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1、第一章 绪论1. 水利枢纽与水工建筑物的基本概念 为满足防洪要求,获得灌溉、发电、供水等方面的效益,需要在河流的适宜 地段修建不同类型的建筑物,用来控制和分配水流,这些建筑物统称为水工 建筑物,而不同类型的水工建筑物组成的综合体称为水利枢纽。第二章 水工建筑物设计综述1. 水工建筑物的分类和水工建筑物的分级 水工建筑物按承担任务分:挡水建筑物、泄水建筑物、输水建筑物、取水建 筑物、整治建筑物(导流堤、护岸、护底等)、专门建筑物(水闸、船闸、升 船机等) 将水利水电工程根据其工程规模、效益和在国民经济中的重要性分为五等。 水利水电工程的永久性水工建筑物和临时性水工建筑物,根据其所属工程等 别及在
2、工程中的作用和重要性划分为五级和三级。2. 水利工程的特点(1)工作条件复杂(2)受自然条件制约,施工难度大(3)效益大,对环境 影响也大(4)失事后果严重(5)个别性强3. 作用效应组合、作用效应分析方法 作用:指外界环境对水工建筑物的影响。 主要作用有:重力、水作用、渗透水作用、风及波浪作用、冰及冰冻作用、 温度作用、土及泥沙作用、地震作用等 作用效应:建筑物对外界作用的响应。如:应力、变形、振动等 荷载:在进行结构分析时,如果一开始即可用一个明确的外力来代表外界环 境的影响,则此作用称为荷载,也叫直接荷载。直接荷载如:自重、水荷载 间接荷载:在进行结构分析时,无法用一个明确的外力来表示,
3、其作用及产 生的作用效应只能在结构分析中同步求出。建筑物的作用效应分析方法:数学模型:物理模型(模型试验)经验类 比解析法、差分法、有限元第一类正常运用情况下的基本组合、第二类为施工检修组合、第三类为非常 情况下的特殊组合作用效应组合4. 水工建筑物安全储备的表达方法、设计准则安全储备: 1.单一安全系数法;2.分项系数极限状态设计法 极限状态:当整个结构(包括地基)或结构的一部分超过某一特定状态,结构 就不能满足设计规定的某种功能要求时,称此种特定状态为该功能的极限状 态。5. 极限状态设计的内容、表达方式极限状态设计包含: 1.承载能力极限状态;2.正常使用极限状态 承载能力极限状态:刚体
4、失去平衡;超过材料强度;塑性变形过大;土石结 构或地基、围岩产生渗透失稳等。正常使用极限状态:结构或构件影响正常使用或达耐久性的极限值。如:影 响结构正常使用或外观变形、对人员或设备仪表有不良影响的振动等。6. 基本烈度、设计烈度基本烈度:指该地区在今后50年内可能遭遇的较大地震,其超越概率在10。 抗震设计时,一般取基本烈度作为设计烈度 抗震设计内容:抗震计算和工程抗震措施7. 地震作用效应的分析方法 地震作用效应是一种典型的动态作用,其分析方法需根据工程的抗震设防等 级来选定。8. 结构可靠度、可靠度指标 可靠度:结构在给定的条件下,在基准期内完成预定功能的概率,或称可靠 概率。可靠度指标
5、:见书 P219. 在水工设计中,对不同级别的建筑物有不同要求: 设计基准期抗击灾害能力安全性运行可靠性建筑材料10. 水工建筑物抗震设计的基本要求 能抗御设计烈度的地震,如有轻微损坏,经一般处理仍可正常使用。11地震作用效果 地震作用是典型的动态作用,在地基随机性运动的影响下,可能使岩基断层 活化发生错动、砂土地层液化、库水对坝体产生动水压力、建筑物振动开裂 或倾倒、填土对挡土建筑物产生动土压力、水库库岸崩塌、土石坝坝坡滑动 或沉降裂缝等反应,及地震作用效果第三章 岩基上的重力坝1. 重力坝的工作原理与特点1 依靠坝体自重,满足稳定和强度要求。(重力坝在水压力及其他荷载作用下, 主要依靠坝体
6、自重产生的抗滑力来满足稳定要求;同时依靠坝体自重产生的 压力来抵消水压力所引起的拉应力,以满足强度要求)2 横缝:为适应地基变形、温度变化和混凝土的浇筑能力,沿坝轴线方向用 横缝将坝体分成若干个独立工作的坝段。3 坝内设排水管:在靠近坝体上游面4 坝基设防渗帷幕及排水孔:靠近坝踵的地基内设防渗帷幕,帷幕后设排水 孔缺点:(1)坝体剖面尺寸大,材料用量多(2)坝体应力低,材料强度得不到充分 发挥(3)坝体与地基接触面积大,相应坝底扬压力大,对稳定不利(4)坝 体体积大,由于施工期混凝土的水化热和硬化收缩,将产生不利的温度应力 和收缩应力,因此在浇注混凝土时,需要有较严格的温度控制措施优点:(1)
7、结构作用明确,设计方法简便,安全可靠(2)对地形、地质条件适应 性强(3)枢纽泄洪问题易解决(4)便于施工导流(5)施工方便2. 重力坝的荷载及其组合荷载:自重、静水压力 扬压力 动水压力、波浪压力、泥沙压力、土压力、 冰压力、温度作用、地震作用等。扬压力:包括上浮力及渗流压力。上浮力是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,水流通过基岩节理、裂隙而产生的 向上的静水压力。动水压力:当水流流经曲面,由于流向改变,在该处产生动水压力。 波浪作用使重力坝承受波浪压力,而波浪压力与波浪要素和坝前水深等有关 系。冰压力分静冰压力和动冰压力。当温度升高时,冰层膨胀,对建筑物产生的
8、压力称为静冰压力。结构由于温度变化而产生的压力、变形、位移等称为温度作用效应。 荷载按性质分:基本荷载和特殊荷载 荷载组合可分为基本荷载组合与特殊荷载组合。基本荷载组合属设计或正常 情况,由同时出现的基本荷载组成。特殊荷载组合属于校核情况或非常情况, 由同时出现的基本荷载和一种或几种特殊荷载组成。3. 重力坝抗滑稳定分析的内容沿坝基面的抗滑稳定分析: 采用抗强度公式:将坝体与基岩看成是一个接触面,而不是胶结面。 采用抗剪断公式:认为坝体混凝土与岩基接触良好。深层抗滑稳定分析: 单斜面深层抗滑稳定计算:地基内只有一个软弱面,计算中将软弱面以上的 坝体和地基视作刚体。双斜面深层抗滑稳定计算:在作深
9、层抗滑稳定分析时,应验算几个可能的滑动 通道,从中找出最不利的滑动面组合,进而计算其抗滑稳定安全系数 常用的计算方法:4. 抗滑稳定分析方法 刚体极限平衡法(常用)、采用有限元法和地质力学模型试验加以复核5. 双斜面深层抗滑稳定分析方法 剩余推力法、被动抗力法、等安全系数法6. 提高抗滑稳定性的工程措施(1)利用水重:当坝底基面与基岩间的抗剪强度参数较小时,常将坝的上游 面略向上游倾斜。(2)采用有利的开挖轮廓线:最好利用岩面的自然坡度使坝基面倾向上游; 有意将坝踵高程降低,使坝基面倾向上游。(3)设置齿墙:当基岩内有倾向下游的软弱面时,可在坝踵部位设置齿墙, 切断较浅的软弱面。(4)抽水措施
10、:当下游水位较高,坝体承受浮托力较大时,可考虑在坝基面 设排水系统,定时抽水以减小坝底浮托力。(5)加固地基:帷幕灌浆、固结灌浆以及软弱夹层的处理。(6)横缝灌浆:将部分坝段或整个坝体的横缝进行局部或全部灌浆,以增强 坝的整体性和稳定性。(7)预加应力措施:在靠近坝体上游面,采用深孔锚固高强度钢索,并施加 预应力。7. 重力坝应力分析的材料力学法的基本假定坝体混凝土为均质、连续、各向同性的弹性材料。视坝段为固接于地基 上的悬臂梁,不考虑地基变形对坝体应力的影响,并认为各坝段独立工作, 横缝不传力。假定坝体水平截面上的正应力6y按直线分布,不考虑廊道 等对坝体应力的影响。8. 重力坝的上游坝面坡
11、度为什么不能太大?剪应力 t u=(pu- 6 yu)n9. 重力坝应力控制标准(强度指标) 采用材料力学法分析时,规范规定的强度指标:(a) 正常使用极限状态:短期及长期组合,坝踵(计入扬压力)不出现拉应 力;长期组合,坝体上游面(计入扬压力)垂直应力不出现拉应力;短期 组合,下游坝面垂直拉应力不大于 0.1MPa。(b) 承载能力极限状态: 基本组合和偶然组合,坝趾及选定截面下游端点的抗压强度承载能力极限状 态10. 影响坝体应力的各种因素。(1) 地基变形模量(2)坝体混凝土分区(3)纵缝(4)分期施工(5)温度变 化及施工过程11. 纵缝对坝体应力的影响。(1)上游面铅直时,纵缝对应力
12、分布没有影响(2)上游面为正坡时,坝踵 合成铅直正应力减小,甚至产生拉应力(3)上游为倒坡时,坝踵铅直压力增 大,对坝体强度有利12. 重力坝的温度裂缝的类型及防止措施 施工期的温度应力包括:地基约束引起的应力和内外温差引起的应力。裂缝 多是由温度应力引起的,裂缝可分为:贯穿性裂缝和表面裂缝 防止措施:合理分缝、分块、提高混凝土质量、温度控制 温控措施:(1)降低混凝土的浇注温度:骨料预冷、加冰屑拌和、埋石、减 少水泥用量(2)减少水泥水化热温升:冷却水管、减少浇注层厚度利用仓面 散热(3)加强对混凝土表面养护和保护13. 重力坝的应力分析。重点掌握材料力学方法。应力分析的过程: 首先进行荷载
13、计算及荷载组合,然后选择合适的方法进行应力计算最后检验 大坝各部位的应力是否满足强度要求分析方法:理论计算(材料力学法、悬臂梁与水平梁的分载法、有限元计算)、 模型试验14. 重力坝的基本剖面与实用(设计)剖面 基本剖面:在自重、静水压力、扬压力三项主要荷载作用下,满足稳定和强 度要求,并使工程量最小的三角形剖面。实用剖面:(1)上游坝面铅直,适合用于混凝土与岩基接触面的f、c值较大 或坝体内有泄水洞或引水管道、进口控制设备的情况(2)上游坝面上部垂直, 下部倾斜,既便于布置进口设备,又可利用一部分水重帮助坝体维持稳定(3) 上游坝面略向上游倾斜,适用于混凝土与基岩接触面间的f、c值较低的情况
14、15. 溢流重力坝的孔口形式及其特点 孔口形式:开敞溢流式和大孔口溢流式两种17. 溢流重力坝的孔口设计孔口尺寸:下泄流量Q、单宽流量q、孔口宽度b、孔口数n、溢流长度L、 堰顶高程考虑的因素:泄洪要求、闸门和启闭机械、枢纽布置、下游水流条件18. 泄水重力坝设计中有关高速水流的几个问题(1) 空化与空蚀:水流在曲面上进行,由于离心作用,或水流受不平整表面 的影响,在贴近边界处可能产生负压,当水体中的压强减小至饱和蒸汽压强 时,便产生空化。当空化水流运动到压力较高处,由于气泡的溃灭,伴随有 声响和巨大的冲击作用。当这种作用力超过结构表面材料颗粒的内聚力时, 便产生剥离状的破坏,这种破坏现象称为
15、空蚀(2) 掺气:由溢流坝下泄的水流,当流速超过7-8m/s时,空气从自由表面 进入水体,产生掺气。(3) 水流脉动:泄水建筑物中的水流属于高度紊动的水流,其基本特征是流 速和压力随时间不断变化。水流对泄水建筑物主要是动水压力。(4) 冲击波:在高速水流边界变化处,如断面扩大、收缩、转弯处,将产生 冲击波。19. 溢流面体形设计、设计定型水头 溢流面组成:顶部曲线段、中间直线段和反弧段 顶部曲线段:关键部位:克奥曲线、 WES 曲线。 反弧段:目的:使从堰面下泄的水流能够平顺转向。反弧半径 R 应结合下游 效能设施来确定。中间直线段:与坝顶曲线和下部反弧段相切、坡度与非溢流坝段相同。 剖面设计
16、:要求与非溢流坝基本剖面适应。20. 基本消能形式有哪几种?底流消能和挑流消能各有何特点?设计的关键 是什么?常用消能工型式:挑流消能、底流消能、面流消能、消力戽消能(1) 挑流消能:利用泄水建筑物出口处的挑流鼻坎,将下泄急流抛向空中,然 后落入离建筑物较远的河床与下游水相衔接的消能方式。适用于:基岩比较 坚固的高、中水头泄水建筑物。(2) 底流消能:通过水跃将急流转变为缓流。 底流消能的关键:设计时,要注意能产生一定淹没度的水跃。适用于中、低坝,且下游水位稳定,尾水较深。21. 有压泄水孔与无压泄水孔设计上有何不同? 有压泄水孔:工作闸门布置在出口,门后为大气,可以部分开启;出口高程 低,利用的水头大,断