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1、水利水电工程概论讲义1水资源及水利事业一、水资源L我国水资源储量总量：27700亿m3,世界第6位地表径流：26700亿m3地下水：8100亿m3(重复计算7100亿m3)人均：2200m3,世界第110位，是世界平均储量的1/4地均：28320m3hm2,世界平均的80%水能蕴藏量/可开发量：世界第1位水能蕴藏量：6.94亿kW可开发量：5.42亿1琳(技)，4.02亿kW(经)分布：西南70%,西北12%,中南10%,华南、华北、东北8%潮汐资源蕴藏量：0.21亿kW淡水总面积：24960万亩可养殖面积：7545万亩流域面积大于IoOkm2的河流5000余条河流长度大于IOOOkm的河流2
2、0余条2 .我国水资源的特点(1)绝对量大，人均、亩均占有量少。我国以世界上7%的水、全球陆地6.4%的国土面积和全世界7.2%的耕地养活了世界上21%的人口，因此，我国是一个严重缺水的国家，已被列入全世界人均水资源13个贫水国家之一。(2)空间分布不均，水资源与土地资源、人口资源组合又不平衡。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均匀。A)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162倍；B)
3、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。3 .水利事业(1)防洪：防止洪水泛滥，保障人民生活及生命财产安全。主要措施：筑坝建库一一拦蓄洪水挖河修堤一一宣泄洪水(2)农田水利：调节农田水分，为作物的稳产高产创造必要的条件主要措施：修渠、建闸，形成良好的灌排系统，达到旱则能灌，涝则能排，并且可以排淤、洗碱，改良土壤。如：南水北调工程。(3)水力发电：利用水能发电，为人民生活及工农业生产提供动力与火电相比，水电具有不需燃料、运行方便、无污染等优点，是一种清洁能源。截至2006年底，中国已开发的水电装机容量约128.57GW,占技术可开发装
4、机容量的23.74%,年发电量416.7TWh,占技术可开发发电量的23.77机2006年，我国水电装机容量位居世界首位，但在我国整个电力装机容量中仅占到20.67%,水力发电量占全国发电量的14.70机其他：(4)水运：利用天然或人工的河、湖及海洋水面进行水上运输(5)给排水：供给城市、乡村人民生活和工矿企业生产所需的优质水(6)渔业：利用天然或人工水域发展水产事业(7)卫生：改善人民的生活和卫生条件二、我国水利建设的成就与发展1 .占代中国是历史悠久的文明古国、水利强国黄河大堤、浙江海塘一一防洪、灌溉；秦渠、汉渠、郑国渠一一农田灌溉灵渠一一连接湘江、桂江；大运河一一沟通海河、黄河、淮河、长
5、江、钱塘江五大水系都江堰一一分洪灌溉，减轻岷江两岸的洪水灾害，灌溉300万亩农田。2 .建国以后，水利工程建设迅速发展水库：83000多座（大于10万m3）,总库容5000亿m3,占径流量的17%灌区：6000多个（大于1万亩），总面积7.2亿亩，占耕地总面积的50%淡水养殖：4575万亩，占可养殖面积的60%开发航道：10.92万公里水电装机容量：1亿kW多，占可开发总量的25%（2004）美国、加拿大、挪威、瑞典等一些发达国家水能资源开发均达50%以上，日本、法国开发程度达70%以上。3 .水利科学技术水平迅速提高:大水库、大电站、高坝泄水流量：单宽流量不断提高、功率世界领先地基处理：混凝
6、土防渗墙、深部岩溶灌浆工艺、预应力锚杆超大地下洞室、高边坡、水工抗震、模型试验、自动控制等技术目前世界上：最高的土石坝是塔吉克斯坦的努列克坝，坝高30Om最高的重力坝是瑞士的大狄克桑斯坝，坝高285m；最高的拱坝是格鲁吉亚的英古力坝，坝高272m；最高的堆石坝是印度的特里坝，坝高26Im最高的面板堆石坝是中国的水布地坝，坝高233m在我国，三峡水库库容393亿m3,是目前国内最大的水库（龙羊峡的库容为247亿m3）；二滩拱坝坝高24Om是我国目前最高的坝；三峡水电站总装机容量为1820万kW（二期2240万kW）,是世界上最大的水电站。金沙江溪洛渡水电站是以发电为主、兼有拦沙、防洪和改善下游航
7、运条件等综合效益的巨型水电枢纽工程，其规模仅次于长江三峡水利枢纽。混凝土双曲拱坝坝高278m,电站装机容量12,600Mly,总库容126亿m3。工程特点：窄河谷、高拱坝、高地震、巨泄量、多机组、高边坡。综合技术难度最大。拱坝高度位于世界最高拱坝之列；枢纽泄洪流量52300m3s,泄洪总功率近1亿kW,为目前世界拱坝枢纽泄洪功率最高水平的3倍；左右岸地下厂房各装9台单机700MW机组，主厂房尺寸：367m31.9m75.1m；调压室：300m23m94m;为世界上最大的地下厂房枢纽泄洪流量1280015400m3s枢纽布置方案：混凝土拱坝高305m,地下厂房安装6台60万kW水轮机组，主厂房尺
8、寸285.2m29.4m68.7m（长X宽X高）。西部工程特点河谷狭窄，两岸山体浑厚，适宜修建高坝巨型水电站。但坝址岩体受断层、软弱岩带、节理裂隙等切割，地质条件复杂。挡水建筑物多为混凝土拱坝，其次为土石坝，重力坝和闸坝引水式电站较少。泄洪流量大。拱坝通常采用坝身孔口泄流和泄洪洞泄流；土石坝由岸边泄洪道+泄洪洞泄流，或采用全泄洪洞。地下工程规模大。河谷狭窄，装机规模大，多采用地下引水发电建筑物；还有泄洪洞、导流洞等地下洞室群。构造断裂发育，地震活动频率高，震级大，烈度高。；工程高边坡突出；施工环境条件差；工程移民少，淹没损失少；电站经济指标优越4.我国水资源开发利用中存在的问题(1)供求矛盾日
9、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。(2)利用效率不高，损失浪费严重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。(北京、上海、苏州、无锡)(4)水资源污染严重第二章水库、水利枢纽、水工建筑物水库控制运用水库调度任务:制定合理的水库运用方案，对入库天然径流进行控制蓄泄，最大限度发挥水资源综合效益。依据（编方案）：根据承担任务、河川径流变化、各部门用水要求，保证水库安全内容：拟定各项水利任务的控
10、制运用方式;编制调度规程、调度图、当年调度计划；制定面临时段（月、旬）的水库蓄泄方案；进行水库水量调度运用的实时操作等。主要技术指标实时调度依据、原则：上级批准或有关协议水库泥沙淤积及其防治1水库泥沙冲淤现象和规律1.1 库区水流形态和输沙流态壅水：指因水流受阻而产生的水位升高现象。如在河流中建造闸坝或桥墩。库区水流形态：壅水流态和均匀流态均匀流态挟沙数量沿程不变，当来沙量大于挟沙量时，发生沿程淤积或冲刷。壅水流态下三种输沙流态：1）浑水扩散到全断面，流速沿程递减，水流挟沙数量沿程递减；2）浑水沿库底运动,形成异重流输沙流态（高含沙水流进入库区遭遇清水后，由于挟沙水流的比重大于清水而在适当的位
11、置潜入水库底部向前运行的现象X3）异重流在坝前清水下面滞蓄。1.2 水库泥沙冲刷溯源冲刷：库水位下降时，产生的向上游发展的冲刷。沿程冲刷：水沙条件改变后，原河床与之不相适应，为了调整河床适应变化了的水沙而发生的冲刷。壅水冲刷：开启底孔闸门发生的冲刷。1.3 库区泥沙淤积形态纵剖面形态：三角洲淤积锥体淤积带状淤积横断面形态：全断面淤积主槽淤积沿湿周淤积三角洲淤积：发生在库容较大，库水位变幅较小的水库。挟沙水流进入回水末端以后，水流流速逐渐减小，挟沙能力沿程减小。椎体淤积：发生在库容较小，库水位变幅较大的水库。含沙水流将大量泥沙带到坝前。带状淤积:发生在库水位变动较大的河道型水库。1.4 水库泥沙
12、冲淤规律冲淤平衡趋向性规律：冲淤结果是达到不冲不淤的平衡状态（水沙平衡淤积一大片：挟沙浑水到哪,哪里发生淤积。冲刷一条带：水库泄流较大时，冲刷河槽，拉出一条深槽。死滩：指滩地不能通过冲刷来降低滩面,只能淤不能冲刷。活槽：指河槽能冲淤交替。2水库淤积防止措施2.1 减少泥沙入库（加强水土保持）:植树造林、种草绿化荒山、耕种梯田。2.2 减少水库淤积引洪放淤蓄清排浑异重流排沙2.3清除水库淤积人工排沙法机械清淤法虹吸清淤法高渠泄水冲淤法正常蓄水位是水库和水电站最重要的设计参数之一，是确定拦河坝高度、水库容积、利用水头和发电能力的基本依据；对水工建筑物的工程量、水库调节性能和水头的利用,关系极大;对
13、水库和水电站的建设工期、投资、动能经济效益以及水库淹没损失等均有重要影响。 水位的设定依据 当水电站除发电外，尚有其他综合利用任务时，则正常蓄水位选择应统筹考虑水力发电、防洪、灌溉、航运、供水等综合用水部门的要求，进行多方案tbSo一般应研究如下方面： 地区国民经济发展对电力需求的增长情况； 综合用水部门对水资源开发利用的要求； 坝址及水库区地形地质条件的限制和河流年径流量的大小及分布； 水库区淹没移民的许可程度，特别应注意重要城镇、铁路、公路及贵重矿藏资源提出的高程限制，其他如粮棉基地、旅游风景区以及重要名胜古迹等也应予考虑； 在各种边界河流上修建的水库和水电站，应对上下游、左右岸的要求进行
14、协调，使确定的正常蓄水位能为各方面接受。在选择正常蓄水位时应根据各方面要求先确定其上限和下限,在此范围内再拟定若干方案，进行水利、动能和经济方面的计算分析，然后作政治、技术经济综合比较，并进行环境影响的评价，择优选定。在确定梯级水电站和水电站群正常蓄水位时，还应考虑其上下游水位间的合理联接和相互补偿调节的需要。幻灯片8设计洪水位一designfloodlevel水库在正常运用情况下,当发生设计洪水时，水库达到的最高水位。水工建筑物必须按这种水位进行设计。 什么情况下正常蓄水位比设计洪水位高？ 设计洪水位比正常蓄水位低，是不是会影响水电站经济效益?设计洪水位是在泄洪设施全开时通过设计洪水流量情况
15、下的水位。电站运行时可通过闸门控制水位满足发电需要。一般来说设计洪水位小于正常蓄水位是可减少工程投资和减少洪水淹没损失的。如果设计洪水位高于正常蓄水位，那么校核洪水位将更高，挡水建筑将加高，淹没也会加大，不经济。尤其是城市景观河道,为了蓄水形成景观水面,通常会出现正常蓄水位高于设计洪水位，蓄水高取决于挡水建筑物的拦蓄水位坝址、坝型的选择和水利枢纽布置是水利枢纽设计的重要内容，二者相互联系，不同的坝址可选用不同的坝型和枢纽布置。例如：当河谷狭窄、地形条件良好时，适合修建拱坝；河谷宽阔，地质条件较好，可以修建重力坝；河谷宽阔，河床覆盖层深厚,地质条件较差又有适宜土石料时，可以选用土石坝。不同的坝址
16、选择不同的建筑物形式以及相应的枢纽布置方案，在选择坝址、坝型和布置时，不仅要考虑枢纽附近的自然条件，还需考虑枢纽的施工条件、运行条件、综合效益、投资指标以及长远规划等。地质条件是坝址、坝型选择的重要条件。拱坝和重力坝(低的溢流坝重力坝除外)，需要建在岩基上；土石坝对地质要求较低，岩基、土基均可；二水闸多是建在土基上。但天然地基总是存在这样或为阱羊的缺陷。如：断层破碎带、软弱地基、淤泥、细沙层等。在工程设计中应通过勘测研究，了解地质情况,采取不同的地基处理方法，使其满足要求。不同的坝型对地形的要求不一样。在高山峡谷地区不住水利枢纽，尽量减少高边坡开挖。坝址选在峡谷地段，坝轴线短，坝体工程量小，但
17、对布置泄水、发电等建筑物以及施工导流均有困难。选用土石坝坝型时，应注意库区内有无天然圾口或天然冲沟可布置岸边溢洪道，上下游是否便于布置施工场地。因此，经济与否由枢纽的总造价、总工期来衡量。对于多泥沙及有漂木要求的河道，还应注意河流的流态,在坝址选择时,要注意坝址的位置是否对取水防沙及漂木有利。对有通航要求的水利枢纽还应注意上下游河道与船闸、伐道等过坝建筑物的连接。此外还希望坝轴线上游山谷开阔，在淹没没有损失尽可能小的情况下，能获得较大的库容。坝址附近应有足够数量符合要求的建筑材料。采用混凝土坝时，要求有可作骨料用的沙卵石或碎石场。采用土石坝时，应在距坝址不远处有足够数量的土石料场。对于料场分布
18、、储量、埋深、开采运输及施工期淹没等问题均应认真考虑。 要便于施工导流，坝址附近应有开阔的地形，便于布置施工场地；距交通干线较近，便于交通运输。在同一坝区范围内，施工条件往往是决定坝址的重要因素，但施工的困难是暂时的，工程运输管理方便则是长久的。应从长远利益出发，正确对待施工条件的问题。 对不同的坝址就是合理的安排枢纽中各种建筑物的相应位置。在布置时应从设计、施工运用、管理、技术经济等方面进行综合比较,选定最优方案。 枢纽布置就是合理安排枢纽中各建筑物的相互位置。在布置时应从设计、施工、应用、管理、技术经济等方面进行综合上匕较,选定最优方案。 (1)枢纽布置应保证各建筑物在任何情况下都能正常工
19、作。 (2)在满足建筑物的强度和稳定的条件下，使枢纽总造价和年运费降低。尽量采用当地材料，节约钢材、木材、水泥等基建用料。采用新技术、新材料等设备是降低工程造价的主要措施。 (3)枢纽布置应考虑施工导流、施工方法和施工进度等，应使施工方便、工期短、造价低。 (4)枢纽中各建筑布置紧凑，尽量将统一工种布置在一起；尽量使一个建筑物发挥多种用途，充分发挥枢纽的综合效益。 (5)尽可能使枢纽中的部分建筑物早日投产，提前受益。 (6)考虑枢纽的远景规划，应对远期扩大装机容量、大坝加高、扩建等留有余地。(7)枢纽的外观与周围环境要协调，在可能情况下尽量美观。在遵循枢纽布置一般原则的前提下，从若干个具有代表
20、性的枢纽布置方案中选择一个技术可行、经济合理、运用安全、施工期短、管理维修方便的最优方案是一个反复优化的过程。需要对各方案进行具体分析、全面论证、综合匕戢而定。进行方案比较时，通常对以下项目进行比较：(1)主要工程量。如钢筋混凝土和混凝土、土石方、金属结构、机电安装、帷幕灌浆、砌石等各项工程量。(2)主要建筑物材料用量。如钢筋、钢材、水泥、木材、沙石、沥青、炸药等材料的用量。(3)施工条件。主要是包括施工期、发电日期、机械化程度、劳动力状况、物资供应、料场位置、交通运输条件。(4)运用管理条件。发电、通航、泄洪、灌溉是否相互干扰，建筑物和设备的检查、维修和操作运用、对外交通是否方便，人防条件是
21、否具备等(5)建筑物位置与自然界的适应情况。如地基是否可靠，河床抗冲能力与下游的消能方式是否适应，地形是否便于泄水建筑物的进、出口的布置和取水建筑物进口的布置等。(6)经济指标。主要比较总投资、总造价、年运费、淹没损失、电站单位千瓦投资、电能成本、灌溉单位面积投资以及能力航运。(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。(4)意义重大，失事后果严重瓦依昂(意大利提堂(美国马尔帕塞(法国)板桥和石漫滩等(中国75.8)至今中国已垮坝3000多座，最多一年垮坝500余座。一、水利枢纽分等水利部水
22、利水电枢纽工程等级划分及设计标准规定，水利水电枢纽工程分为五等。山区、丘陵区部分划分依据为（1）总库容：校核洪水位以下库容（2）防洪：保护城镇及工矿区，保护农田面积（3）灌溉面积（设计）（4）水电站装机平原、滨海地区划分依据为（1）总库容：校核洪水位以下库容（2）防洪：保护城镇及工矿区，保护农田面积（3）排涝面积（4）灌溉面积（设计）（5）供水城镇、工矿区（6）水电站装机山区、丘陵区水利水电枢纽工程的等别5、学习方法和研究途径 水工建筑物又称水工结构。特点是： 综合性很强，涉及面广。实践性很强。 L学习方法 综合应用基础理论,并通过作业、试验、设计等教学环节，培养解决实际问题的独立工作能力。
23、2、研究途径 理论分析与计算数学模型、数值模型 实验研究水工水力学试验、水工结构试验 原型监测第三章重力坝第一节概述用混凝土或浆砌石筑成，坝轴线一般为直线,并有垂直于坝轴线方向的横缝将坝体分成若干段.1、重力坝的基本剖面：做成上游面接近铅直的呈三角形断面，或稍倾向上游的三角形断面。2、受力简图可以视作倒置的悬臂梁重力坝的优点：L重力坝结构简单、体积大,有利于机械化施工。而且由于断面尺寸较大，材料强度高耐久性能好,抵抗水的渗漏,洪水漫顶，地震或战争破坏的能力都匕戢强，安全可靠。因而失事率较低。2、对地形、地质条件适应性强,坝体作用于地基面上的压应力不高，所以对地质条件的要求也较低，低坝甚至可修建
24、在土基上。3、枢纽泄洪、导流问题容易解决。由于筑坝材料的抗冲能力强，施工期可以利用较低坝块或预留底孑身流，坝体可以做成溢流式，也可以在坝内不同高程设置排水孔，一般不设溢洪道或泄洪洞，易于解决永久性泄洪及施工导流，便于机械化施工。4、传力系统明确，便于分析与设计，运行期间的维护及检修工作量较少。但需采用防渗排水设施及温控措施。缺点：L剖面尺寸大，水泥石料等用量多。2、坝体应力较低，材料强度能充分发挥。3、坝底扬压力较大，对稳定不利。重力坝坝体与地基的接触面积大，相应的坝底扬压力也大，它会减轻坝体的有效重量，对坝体的稳定不利，因此要采取有效防渗排水措施，减小扬压力，节省工程量。4、水泥水化热较大,
25、可能导致坝体裂缝。碎体积大，水泥用量大，在施工期,水泥水化热引起的温度也很大，并将引起坝体内温度和收缩应力，可能引起坝体产生裂缝,所以要采取温控措施。分类： L按坝的高度分类坝高低于30m的为低坝，高于70m的为高坝，介于30m70m之间的为中坝。坝高是指坝基最低面（不含局部有深槽或井、洞部位）至坝顶路面的高度。 2、按泄水条件分类:有溢流重力坝和非溢流重力坝。溢流坝段和坝内设有泄水孔的坝段统称为泄水坝段,非溢流坝E殳也叫挡水坝段。 3、按筑坝材料分类:有混凝土重力坝和浆砌石重力坝。 4、按坝体结构型式分类:实体重力坝宽缝重力坝；空腹(腹孔)重力坝；预应力锚固重力坝；装配式重力坝；支墩坝(大头
26、坝、连拱坝、平板坝I 5、按施工方法分类:有浇筑混凝土重力坝和碾压混凝土重力坝。碾压混凝土重力坝剖面与实体重力坝剖面类似。第二节重力坝上的作用及作用效应组合作用：指外界环境对水工建筑物的影响。 1、按时间的变异分永久作用、可变作用、偶然作用。 2、按建筑物对外界作用的效应的原因分：直接作用和间接作用。所谓直接作用是指直接施加在结构上的分布力或集中力，亦可称荷载；间接作用则指因外部环境(改变)的原因使结构产生附加变形或约束变形，如温度地震作用等。结构上的各种作用，按其随时间的变异分三种： (1)永久作用：是指在设计基准期内，其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。 包括：结构自重
27、；土压力淤沙压力；围岩压力预应力等。 (2)可变作用：指在设计基准期内量值随时间变化，且变化与平均值相比不可忽略的作用； 包括：静水压力、扬压力、动水压力、浪压力、外水压力、风雪荷载、冰压力、温度作用、灌浆压力等。 (3)偶然作用：指在设计基准期内出现概率很小，一旦出现量值很大且持续时间很短的作用，包括：地震作用、校核洪水位时的静水压力等。采用分项系数设计方法时，设计表达式中作用变量所采用的值，称为设计代表值。对永久作用和可变作用的代表值应采用作用的标准值，偶然作用的代表值按有关规范确定。第三节重力坝的可靠度设计原理简介水工结构设计的目是保证结构设计满足安全性、适用性、耐久性的要求,而结构的安
28、全性、适用性、耐久性则构成了结构的可靠性，也称为结构的基本功能要求。分项系数承载能力极限状态的基本组合设计表达式一、重力坝滑动失稳模式重力坝主要依靠自身重力维持稳定。因此抗滑稳定分析是设计中的重要课题。重力坝可能沿坝基平面滑动，也可能沿地基中缓倾角断层或软弱夹层滑动。按照目前的设计方法,高度H小于IOOm的重力坝，控制剖面尺寸常常是稳定而不是应力。目前的计算公式大都是半径验性的，因为影响因素很多。（一）坝基面抗滑稳定极限状态重力坝依靠自重等作用在坝体与基岩胶结面上产生的摩擦力与粘聚力来维持滑移稳定,当水平力足够大时,摩擦力与粘聚力就达到其抗剪断强度,此时,该平衡将达到极限状态.（二）坝体层面的
29、抗滑稳定极限状态重力坝的施工是分层浇筑，水平施工筵也是抗滑（抗剪断）相对薄弱面.因此，重力坝设计中也要对层面进行抗滑稳定计算.（三）坝基深层抗滑稳定极限状态在很多情况下，重力坝的最危险滑动面往往不在坝身与地基的接触面，而是在地基内部。因为基岩内经常有各种形式的软弱面存在,坝体将带动一部分基岩沿这些软弱面滑动,即所谓的深层滑动.（三）深层抗滑稳定分析计算时选择几个比较危险的滑动面进行试M,然后做出上俄分析判断。 目前尚无成熟的方法： （1）单斜面深层滑动的计算（2）双斜面深层滑动第四节重力坝断面设计重力坝的基本断面一般是指在水压力（水位与坝顶齐平）、自重和扬压力等主要荷载作用下，满足稳定、弓虽度
30、要求的最小三角形断面。一、设计原则L满足稳定和强度要求2、工程量少、外形轮廓3、便于施工4、运用方便二、基本剖面因为作用于上游面的水压力呈三角形分布,所以重力坝面是三角形。当a90时，即上游面为倒坡。库空时，三角形重心可能超过底边三分点在下游面产生拉应力,而且倒坡不便施工。当a90时，利用水重帮助稳定。但角度太小时，库满时合力可能超过底边三分点（偏下游）在上游面产生拉应力。上游面坡度越缓,第一主应力越易成为拉应力，故a角不宜太小。基本剖面设计规律:1）施工运用方便多做成a=9002）f较低时,为满足稳定，减小a角，利用水重3）工程经验m=0.60.8（下游坡）n=00.2（上游坡）一般情况,坝
31、体与坝基接触面之间摩擦系数及粘结强度越大、渗压折减系数越大,基本剖面底宽就越小，断面主要由强度条件控制。反之，摩擦系数和粘结强度越小，渗压折减系数越小，坝底宽度就越大，且主要由抗滑稳定条件控制。（二）常态混凝土重力坝分区坝体各部位的工作条件不同，对混凝土材料性能指标的要求也不同。为满足各部分的要求，节省水泥用量及工程造价，通常将坝体混凝土按不同部位、不同工作条件分区坝身泄水孔1 .坝身泄水孔的作用：预泄库水，增大水库的调蓄能力。；放空水库以便检修。；排放泥沙，减少水库淤积。；向下游放水，满足航运或灌溉等要求。；施工导流。2 .坝身泄水孔的形式按水流条件分为有压泄水孑侪口无压泄水孔按泄水孔所处的
32、高程分为中孑口底孔。按布置的层数分为单层泄水孑口多层泄水孔。工作条件：孔内水流流速高,易产生负压，空蚀和振动；闸门在水下，承受的压力大，检修困难。型式及布置：按水流条件分：有压的、无压的；按高程分：中孔、底孔；按布置层数分：单层、多层。L有压泄水孔工作闸门布置在出口，可以部分开启，出口低，利用的水头大，断面尺寸较小。缺点：闸门关闭时，孔内承受较大的内水压力对坝体应力和防渗都不利，常需钢板衬砌。进口处设置事故检修闸门、平常用来挡水。2、无压泄水孔：工作闸门布置在进口，为形成无压水流，需在闸门后将断面顶部升高。（工作闸门前仍为有压段）优点：闸门可以部分开启，明流段不用钢板衬砌，施工简便，干扰少，有
33、利于加快速度进度。缺点：断面尺寸较大，削弱坝体。国内重力坝多采用无压泄水孔。3、双层泄水孔受闸门结构及启闭机的限制,深式泄水孔的断面面积不能太大为了增大泄流量，可将泄水孔做成双层的（或将泄水孔布置在溢流坝段注意的问题：双层泄水时对下层泄水孔泄流能力的影响；在尾部上、下层水流交汇处可能产生空蚀。深式泄水孔：水流流速高，边界条件复杂，应十分重视体形设计，如进口曲线，闸门槽的型式，渐变段、竖向连接等，并注意施工质量。七、坝体排水：为减小渗水对坝体的不利影响，在靠近上游面处布设排水管。距上游面要求小于坝前水深的1/101/12,使渗透坡降在允许范围内。管距23mo管径1525Cm,太小易堵塞。排水管与
34、廊道连接多采用直通式，且多在上游侧（使廊道干燥1 .施工工艺简单，施工速度快通仓薄层浇筑，施工工作面大，可交错薄层连续上升，无需间歇养护；最大日上升高度1.2m;巴基斯坦的塔贝拉水电站采用碾压混凝土坝，浇筑强度达18000m3d2 .大量节约水泥，降低工程造价普通混凝土坝中的单方水泥用量约为180280kgm3,如新安江大坝为180kgm3,丹江口大坝高达270kgm3o碾压混凝土坝中单方水泥用量仅为9050kgm33 .简化温控措施，减少坝体纵缝水泥用量较少，坝体采用薄层交替浇筑，表面散热条件良好，使坝体内部混凝土温度升幅大大降低。日本岛地川坝的实测资料表明，坝内最大温升仅810。可以不采取
35、专门的降温散献施4 .简化施工导流设施，节约临时工程费用施工强度高、速度快；省略了施工围堰等设施。我国岩滩工程中的碾压混凝土围堰，曾多次通过洪水，堰顶最大过水深达2.2米。但仍能正常运用，对施工基本无不利影响。十、浆砌石重力坝是用胶结材料和块石砌筑而成的。其特点如下：就地取材；水泥用量少（比混凝土重力坝可节省50%左右）,因而发热量低，可不采取温控措施，不设纵缝，可增加坝段宽度；不需立模，施工干扰少；施工技术易为群众掌握，便于组织人工进行施工。人工砌筑，施工质量难于控制；砌体孔隙率较大，需另设防渗设备。十一、宽缝重力坝（1）宽缝重力坝的特点扬压力减小，抗滑稳定性相好工程量节省约10%20%;坝
36、体混凝土的散热快；宽缝部位的模板用量大和宽缝倒坡部位的立模复杂；分期导流不便。(2)宽缝尺寸布置：坝体上游坡通常取n=0.150.35,下游坡取m=0.50.7,在强度容许条件下，可适当加大缝宽比，放缓上游坡。十二、空腹重力坝 在坝内沿坝轴线方向开设连续的大尺寸空腔时称空腹重力坝； 较实体重力坝可节省20%30% 空腔部位不用清基，可减少坝基开挖量； 空腔有利于坝体混凝土散热； 腔内可布置水电站厂房，这时空腔底部需设置底板。 空腹重力坝的主要缺点是：腹拱(腹孔顶部的拱)设计及腹拱施工复杂，有倒悬模板，钢筋用量较多。 十三、支墩坝：支墩坝是由一系列顺水流方向的支墩和支承在墩子上1、支墩坝的类型：
37、按挡水面板的型式，支墩坝可分为平板坝、连拱坝和大头坝十四、重力坝的地基处理佐重力坝对基础的要求：强度和稳定性、整体性和均匀性、抗渗性、耐久性坝基处理设计内容坝基的开挖与清理坝基固结灌浆坝基防渗帷幕和排水断层破碎带和软弱结构面的处理岩溶地区的防渗处理第四章拱坝第一节概述一、拱坝概念拱：在竖向荷载作用下能产生水平推力的结构叫拱式结构拱坝：是一个三边嵌固在基岩上的变曲率、变厚度的多次超静定空间壳体结构二、拱坝的工作原理拱坝是拱向上游三向固定的空间壳体挡水建筑物,它将水压力、泥沙压力的大部分通过拱的作用传到两岸岩体，而将另外的通过悬臂梁的作用传给底部基岩。它不象重力坝那样依靠自重来维持稳定，而是由两岸
38、岩体的支撑和碎的抗压强度来维持拱坝的稳定和安全。P=Pa+Pc三、工作特点1 .稳定性特点2.应力特点3 .拱梁作用的自行调整拱梁系统的调整拱圈自身调整为二次拱4 .抗震性能好5.温度荷载是主要载之一6.地基变形对坝体应力影响大(2)由于拱是一推力结构，当拱坝以拱的作用为主时，坝体应力以受压为主，因此可以发挥混凝土、砖石等材料的抗压强度高的特点。(3)拱坝是一整体的空间壳体结构，局部破坏只会导致荷载的转移和应力的重分布，而不会造成严重的失事。因此说拱坝的安全度较高，同时基于这一原因，拱坝允许出现拉应力。(4)厚度薄、重量轻、柔度大,抗震性好。四、拱坝对地形地质的要求1.对地形的要求河谷狭窄岸坡
39、平顺无突变坝两端下游有足够大的岩体支撑拱坝的分类1、按高度分：高(H70m1中、低(H30m) 2、按厚高比分：TB/H0.35厚拱坝或重力拱坝 3、按结构分：周边固定拱坝、周边缝拱坝、有重力墩的拱坝、空腹拱坝、较拱坝、予岫力拱坝、拱上拱拱坝、上重下拱拱坝4、按坝体曲率分：单曲拱坝；双曲拱坝5、按水平拱的形式分：圆弧拱坝，二心圆拱坝；三心圆拱坝；抛物线拱坝；椭圆拱坝；对数螺旋线拱坝；双曲线拱坝。6、按水平拱的厚度变化分：等厚拱坝；变厚拱坝五、拱坝的发展阶段1、拱坝发展阶段LL拱坝建设的萌芽阶段（1854年以前）12拱坝建设的起步阶段（1854-1917年）1.3、拱坝建设的成熟阶段（1917-
40、I960年）1.4、拱坝建设的熟练阶段（I960年-至今）世界拱坝之最：已建最高拱坝：前苏联英古力拱坝H=272mzn=2.8TH=0.15在建最高拱坝：中国小湾拱坝H=292m,n=2.83,T/H=O.238在设计的最高拱坝：中国锦屏拱坝H=305mzn=L6H=0.19二滩水电站是一座以发电为主的大型水力发电枢纽,它的坝型为混凝土双曲拱坝,最大坝高240米，是中国已建成的最高坝，它的高度在世界同类型坝中居第四位。世界已建的最高双曲拱坝：小湾抛物线型混凝土双曲拱坝，最大坝高为294.5米主要趋向:对坝址地形地质条件有所降低；厚度减薄，允许应力逐渐加大；坝顶溢流，坝身开孔，q加大；在较强地震
41、地区可建拱坝；计算理论、计算方法的发展可进行优化设计；对材料特性（坝体坝基）由线性T非线性；碾压磅拱坝4.拱坝布置的原则和一般步骤：（1）拱坝布置的原则（安全、经济、施工方便）a.使坝体材料的强度得到充分发挥，坝体的总工程量最省;b.基岩的稳定性要好,有足够的岩体承受拱推力c.坝内应力分布要合理，以充分利用材料的强度；d.适应施工条件，立模方便，倒悬度要小。（2）拱坝布置的一般步骤1）根据坝址地形地质资料，绘出坝址新鲜基岩面等高线图，综合考虑地形、地质、水文、施工及运用条件选择适宜的拱坝坝型，用以定出拱冠梁剖面。2）利用新鲜基岩等高线，综合考虑应力和坝肩稳定两方面的要求，定出拱圈形式，试定顶拱
42、轴线的位置。尽量使拱轴线与等高线在拱端处的夹角不小于35。，同时应使顶拱对称中心线尽可能对称于河谷两岸,左半中心角与右半中心角之差5o,并使两端夹角大致相近，按适当的中心角和坝顶厚度画出顶拱内外缘弧线。3）根据初拟的拱冠梁剖面尺寸，选取510层拱圈，绘制各层拱圈平面图，各层拱圈的圆在平面上的连线尽可能对称于河谷可利用基岩面等高线,在立面上,这种圆心连线应是光滑的曲线。4）每层拱圈的两拱端与岩基的接触原则上应做成全径向拱座，使拱端推力接近垂直于拱座面，以减小向下游滑动的剪力。当采用全径向拱座使上游侧可利用岩体开挖过多时，此时可采用1/2径向拱座。靠上游侧的拱座面与基准面的交角应大于等于IOoo当
43、采用全径向拱座使下游侧可利用岩体开挖过多时，可采用非径向拱座，此时拱座面与基准面的夹角应80oo5启对称中心线向两岸切取若干个垂直梁剖面检查各剖面轮廓是否连续光滑，倒悬度是否满足要求，若不满足要求，应适当修改拱圈的半径、中心角及圆心位置，直至满足要求为止。6）按上述初拟的坝体形状和尺寸，进行坝体应力分析和坝肩稳定核算，如不满足要求，应重复上述步骤修改尺寸并布置。7）计算坝体工程量，作为不同方案比较的依据。5.拱坝的优化设计:在一定的范围内，对坝轴线的位置和坝体剖面进行优化设计。在满足约束条件（坝顶最小厚度、拱圈中心角范围、倒悬度、强度稳定条件等）的前提下，使坝体工程量或造价（目标函数）达到最小
44、。第二节拱坝的荷载一、设计荷载及其特点水平方向（径向）的荷载：静水压力、泥沙压力、冰压力、浪压力、地震荷载垂直方向的荷载：自重水重扬压力浮托力温度荷载:地基变形第三节拱坝的坝肩稳定分析一、可能滑动面分析a.具有单独的陡倾角结构面Fl和缓倾角结构面F2组合成滑移体。b.具有成组的陡倾角和成组的缓倾角结构面组合成滑移体。c.易产生滑动的节理走向及倾角d.无明显断夹层和节理裂隙或节理裂隙不连续、分布又较均匀时，可能滑动面存在于AE、AO之间。二、坝肩稳定分析L稳定分析方法：评价坝肩稳定的方法有二类数值计算法:包括刚体极限平衡法（如刚性块法、分块法、赤平投影法等）和有限元法；模型试验法:包括线弹性结构
45、应力模型试验和地质力学模型试验。刚体极限平衡法，该法的基本假定是：将滑移体视为刚体，不考虑其中各部分间的相对位移；只考虑滑移体上力的平衡，不考虑力矩的平衡;忽略拱坝内力重分布的影响，认为拱端作用在岩体上的力系为定值；达到极限平衡状态时,滑裂面上的剪力方向将与滑移的方向平行，指向相反,数值达到极限值。3 .整体稳定计算拱坝整体稳定须考虑两种情况：Q）拱座整体沿滑动面向下游滑动：拱座岩体被一些构造面所切割，连同临空面组成一个容易失稳的楔体。该楔体沿下游某一方向变位直至滑移，这种失稳可称为整体滑动。构成失稳岩体的界面（或称破裂面）至少是一个,更常见的是两个，或三个。其中一个较平缓，构成底裂面；一个较
46、陡，构成侧裂面；另一个可以是上游开裂面。5 .改善拱座稳定的措施：a.对不利的节理等进行有效的冲洗和固结灌浆，以提高其抗剪强度。b.加强坝肩岩体的灌浆和排水措施，减少岩体的渗透压力。c.将拱端向岸壁深挖嵌进,以扩大下游的抗滑岩体，也可避开不利的滑裂面。这种做法对增加拱座的稳定性较有效。d.改进拱圈设计，如采用三心拱、抛物线等形式，使拱端推力尽可能趋向正交于岸坡。e.如拱端基岩承载能力较差，可局部扩大拱端或设置推力墩。第四节拱坝的坝身泄水及消能防冲（一）概述1 .意义一-不需另设溢洪道，经济性明显。2 .泄水方式影响因素:地形地质条件、流量大小、下游水位、枢纽布置等。总的特点：坝身单薄向心收聚型式:自由跌落式、鼻坎挑流式、滑雪道式、坝身泄水孔（二）选择考虑因素： 拱坝体形、坝高、泄洪量、厂房位置、可考虑的其它泄洪方式，以及坝址地形、地质、施工导流等 具体如下：薄拱坝：H不太大，100M,q5OM2S,坝顶泄流 厚拱坝：坝面溢流双曲拱：Q较大，5OOOM3S,滑雪道。 双曲拱：Q不太大，坝顶或坝身孔口双曲拱：断面薄，Q大几种型式的联合泄洪（三）拱坝消能型式及选择 1）常见型式：挑流：最多 跌流：适于坝顶溢流，且q15M2S,下游水深大或河床有条件加以保护的情
