第7章水工结构工程

第7章水工结构工程土木工程概论7.1水工结构工程概述7.2防洪工程7.3农田水利工程7.4水力发电及地下电站工程7.5港口航道工程土木工程概论第7章水工结构工程7.1水工结构工程概述为更合理、有效的利用和调配水资源，就需要兴建水工结构工程优点：水资源丰富，可开发利用的水能资源居世界首位缺点：水资源在时间和地域上的分布经常与对它的需要不一致水工结构工程按服务于多目标的通用性，水工结构可分为：挡水结构、泄水结构、取水结构、输水结构、整治结构按服务于单目标的专门性，水工结构通常包括：防洪结构、农田水利工程、水力发电及地下电站工程、港口航道工程、海岸工作土木工程概论第7章水工结构工程水工结构因受水的影响而有别于其他建筑物或构筑物其特点如下：水工结构与其相应河流的水利工程是一个系统的综合体同一流域的水工结构和水利工程不能单独分割出来孤立存在，它们是相辅相成、互相影响和制约的水工结构工作条件复杂，施工技术难度大（受水文、气象、地址、地形等复杂条件的影响）水的作用使得水工结构工作条件特殊，除一般荷载外，还要承受水压力、浪压力、冰压力、渗透力、冻胀力等水工结构地质条件复杂多变，需对地基进行细致周密的处理和研究水工结构施工受气候、温度等影响大大型水工结构不仅对社会、经济有很大影响，对自然环境、生态环境也会产生很大的影响通过防洪、农田水利、水力发电、港口、航运等为人类造福改变自然面貌，对自然环境产生影响（可能是积极的也可能带来灾难）都江堰工程防洪工程分洪工程丹江口水利枢纽葛洲坝水利枢纽江都水利枢纽三峡大坝高弗瑞·丹佛坝7.2防洪工程土木工程概论第7章水工结构工程防洪工程是预防、控制洪水或冰凌成灾所修建的工程。主要包括：挡水结构工程、河道整治工程、分洪工程和水库等它的作用可分为：阻挡洪水侵袭、增加泄洪能力、拦储调节洪水7.2.1挡水结构挡水结构是为阻挡洪水泛滥、海水入侵而修建的水工建筑，是防洪工程中最常用、最重要的组成部分，如堤、坝拦河闸等钢筋混凝土堤石堤土堤堤是沿河、渠、湖、海岸边缘修建的挡水结构，主要是防御洪水对保护对象的侵袭。按材料分，有土堤，石堤，钢筋混凝土堤等土木工程概论第7章水工结构工程坝是建在河流中截断水流、抬高水文、形成水库的挡水结构，也具有泄洪、发电等功效。按材料分为：土石坝、混凝土坝；按结构特点和力学性能分为：重力坝、拱坝、支墩坝等，如图土木工程概论第7章水工结构工程重力坝支敦坝拱坝土木工程概论第7章水工结构工程土石坝土石坝是一种古老的坝型，目前仍是数量最多的坝型。土石坝是土坝、堆石坝及土石混合坝的总称，它是用坝址附近的土料、石料和砂砾堆筑起来的，也称当地材料坝。土石坝的优点：就地取材、节约建筑材料、对自然条件有广泛的适应性、抗震性能好、结构简单、寿命较长、施工管理维护等较简便，设计理论、施工技术、施工机械化程度高土石坝断面形式简单，多为梯形或复式梯形主要组成部分有：坝体、防渗体、排水设备和护坡按施工方法分为：碾压式土石坝、水力充填坝、水坠坝、水中填土坝、土中灌水坝、定向爆破堆石坝等土木工程概论第7章水工结构工程土石坝土木工程概论第7章水工结构工程混凝土重力坝重力坝：主要是依靠自身重量在地基上产生摩擦力和坝与地基之间的凝聚力来抵抗坝前的水推力以保持抗滑稳定，其断面一般呈三角形，直立或向上游面倾斜，利用部分水重增加坝的稳定性，它是混凝土坝中最早出现的坝型。混凝土重力坝的优点：适用于从坝顶溢流，施工期间也易于通过较低的坝块或底孔泄流，坝体结构简单，易浇筑，便于机械化施工，适合在各种气候条件下修建，设计、建造经验丰富，工作可靠，使用年限较长，养护费用较低等混凝土重力坝的缺点：坝体体积大，材料强度不能充分发挥，浇筑时水泥水化热消散困难，由于降温收缩易产生裂缝，破坏坝体的整体性和强度。土木工程概论第7章水工结构工程分类（按断面形式）图例优点缺点实体重力坝施工简单散热条件差宽缝重力坝将横缝的中部加宽，节省混凝土，改善了浇筑的散热条件施工复杂模板用量多空腹重力坝坝内设置大型纵向空腔，可减小坝底扬压力，节约混凝土施工困难钢筋用量多预应力重力坝利用受拉钢筋或钢杆对坝体施加预应力以增加坝身稳定，有效改善坝身应力分布，节约混凝土施工困难钢筋用量多土木工程概论第7章水工结构工程拱坝拱坝是通过拱作用将坝体承受的荷载传递到两岸基岩上并利用两端推力维持坝体稳定的水工结构。它是一种空间壳体结构，如图所示当河谷宽高比较大时，悬臂梁体系承担大部分荷载，当河谷宽高比较小时，水平拱则承担大部分荷载。拱坝充分利用了材料的强度，因此其体积只有重力坝的30-80%。由于拱坝是整体性空间结构，坝体轻韧，弹性好，只要基岩稳定，其抗震能力较好。拱坝平面和剖面示意图土木工程概论第7章水工结构工程支墩坝支墩坝是由一系列挡水面板和支撑面板的支墩组成按结构形式分为：平板坝：面板简支与支墩上的钢筋混凝土坝，一般用于修建中低坝大头坝：将支墩上游部分向两侧扩大形成悬臂大头相互贴紧，起挡水作用，用于修建高中坝连拱坝：面板是一系列斜倚在支墩上的拱筒，用于修建高中坝支墩坝的几种形式土木工程概论第7章水工结构工程四川二滩双曲拱坝——最大坝高240m，拱冠顶部厚度11m，拱冠梁底部厚度55.74m，拱端最大厚度58.51m，拱圈最大中心角91.5。，拱顶弧长774.69m，为中国已建成的最高坝。土木工程概论第7章水工结构工程三峡拦江重力大坝——轴线全长2309.47m，坝顶高程185m，最大坝高181m，设有23个泄洪深孔，底高程90m，深孔尺寸为7m×9m，其主要作用是泄洪。土木工程概论第7章水工结构工程青海龙羊峡大坝——坝高178m，装机128万千瓦，水库库容247亿立方米，为当时中国内地最高的大坝。土木工程概论第7章水工结构工程黄河小浪底土石坝——坝高154m，总填筑量5185万立方米，是我过迄今为止最大的土石坝，该工程可控制流域面积69.4万平方公里，占黄河流域总面积的92.3%，控制黄河输沙量的100%，为国家发展和经济建设起到了极大的促进作用。土木工程概论第7章水工结构工程7.2.2河道整治河道整治是为稳定河势、改善水流流态、河流边界条件等在河床两岸修建的工程河道整治的目的是防洪、航运、引水、城镇防护及综合开发和治理等河道整治工程按材料和使用年限分类：临时性整治工程：古代的竹筏、沉排等永久性工程：土、石、混凝土等修建的重型实体建筑物，用于调整水流方向、固滩护堤按与水流的关系分类：丁坝、顺坝、潜坝、锁坝、环流、透水、不透水等主要是改变水沙运动方向，控制河床冲淤变化，改善不利河湾，起到稳定滩岸、固定河势流路的作用土木工程概论第7章水工结构工程分洪工程是为保障保护地区安全，将超额洪水分流的工程。水库是用堰、坝、小闸等围成的人工水域。7.2.3分洪工程、水库为了泄放超过水库调蓄能力的洪水，满足放空水库和防洪调节等要求，确保工程安全，一般多设有泄水建筑物。常用的泄水建筑物有：1）坝身泄水道：溢流坝、中孔泄水孔、浑式泄水孔、坝下涵管等2）河岸泄水量：河岸溢洪道和泄水隧洞河岸溢洪道的特点：地面开敞，具有较大的超泄能力，泄水能力随水库水位的升高而迅速增加，可减少泄水翻坝的可能性，检查方便、运用安全可靠、减少开挖土石方量河岸溢洪道的形式：正槽式、侧槽式、竖井式、虹吸式土木工程概论第7章水工结构工程1.进水段.2.控制段3.泄槽4.消能防冲段5.出水渠6.非常溢洪道7.土坝1.溢流堰2.侧槽1.溢流喇叭口2.竖井3.导流隧洞4.混凝土塞5.水平泄洪隧洞6.出口段7.弯道段1.通气孔2.顶盖3.泄水孔土木工程概论第7章水工结构工程7.3农田水利工程农田水利是为农业生产服务的水利工程主要任务是灌溉、排涝、改良土壤渠首的主要作用是引进河道或水库中的水以满足灌溉、发电、工业和生活用水需要，是农田水利工程中的重要建筑物之一。可分为：无坝渠首：不在河流中修建拦河坝引水灌溉，适用于河流水位、流量不经调节就能满足灌区用水要求的渠首。一般由进水闸、拦沙坝、沉沙池等建筑物组成有坝渠首：是采用拦河坝抬高水位，保证水流量满足灌溉要求的渠首。优点是闸前水位稳定、工作可靠、利于将取水口设在灌区近处组成部分：拦河坝、进水闸及沉沙槽式、人工弯道式、底部冲沙廊道式、底栏栅式等沉沙冲沙建筑物沉沙槽式渠首：采用正面排沙、侧面引水的布置形式，利用进水闸前沉沙槽使水中粗粒泥沙下沉减少入渠泥沙。优点：渠首形式简单，施工、管理方便缺点：沉沙槽内易出现旋流，易将底沙带入渠道，冲沙时需停止取水人工弯道式渠首：在河道内或岸边上修建人工弯道，利用弯道环流减少入渠泥沙的取水渠首。底部冲沙廊道式渠首：将冲沙廊道设在进水闸底板下的渠首。优点：可以边引水边冲沙适用于来水量较丰富、用水保证率较高的情况底栏栅式渠首：在壅水坝内设置廊道取水，利用廊道顶部栏栅筛析作用防止大粒径沙石入渠的有坝取水形式。优点：布置简单、施工方便、造价低适用于河道流量不大、大粒径泥沙较少的小型工程土木工程概论第7章水工结构工程土木工程概论第7章水工结构工程沉沙槽式渠首1.进水闸2.沉沙槽3.冲沙闸4.壅水坝5.导流墙6.渠道人工弯道式渠首1.人工弯道2.进水闸3.冲沙闸4.“Γ”形拦沙坎5.渠道6.拦河闸底部冲沙廊道式渠首1.冲沙廊道2.壅水坝3.渠道底栏栅式渠首1.底栏栅坝2.金属栏栅3.取水廊道4.溢流坝5.进水闸水闸是用来控制闸前水位和调节过闸流量的低水头水工建筑物，通过闸门启闭具有挡水和泄水或取水的双重作用，广泛用于防洪、灌溉、供水、发电等土木工程概论第7章水工结构工程水闸的分类：按承担的主要任务划分：进水闸：在河流、湖泊、等岸边建闸引水，通常设在渠道首部，又称渠首闸拦河闸：一般用于截断河渠，抬高河渠水位，横断河流或渠首修建。排水闸：常建于江河沿岸，既可以开闸排滞，又可以防止倒灌拦潮闸：常建于入海河口附近，主要作用是拦潮、御咸、排水、蓄淡分洪闸：常建于河道一侧，用于分泄河道多条洪水按闸室结构形式划分：开敞式、胸墙式、封闭式或涵洞式开敞式和胸墙式水闸上面不填土封闭，其中不设胸墙的开敞式水闸对用于拦河闸、排水闸设胸墙的开敞式水闸多用于进水闸、排沙闸和拦潮闸封闭式或涵洞式水闸是闸身上面填土封闭的水闸农田水利工程主要包括灌溉工程和排涝工程。土木工程概论第7章水工结构工程水库、塘堰蓄水灌溉河川引水自流灌溉机电泵站提水灌溉地下水灌溉其他形式4%31%28%19%18%我国很多灌溉区是利用两种或多种水源进行灌溉的，如井渠结合，引蓄堤结合从灌溉水源来分和各自所占比例如下图：土木工程概论第7章水工结构工程灌溉工程蓄水工程：各种类型的水库：按功能分为拦蓄河川径流的、引蓄渠道余水的、提水后再蓄在库中的、拦蓄河川潜流的、拦蓄洪水泥沙的等多种形式的小型蓄水工程：如塘堰工程、旱井、涝池、水窖等自流引水灌溉工程：我过最早的灌溉工程形式，如都江堰、郑国渠、宝鸡峡引渭灌溉工程等提水工程：指用各种农用排灌机械取水灌溉的工程。排涝工程：（从工程形式上划分）明沟排水：一般包括干、支、斗、农、毛各级排水沟通及相应排水控制建筑物，具有施工简单、见效快等优点，缺点是占地多、易淤积、维修工作量大暗管排水：一般包括吸水管、集水管、检修井、排水控制设备等，优点是占地少，不影响农田耕作和交通，排水效果稳定，缺点是需要较多管材，基建投资高竖井排水：利用水井抽取地下水，降低和控制地下水位，优点是调控地下水位能力强，缺点是井点分散、管理不便，需较多机泵和动力土木工程概论第7章水工结构工程7.4水力发电及地下电站工程水力发电是循环利用水力资源产生电能的过程。水力发电的优点：不用燃料、不污染环境、能源可以循环利用、运行成本低我国水力开发方针是大、中、小并举，以大型为骨干。电站的规模的大、中、小是相对的。我国20世纪七八十年代对已建和在建水电站装机容量和年发电量统计时将装机25万千瓦的水电站作为大型水电站。世界上水电开发较多的国家，早期修建的水电站规模都相当小，随着经济、电力工业的不断发展，电网规模的不断增大，水电站容量和机组容量也