宜开凿竖井。类型：框架式塔和封闭式塔。岸塔式进水口：优点：稳定性比塔式好，造价比塔式省，施工方便，地形、地质条件许可时优先选用。缺点：若倾斜，闸门也斜，启门力增加，不易靠自重关闭闸门.适用：进口处岩石坚固，可开挖成近于直立的陡壁时。斜坡式进水口：优点：结构简单，施工方便，稳定性好，造价最低。缺点：斜坡上装闸门，关门时不易靠自重下降，需另加关门力。适用：较为完整的岩坡。组合式进水口：（3）深孔水工隧洞的体型（进水口、闸室段及渐变段闸前及闸后渐变段：闸前喇叭口和闸后渐变段.上墙：侧墙：D---断面高度 B---断面宽度闸后渐变段的长度以洞身直径或洞高的1.5〜2.0倍为宜.通气孔:补气和排气③平压管④拦污栅隧洞的洞身段（1）断面尺寸及形式：断面尺寸由水力计算得到。水力计算包括泄流能力，水头损失，压坡线（有压流）水面线（无压流）。断面形式：与水流条件、工程地址条件和施工条件等有关。圆拱直墙形、马蹄形、圆形有压隧洞断面形态（衬砌荷载主要是内水压力）与过水能力：圆形圆形断面的优点：流态好，受力条件好，过水能力强。荷载：内水压力洞身过水面积：w洞身过水面积，Q最大设计流量，兼计沿程与局部阻力的流量系数，H计算断面的作用水头。有压引水隧洞洞内水流流速低，以减小水头损失，保证发电所需的能量；有压泄洪隧洞洞内水流流速高，以便让洪水尽快下泄。无压隧洞断面形态及过水能力：城门洞形、马蹄型或圆形城门洞形断面：优：适宜于承受垂直山岩压力，也便于开挖和衬砌；缺：拱圈受力较差。为了减小或消除作用在侧墙上的侧向围岩压力，可把直墙改为斜墙，变成马蹄形断面。衬砌构造：沿开挖洞壁做成的人工护壁。衬砌目的：人工护壁（1） 衬砌的作用①阻止围岩变形发展，保证其稳定；②加固围岩承受围岩压力、内水压力和其他荷载；防止渗漏； ④保护岩石免受水流、空气、温度、干湿变化等侵蚀破坏；平整围岩，减小表面糙率，改善水流条件，减少水头损失。（2） 型式按设置目的分为抹平衬砌和受力衬砌两类。抹平衬砌：用砼、喷浆及浆砌石做成的护面。不承受荷载受力衬砌：单层，组合，预应力，喷锚等一般衬砌（单层）厚度为1/8〜1/12洞径且＞25cm。单层：用砼、钢筋混凝土或浆砌石做成。组合式：根据衬砌的不同受力特点和运用要求，用不同材料组成的双层、多层衬砌。预应力：在施工中预施环向压应力，运行时衬砌可承受由巨大内水压力引起的环向拉应力。适用于高水头圆洞。喷锚支护：新奥法（NATM）的表现形式.喷混凝土支护和锚杆支护.隧洞断面形式及衬砌类型：单层衬砌；组合式衬砌；预应力衬砌衬砌类型：混凝土、钢筋混凝土、预应力混凝土、锚喷（3） 衬砌的分缝和止水（不锈钢、铜片止水）整体式衬砌在施工中要分段分块浇筑，需设横、纵向工作缝；跳仓浇筑永久横向伸缩缝：沉陷变形伸缩缝和温度变形伸缩缝。（4） 锚喷衬砌优越性：节省材料、降低投资，减轻劳动强度及加快施工速度等优点。工作原理：在隧洞开挖后，由于及时的进行锚喷支护，使得衬砌与围岩紧贴，共同发挥作用。这种衬砌的厚度小，本身既有一定的刚度，又有一定的柔性，既让围岩变形，又限制其变形自由发展，使围岩和锚喷衬砌在共同变形的过程中取得自身稳定，从而减小围岩作用在衬砌上的压力。内外水压力主要由围岩承担。灌浆、防渗和排水（1） 灌浆：回填灌浆和固结灌浆。回填灌浆：填充衬砌与围岩之间的空隙，使之紧密结合以改善传力条件，减小渗漏。一般施工中在衬砌顶拱部分时预留灌浆孔（图）。范围：顶拱90。〜120。之间，孔矩和排矩2〜6米，灌浆压力一般为0.2〜0.5MPa.固结灌浆：为了加固围岩，提高围岩的强度和整体性，减小山岩压力，保证岩石的弹性抗力，减小地下水对衬砌的压力和减少渗漏而做。由于其一般在衬砌后进行，故还可起预压作用。孔深:一倍隧洞半径，梅花形，间矩2〜4米。灌浆压力：1.5〜2.0倍内水压力，一般0.3〜1.0MPa.（2） 防渗与排水：当地下水位较高时外水压力将会成为主要荷载防渗排水设施不可缺少.对无压洞:当外水压力较大时,可在洞内最高水面线以上通过衬砌来设置排水孔（图）.对有压洞：在洞底部设置纵向排水管和横向排水沟，间矩6〜8米.隧洞的出口段（1） 出口段结构体型有压：出口处设闸门，因此设闸室，用以布置闸门及相应的启闭设备，门前设渐变段，门后接消能设施。无压：出口处无闸门，因此其型式相对简单，仅设门框，以防洞脸及其上部岩体崩塌，洞身直接与消能设施相连。（2） 消能方式：①挑流消能②扩散水跃消能③洞内消能隧洞衬砌的结构计算衬砌上的荷载：衬砌自重、内水压力、外水压力、围岩压力、预应力、弹性抗力、地基反力及其他荷载。涵管上的荷载：自重、内水压力、外水压力、填土压力、施工荷载、温度荷载及地震荷载。（1） 水工隧洞的荷载组合：基本荷载与特殊荷载正常运用情况：围岩压力+衬砌自重+设计洪水时的内、外水压力，地下水压力施工、检修情况：围岩压力+衬砌自重+可能最大的外水压力非常运用情况：围岩压力+衬砌自重+校核洪水时的内、外水压力（2） 衬砌上的荷载计算围岩压力：垂直围岩压力；侧向围岩压力；底部上挤力弹性抗力：当衬砌受力变形后，变形方向指向围岩，就产生弹性抗力。*考虑弹性抗力的条件:围岩没有不利的断层或裂隙;围岩厚度大于洞中内水压力的0.4倍；围岩厚度大于3倍洞径;围岩与衬砌之间的间隙被完好填充，接触紧密.弹性抗力的计算：其中，k为岩石抗力系数， 为围岩变形.水荷载内水压力：有压:压坡线。无压:洞内水深。外水压力：指作用在衬砌外壁上的地下水压力，其值取决于洞外地下水位线的高低和外水压力，折减系数的大小。（3） 隧洞衬砌的结构计算：包括确定衬砌厚度，配筋，校核衬砌强度等计算方法：结构力学方法：以衬砌为计算方法，只能求到衬砌的应力，得不到围岩的应力；弹性力学方法：以隧洞整体为计算对象。要求围岩满足均匀各向同性无限弹性体，圆洞，均匀内压力要求。有限元方法：能够对任何复杂的岩体结构中的隧洞进行线性或非线性分析，成为最有效的方法。（4） 铅直断面为圆形的洞室衬砌结构计算内水压力是主要荷载，同时应谨慎而充分地考虑弹性抗力。均匀内水压力作用下的圆形洞室衬砌内力计算先根据管外璧与围岩接触面之间的变形相容条件求出弹性抗力，再用轴对称受力圆管的弹性理论计算衬砌的内力；弹性抗力作用下的圆形洞室衬砌内力计算分别计算各种荷载产生的内力，按不同的荷载组合进行迭加，进行强度校核和配筋。（5） 无压隧洞的衬砌结构计算荷载：围岩压力，衬砌自重，内水压力，弹性抗力，摩擦力等。（围岩压力、外水压力是主要荷载）设计荷载组合：不考虑弹性抗力：垂直山岩压力+侧向山岩压力+衬砌自重；考虑弹性抗力：垂直山岩压力+弹性抗力+岩石弹性抗力产生的摩擦力+衬砌重；掺气减蚀措施（掺气槽，掺气槽与挑砍相结合）：体型；控制平整度；掺气；抗蚀材料；合理的运行方式。第六章水闸水闸作用：是调节水位、控制流量的低水头水工建筑物，主要依靠闸门控制水流，具有挡水和泄（引）水的双重功能。水闸的类型：按担负的任务（作用）分：节制闸（拦河闸）：拦河兴建，调节水位，控制流量。进水闸（渠首闸）：在河、湖、水库的岸边兴建，常位于引水渠道首部，引取水流。排水闸（排涝闸、泄水闸、退水闸）：在江河沿岸兴建，作用是排水、防止洪水倒灌。分洪闸：在河道的一侧兴建，分泄洪水、削减洪峰洪、滞洪。挡潮闸：建于河流入海河口上游地段，防止海潮倒灌。冲沙闸：静水通航，动水冲沙，减少含沙量，防止淤积。排冰闸：在堤岸上建闸防止冬季冰凌堵塞。按闸室结构分：开敞式：闸室露天，又分为有胸墙；无胸墙两种形式；涵洞式：闸室后部有洞身段，洞顶有填土覆盖。（有压、无压）水闸的组成及各部分的功用：上游连接段（引导水流平顺进入闸室，保护河床，侧向防渗）一闸室段（调节水位和流量）一下游连接段（消能、防冲、防渗）水闸的工作特点：传力过程：闸门（承受水压力）一闸墩（承受上部结构重量）一底板（较均匀地传给）一地基关闸与开闸：（1）.静水（关闸）：水平水压力、土基一滑动；水位差产生渗透压力一不利于稳定；绕岸渗流一不利于翼墙稳定。（2）.开闸泄水：水位差一流速大一对下游河床、岸坡冲刷；水位变幅较大一流态多（堰流、孔流），淹没出流、自由出流；闸门全开时，水位差小一易形成波状水跃；闸门开启顺序不合理时一产生折冲水流。水闸结构：防渗排水，消能防冲，闸室结构。水闸的消能工设计：消能工的作用是改善水流与固体边界的接触条件，防护加固下游河床。消能方式：底流消能（用于中低水头的水闸）、面流消能（当水闸下游尾水深度较大且变化较小，河床及岸坡抗冲能力较强时）、挑流消能（当水闸承受水头较高，闸后河床及岸坡为坚硬岩体时）。关于底流消能：由消力池、海漫和防冲槽构成。消力池紧接闸室，在池中利用水跃消能；海漫紧接消力池，作用是继续消除水流的剩余动能，使水流扩散并调整流速分布，以减小底部流速，达到不冲流速。海漫末端设防冲槽（限制冲刷向上游扩展，保护海漫。）为什么闸下水流一般采用底流水跃连接方式？波状水跃和折冲水流产生的原因是什么？如何防止？一方面要尽可能消除水流的动能，消除波状水跃，并促使水流横向扩散，防止产生折冲水流；另一方面要保护河床和河岸，防止剩余动能引起的冲刷，我国大部分水闸都建在软基上，且承受的水头不高，闸下跃前水位的弗劳德数Fr较小，宜采用底流水跃连接方式。弗劳德数Fr较小，易产生波状水跃；进口流态不对称时会产生折冲水流。辅助消能工作用：加大水流阻力；加强水流紊动和撞击；稳定水跃；利于扩散水流。类型：消力墩，池首坎，消力梁，散流墩等。闸基渗流的主要危害:闸基渗流对建筑物产生向上的压力，减轻建筑物有效重量，降低闸身抗滑稳定性，沿两岸的渗流对翼墙产生水平推力；由于渗透力的作用，渗透力可能造成土的渗透变形；严重的渗漏将造成大量的水量损失；渗流可能使地基内可溶解的物质加速溶解。寻求合理经济的防渗措施，合理拟定地下轮廓尺寸，消除渗流不利影响，保证水闸安全。防渗设计的内容包括：（1）渗透压力计算；（2）抗渗稳定性验算；（3）滤层设计；（4）防渗帷幕及排水设计；（5）永久缝止水设计。11地下轮廓线:闸基渗流第一根流线，即铺盖和垂直防渗体等防渗结构以及闸室底板与地基的接触线。布置原则：先阻后排，防渗与导渗相结合。不同情况下防渗布置：①粘性土地基：降低渗透压力，增加闸身有效重量。闸室上游宜设置水平钢筋砼或粘土铺盖，或土工膜防渗铺盖，闸室下游护坦底部应设滤层，下游排水可延伸到闸底板下。因为土壤颗粒之间具有凝聚力，不易产生管涌，但土壤与闸底板之间的摩擦系数小，不利于闸室稳定。②砂性土地基：防止渗透变形一通过延长渗径来降低渗透流速和坡降，对降低渗透压力的要求较低。砂层很厚一闸室上游可采用铺盖和悬挂式防渗墙相结合的形式，闸室下游渗流出口处应设置滤层，排水布置在护坦之下。砂层较浅一闸室底板上游端设置截水槽或防渗墙（嵌入相对不透水层深度不应小于1.0m），闸室下游渗流出口处应设置滤层，排水布置在护坦之下。因为土壤与底板之间的摩擦系数较大，对闸室抗滑稳定有利，土壤颗粒之间无黏聚力，容易产生管涌。③粉细砂地基（或粉土、轻砂壤土、轻粉质砂壤土）闸室上游宜采用铺盖和垂直防渗体相结合的布置形式。在地震区的粉细砂地基上，有震动液化问题，宜采用封闭式布置（闸室底板下布置的垂直防渗体宜构成四周封闭的形式）垂直防渗体的长度应超过粉砂地基液化深度。④特殊地基：弱透水地基下有透水层，地基为不同性质冲积层，KH>>KV。闸室下游设置铅直排水，并防止淤堵。⑤双向水头作用：合理地进行双向布置形式，并以水位差较大的一向为主。渗流分析的目的：决定渗透压力，渗透坡降及渗流量。闸基防渗设计的要求是：确定最优的地下轮廓及防渗排水措施，使闸基渗透压力适当减小，不发生渗透变形，并使闸基渗流量控制在允许范围内。改进阻力系数法计算原理：把闸基的渗流区域按可能的等水头线划分为几个典型流段，根据渗流连续性原理，流经各流段的渗流量相等，各段水头损失与其阻力系数成正比，各段水头损失之和等于上下游水头差。计算步骤：①确定地基有效深度Te；②分段并计算各段的阻力系数，按可能的等水头线划分为几个典型流段（进口段、出口段、水平段、内部垂直段）按规范中基本公式计算各段的阻力系数，运用公式时要正确计算T、S、S1、S2等参数。③求出各段水头损失，初绘渗压图；④进行进、出口段水头损失修正。防渗设施：铺盖（闸室上游一侧）、板桩（闸室底板高水位一侧或设在铺盖起端）、齿墙（底板上下游两端及铺盖起始处）及帷幕灌浆等（具有滞渗作用，一般设在地下轮廓末端及其下游部位，起倒渗作用。）分缝和止水：沉陷缝、伸缩缝：防止闸室因地基不均匀沉陷或温度变化而产生裂缝。每隔15〜30m设一道缝。闸室本身要分缝，相邻结构荷重相差悬殊或结构较长、面积较大的地方，如铺盖与闸室底板、翼墙连接处、消力池与闸室底板、翼墙连接处。混凝土铺盖及消力池的护坦面积较大时，翼长较长时要防渗设缝。止水：有防渗要求的缝必须止水，有水平止水和垂直止水，还应适用混凝土收缩及地基不均匀沉降的变形，构造简单，便于施工。稳定计算1）水闸承受的主要荷载有：自重、水重、水平水压力、扬压力（指方向朝上的渗透压力与浮托力之和）、浪压力、泥沙压力、土压力、地震力；2）闸室的稳定性：闸室的稳定性是指闸室在各种荷载作用下，不致沿地基面和深层滑动，不发生明显的倾斜，且平均基底压力不大于地基的容许承载力。3）稳定验算的计算方法：验算闸室基底压力；验算闸室的抗滑稳定；验算闸室的整体稳定。4）闸室是水闸的主体，由底板、闸墩、闸门、工作桥与交通桥、胸墙等。抗滑稳定性提高措施：调整闸门位置，或将底板向高水位一侧加长，以增加水重；增加铺盖和板桩的长度，或在不影响防渗安全的条件下，将排水设施向闸室靠近，以减小底板底部的渗透压力；增加底板齿墙深度；利用钢筋混凝土铺盖作为阻滑板，此时闸室自身（即不考虑滑阻板作用）抗滑稳定安全系数不应小于1.0，滑阻板还应满足抗裂要求；增设钢筋混凝土抗滑桩或预应力锚固结构。弹性地基梁法的基本原理：梁和地基都是弹性体，梁横置于弹性地基上，梁受荷载发生弯曲变形，地基受压产生沉陷，而梁与地基系紧密接触，所以它们的变形和沉陷值是相等的，同时还计及底板范围以外的荷载对梁的影响，可以以垂直水流方向截取的单宽板条作为计算对象，按平面应变的弹性地基梁，根据变形协调条件和静力平衡条件，确定地基反力及梁的内力。基本假定：地基反力在顺水流方向直线分布；地基反力在垂直水流方向呈