【水利水电】李想 教材精讲班教案 11-第1章-1.2-水利水电工程设计（八）

1.2.5水力荷载1.2水利水电工程设计1.2.1水利水电工程等级划分及工程特征水位（★★★）1.2.2水利水电工程合理使用年限及耐久性（★★★）1.2.3水工建筑物结构受力状况及主要设计方法（★）1.2.4水利水电工程建筑材料的应用（★★★）1.2.5水力荷载（★）1.2.6渗流分析（★★）1.2.7水流形态及消能方式（★）考情分析：单选题：2009(1)，2010(1)<2题>，2018(1)，2021(1)综，2022(1)，2022(1B)；多选题：无；案例题：无。一、二建教材重复程度：30%。教材内容：0.前言1.静水压力2.扬压力3.动水压力4.浪压力5.冰压力导入：0.前言水力荷载：➊永久作用荷载、➋可变作用荷载、➌偶然作用荷载。➋可变作用荷载：静水压力、扬压力、动水压力、水锤压力、浪压力、外水压力、风荷载、雪荷载、冰压力、冻胀力、温度荷载、土壤孔隙水压力、灌浆压力等；➌偶然作用荷载：地震作用、<校核洪水位>时的静水压力。（2021(1)-D考点）（2024版教材，P24+41重复）其中，静水压力、扬压力、动水压力、浪压力和冰压力是水工建筑物上所承受的主要水力荷载。（因为是“主要”，所以教材后面就只介绍这几个荷载）1.静水压力1）一般规定（1）压强计算（“小p”公式）<垂直>作用于建筑物表面某点的静水压强：（2022(1)考点）p=γh式中：p—计算点处的静水压强（kN/m2）；h—计算点处的作用水头（m），按计算水位与计算点之间的高差确定。γ—水的重度（kN/m3），一般采用9.81kN/m3。（2）压力计算（“大P”公式）水深为H时，单位宽度上<水平>静水压力P按下列计算：式中：P—单位宽度作用面上的水平静水压力（kN）；H—水深（m）；γ—水的重度（kN/m3），一般采用9.81kN/m3。例题：2009(1)-2.尺寸为1.5m×1.0m×0.8m（长×宽×高）的箱体平放在水深为2.8m的水池底面，箱体顶面受到的静水压力为（）kN。（水的重度取10kN/m3）。A.20B.27C.30D.42答案：C解析：P=（γh）×（S）=（10×2）×（1.5×2）=30（kN）。1.静水压力2）枢纽建筑物的静水压力（略...///）坝、水闸等挡水建筑物和河床式水电站厂房在运用期静水压力代表值的计算水位应按下列规定确定：a.持久设计状况，上游采用水库的正常蓄水位（或防洪高水位），下游采用可能出现的不利水位。b.偶然设计状况，上游采用水库的校核洪水位，下游采用水库在该水位泄洪时的水位。c.短暂设计状况，采用设计预定该建筑物在检修期的上、下游水位。d.水工建筑物抗震计算时的水库计算水位，可采用正常蓄水位；对于多年调节水库，经论证后可采用低于正常蓄水位的上游水位。1.静水压力3）水工闸门的静水压力工作闸门或事故闸门，静水压力代表值的计算水位，应按建筑物<进水口>的<上游>计算水位采用。（模拟题）2.扬压力0）二建教材扬压力，包括：➊上浮力、➋渗流压力。（2016(2)考点）➊上浮力：是由坝体<下游>水深产生的浮托力；➋渗流压力：是在<上、下游水位差>作用下，产生的向上静水压力。（2010(1)考点）在扬压力分布图中，<矩形部分>的合力为浮托力代表值，（2018(1)、2022(1B)考点）<其余部分>的合力为渗透压力代表值。（2021(1)-A考点）（2022(1)考点）例题1：2010(1)-1（改编）.混凝土坝坝底承受的上浮力大小与（）成正比。A.上游水深B.下游水深C.上、下游水头差D.坝高答案：B解析：上浮力：是由坝体<下游>水深产生的浮托力；渗流压力：是在<上、下游水位差>作用下，产生的向上静水压力。例题2：2018(1)-4.右图为挡土墙地板扬压力示意图，图中的Ps是指（）。A.浮托力B.静水压力C.动水压力D.渗透压力答案：D解析：（本题也是2022(1B)选择题）在扬压力分布图中，<矩形部分>的合力为浮托力代表值，<其余部分>的合力为渗透压力代表值。例题3：2022(1)-5.右图为某挡土墙底板扬压力示意图。该挡土墙底板单位宽度的扬压力为（）kN（水的重度γ=10kN/m3）。A.25B.50C.75D.100答案：C解析：（超纲）上游水头3m，下游水头2m，底板底部高程1m。扬压力为下右图梯形面积：2.扬压力2）混凝土坝的扬压力（略...）岩基上各类混凝土坝坝底面的<扬压力分布图形>可按下列三种情况分别确定。2.扬压力3）水闸的扬压力一般情况下，渗流压力可采用：①改进阻力系数法或②流网法计算。3.动水压力4.浪压力5.冰压力3.动水压力动水压力是指水流流速和方向改变时，对建筑物<过流面>所产生的压力，包括：①时均压力、②脉动压力。（2021(1)-C考点）4.浪压力因波浪对水工建筑物<临水面>形成的浪压力。5.冰压力包括：①静冰压力、②动冰压力。例题：2021(1)-2.关于混凝土坝水力荷载的说法，正确的是（）。A.扬压力分布图为矩形B.坝基设置排水孔可以降低扬压力C.水流流速变化时，对坝体产生动水压力D.设计洪水时的静水压力属于偶然作用荷载答案：B解析：A选项中，扬压力包括两个部分，即下游水深产生的浮托力和上下游水位差产生的渗流压力，对于浮托力分布图是矩形，对于渗流压力分布图为三角形，因此扬压力分布图为梯形。C选项中，动水压力是指水流流速和方向改变时，对建筑物过流面所产生的压力。D选项中，校核洪水时的静水压力属于偶然作用荷载。小结：（一<页>看尽长安花）1.静水压力【➊09】2.扬压力【➊10、18、21综Ⓐ、22、22B；➋16】3.动水压力【➊21综Ⓒ】4.浪压力【无】5.冰压力【无】1.2.6渗流分析1.2水利水电工程设计1.2.1水利水电工程等级划分及工程特征水位（★★★）1.2.2水利水电工程合理使用年限及耐久性（★★★）1.2.3水工建筑物结构受力状况及主要设计方法（★）1.2.4水利水电工程建筑材料的应用（★★★）1.2.5水力荷载（★）1.2.6渗流分析（★★）1.2.7水流形态及消能方式（★）考情分析：单选题：2009(1)、2013(1)、2014(1)、2017(1)，2022(1B)；多选题：2009(1)、2013(1)、2015(1)，2020(1)、2022(1)、2023(1)；案例题：2015(1)、2023(1)。一、二建教材重复：10%。教材内容：1.土石坝的渗流分析2.闸基的渗流分析3.渗透系数4.渗透变形导入：1.土石坝的渗流分析渗流分析内容包括：➊确定浸润线的位置；➋确定渗流流速与坡降；➌确定渗流量。（2013(1)，2020(1)，2022(1)考点）进行渗流分析的方法：Ⓐ水力学法、Ⓑ流网法。Ⓐ水力学方法可以用来<近似确定>浸润线的位置、计算渗流量、平均流速和坡降。Ⓑ流网法是一种<图解法>，渗流场内由<流线>和<等势线>构成的网格称为流网。例题：2022(1)-22.土石坝渗流分析的主要内容是确定（）。A.渗透压力B.渗透坡降C.渗流量D.浸润线位置E.扬压力答案：ABCD解析：（本题也是，2013(1)，2020(1)选择题）2024版教材P29，渗流分析主要内容有：确定渗透压力；确定渗透坡降（或流速）；确定渗流量。2024版教材P45，土石坝的渗流分析内容包括：①确定浸润线的位置；②确定渗流流速与坡降；③确定渗流量。2.闸基的渗流分析渗流分析内容，计算各点的➊渗透压力、➋渗透坡降、➌渗透流速、➍渗流量。（2015(1)考点）进行渗流分析的近似方法有：①直线比例法（又称渗径系数法）、②直线展开法、③加权直线法、④柯斯拉独立变数法、⑤巴甫洛夫斯基分段法、⑥丘加也夫阻力系数法、⑦改进阻力系数法、⑧流网法等。例题：2015(1)-21.碾压混凝土坝渗流分析的主要内容包括（）。A.确定渗透压力B.确定渗透坡降C.确定渗流流速D.确定浸润线的位置E.确定渗流量答案：ABCE解析：碾压混凝土坝渗流分析的内容，计算各点的①渗透压力、②渗透坡降、③渗透流速及④渗流量。2.闸基的渗流分析较为常用的方法有：①直线比例法、⑧流网法、⑦改进阻力系数法。直线比例法是工程中对堰闸底板所承受的扬压力作粗略估算的一种方法，其特点是计算简捷；但其结果的<精度较低>，而且不能据此计算其他的水利要素，一般只在<工程规划>和<可研阶段>使用。

（精度低）流网法是一种图解法，适用于任意边界条件，是在渗流区域内由流线和等势线组的具有曲线正方形（或矩形）网格的图形（2020(1)考点）。只要按规定的原则绘制流网，一般可以得到<较好>的计算精度。（精度高）（翻译：<曲线正方形网格>或<矩形正方形网格>）改进阻力系数法是在独立函数法、分段法和阻力系数法等方法的基础上发展起来的一种<精度较高>的近似计算方法，是我国目前广泛采用的一种计算方法。

（精度折中）例题：2020(1)-3.流网的网格是由（）图形构成。A.曲线正方形（或矩形）B.曲线正方形（或圆形）C.曲线三角形（或正方形、矩形）D.曲线六边形（或正方形、矩形）答案：A解析：流网法是一种图解法，适用于任意边界条件，是在渗流区域内由流线和等势线组的具有曲线正方形（或矩形）网格的图形。只要按规定的原则绘制流网，一般可以得到<较好>的计算精度。3.渗透系数渗透系数是反映“土”的渗流特性的一个综合指标。（问题：表示“混凝土”的渗透特性有什么指标表示）式中Q—实测的流量（m3/s）；A—通过渗流的土样横断面面积（m2）；L—通过渗流的土样高度（m）（2009(1)考点）；H—实测的水头损失（m）例题：2009(1)-3.渗透系数k的计算公式为：k=（QL)/（AH），式中L表示（）。A.通过渗流的土样面积B.通过渗流的土样高度C.实测的水头损失D.实验水压答案：B解析：k=（QL)/（AH），Q—实测的流量（m3/s）；A—通过渗流的土样横断面面积（m2）；L—通过渗流的土样高度（m）；H—实测的水头损失（m）。4.渗透变形0.定义渗透变形又称为渗透破坏，是指在渗透水流的作用下，土体遭受变形或破坏的现象。一般可分为：➊管涌、➋流土、➌接触冲刷、➍接触流失<四种>基本形式（2023(1)考点）。例题：2023(1)-22．渗流破坏的基本形式一般分为（）等。A.管涌 B.流土C.塌方 D.接触冲刷E.接触流失答案：ABDE解析：渗透变形又称为渗透破坏，是指在渗透水流的作用下，土体遭受变形或破坏的现象。一般可分为：➊管涌、➋流土、➌接触冲刷、➍接触流失<四种>基本形式。4.渗透变形1）管涌<非黏>性土，（小颗粒）沿着粗（大颗粒间）的<孔隙通道>移动或被渗流带出。管涌一般发生在无黏性砂土、砂砾土的下游坡面和地基渗流的<逸出>处。4.渗透变形2）流土①<非黏>性土，土体内的颗粒群<同时>发生移动的现象，称为流土。（2013(1)、2017(1)考点）②<黏>性土土体发生隆起、断裂和浮动等现象，也称为流土。（2014(1)、2022(1B)考点），流土主要发生在渗流<出口处>（此处渗透坡降大）。4.渗透变形1）管涌4.渗透变形2）流土1）管涌非黏性土，小颗粒沿着粗大颗粒间的孔隙通道移动或被渗流带出。管涌一般发生在无黏性砂土、砂砾土的下游坡面和地基渗流的逸出处。2）流土非黏性土土体内的颗粒群同时发生移动的现象，或者黏性土土体发生隆起、断裂和浮动等现象，都称为流土。主要发生在渗流出口处（此处渗透坡降大）。例题1：2013(1)-3.在渗流作用下，非黏性土土体内的颗粒群同时发生移动的现象称为（）。A.流土B.管涌C.接触冲刷D.接触流失答案：A（本题也是2017(1)选择题）解析：①非黏性土，土体内的颗粒群<同时>发生移动的现象，称为流土。流土主要发生在渗流<出口处>（此处渗透坡降大）。例题2：2014(1)-7.由于基坑降水中断，黏性土地基发生土体隆起的形式属于（）。A.流土B.管涌C.接触冲刷D.接触流失答案：A（本题也是2022(1)选择题）解析：②黏性土土体发生隆起、断裂和浮动等现象，也称为流土。流土主要发生在渗流<出口处>（此处渗透坡降大）。4.渗透变形3）接触冲刷当渗流沿着两种<渗透系数不同>的土层接触面或建筑物与地基的<接触面>流动时，在接触面处的土壤颗粒被冲动而产生的冲刷现象称为接触冲刷。（横冲直撞）（模拟题）4.渗透变形4）接触流失在层次分明、渗透系数相差悬殊的两层土中，当渗流<垂直>于层面时，将渗透系数小的一层中的细颗粒带到渗透系数大的一层中的现象称为接触流失。（小穿大）（模拟题）4.渗透变形5）防止渗透变形的工程措施（2009(1)考点）两大类措施：（实际是三大类）第一类措施：是改善岩土体的结构特性（解决内部不渗）；第二类措施：是截断岩（土）体中的渗透水流或减小岩（土）体中渗透水流渗透比降（解决不受外部渗透影响）。第三类措施：既然渗流是不可避免的，发生后，第一时间把水排走。

第一类措施通常只用在岩体中。可采用水泥灌浆、化学灌浆、混凝土防渗墙、局部置换等方法。第二类处理措施中，在渗透土层中兴建防渗墙（1）设置水平与垂直防渗体，增加渗径的长度，降低渗透坡降或截阻渗流。第三类处理措施，（2）设置排水沟或减压井，降低渗透压力，并且有计划地排除渗水。（3）对有可能发生管涌的地段，应铺设<反滤>层，拦截可能被渗流带走的细小颗粒。（4）可能产生流土的地段，则应增加渗流出口