水利工程安全概论要点

1.我国水资源的特点（1）绝对量大，人均占有量少，亩均占有量少。

总量排世界第5位，人均量排世界84位，仅为世界平均水平的1/4。（2）空间分布不均，水资源与土地资源、人口组合又不平衡。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（3）时间分布不均，年际、年内变化大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16~2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。

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1991196419851985198020-3064748775-80一些国家工业用水重复利用率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—hydraulicstructure(1)挡水建筑物—waterretainingstructure(2)泄水建筑物—waterreleasestructure(3)引水建筑物—waterdiversionstructure(4)整治建筑物—regulatingstructure(5)专门建筑物—specialhydraulicstructure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—waterretainingstructure

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—waterreleasestructure

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—waterdiversionstructure

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—regulatingstructure

用以改善河流的水流条件，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)专门建筑物—specialhydraulicstructure

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（1）由于水的作用，建筑物的工作条件复杂（2）设计独特性自然地形、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。（3）施工条件复杂解决施工导流问题；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（4）意义重大，失事后果严重§3

河川水利枢纽对环境的影响一、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10×108m3，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—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—earthquakeload/seismicload（7）温度荷载—loadoftemperaturevariation（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（upliftpressure），上下游水头产生的渗透压力（seepagepressure）。（4）冰压力—静冰压力、动冰压力（5）土压力—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（baseload）（2）特殊荷载：出现概率较小的荷载（specialload）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，由基本荷载+一种或几种特殊荷载组成1.抗滑三稳定三分析抗滑三稳定三安全三系数——建筑三物的三抗滑三力与三建筑三物所三受的三滑动三力之三比，三用K表示三。对于三重力三坝，三要求三任意三一个三剖面三（截三面）三上均三满足三稳定三条件三。通三常，三岩基三上的三重力三坝，三坝体三混凝三土和三基岩三的接三触面三往往三是一三个薄三弱面三，这三是因三为：（1）两三种材三料的三接触三面（2）混三凝土三干缩三可能三产生三裂缝因此三，只三要该三接触三面上三满足三抗滑三稳定三要求三，则三该坝三体肯三定满三足稳三定要三求。（1）沿三坝基三面抗三滑稳三定A、摩三擦公三式B、剪三摩公三式2.应力三分析目的三：验算三大坝三在施三工期三、运三用期三强度三的安三全度要求三：坝体三内各三部分三材料三的应三力不三超过三该种三材料三的容三许应三力，三即s<三=[三s]。[s]=三R/三k式中三：R—三—材料三的极三限强三度；k—三—材料三强度三的安三全系三数，三一般三取k=三3~三5，由三建筑三物的三级别三及工三作情三况确三定。计算三方法三：模型三试验三、理三论分三析（三材料三力学三、弹三性力三学、三有限三单元三法）设计三规范：采三用材三料力三学法三。取1m长坝三段，三按平三面形三变问三题考三虑。应力三分析三部分三成果三（1）由重三力坝三剖面三和受三力特三点：在空库时，三坝踵三处压三应力三最大三，坝三趾处三压应三力最三小，三甚至三出现三拉应三力；在满库时，三坝趾三处压三应力三最大三，坝三踵处三压应三力最三小，三甚至三出现三拉应三力。2.灌浆固结三灌浆三：浅孔三低压三灌注三水泥三浆对三坝基三加固三处理三。目三的：①提高三岩体三的整三体性三和弹三性模三量，三减少三基岩三受力三后的三变形三，并三提高三基岩三的抗三压、三抗剪三强度三；②降低三坝基三的渗三透性三，减三少渗三漏量三；③帷幕三旁边三的固三结灌三浆可三提高三帷幕三的灌三浆压三力。帷幕三灌浆三：靠近三上游三坝基三设一三排或三几排三钻孔三，利三用高三压灌三浆填三塞基三岩内三的裂三隙和三孔隙三等渗三水通三道，三在基三岩中三形成三一道三相对三密实三的阻三水帷三幕。三目的三：①三降低三坝基三的渗三透压三力，三减少三渗流三量；三②三防止三坝基三内产三生机三械或三化学三管涌三。3.坝基三排水三系统目的三：收集三并排三走由三地基三渗透三过来三的水三，进三一步三降低三坝基三扬压三力。因为三：坝三基虽三然已三经进三行帷三幕灌三浆，三但并三不能三完全三截断三渗流三。一、三拱坝三的工三作原三理(1三)依靠三拱的三作用三，将三力传三给拱三座(2三)依靠三悬臂三梁的三作用三，将三力传三给地三基拱坝三同时三有拱三的作三用和三悬臂三梁的三作用三，拱三和悬三臂梁三分担三荷载三，其三大小三取决三于河三谷形三状：河谷三深而三窄，三拱作三用大三，梁三作用三小河谷三浅而三宽，三拱作三用小三，梁三作用三大主要三依靠三两岸三拱座三和坝三基来三保持三稳定三，自三重对三稳定三的影三响不三大。(1三)受力三条件三好(2三)坝的三体积三小拱是三一种三受压三结构三，拱三的作三用越三显著三，越三能减三小坝三的厚三度，三从而三减小三工程三量。三梁的三作用三越大三，越三需要三依靠三坝体三自重三来抵三抗水三压力三。拱坝三的坝三轴线三比重三力坝三长，三但总三的工三程量三至少三比同三高度三的重三力坝三减少1/三3~2/三3。二、三拱坝三的工三作特三点拱坝三是周三边嵌三固的高次三超静三定结三构，当三外荷三载增三大至三坝的三某一三部位三因拉三应力三过大三而开三裂时三，能三调整三拱作三用和三梁作三用及三其荷三载分三配，三使坝三内应三力重三分配三，而三不致三使大三坝丧三失全三部承三载能三力。裂缝三对于三拱坝三的威三胁不三象对三其他三坝型三那样三严重三：水平三缝：扬压三力只三会降三低悬三臂梁三的作三用。三一般三薄拱三坝是三以独三立的三水平三拱设三计的三，悬三臂的三作用三只作三为一三种安三全储三备垂直三缝：使拱三圈未三开裂三部分三的应三力增三加，三原来三的拱三圈变三成具三有更三小曲三率半三径的三拱圈三，坝三内应三力重三分配三，成三为无三拉应三力的三有效三拱按结三构的三观点三来看三，拱三坝的三坝面三允许三局部三开裂三。如三果拱三座岩三体坚三固，三那么三，拱坝三的破三坏主三要取三决于三压应三力是三否超三过筑三坝材三料的三强度三极限。一般三混凝三土具三有塑三性和三徐变三特性三，在三局部三应力三特大三的部三位，三如果三变形三受限三制，三经过三一段三时间三，混三凝土三的徐三变变三形增三大，三弹性三变形三减小三，使三这些三特大三的应三力有三所降三低。(3三)超载三能力三强，三安全三度高拱坝三是整三体的三空间三结构三，坝三体较三坚韧三，富三有弹三性，三又能三自行三调整三结构三特性三，故三可以三提高三坝体三的抗三震性三能。三如：意大三利：三柯尔三菲诺三拱坝三，高40三m中国三：河三北峡三沟水三库浆三砌石三拱坝三，高78三m，19三66年3月(4三)抗震三性能三好(5三)施工三技术三要求三高拱坝三坝体三断面三小，三几何三形状三复杂三，故三对施三工技三术、三施工三质量三控制三和筑三坝材三料的三强度三有较三高的三要求三，对三地基三处理三的要三求更三严格三，开三挖较三大。五、三拱坝三的温三度荷三载拱坝三的温三度荷三载是三拱坝三设计三中主三要的三荷载三之一三。1、封三拱温三度拱坝三建成三并经三过充三分冷三却后三，当三施工三期混三凝土三产生三的水三化热三已经三基本三散尽三、坝三体混三凝土三温度三趋于三相对三稳定三时，三对坝三体各三施工三缝进三行灌三浆，三使各三坝块三固结三形成三整体三，称三为封拱。相三应的三混凝三土温三度称三为封拱三温度。2、拱三坝的三温度三荷载指拱三坝封三拱形三成整三体后三，在三上下三游水三温、三气温三周期三性变三化的三影响三下，三坝体三内产三生相三对于三封拱三温度三的温三度变三化所三引起三的荷三载，三称为拱坝三的温三度荷三载。三部三分：均匀三温度三变化沿坝三厚的三温度三梯度三变化非线三性温三度变三化温度三荷载三对坝三体应三力和三稳定三的影三响因此三，温降三对坝三体应三力不三利；三温升三对坝三体稳三定不三利。当坝三体温三度低三于封三拱温三度（三温降三）时三，坝三轴线三收缩三，使三坝体三向下三游位三移，三产生三的弯三矩、三剪力三的方三向与三水库三水压三力所三产生三的相三同，三但轴三力方三向相三反，三结果三是拱三端上三游面三受拉三、下三游面三受压三，在三拱冠三则上三游面三受压三、下三游面三受拉三。当坝三体温三度高三于封三拱温三度（三温升三）时三，坝三轴线三伸长三，使三坝体三向上三游位三移，三产生三的弯三矩、三剪力三的方三向与三水库三水压三力所三产生三的相三反，三但轴三力方三向相三同，三结果三是拱三端上三游面三受压三、下三游面三受拉三，在三拱冠三则上三游面三受拉三、下三游面三受压三。一、三土石三坝的三特点(1三)筑坝三材料三就地三取材三。可三节省三大量三钢材三、水三泥、三木材三等。(2三)适应三地基三变形三能力三强。三土石三体是三散粒三体结三构，三对地三基的三要求三比混三凝土三坝低三。(3三)施工三方法三选择三灵活三性大三。能三适应三不同三的施三工方三法，三且工三序简三单、三施工三速度三快、三易保三证质三量。三（人三工机三械化）(4三)结构三简单三、造三价低三廉、三运行三管理三方便三、工三作可三靠，三便于三维修三加高三。缺点：(1三)坝顶三不能三溢流三，通三常需三另开三溢洪三道。(2三)施工三导流三不便三，增三加了三工程三造价三。(3三)坝体三断面三大，三土料三填筑三的质三量受三气候三影响三，给三施工三带来三困难三。二、三土石三坝的三工作三条件土石三坝由三散粒三体材三料填三筑而三成，三其剖三面一三般呈三梯形三。土石三坝的三失稳三一般三是坝三坡滑三动或三坝坡三连同三地基三一起三滑动三的剪三切，三这是三土石三坝特三有的三。(1三)渗流三问题土石三坝在三挡水三后，三在上三下游三水位三差的三作用三下，三坝体三、坝三基会三有一三系列三的问三题需三要考三虑：水流三经过三坝身三与坝三基的三结合三面、三坝体三土与三混凝三土的三结合三面，三易产三生渗三漏。坝体三内形三成自三由面三，饱三和区三的土三体有三效重三量减三轻，三土的三强度三（内三摩擦三角和三凝聚三力）三减小渗透三动水三压力三增大三了下三游坝三坡的三滑动三可能三性。三当库三水位三骤降三时，三易引三起上三游坝三坡的三失事三。在渗三流的三出口三处，三易引三起渗三透变三形，三严重三时会三导致三坝的三失事三。(2三)冲刷三问题土颗三粒间三的粘三结力三很小三，抗三冲能三力很三低：雨水三侵入三坝体三，会三降低三坝的三稳定三性；三沿坝三坡下三流会三冲刷三坝面三。库内三风浪三会淘三刷坝三坡，三易引三起滑三坡。(3三)沉降三问题土粒三间存三在孔三隙，三在坝三体自三重和三水荷三载作三用下三，坝三体和三坝基三都会三因压三缩而三产生三沉降三。过大三沉降三：会导三致坝三顶高三程不三足。过大三不均三匀沉三降：会导三致坝三体开三裂，三形成三渗水三通道三，威三胁大三坝。(4三)其他三问题严寒三地区三，库三面的三冰盖三层与三坝坡三、岸三坡冻三结在三一起三，对三坝坡三产生三很大三的冰三压力三，易三导致三护坡三的破三坏自由三面以三上的三坝体三粘土三，在三冻融三作用三下会三造成三孔穴三、裂三缝；三夏季三干旱三作用三下，三易引三起干三裂而三导致三集中三渗漏地震三地区三，坝三坡塌三滑的三可能三性增三大；三粉砂三地基三，存三在振三动液三化问三题南方三，白三蚂蚁三可以三蛀空三坝体三，导三致坝三体塌三陷、三渗漏三通道三等七、三土石三坝的三裂缝1.类型三及其三成因(1三)干缩三和冻三融裂三缝干缩三缝：三土体三表面三失去三水分三收缩三，而三土体三内部三不收三缩或三收缩三甚微三，表三层土三体受三约束三产生三拉应三力，三形成三裂缝三。常三见于三含水三量较三高、三薄膜三水较三厚的三细粒三土体三。冻融三裂缝三：土三体冻三结后三，气三温骤三降，三表层三土体三发生三收缩三，受三到内三部未三降温三土体三约束三产生三拉应三力，三在表三层形三成裂三缝。三常见三于含三水量三较高三的细三粒土三体。仅限三于表三层土三体，三不至三威胁三大坝三的安三全。(2三)变形三裂缝主要三由不三均匀三沉降三所引三起。三由于三不均三匀变三形，三在坝三的某三些部三位产三生较三大的三拉应三变和三剪应三变，三因而三产生三裂缝三。这三种裂三缝一三般规三模较三大，三并深三入坝三体，三是破三坏坝三体完三整性三的主三要裂三缝。三特别三是防三渗体三的拉三伸缝三，对三坝的三威胁三很大三，应三尽量三避免三。变形三裂缝——纵向三裂缝三、横三向裂三缝、三水平三裂缝纵向三裂缝缝的三走向三平行三于坝三轴线三。多三出现三于坝三坡，三有时三也出三现在三坝坡三，也三可能三出现三在坝三的内三部。三缝的三宽度三往往三较大三。这三种缝三是由三横向三不均三匀变三形引三起的三。横向三裂缝缝的三走向三垂直三于坝三轴线三。多三出现三于局三部变三化地三形、三岸坡三陡峭三、坝三体埋三有刚三性建三筑物三的、三易出三现局三部拉三伸的三区域三。这三种缝三是由三于坝三轴线三方向三的纵三向不三均匀三变形三引起三的。三横缝三常贯三穿防三渗体三，对三坝的三危害三很大三。水平三裂缝多发三生在三窄心三墙坝三中。三它是三由于三坝体三和坝三基的三不均三匀沉三降引三起的三，是三一种三内部三裂缝三。有三时贯三穿上三下游三，形三成集三中渗三水通三道。三这种三缝不三易发三现，三往往三出现三事故三后才三知道三，对三危害三性很三大。由于三坝体三非粘三性土三沉降三速度三快，三较早三达到三稳定三。而三粘土三心墙三由于三固结三速度三慢，三沉降三还在三继续三。坝三壳通三过心三墙接三触面三的摩三擦力三作用三阻止三心墙三沉降三，形三成心墙三拱效三应。拱三效应三使心三墙的三垂直三应力三减小三，如三果拱三效应三过大三，使三垂直三应力三由压三变拉三，超三过土三体的三强度三，会三产生三水平三裂缝三。(3三)滑坡三裂缝滑坡三引起三的裂三缝，三在顶三部呈三张开三缝、三底部三隆起三处产三生许三多细三小裂三缝。三这种三缝延三伸较三长、三较深三、较三宽，三有较三大的三错距三。这三是坝三失稳三前，三滑动三体开三始发三生位三移时三，在三周界三上出三现的三缝，三是滑三坡的三前兆三。(4三)水力三劈裂三缝在孔三隙水三压力三作用三下，三土体三局部三有效三应力三减小三到零三以下三时，三由于三拉伸三破坏三所形三成。三在水三压减三退后三张开三的裂三缝也三可以三自行三闭合三。水三力劈三裂多三发生三于水三库初三次蓄三水时三，是三一种三危害三性很三大的三裂缝三。①心墙三拱效三应使三心墙的垂三直压三力降三低到三该处三的孔三隙水三压力三时，三会因三水力三劈裂三产生三水平三裂缝三。因三其他三原因三而产三生的三水平三裂缝三也可三能因三水力三劈裂三作用三而扩三展