建造師一級水利水電講義之水工建筑物分類

建造師一級水利水電講義之水工建筑物分類

建造師一級水利水電講義之水工建筑物分類

水工建筑物一般按它的作用和使用時期等來進(jìn)行分類。

(-)水工建筑物按作用分類

水工建筑物按其作用可分為擋水建筑物、泄水建筑物、輸水建筑

物、取(進(jìn))水建筑物、整治建筑物以及專門為灌溉、發(fā)電、過壩需

要而興建的建筑物。

1.擋水建筑物。是用來攔截江河，形成水庫或壅高水位的建筑物,

如各種壩和水閘，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

為了人防、檢修而放空水庫、渠道等，以保證大壩和其他建筑物安全

的建筑物。如各種溢流壩、壩身泄水孔、岸邊溢洪道和泄水隧洞等。

3.輸水建筑物。是為了發(fā)電、灌溉和供水的需要，從上游向下游

輸水用的建筑物，如引水隧洞、引水涵管、渠道、渡槽、倒虹吸等。

4.取(進(jìn))水建筑物。是輸水建筑物的首部建筑物，如引水隧洞

的進(jìn)水口段、灌溉渠首和供水用的進(jìn)水閘、揚(yáng)水站等。

5.整治建筑物。是用以改善河流的水流條件，調(diào)整河流水流對河

床及河岸的作用以及為防護(hù)水庫、湖泊中的波浪和水流對岸坡沖刷的

建筑物，如丁壩、順壩、導(dǎo)流堤、護(hù)底和護(hù)岸等。

6.專門為灌溉、發(fā)電、過壩需要而興建的建筑物。

(1)水電站建筑物：如水電站用的壓力管道、壓力前池、調(diào)壓室、

電站廠房。

(2)灌溉、排水建筑物：如灌溉渠道上的節(jié)制閘、分水閘和渠道

上的建筑物(渡槽、倒虹吸、跌水等)。

(3)水運(yùn)建筑物：保證河流通航及浮運(yùn)木材而修建的建筑物，如

升船機(jī)、船閘、筏道、碼頭等。

(4)給水、下水建筑物：如自來水廠的抽水站、濾水池和水塔，

以及排除污水的下水道等。

(5)漁業(yè)建筑物：為了使河流中魚類通過閘壩而修建的魚道、升

魚機(jī)等。

有些水工建筑物在樞紐中所起的作用并不是單一的。例如溢流壩

既起擋水作用，又起泄水作用；水閘既可擋水，又能泄水，還可作為

灌溉渠首或供水工程的取水建筑物等。在水利樞紐布置時，應(yīng)盡量使

一個建筑物起到多種作用。

(二)水工建筑物按使用時期分類

水工建筑物按使用時期分為永久性建筑物和臨時性建筑物。

1.永久性建筑物是指工程運(yùn)行期間長期使用的水工建筑物。根據(jù)

其重要性又分為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災(zāi)害或嚴(yán)重影響工程效益的

水工建筑物。例如：壩、泄水建筑物、輸水建筑物及電站廠房等。

(2)次要建筑物是指失事后不致造成下游災(zāi)害，對工程效益影響

不大，易于恢復(fù)的水工建筑物。例如：失事后不影響主要建筑物和設(shè)

備運(yùn)行的擋土墻、導(dǎo)流墻、工作橋及護(hù)岸等。

2.臨時性建筑物是指工程施工期間使用的建筑物，如圍堰、導(dǎo)流

明渠等。

(三)水工建筑物按構(gòu)造分類

水工建筑物中的壩體按構(gòu)造分類分為重力壩、拱壩、支墩壩等。

1,重力壩可分為實(shí)體重力壩、寬縫重力壩、空腹重力壩、漿砌石

重力壩等。

2.拱壩按壩體的拱弧半徑和中心角，通?？煞譃椋旱劝霃绞焦皦?、

定角式拱壩、變半徑式拱壩。按厚薄程度不同又可分為：薄拱壩、一

般拱壩、重力拱壩。

3.支墩壩按其結(jié)構(gòu)形式可以分為：平板壩、大頭壩、連拱壩。

(四)水工建筑物按筑壩材料分類

水工建筑物的壩體按筑壩材料可以分為土石壩、混凝土壩、漿砌

石壩、鋼筋混凝土壩、木壩等。

1.混凝土壩按受力形式可以分為混凝土重力壩和拱壩，按施工方

法又可分為碾壓混凝土重力壩和拱壩等。

2.土石壩根據(jù)筑壩施工方法可以分為：碾壓式土石壩、拋填式堆

石壩、定向爆破堆石壩、水力沖填壩和水墜壩等。應(yīng)用最廣的是碾壓

式土石壩。其按照土料在壩身內(nèi)的配置和防滲體的材料不同分為：均

質(zhì)壩、黏土心墻和斜墻壩、人工材料心墻和斜墻壩、多種土質(zhì)壩、土

石混合壩等。

（五）渠系建筑物按其作用分類

渠系建筑物按其作用可分為：渠道、調(diào)節(jié)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、沖沙和沉沙建筑物、量水建筑物等。

1,渡槽：渠道與山谷、河流、道路相交，為連接渠道而設(shè)置的過

水橋，稱為渡槽。

由進(jìn)口段、槽身、出口段及支承結(jié)構(gòu)等部分組成。渡槽按支承結(jié)

構(gòu)的形式可分為梁式渡槽和拱式渡槽兩大類。渡槽按施工方法分為裝

配式渡槽和現(xiàn)澆式渡槽兩種類型。

2.倒虹吸管：是當(dāng)渠道橫跨山谷、河流、道路時，為連接渠道而

設(shè)置的壓力管道，其形狀如倒置的虹吸管。由進(jìn)口段、管身和出口段

三部分組成。

3.涵洞：由進(jìn)口段、洞身和出口段三部分組成。涵洞有圓管涵、

拱涵或箱涵等幾種形式。

4.跌水及陡坡：跌水由跌水口、進(jìn)口連接段、跌水墻、側(cè)墻、消

力池和出口連接段組成。跌水多用漿砌石或混凝土建造。陡坡和跌水

的主要區(qū)別在于前者是以斜坡代替跌水墻。

1F411020水力學(xué)在水利水電工程中的應(yīng)用

1F411021熟悉水力荷載

一、主要水力荷載

永久作用荷載、可變作用荷載和偶然作用荷載。

其中可變作用荷載包括：靜水壓力、揚(yáng)壓力、動水壓力、水錘壓

力、浪壓力、外水壓力、風(fēng)荷載、雪荷載、冰壓力、凍脹力、溫度荷

載、土壤孔隙水壓力、灌漿壓力等；

偶然作用荷載包括：地震作用、校核洪水位時的靜水壓力。

靜水壓力、揚(yáng)壓力、浪壓力和冰壓力是水工建筑物上所承受的主

要水力荷載。

二、靜水壓力

靜水壓力分為作用于平面上和曲面上的靜水總壓力兩種情況。

其中作用在矩形平面上的靜水總壓力的大小，等于分布在平面上

各點(diǎn)靜水壓強(qiáng)的總和。

(1F411021-1)

式中L—平面的長度(m);

b平面的寬度(m);

Y水的重度(kN/m');

hl、h2——傾斜放置的矩形平面的頂面和底面距水面的深度

(m)。

靜水總壓力P的作用點(diǎn)通過矩形平面ABEF的對稱軸0-0上，

同時，靜水總壓力P的作用點(diǎn)還通過壓強(qiáng)分布圖的形心點(diǎn)Qo

三、揚(yáng)壓力

揚(yáng)壓力是指滲流場內(nèi)作用于計算截面以上的水壓強(qiáng)度的集合。以

混凝土實(shí)體重力壩為例，取某計算截面以上的壩體部分為討論對象。

(-)壩底揚(yáng)壓力

如圖1F411021-2(a)所示，庫水經(jīng)壩基向下游滲透時的揚(yáng)壓

力。

浮托力——矩形abed部分是下游水深H,形成的上舉力。

滲透壓力——多邊形cdef部分是由上下游水位差形成的滲透水流

產(chǎn)生的上舉力。

揚(yáng)壓力=浮托力+滲透壓力取值范圍

當(dāng)設(shè)有防滲帷幕，并在防滲帷幕后設(shè)排水孔幕時，壩底揚(yáng)壓力分

布中，浮托力近似按矩形分布，壓力強(qiáng)度為yH2;滲透壓力呈折線分

布，在壩踵處為全水頭丫(H1—H2)=yH,在排水幕處為ayH,a

為揚(yáng)壓力折減系數(shù)，在壩趾處為0,中間按直線變化。《水工建筑物荷

載設(shè)計規(guī)范》(DL5077—1997)建議河床壩段a=0.25,岸坡壩

段a=0.35。

(二)壩體揚(yáng)壓力

作用于壩體各計算截面上的揚(yáng)壓力，如圖1F411021-2(b)所

示，因壩身排水管幕有降低滲壓的作用，《水工建筑物荷載設(shè)計規(guī)范》

(DL5077—1997)建議在排水幕處折減系數(shù)a=0.2。

四、浪壓力

因波浪對水工建筑物臨水面形成的浪壓力與波浪的幾何要素直接

相關(guān)。波浪的幾何要素包括波高、波長、波速等。

五、動水壓力

溢流壩泄水時，在溢流面上作用有動水壓力。壩頂曲線段和直線

段上的動水壓力很小，可忽略不計。在反弧段上，可根據(jù)水流的動量

方程求解動水壓力。

六、冰壓力

冰壓力包括靜冰壓力和動冰壓力。

(-)靜冰壓力

在寒冷地區(qū)的冬季，水面結(jié)冰的厚度自數(shù)厘米至Im以上。當(dāng)溫度

回升時(仍低于0℃),因冰蓋膨脹對建筑物表面產(chǎn)生的冰壓力稱為靜

冰壓力。靜冰壓力的大小與冰層厚度，開始升溫時的氣溫及溫升率有

關(guān)。

(二)動冰壓力

冰蓋解凍后，冰塊隨水流漂移，撞到建筑物上而產(chǎn)生的撞擊力稱

為動冰壓力。

1F411022熟悉滲流分析

一、土壩滲流

滲流分析的內(nèi)容包括確定浸潤線的位置；確定滲流的主要參數(shù)一

一滲流流速與坡降；確定滲流量。進(jìn)行滲流分析的方法較簡單的有水

力學(xué)法和流網(wǎng)法。

(-)水力學(xué)法

假定壩體內(nèi)土質(zhì)是均質(zhì)的，各方向的滲透系數(shù)相同；滲流是層流,

符合達(dá)西定律，任一鉛直線上的流速和水頭是常數(shù)。

(二)流網(wǎng)法

流網(wǎng)法是一種圖解法，滲流場內(nèi)由流線和等勢線構(gòu)成的網(wǎng)格稱為

流網(wǎng),如圖IF41I022所示。

二、閘基滲流

閘基滲流計算的目的，在于求解滲流區(qū)內(nèi)的滲透壓力、滲透坡降、

滲透流速及滲流量。進(jìn)行滲流分析的方法較簡單的有流網(wǎng)法和阻力系

數(shù)法。

三、滲透系數(shù)

滲透系數(shù)是反映土的滲流特性的一個綜合指標(biāo)。滲透系數(shù)的大小

主要取決于土的顆粒形狀、大小、不均勻系數(shù)及水溫，一般采用經(jīng)驗

法、室內(nèi)測定法、野外測定法確定。滲透系數(shù)尼的計算公式如下：

四、滲透變形

滲透變形又稱為滲透破壞，是指在滲透水流的作用下，土體遭受

變形或破壞的現(xiàn)象。

一般可分為管涌、流土、接觸沖刷、接觸管涌或接觸流土等類型。

破壞性的滲透變形能夠?qū)е滤そㄖ锏氖隆?/p>

滲透變形

(1)管涌一非黏性土—小顆粒穿過大顆粒

1)臨界坡降

2)破壞坡降

管涌：允許坡降=臨界坡降/K

(2)流土一非黏性土—顆粒群同時移動

一黏性土一隆起、斷裂、浮動

流土：允許坡降二破壞坡降/K'

(3)接觸沖刷一兩種顆粒土一水流沿著交界面引起沖刷

(4)接觸流土和接觸管涌

—兩種介質(zhì)(至少一中顆粒土)—接觸面

(5)防止?jié)B透變形的工程措施

產(chǎn)生管涌和流土的條件主要取決于滲透坡降和土的顆粒組成。因

此，設(shè)計中應(yīng)當(dāng)盡量降低滲透坡降，同時增加滲流出口處土體抵抗?jié)B

透變形的能力。具體工程措施為：

1,設(shè)置水平與垂直防滲體，增加滲徑的長度，降低滲透坡降或截

阻滲流。

2.設(shè)置排水溝或減壓井，以降低下游滲流口處的滲透壓力，并且

有計劃地排除滲水。

3.對有可能發(fā)生管涌的地段，應(yīng)鋪設(shè)反濾層，攔截可能被滲流帶

走的細(xì)小顆粒。

4.對有可能產(chǎn)生流土的地段，則應(yīng)增加滲流出口處的蓋重。蓋重

與保護(hù)層之間也應(yīng)鋪設(shè)反濾層。應(yīng)當(dāng)指出，滲透變形可以是單一形式

出現(xiàn)，也可以是以多種形式出現(xiàn)于不同部位。