建造师一级水利水电讲义之水工建筑物分类

1F411012 熟悉水工建筑物的分类
  水工建筑物一般按它的作用和使用时期等来进行分类。
  （一）水工建筑物按作用分类
水工建筑物按其作用可分为挡水建筑物、泄水建筑物、输水建筑物、取（进）水建筑物、整治建筑物以及专门为灌溉、发电、过坝需要而兴建的建筑物。
  1．挡水建筑物。是用来拦截江河，形成水库或壅高水位的建筑物，如各种坝和水闸，或用以抗御洪水，如沿江河海岸修建的堤防、海塘等。
  2．泄水建筑物。是用于宣泄多余洪水量、排放泥沙和冰凌，以及为了人防、检修而放空水库、渠道等，以保证大坝和其他建筑物安全的建筑物。如各种溢流坝、坝身泄水孔、岸边溢洪道和泄水隧洞等。
  3．输水建筑物。是为了发电、灌溉和供水的需要，从上游向下游输水用的建筑物，如引水隧洞、引水涵管、渠道、渡槽、倒虹吸等。
  4．取（进）水建筑物。是输水建筑物的首部建筑物，如引水隧洞的进水口段、灌溉渠首和供水用的进水闸、扬水站等。
5．整治建筑物。是用以改善河流的水流条仵，调整河流水流对河床及河岸的作用以及为防护水库、湖泊中的波浪和水流对岸坡冲刷的建筑物，如丁坝、顺坝、导流堤、护底和护岸等。
6．专门为灌溉、发电、过坝需要而兴建的建筑物。
  （1）水电站建筑物：如水电站用的压力管道、压力前池、调压室、电站厂房。
  （2）灌溉、排水建筑物：如灌溉渠道上的节制闸、分水闸和渠道上的建筑物（渡槽、倒虹吸、跌水等）。
 （3）水运建筑物：保证河流通航及浮运木材而修建的建筑物，如升船机、船闸、筏道、码头等。
 （4）给水、下水建筑物：如自来水厂的抽水站、滤水池和水塔，以及排除污水的下水道等。
 （5）渔业建筑物：为了使河流中鱼类通过闸坝而修建的鱼道、升鱼机等。
 有些水工建筑物在枢纽中所起的作用并不是单一的。例如溢流坝既起挡水作用，又起泄水作用；水闸既可挡水，又能泄水，还可作为灌溉渠首或供水工程的取水建筑物等。在水利枢纽布置时，应尽量使一个建筑物起到多种作用。
 （二）水工建筑物按使用时期分类
 水工建筑物按使用时期分为永久性建筑物和临时性建筑物。
 1．永久性建筑物是指工程运行期间长期使用的水工建筑物。根据其重要性又分为主要建筑物和次要建筑物。
 （1）主要建筑物是指失事后造成下游灾害或严重影响工程效益的水工建筑物。例如：坝、泄水建筑物、输水建筑物及电站厂房等。
 （2）次要建筑物是指失事后不致造成下游灾害，对工程效益影响不大，易于恢复的水工建筑物。例如：失事后不影响主要建筑物和设备运行的挡土墙、导流墙、工作桥及护岸等。
 2．临时性建筑物是指工程施工期间使用的建筑物，如围堰、导流明渠等。
 （三）水工建筑物按构造分类
 水工建筑物中的坝体按构造分类分为重力坝、拱坝、支墩坝等。
 1．重力坝可分为实体重力坝、宽缝重力坝、空腹重力坝、浆砌石重力坝等。
 2．拱坝按坝体的拱弧半径和中心角，通常可分为：等半径式拱坝、定角式拱坝、变半径式拱坝。按厚薄程度不同又可分为：薄拱坝、一般拱坝、重力拱坝。
 3．支墩坝按其结构形式可以分为：平板坝、大头坝、连拱坝。
 （四）水工建筑物按筑坝材料分类
 水工建筑物的坝体按筑坝材料可以分为土石坝、混凝土坝、浆砌石坝、钢筋混凝土坝、木坝等。
 1．混凝土坝按受力形式可以分为混凝土重力坝和拱坝，按施工方法又可分为碾压混凝土重力坝和拱坝等。
 2．土石坝根据筑坝施工方法可以分为：碾压式土石坝、抛填式堆石坝、定向爆破堆石坝、水力冲填坝和水坠坝等。应用最广的是碾压式土石坝。其按照土料在坝身内的配置和防渗体的材料不同分为：均质坝、黏土心墙和斜墙坝、人工材料心墙和斜墙坝、多种土质坝、土石混合坝等。
 （五）渠系建筑物按其作用分类
 渠系建筑物按其作用可分为：渠道、调节及配水建筑物、交叉建筑物（如渡槽、倒虹吸管、涵洞等）、落差建筑物（跌水及陡坡）、泄水建筑物、冲沙和沉沙建筑物、量水建筑物等。
 1．渡槽：渠道与山谷、河流、道路相交，为连接渠道而设置的过水桥，称为渡槽。
由进口段、槽身、出口段及支承结构等部分组成。渡槽按支承结构的形式可分为梁式渡槽和拱式渡槽两大类。渡槽按施工方法分为装配式渡槽和现浇式渡槽两种类型。
 2．倒虹吸管：是当渠道横跨山谷、河流、道路时，为连接渠道而设置的压力管道，其形状如倒置的虹吸管。由进口段、管身和出口段三部分组成。
 3．涵洞：由进口段、洞身和出口段三部分组成。涵洞有圆管涵、拱涵或箱涵等几种形式。
 4．跌水及陡坡：跌水由跌水口、进口连接段、跌水墙、侧墙、消力池和出口连接段组成。跌水多用浆砌石或混凝土建造。陡坡和跌水的主要区别在于前者是以斜坡代替跌水墙。
                  
1F411020 水力学在水利水电工程中的应用
1F411021 熟悉水力荷载
 一、主要水力荷载
永久作用荷载、可变作用荷载和偶然作用荷载。
其中可变作用荷载包括：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；
偶然作用荷载包括：地震作用、校核洪水位时的静水压力。
静水压力、扬压力、浪压力和冰压力是水工建筑物上所承受的主要水力荷载。  
二、静水压力
静水压力分为作用于平面上和曲面上的静水总压力两种情况。
其中作用在矩形平面上的静水总压力的大小，等于分布在平面上各点静水压强的总和。
         （1F411021-1）
式中 L―平面的长度（m）；
     b平面的宽度（m）；
     γ水的重度（kN／m＇）；
h1、h2――倾斜放置的矩形平面的顶面和底面距水面的深度（m）。
 静水总压力P的作用点通过矩形平面ABEF的对称轴O－O上，同时，静水总压力P的作用点还通过压强分布图的形心点Q。
 
 三、扬压力
扬压力是指渗流场内作用于计算截面以上的水压强度的集合。以混凝土实体重力坝为例，取某计算截面以上的坝体部分为讨论对象。
（－）坝底扬压力
如图1F411021－2（a）所示，库水经坝基向下游渗透时的扬压力。
浮托力――矩形abcd部分是下游水深H，形成的上举力。
渗透压力――多边形cdef部分是由上下游水位差形成的渗透水流产生的上举力。
扬压力＝浮托力＋渗透压力    取值范围
当设有防渗帷幕，并在防渗帷幕后设排水孔幕时，坝底扬压力分布中，浮托力近似按矩形分布，压力强度为γH2；渗透压力呈折线分布，在坝踵处为全水头γ（H1一H2）＝γH，在排水幕处为αγH，α为扬压力折减系数，在坝趾处为0，中间按直线变化。《水工建筑物荷载设计规范》（DL 5077―1997）建议河床坝段α＝0．25，岸坡坝段α＝0．35。
 （二）坝体扬压力
作用于坝体各计算截面上的扬压力，如图1F411021－2（b）所示，因坝身排水管幕有降低渗压的作用，《水工建筑物荷载设计规范》（DL 5077―1997）建议在排水幕处折减系数α＝0．2。
 
  四、浪压力
因波浪对水工建筑物临水面形成的浪压力与波浪的几何要素直接相关。波浪的几何要素包括波高、波长、波速等。
 五、动水压力
溢流坝泄水时，在溢流面上作用有动水压力。坝顶曲线段和直线段上的动水压力很小，可忽略不计。在反弧段上，可根据水流的动量方程求解动水压力。
 六、冰压力
 冰压力包括静冰压力和动冰压力。
 （一）静冰压力
 在寒冷地区的冬季，水面结冰的厚度自数厘米至lm以上。当温度回升时（仍低于0℃），因冰盖膨胀对建筑物表面产生的冰压力称为静冰压力。静冰压力的大小与冰层厚度，开始升温时的气温及温升率有关。
 （二）动冰压力
冰盖解冻后，冰块随水流漂移，撞到建筑物上而产生的撞击力称为动冰压力。
1F411022 熟悉渗流分析
  一、土坝渗流 
  渗流分析的内容包括确定浸润线的位置；确定渗流的主要参数――渗流流速与坡降；确定渗流量。进行渗流分析的方法较简单的有水力学法和流网法。
  （一）水力学法
  假定坝体内土质是均质的，各方向的渗透系数相同；渗流是层流，符合达西定律，任一铅直线上的流速和水头是常数。
  （二）流网法
  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，如图lF41l022所示。

                        
 二、闸基渗流
闸基渗流计算的目的，在于求解渗流区内的渗透压力、渗透坡降、渗透流速及渗流量。进行渗流分析的方法较简单的有流网法和阻力系数法。
 三、渗透系数
 渗透系数是反映土的渗流特性的一个综合指标。渗透系数的大小主要取决于土的颗粒形状、大小、不均匀系数及水温，一般采用经验法、室内测定法、野外测定法确定。渗透系数尼的计算公式如下：
                                          
 四、渗透变形
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。
一般可分为管涌、流土、接触冲刷、接触管涌或接触流土等类型。破坏性的渗透变形能够导致水工建筑物的失事。
渗透变形
（1）管涌― 非黏性土 ― 小颗粒穿过大颗粒 
1）临界坡降
2）破坏坡降
管涌：允许坡降 = 临界坡降/K
（2）流土 ― 非黏性土 ― 颗粒群同时移动     
― 黏性土 ― 隆起、断裂、浮动
流土：允许坡降 = 破坏坡降/K’
（3）接触冲刷―两种颗粒土 ―水流沿着交界面引起冲刷
（4）接触流土和接触管涌 
― 两种介质(至少一中颗粒土) ― 接触面
 
  （5）防止渗透变形的工程措施 
  产生管涌和流土的条件主要取决于渗透坡降和土的颗粒组成。因此，设计中应当尽量降低渗透坡降，同时增加渗流出口处土体抵抗渗透变形的能力。具体工程措施为：
  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。
  2．设置排水沟或减压井，以降低下游渗流口处的渗透压力，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．对有可能产生流土的地段，则应增加渗流出口处的盖重。盖重与保护层之间也应铺设反滤层。应当指出，渗透变形可以是单一形式出现，也可以是以多种形式出现于不同部位。
  （六）反滤层和过渡层
  反滤层的作用是滤土排水，防止在水工建筑物渗流出口处发生渗透变形。在土质防渗体与坝身或与坝基透水层相邻处以及渗流出口处，必须设置反滤层。对反滤层的要求是：
  1．相邻两层间，颗粒较小的一层的土体颗粒不能穿过较粗的一层土体颗粒的孔隙；
  2．各层内的土体颗粒不能发生移动，相对要稳定；
  3．被保护土壤的颗粒不能够穿过反滤层；
  4．反滤层不能够被淤塞而失效；
  5．耐久、稳定，在使用期间不会随着时间的推移和环境的影响而发生性质的变化。