水利工程概论要点-大坝安全监测培训

2.我国水水资源源的特特点（1）绝对对量大大，人人均占占有量量少，，亩均均占有有量少少。总量排排世界界第5位，人人均量量排世世界84位，仅仅为世世界平平均水水平的的1/4。（2）空间间分布布不均均，水水资源源与土土地资资源、、人口口组合合又不不平衡衡。总体：：南方方水多多、人人多、、地少少，西西南多多；北方水水少、、人多多、地地多，，东北北多。。人均：：南方方是北北方的的4.4倍；亩亩均：：南方方是北北方的的9.1倍（3）时间间分布布不均均，年年际、、年内内变化化大我国位位于世世界著著名的的东亚亚季风风区，，降水水和径径流的的时间间分布布很不不平均均：年际间间水量量变化化大，，丰水水年和和枯水水年交交替出出现，，最大大年降降水量量是最最小年年降水水量的的16~2倍；年间水水量变变化大大，每每年60%的降水水集中中在夏夏秋之之交的的三、、四个个月，，且往往往以以暴雨雨形式式集中中降落落，特特别是是北方方地区区。4.我国水水资源源开发发利用用中存存在的的问题题（1）供求求矛盾盾日益益突出出一方面面有限限的水水资源源难以以利用用，另另一方方面许许多地地区水水资源源短缺缺。如：全全国400多个城城市中中3/4缺水。由于供水不不足，每年年影响工业业产值1200亿元。由于较大的的旱灾，粮粮食减产达达数百亿斤斤。缺水严重的的地区，河河川径流利利用率达56%，地下水利利用率达80%。（2）利用效率率不高，损损失浪费严严重国名年份重复利用率（%）中国西德日本美国前苏联1991196419851985198020-3064748775-80一些国家工工业用水重重复利用率率重复利用率率是表示水资资源利用效效率的一个个指标。水水资源的重重复利用率率不断提高高，而单位位产品耗水水量不断下下降。（3）水资源过过量开采后后果堪忧（4）水资源污污染严重北方许多城城市持续超超量开采地地下水，使使地下水储储量亏损，，地下水水水位大幅度度下降，形形成降落漏漏斗，并伴伴随地面下下沉。1985年，工业污污水和生活活污水排放放量342亿m3，其中85%未经任何处处理直接排排入江河湖湖泊。全国城市自自来水水源源80%以上受到不不同程度的的污染。全国水质有有机物污染染18505.8km，20.7%，三级以上上；全国水质五五项毒物污污染18555.5km，218%，三级以上上。1985年因水污染染造成的经经济损失约约300亿元。三、水工建筑物物—hydraulicstructure(1)挡水建筑物物—waterretainingstructure(2)泄水建筑物物—waterreleasestructure(3)引水建筑物物—waterdiversionstructure(4)整治建筑物物—regulatingstructure(5)专门建筑物物—specialhydraulicstructure引水建筑物物包括取水水建筑物和和输水建筑筑物。1.分类(1)挡水建筑物物—waterretainingstructure用以拦截河河流，形成成水库或雍雍高水位。。如坝、闸闸、堤等。。(2)泄水建筑物物—waterreleasestructure用以宣泄水水库（或渠渠道）在洪洪水期间或或其他情况况下的多余余水量，以以保证坝（（或渠）的的安全。如如溢流坝、、河岸溢洪洪道、泄洪洪隧洞和泄泄水涵洞等等。(3)引水建筑物物—waterdiversionstructure用以从水库库（或河道道）向库外外（或下游游）引水，，以满足灌灌溉、发电电、供水等等要求。如如引水隧洞洞、引水涵涵管、渠道道等。水利枢纽““三大件”：挡水建筑物物、泄水建建筑物、引引水建筑物物(4)整治建筑物物—regulatingstructure用以改善河河流的水流流条件，调调整水流对对河床及河河岸的作用用，防止水水库、湖泊泊中的波浪浪和水流对对岸坡的冲冲刷。如丁丁坝、顺坝坝、导流堤堤、护岸、、护底等。。(5)专门建筑物物—specialhydraulicstructure为实现某一一水利事业业而修建的的建筑物。。如水电站站厂房、船船闸、升船船机、鱼道道、鱼闸、、过木筏道道、过竹筏筏道等。2.水工建筑物物的特点（1）由于水的的作用，建建筑物的工工作条件复复杂（2）设计独特特性自然地形、、地质条件件千差万别别，因此，，设计只能能按各自的的特征进行行。除非规规模很小，，一般不能能采用定型型设计。但某些部件件可以标准准化，如：：水工闸门门。（3）施工条件件复杂解决施工导导流问题；；气温、雨季季的影响，，如：浇筑筑混凝土、、填筑土坝坝；洪水威胁，，要求在汛汛期前填筑筑到足够高高程；工程量大，，工期长，，要求施工工机械先进进、管理科科学（4）意义重大大，失事后后果严重§3河川水利枢枢纽对环境境的影响一、物理影影响1.淤积和冲刷刷上游：流速速降低，泥泥沙淤积下游：清水水下泄，加加大冲刷2.气候变化、、诱发地震震、边坡失失稳雾天增多高坝：坝高高超过100m，库容超过过10×108m3，达17%二、生态影影响1.水库养鱼，，但阻碍回回游2.调蓄水量，，但水温不不一定适应应作物生长长3.增加了传播播疾病有利利条件（钉钉螺、疟蚊蚊）4.库水化学成成分改变，，影响生物物5.大库影响气气候变化6.大量淹没生态问题涉涉及范围很很广，需研研究。如：：四、重力坝坝的荷载及及组合1.主要荷载（1）自重—deadload/deadweight（2）水压力—waterpressure/hydraulicpressure（3）扬压力—upliftpressure（4）冰压力—icepressure（5）土压力—earthpressure/soilpressure（6）地震荷载载—earthquakeload/seismicload（7）温度荷载载—loadoftemperaturevariation（1）自重—建筑物（坝坝体）及附附属永久设设备的重量量（2）水压力—静水压力（（上游、下下游）、动动水压力（（挑流反弧弧段）、浪浪压力（上上游库水面面）（3）扬压力—坝基扬压力力、坝体扬扬压力两部分组成成：下游水水深产生的的浮托力（（upliftpressure），上下游游水头产生生的渗透压压力（seepagepressure）。（4）冰压力—静冰压力、、动冰压力力（5）土压力—主动土压力力、被动土土压力、坝坝前泥沙压压力（6）地震荷载载—地震惯性力力、地震动动水压力、、地震动土土压力（7）温度荷载载—温度变化引引起的热胀胀冷缩，水水温、气温温等2.荷载组合作用在重力力坝上的各各种荷载，，除坝体自自重外，都都是在一定定范围内随随机出现的的。如：上游水位、、下游水位位不断变化化；宣泄最大洪洪水时，不不一定发生生强烈地震震；封冻时，存存在静冰压压力，就不不会有风浪浪压力，等等等因此，设计计时应把各各种荷载根根据它们出出现的概率率，合理地地组合成不不同的情况况，用不同同的安全系系数进行核核算，以解解决安全和和经济之间间的矛盾。。把荷载分成成两类：（1）基本荷载载：出现概概率较大的的荷载（baseload）（2）特殊荷载载：出现概概率较小的的荷载（specialload）基本荷载：：（1）坝体及其其永久设备备的自重（2）正常蓄水水位或设计计洪水位的的静水压力力（3）正常蓄水水位或设计计洪水位的的扬压力（4）泥沙压力力（5）正常蓄水水位或设计计洪水位的的浪压力（6）冰压力（7）土压力（8）相应于设设计洪水位位的动水压压力（9）其他出现现机会较多多的荷载特殊荷载：：（10）校核洪水水位时的静静水压力（11）校核洪水水位时的扬扬压力（12）校核洪水水位时的浪浪压力（13）相应于校校核洪水位位的动水压压力（14）地震压压力（15）其他出出现机会会很少的的荷载荷载组合合有两种种：（1）基本组组合（设设计情况况）—水库处于于正常运运用情况况下可能能发生的的荷载组组合，由由基本荷荷载组成成（2）特殊组组合（校校核情况况）—水库处于于非常运运用情况况下可能能发生的的荷载组组合，由由基本荷荷载+一种或几几种特殊殊荷载组组成1.抗滑稳定定分析抗滑稳定定安全系系数——建筑物的的抗滑力力与建筑筑物所受受的滑动动力之比比，用K表示。对于重力力坝，要要求任意意一个剖剖面（截截面）上上均满足足稳定条条件。通通常，岩岩基上的的重力坝坝，坝体体混凝土土和基岩岩的接触触面往往往是一个个薄弱面面，这是是因为：：（1）两种材材料的接接触面（2）混凝土土干缩可可能产生生裂缝因此，只只要该接接触面上上满足抗抗滑稳定定要求，，则该坝坝体肯定定满足稳稳定要求求。（1）沿坝基基面抗滑滑稳定A、摩擦公公式B、剪摩公公式2.应力分析析目的：验算大坝坝在施工工期、运运用期强强度的安安全度要求：坝体内各各部分材材料的应应力不超超过该种种材料的的容许应应力，即即s<=[s]。[s]=R/k式中：R——材料的极极限强度度；k——材料强度度的安全全系数，，一般取取k=3~5，由建筑筑物的级级别及工工作情况况确定。。计算方法法：模型试验验、理论论分析（（材料力力学、弹弹性力学学、有限限单元法法）设计规范范：采用材材料力学学法。取取1m长坝段，，按平面面形变问问题考虑虑。应力分析析部分成成果（1）由重力坝坝剖面和和受力特特点：在空库时，坝踵踵处压应应力最大大，坝趾趾处压应应力最小小，甚至至出现拉拉应力；；在满库时，坝趾趾处压应应力最大大，坝踵踵处压应应力最小小，甚至至出现拉拉应力。。2.灌浆固结灌浆浆：浅孔低压压灌注水水泥浆对对坝基加加固处理理。目的的：①提高岩体体的整体体性和弹弹性模量量，减少少基岩受受力后的的变形，，并提高高基岩的的抗压、、抗剪强强度；②降低坝基基的渗透透性，减减少渗漏漏量；③帷幕旁边边的固结结灌浆可可提高帷帷幕的灌灌浆压力力。帷幕灌浆浆：靠近上游游坝基设设一排或或几排钻钻孔，利利用高压压灌浆填填塞基岩岩内的裂裂隙和孔孔隙等渗渗水通道道，在基基岩中形形成一道道相对密密实的阻阻水帷幕幕。目的的：①降低坝基基的渗透透压力，，减少渗渗流量；；②防止坝基基内产生生机械或或化学管管涌。3.坝基排水水系统目的：收集并排排走由地地基渗透透过来的的水，进进一步降降低坝基基扬压力力。因为：坝坝基虽然然已经进进行帷幕幕灌浆，，但并不不能完全全截断渗渗流。一、拱坝坝的工作作原理(1)依靠拱的的作用，，将力传传给拱座座(2)依靠悬臂臂梁的作作用，将将力传给给地基拱坝同时时有拱的的作用和和悬臂梁梁的作用用，拱和和悬臂梁梁分担荷荷载，其其大小取取决于河河谷形状状：河谷深深而窄窄，拱拱作用用大，，梁作作用小小河谷浅浅而宽宽，拱拱作用用小，，梁作作用大大主要依依靠两两岸拱拱座和和坝基基来保保持稳稳定，，自重重对稳稳定的的影响响不大大。(1)受力条条件好好(2)坝的体体积小小拱是一一种受受压结结构，，拱的的作用用越显显著，，越能能减小小坝的的厚度度，从从而减减小工工程量量。梁梁的作作用越越大，，越需需要依依靠坝坝体自自重来来抵抗抗水压压力。。拱坝的的坝轴轴线比比重力力坝长长，但但总的的工程程量至至少比比同高高度的的重力力坝减减少1/3~2/3。二、拱拱坝的的工作作特点点拱坝是是周边边嵌固固的高次超超静定定结构构，当外外荷载载增大大至坝坝的某某一部部位因因拉应应力过过大而而开裂裂时，，能调调整拱拱作用用和梁梁作用用及其其荷载载分配配，使使坝内内应力力重分分配，，而不不致使使大坝坝丧失失全部部承载载能力力。裂缝对对于拱拱坝的的威胁胁不象象对其其他坝坝型那那样严严重：：水平缝缝：扬压力力只会会降低低悬臂臂梁的的作用用。一一般薄薄拱坝坝是以以独立立的水水平拱拱设计计的，，悬臂臂的作作用只只作为为一种种安全全储备备垂直直缝缝：：使拱拱圈圈未未开开裂裂部部分分的的应应力力增增加加，，原原来来的的拱拱圈圈变变成成具具有有更更小小曲曲率率半半径径的的拱拱圈圈，，坝坝内内应应力力重重分分配配，，成成为为无无拉拉应应力力的的有有效效拱拱按结结构构的的观观点点来来看看，，拱拱坝坝的的坝坝面面允允许许局局部部开开裂裂。。如如果果拱拱座座岩岩体体坚坚固固，，那那么么，，拱坝坝的的破破坏坏主主要要取取决决于于压压应应力力是是否否超超过过筑筑坝坝材材料料的的强强度度极极限限。一般般混混凝凝土土具具有有塑塑性性和和徐徐变变特特性性，，在在局局部部应应力力特特大大的的部部位位，，如如果果变变形形受受限限制制，，经经过过一一段段时时间间，，混混凝凝土土的的徐徐变变变变形形增增大大，，弹弹性性变变形形减减小小，，使使这这些些特特大大的的应应力力有有所所降降低低。。(3)超载载能能力力强强，，安安全全度度高高拱坝坝是是整整体体的的空空间间结结构构，，坝坝体体较较坚坚韧韧，，富富有有弹弹性性，，又又能能自自行行调调整整结结构构特特性性，，故故可可以以提提高高坝坝体体的的抗抗震震性性能能。。如如：：意大大利利：：柯柯尔尔菲菲诺诺拱拱坝坝，，高高40m中国国：：河河北北峡峡沟沟水水库库浆浆砌砌石石拱拱坝坝，，高高78m，1966年3月(4)抗震震性性能能好好(5)施工工技技术术要要求求高高拱坝坝坝坝体体断断面面小小，，几几何何形形状状复复杂杂，，故故对对施施工工技技术术、、施施工工质质量量控控制制和和筑筑坝坝材材料料的的强强度度有有较较高高的的要要求求，，对对地地基基处处理理的的要要求求更更严严格格，，开开挖挖较较大大。五、、拱拱坝坝的的温温度度荷荷载载拱坝坝的的温温度度荷荷载载是是拱拱坝坝设设计计中中主主要要的的荷荷载载之之一一。。1、封封拱拱温温度度拱坝坝建建成成并并经经过过充充分分冷冷却却后后，，当当施施工工期期混混凝凝土土产产生生的的水水化化热热已已经经基基本本散散尽尽、、坝坝体体混混凝凝土土温温度度趋趋于于相相对对稳稳定定时时，，对对坝坝体体各各施施工工缝缝进进行行灌灌浆浆，，使使各各坝坝块块固固结结形形成成整整体体，，称称为为封拱拱。相相应应的的混混凝凝土土温温度度称称为为封拱拱温温度度。2、拱拱坝坝的的温温度度荷荷载载指拱拱坝坝封封拱拱形形成成整整体体后后，，在在上上下下游游水水温温、、气气温温周周期期性性变变化化的的影影响响下下，，坝坝体体内内产产生生相相对对于于封封拱拱温温度度的的温温度度变变化化所所引引起起的的荷荷载载，，称称为为拱坝坝的的温温度度荷荷载载。三部部分分：：均匀匀温温度度变变化化沿坝坝厚厚的的温温度度梯梯度度变变化化非线线性性温温度度变变化化温度度荷荷载载对对坝坝体体应应力力和和稳稳定定的的影影响响因此此，，温降降对对坝坝体体应应力力不不利利；；温温升升对对坝坝体体稳稳定定不不利利。。当坝坝体体温温度度低低于于封封拱拱温温度度（（温温降降））时时，，坝坝轴轴线线收收缩缩，，使使坝坝体体向向下下游游位位移移，，产产生生的的弯弯矩矩、、剪剪力力的的方方向向与与水水库库水水压压力力所所产产生生的的相相同同，，但但轴轴力力方方向向相相反反，，结结果果是是拱拱端端上上游游面面受受拉拉、、下下游游面面受受压压，，在在拱拱冠冠则则上上游游面面受受压压、、下下游游面面受受拉拉。。当坝坝体体温温度度高高于于封封拱拱温温度度（（温温升升））时时，，坝坝轴轴线线伸伸长长，，使使坝坝体体向向上上游游位位移移，，产产生生的的弯弯矩矩、、剪剪力力的的方方向向与与水水库库水水压压力力所所产产生生的的相相反反，，但但轴轴力力方方向向相相同同，，结结果果是是拱拱端端上上游游面面受受压压、、下下游游面面受受拉拉，，在在拱拱冠冠则则上上游游面面受受拉拉、、下下游游面面受受压压。。一、、土土石石坝坝的的特特点点(1)筑坝坝材材料料就就地地取取材材。。可可节节省省大大量量钢钢材材、、水水泥泥、、木木材材等等。。(2)适应应地地基基变变形形能能力力强强。。土土石石体体是是散散粒粒体体结结构构，，对对地地基基的的要要求求比比混混凝凝土土坝坝低低。。(3)施工工方方法法选选择择灵灵活活性性大大。。能能适适应应不不同同的的施施工工方方法法，，且且工工序序简简单单、、施施工工速速度度快快、、易易保保证证质质量量。。（（人人工工机械械化化）(4)结构构简简单单、、造造价价低低廉廉、、运运行行管管理理方方便便、、工工作作可可靠靠，，便便于于维维修修加加高高。。缺点点：(1)坝顶顶不不能能溢溢流流，，通通常常需需另另开开溢溢洪洪道道。。(2)施工工导导流流不不便便，，增增加加了了工工程程造造价价。。(3)坝体体断断面面大大，，土土料料填填筑筑的的质质量量受受气气候候影影响响，，给给施施工工带带来来困困难难。。二、土石石坝的工工作条件件土石坝由由散粒体体材料填填筑而成成，其剖剖面一般般呈梯形形。土石坝的的失稳一一般是坝坝坡滑动动或坝坡坡连同地地基一起起滑动的的剪切，，这是土土石坝特特有的。。(1)渗流问题题土石坝在在挡水后后，在上上下游水水位差的的作用下下，坝体体、坝基基会有一一系列的的问题需需要考虑虑：水流经过过坝身与与坝基的的结合面面、坝体体土与混混凝土的的结合面面，易产产生渗漏漏。坝体内形形成自由由面，饱饱和区的的土体有有效重量量减轻，，土的强强度（内内摩擦角角和凝聚聚力）减减小渗透动水水压力增增大了下下游坝坡坡的滑动动可能性性。当库库水位骤骤降时，，易引起起上游坝坝坡的失失事。在渗流的的出口处处，易引引起渗透透变形，，严重时时会导致致坝的失失事。(2)冲刷问题题土颗粒间间的粘结结力很小小，抗冲冲能力很很低：雨水侵入入坝体，，会降低低坝的稳稳定性；；沿坝坡坡下流会会冲刷坝坝面。库内风浪浪会淘刷刷坝坡，，易引起起滑坡。。(3)沉降问题题土粒间存存在孔隙隙，在坝坝体自重重和水荷荷载作用用下，坝坝体和坝坝基都会会因压缩缩而产生生沉降。。过大沉降降：会导致坝坝顶高程程不足。。过大不均均匀沉降降：会导致坝坝体开裂裂，形成成渗水通通道，威威胁大坝坝。(4)其他问题题严寒地区区，库面面的冰盖盖层与坝坝坡、岸岸坡冻结结在一起起，对坝坝坡产生生很大的的冰压力力，易导导致护坡坡的破坏坏自由面以以上的坝坝体粘土土，在冻冻融作用用下会造造成孔穴穴、裂缝缝；夏季季干旱作作用下，，易引起起干裂而而导致集集中渗漏漏地震地区区，坝坡坡塌滑的的可能性性增大；；粉砂地地基，存存在振动动液化问问题南方，白白蚂蚁可可以蛀空空坝体，，导致坝坝体塌陷陷、渗漏漏通道等等七、土石石坝的裂裂缝1.类型及其其成因(1)干缩和冻冻融裂缝缝干缩缝：：土体表表面失去去水分收收缩，而而土体内内部不收收缩或收收缩甚微微，表层层土体受受约束产产生拉应应力，形形成裂缝缝。常见见于含水水量较高高、薄膜膜水较厚厚的细粒粒土体。。冻融裂缝缝：土体体冻结后后，气温温骤降，，表层土土体发生生收缩，，受到内内部未降降温土体体约束产产生拉应应力，在在表层形形成裂缝缝。常见见于含水水量较高高的细粒粒土体。。仅限于表表层土体体，不至至威胁大大坝的安安全。(2)变形裂缝缝主要由不不均匀沉沉降所引引起。由由于不均均匀变形形，在坝坝的某些些部位产产生较大大的拉应应变和剪剪应变，，因而产产生裂缝缝。这种种裂缝一一般规模模较大，，并深入入坝体，，是破坏坏坝体完完整性的的主要裂裂缝。特特别是防防渗体的的拉伸缝缝，对坝坝的威胁胁很大，，应尽量量避免。。变形裂缝缝——纵向裂缝缝、横向向裂缝、、水平裂裂缝纵向裂缝缝缝的走向向平行于于坝轴线线。多出出现于坝坝坡，有有时也出出现在坝坝坡，也也可能出出现在坝坝的内部部。缝的的宽度往往往较大大。这种种缝是由由横向不不均匀变变形引起起的。横向裂缝缝缝的走向向垂直于于坝轴线线。多出出现于局局部变化化地形、、岸坡陡陡峭、坝坝体埋有有刚性建建筑物的的、易出出现局部部拉伸的的区域。。这种缝缝是由于于坝轴线线方向的的纵向不不均匀变变形引起起的。横横缝常贯贯穿防渗渗体，对对坝的危危害很大大。水平裂缝缝多发生在在窄心墙墙坝中。。它是由由于坝体体和坝基基的不均均匀沉降降引起的的，是一一种内部部裂缝。。有时贯贯穿上下下游，形形成集中中渗水通通道。这这种缝不不易发现现，往往往出现事事故后才才知道，，对危害害性很大大。由于坝体体非粘性性土沉降降速度快快，较早早达到稳稳定。而而粘土心心墙由于于固结速速度慢，，沉降还还在继续续。坝壳壳通过心心墙接触触面的摩摩擦力作作用阻止止心墙沉沉降，形形成心墙拱效效应。拱效应应使心墙墙的垂直直应力减减小，如如果拱效效应过大大，使垂垂直应力力由压变变拉，超超过土体体的强度度，会产产生水平平裂缝。。(3)滑坡裂缝缝滑坡引起起的裂缝缝，在顶顶部呈张张开缝、、底部隆隆起处产产生许多多细小裂裂缝。这这种缝延延伸较长长、较深深、较宽宽，有较较大的错错距。这这是坝失失稳前，，滑动体体开始发发生位移移时，在在周界上上出现的的缝，是是滑坡的的前兆。。(4)水力劈裂裂缝在孔隙水水压力作作用下，，土体局局部有效效应力减减小到零零以下时时，由于于拉伸破破坏所形形成。