水工结构工程

水工结构工程第1页，共42页，2023年，2月20日，星期六土木工程概论第7章水工结构工程7.1水工结构工程概述为更合理、有效的利用和调配水资源，就需要兴建水工结构工程优点：水资源丰富，可开发利用的水能资源居世界首位缺点：水资源在时间和地域上的分布经常与对它的需要不一致水工结构工程按服务于多目标的通用性，水工结构可分为：挡水结构、泄水结构、取水结构、输水结构、整治结构按服务于单目标的专门性，水工结构通常包括：防洪结构、农田水利工程、水力发电及地下电站工程、港口航道工程、海岸工作第2页，共42页，2023年，2月20日，星期六土木工程概论第7章水工结构工程水工结构因受水的影响而有别于其他建筑物或构筑物

其特点如下：水工结构与其相应河流的水利工程是一个系统的综合体同一流域的水工结构和水利工程不能单独分割出来孤立存在，它们是相辅相成、互相影响和制约的水工结构工作条件复杂，施工技术难度大（受水文、气象、地址、地形等复杂条件的影响）水的作用使得水工结构工作条件特殊，除一般荷载外，还要承受水压力、浪压力、冰压力、渗透力、冻胀力等水工结构地质条件复杂多变，需对地基进行细致周密的处理和研究水工结构施工受气候、温度等影响大大型水工结构不仅对社会、经济有很大影响，对自然环境、生态环境也会产生很大的影响通过防洪、农田水利、水力发电、港口、航运等为人类造福改变自然面貌，对自然环境产生影响（可能是积极的也可能带来灾难）第3页，共42页，2023年，2月20日，星期六都江堰工程防洪工程分洪工程丹江口水利枢纽第4页，共42页，2023年，2月20日，星期六葛洲坝水利枢纽江都水利枢纽三峡大坝高弗瑞·丹佛坝第5页，共42页，2023年，2月20日，星期六7.2防洪工程土木工程概论第7章水工结构工程防洪工程是预防、控制洪水或冰凌成灾所修建的工程。

主要包括：挡水结构工程、河道整治工程、分洪工程和水库等

它的作用可分为：阻挡洪水侵袭、增加泄洪能力、拦储调节洪水7.2.1挡水结构挡水结构是为阻挡洪水泛滥、海水入侵而修建的水工建筑，

是防洪工程中最常用、最重要的组成部分，如堤、坝拦河闸等第6页，共42页，2023年，2月20日，星期六钢筋混凝土堤石堤土堤堤是沿河、渠、湖、海岸边缘修建的挡水结构，主要是防御洪水

对保护对象的侵袭。按材料分，有土堤，石堤，钢筋混凝土堤等土木工程概论第7章水工结构工程第7页，共42页，2023年，2月20日，星期六坝是建在河流中截断水流、抬高水文、形成水库的挡水结构，

也具有泄洪、发电等功效。

按材料分为：土石坝、混凝土坝；

按结构特点和力学性能分为：重力坝、拱坝、支墩坝等，如图土木工程概论第7章水工结构工程重力坝支敦坝拱坝第8页，共42页，2023年，2月20日，星期六土木工程概论第7章水工结构工程土石坝土石坝是一种古老的坝型，目前仍是数量最多的坝型。

土石坝是土坝、堆石坝及土石混合坝的总称，它是用坝址附近的

土料、石料和砂砾堆筑起来的，也称当地材料坝。

土石坝的优点：就地取材、节约建筑材料、对自然条件有广泛的

适应性、抗震性能好、结构简单、寿命较长、施工管理维护等较

简便，设计理论、施工技术、施工机械化程度高

土石坝断面形式简单，多为梯形或复式梯形

主要组成部分有：坝体、防渗体、排水设备和护坡

按施工方法分为：碾压式土石坝、水力充填坝、水坠坝、

水中填土坝、土中灌水坝、定向爆破堆石坝等土木工程概论第7章水工结构工程土石坝第9页，共42页，2023年，2月20日，星期六土木工程概论第7章水工结构工程混凝土重力坝重力坝：主要是依靠自身重量在地基上产生摩擦力和坝与地基之

间的凝聚力来抵抗坝前的水推力以保持抗滑稳定，其断面一般呈

三角形，直立或向上游面倾斜，利用部分水重增加坝的稳定性，

它是混凝土坝中最早出现的坝型。

混凝土重力坝的优点：适用于从坝顶溢流，施工期间也易于通过

较低的坝块或底孔泄流，坝体结构简单，易浇筑，便于机械化施

工，适合在各种气候条件下修建，设计、建造经验丰富，工作可

靠，使用年限较长，养护费用较低等

混凝土重力坝的缺点：坝体体积大，材料强度不能充分发挥，浇

筑时水泥水化热消散困难，由于降温收缩易产生裂缝，破坏坝体

的整体性和强度。第10页，共42页，2023年，2月20日，星期六土木工程概论第7章水工结构工程分类（按断面形式）图例优点缺点实体重力坝施工简单散热条件差宽缝重力坝将横缝的中部加宽，节省混凝土，改善了浇筑的散热条件施工复杂模板用量多空腹重力坝坝内设置大型纵向空腔，可减小坝底扬压力，节约混凝土施工困难钢筋用量多预应力重力坝利用受拉钢筋或钢杆对坝体施加预应力以增加坝身稳定，有效改善坝身应力分布，节约混凝土施工困难钢筋用量多第11页，共42页，2023年，2月20日，星期六土木工程概论第7章水工结构工程拱坝拱坝是通过拱作用将坝体承受的荷载传递到两岸基岩上并利用两端

推力维持坝体稳定的水工结构。它是一种空间壳体结构，如图所示

当河谷宽高比较大时，悬臂梁体系承担大部分荷载，当河谷宽高比

较小时，水平拱则承担大部分荷载。拱坝充分利用了材料的强度，

因此其体积只有重力坝的30-80%。由于拱坝是整体性空间结构，坝

体轻韧，弹性好，只要基岩稳定，其抗震能力较好。拱坝平面和剖面示意图第12页，共42页，2023年，2月20日，星期六土木工程概论第7章水工结构工程支墩坝支墩坝是由一系列挡水面板和支撑面板的支墩组成按结构形式分为：平板坝：面板简支与支墩上的钢筋混凝土坝，一般用于修建中低坝大头坝：将支墩上游部分向两侧扩大形成悬臂大头相互贴紧，起挡

水作用，用于修建高中坝连拱坝：面板是一系列斜倚在支墩上的拱筒，用于修建高中坝支墩坝的几种形式第13页，共42页，2023年，2月20日，星期六土木工程概论第7章水工结构工程四川二滩双曲拱坝——最大坝高240m，拱冠顶部厚度11m，拱冠梁底部厚度55.74m，拱端最大厚度58.51m，拱圈最大中心角91.5。，拱顶弧长774.69m，为中国已建成的最高坝。第14页，共42页，2023年，2月20日，星期六土木工程概论第7章水工结构工程三峡拦江重力大坝——轴线全长2309.47m，坝顶高程185m，最大坝高181m，设有23个泄洪深孔，底高程90m，深孔尺寸为7m×9m，其主要作用是泄洪。第15页，共42页，2023年，2月20日，星期六土木工程概论第7章水工结构工程青海龙羊峡大坝——坝高178m，装机128万千瓦，水库库容247亿立方米，为当时中国内地最高的大坝。第16页，共42页，2023年，2月20日，星期六土木工程概论第7章水工结构工程黄河小浪底土石坝——坝高154m，总填筑量5185万立方米，是我过迄今为止最大的土石坝，该工程可控制流域面积69.4万平方公里，占黄河流域总面积的92.3%，控制黄河输沙量的100%，为国家发展和经济建设起到了极大的促进作用。第17页，共42页，2023年，2月20日，星期六土木工程概论第7章水工结构工程7.2.2河道整治河道整治是为稳定河势、改善水流流态、河流边界条件等在河床两岸

修建的工程

河道整治的目的是防洪、航运、引水、城镇防护及综合开发和治理等河道整治工程按材料和使用年限分类：临时性整治工程：古代的竹筏、沉排等永久性工程：土、石、混凝土等修建的重型实体建筑物，用于调整水流方向、固滩护堤按与水流的关系分类：丁坝、顺坝、潜坝、锁坝、环流、透水、不透水等主要是改变水沙运动方向，控制河床冲淤变化，改善不利河湾，起到稳定滩岸、固定河势流路的作用第18页，共42页，2023年，2月20日，星期六土木工程概论第7章水工结构工程分洪工程是为保障保护地区安全，将超额洪水分流的工程。

水库是用堰、坝、小闸等围成的人工水域。7.2.3分洪工程、水库为了泄放超过水库调蓄能力的洪水，满足放空水库和防洪调节等要求，确保

工程安全，一般多设有泄水建筑物。

常用的泄水建筑物有：

1）坝身泄水道：溢流坝、中孔泄水孔、浑式泄水孔、坝下涵管等

2）河岸泄水量：河岸溢洪道和泄水隧洞河岸溢洪道的特点：地面开敞，具有较大的超泄能力，泄水能力随水库水位的升高而迅速增加，可减少泄水翻坝的可能性，检查方便、运用安全可靠、减少开挖土石方量河岸溢洪道的形式：正槽式、侧槽式、竖井式、虹吸式第19页，共42页，2023年，2月20日，星期六土木工程概论第7章水工结构工程1.进水段.2.控制段3.泄槽4.消能防冲段5.出水渠6.非常溢洪道7.土坝1.溢流堰2.侧槽1.溢流喇叭口2.竖井3.导流隧洞4.混凝土塞5.水平泄洪隧洞6.出口段7.弯道段1.通气孔2.顶盖3.泄水孔第20页，共42页，2023年，2月20日，星期六土木工程概论第7章水工结构工程7.3农田水利工程农田水利是为农业生产服务的水利工程

主要任务是灌溉、排涝、改良土壤渠首的主要作用是引进河道或水库中的水以满足灌溉、发电、工业和生活用水需要，是农田水利工程中的重要建筑物之一。可分为：无坝渠首：不在河流中修建拦河坝引水灌溉，适用于河流水位、流量不经调节就能满足灌区用水要求的渠首。一般由进水闸、拦沙坝、沉沙池等建筑物组成有坝渠首：是采用拦河坝抬高水位，保证水流量满足灌溉要求的渠首。优点是闸前水位稳定、工作可靠、利于将取水口设在灌区近处组成部分：拦河坝、进水闸及沉沙槽式、人工弯道式、底部冲沙廊道式、底栏栅式等沉沙冲沙建筑物第21页，共42页，2023年，2月20日，星期六沉沙槽式渠首：采用正面排沙、侧面引水的布置形式，利用进水闸前沉沙槽使水中粗粒泥沙下沉减少入渠泥沙。优点：渠首形式简单，施工、管理方便缺点：沉沙槽内易出现旋流，易将底沙带入渠道，冲沙时需停止取水人工弯道式渠首：在河道内或岸边上修建人工弯道，利用弯道环流减少入渠泥沙的取水渠首。底部冲沙廊道式渠首：将冲沙廊道设在进水闸底板下的渠首。优点：可以边引水边冲沙适用于来水量较丰富、用水保证率较高的情况底栏栅式渠首：在壅水坝内设置廊道取水，利用廊道顶部栏栅筛析作用防止大粒径沙石入渠的有坝取水形式。优点：布置简单、施工方便、造价低适用于河道流量不大、大粒径泥沙较少的小型工程土木工程概论第7章水工结构工程第22页，共42页，2023年，2月20日，星期六土木工程概论第7章水工结构工程沉沙槽式渠首1.进水闸2.沉沙槽3.冲沙闸4.壅水坝5.导流墙6.渠道人工弯道式渠首1.人工弯道2.进水闸3.冲沙闸4.“Γ”形拦沙坎5.渠道6.拦河闸底部冲沙廊道式渠首1.冲沙廊道2.壅水坝3.渠道

底栏栅式渠首1.底栏栅坝2.金属栏栅3.取水廊道4.溢流坝5.进水闸第23页，共42页，2023年，2月20日，星期六水闸是用来控制闸前水位和调节过闸流量的低水头水工建筑物，通过闸门

启闭具有挡水和泄水或取水的双重作用，广泛用于防洪、灌溉、供水、发电等土木工程概论第7章水工结构工程水闸的分类：按承担的主要任务划分：进水闸：在河流、湖泊、等岸边建闸引水，通常设在渠道首部，又称渠首闸拦河闸：一般用于截断河渠，抬高河渠水位，横断河流或渠首修建。排水闸：常建于江河沿岸，既可以开闸排滞，又可以防止倒灌拦潮闸：常建于入海河口附近，主要作用是拦潮、御咸、排水、蓄淡分洪闸：常建于河道一侧，用于分泄河道多条洪水按闸室结构形式划分：开敞式、胸墙式、封闭式或涵洞式开敞式和胸墙式水闸上面不填土封闭，其中不设胸墙的开敞式水闸对用于拦河闸、排水闸设胸墙的开敞式水闸多用于进水闸、排沙闸和拦潮闸封闭式或涵洞式水闸是闸身上面填土封闭的水闸第24页，共42页，2023年，2月20日，星期六农田水利工程主要包括灌溉工程和排涝工程。土木工程概论第7章水工结构工程4%31%28%19%18%我国很多灌溉区是利用两种或多种水源进行灌溉的，如井渠结合，引蓄堤结合

从灌溉水源来分和各自所占比例如下图：第25页，共42页，2023年，2月20日，星期六土木工程概论第7章水工结构工程灌溉工程蓄水工程：各种类型的水库：按功能分为拦蓄河川径流的、引蓄渠道余水的、提水后再蓄在库中的、拦蓄河川潜流的、拦蓄洪水泥沙的等多种形式的小型蓄水工程：如塘堰工程、旱井、涝池、水窖等自流引水灌溉工程：我过最早的灌溉工程形式，如都江堰、郑国渠、宝鸡峡引渭灌溉工程等提水工程：指用各种农用排灌机械取水灌溉的工程。排涝工程：（从工程形式上划分）明沟排水：一般包括干、支、斗、农、毛各级排水沟通及相应排水控制建筑物，具有施工简单、见效快等优点，缺点是占地多、易淤积、维修工作量大暗管排水：一般包括吸水管、集水管、检修井、排水控制设备等，优点是占地少，不影响农田耕作和交通，排水效果稳定，缺点是需要较多管材，基建投资高竖井排水：利用水井抽取地下水，降低和控制地下水位，优点是调控地下水位能力强，缺点是井点分散、管理不便，需较多机泵和动力第26页，共42页，2023年，2月20日，星期六土木工程概论第7章水工结构工程7.4水力发电及地下电站工程水力发电是循环利用水力资源产生电能的过程。

水力发电的优点：不用燃料、不污染环境、能源可以循环利用、运行成本低我国水力开发方针是大、中、小并举，以大型为骨干。

电站的规模的大、中、小是相对的。我国20世纪七八十年代对已建和在建水电站

装机容量和年发电量统计时将装机>25万千瓦的水电站作为大型水电站。世界上

水电开发较多的国家，早期修建的水电站规模都相当小，随着经济、电力工业的

不断发展，电网规模的不断增大，水电站容量和机组容量也相应增大，对水电站

装机容量没有大、中、小正式规定。土木工程概论第7章水工结构工程第27页，共42页，2023年，2月20日，星期六土木工程概论第7章水工结构工程云南石龙坝水电站——我国第一座水电站，始建于1912年，规模较小。第28页，共42页，2023年，2月20日，星期六土木工程概论第7章水工结构工程葛洲坝水电站——电站设计装机14台，机组容量12.5万千瓦。1988年

葛洲坝工程全部完成，水电站设计总装机容量271.5万千瓦，平均年发电

量141亿千瓦时第29页，共42页，2023年，2月20日，星期六土木工程概论第7章水工结构工程三峡水电站——三峡水电站的机组布置在大坝的后侧，共安装32台70万千瓦水轮发电机组，其中左岸14台，右岸12台，地下6台，另外还有2台5万千瓦的电源机组，总装机容量2250万千瓦第30页，共42页，2023年，2月20日，星期六7.5港口航道工程土木工程概论第7章水工结构工程水域部分：包括进港航道、港池和锚地，供船舶航行、运转、停泊之用陆域部分：包括码头、岸上仓库、堆场等其他辅助设施，供旅客集散、货物装卸、转载之用港口分类：按所在地理位置分为：海港、河口港、湖港、水库港按性质和用途分为：商港、渔港、军港、工业港、避风港港口是位于江河湖海沿岸，具有一定设施和条件，供船舶靠泊、旅客上下、货物装卸、生活物料供应等作业的地方。包括：水域、陆域两大部分第31页，共42页，2023年，2月20日，星期六土木工程概论第7章水工结构工程码头：供旅客上下、货物装卸、船舶靠泊之用的地方按断面形式分为：直立式：便于船舶停靠，是应用最广泛的码头用于海港和部分河港斜坡式：用于水位变化较大的港口半直立式：用于高水时间较长而低水时间较短的港口半斜坡式：用于枯水时间较长而高水时间较短的港口按结构形式分为：重力式：依靠码头自身重量和其内填料重量保持稳定，在我国普遍采用方块、沉箱、扶壁三种结构形式。方块结构形式：最古老的结构形式，施工方便、耐久性好、节省钢筋沉箱结构形式：沉箱形状主要有方形、矩形、不对称形等，广泛应用于码头、筏桥墩台等工程扶壁结构形式：多用于华南沿河地区，与沉箱相比属轻型结构，施工方便，但整体性不如沉箱结构形式港口工程是兴建港口所需的工程，主要包括港口建设的总体规划、进港交通、地基基础、码头结构、防波堤工程等，主要介绍码头结构、防波堤工程第32页，共42页，2023年，2月20日，星期六土木工程概论第7章水工结构工程板桩式：依靠打入土中的板桩保持稳定，板桩较薄且承受土压力，适用于墙高不超过10m的码头高桩式：主要由上部结构和桩基两部分组成，一般适用于软土地基上部结构：一般为现浇承台和框架结构，或者是装配整体式梁板结构，它们构成码头地面桩基：主要采用预应力混凝土空心方桩。防波堤工程：位于港口水域外围，主要是抵御风浪，保证港内水面平稳，按断面形式主要分为：直立式：一般适用于地基承载力较好的情况，主要有普通方块、双排板桩、巨型方块、沉箱几种类型，其中以沉箱防波堤为主斜坡式：一般适用于地基承载力较差的情况，在我国使用最为广泛，对地基沉降不太敏感混合式：由直立式和斜坡式综合而成的，适用于水深很大的情况，一般是在高基床上放置重型沉箱，形成上部直立、下部斜坡的混合形式第33页，共42页，2023年，2月20日，星期六土木工程概论第7章水工结构工程上海港：全国最大的货运和客运港，是我国主要对外轮开放的港口，为世界十大港口之一第34页，共42页，2023年，2月20日，星期六土木