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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2021/9/24,*,*,2. 我国水资源的特点,（1）绝对量大，人均占有量少，亩均占有量少。,总量排世界第5位，人均量排世界84位，仅为世界平均水平的1/4。,（2）空间分布不均，水资源与土地资源、人口组合又不平衡。,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,2021/9/24,1,（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平均：,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；,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。,2021/9/24,2,4. 我国水资源开发利用中存在的问题,（1）供求矛盾日益突出,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。,如：全国400多个城市中3/4缺水。,由于供水不足，每年影响工业产值1200亿元。,由于较大的旱灾，粮食减产达数百亿斤。,缺水严重的地区，河川径流利用率达56%，地下水利用率达80%。,2021/9/24,3,（2）利用效率不高，损失浪费严重,国名,年份,重复利用率（%）,中国,西德,日本,美国,前苏联,1991,1964,1985,1985,1980,20-30,64,74,87,75-80,一些国家工业用水重复利用率,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。,2021/9/24,4,（3）水资源过量开采后果堪忧,（4）水资源污染严重,北方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。,1985年，工业污水和生活污水排放量342亿m,3,，其中85%未经任何处理直接排入江河湖泊。,全国城市自来水水源80%以上受到不同程度的污染。,全国水质有机物污染18505.8km，20.7%，三级以上；,全国水质五项毒物污染18555.5km，218%，三级以上。,1985年因水污染造成的经济损失约300亿元。,2021/9/24,5,三、 水工建筑物hydraulic structure,(1)挡水建筑物,water retaining structure,(2)泄水建筑物,water release structure,(3)引水建筑物,water diversion structure,(4)整治建筑物,regulating structure,(5)专门建筑物,special hydraulic structure,引水建筑物包括取水建筑物和输水建筑物。,1. 分类,2021/9/24,6,(1)挡水建筑物,water retaining structure,用以拦截河流，形成水库或雍高水位。如坝、闸、堤等。,(2)泄水建筑物,water release structure,用以宣泄水库（或渠道）在洪水期间或其他情况下的多余水量，以保证坝（或渠）的安全。如溢流坝、河岸溢洪道、泄洪隧洞和泄水涵洞等。,(3)引水建筑物,water diversion structure,用以从水库（或河道）向库外（或下游）引水，以满足灌溉、发电、供水等要求。如引水隧洞、引水涵管、渠道等。,2021/9/24,7,水利枢纽“,三大件,”：,挡水建筑物、泄水建筑物、引水建筑物,(4)整治建筑物,regulating structure,用以改善河流的水流条件，调整水流对河床及河岸的作用，防止水库、湖泊中的波浪和水流对岸坡的冲刷。如丁坝、顺坝、导流堤、护岸、护底等。,(5)专门建筑物,special hydraulic structure,为实现某一水利事业而修建的建筑物。如水电站厂房、船闸、升船机、鱼道、鱼闸、过木筏道、过竹筏道等。,2021/9/24,8,2. 水工建筑物的特点,（1）由于水的作用，建筑物的工作条件复杂,2021/9/24,9,（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。,（3）施工条件复杂,解决施工导流问题；,气温、雨季的影响，如：浇筑混凝土、填筑土坝；,洪水威胁，要求在汛期前填筑到足够高程；,工程量大，工期长，要求施工机械先进、管理科学,（4）意义重大，失事后果严重,2021/9/24,10,3,河川水利枢纽对环境的影响,一、物理影响,1. 淤积和冲刷,上游：流速降低，泥沙淤积,下游：清水下泄，加大冲刷,2. 气候变化、诱发地震、边坡失稳,雾天增多,高坝：坝高超过100m，库容超过1010,8,m,3,，达17%,2021/9/24,11,二、生态影响,1. 水库养鱼，但阻碍回游,2. 调蓄水量，但水温不一定适应作物生长,3. 增加了传播疾病有利条件（钉螺、疟蚊）,4. 库水化学成分改变，影响生物,5. 大库影响气候变化,6. 大量淹没,生态问题涉及范围很广，需研究。如：,2021/9/24,12,四、重力坝的荷载及组合,1. 主要荷载,（1）自重,dead load / dead weight,（2）水压力,water pressure / hydraulic pressure,（3）扬压力,uplift pressure,（4）冰压力,ice pressure,（5）土压力,earth pressure / soil pressure,（6）地震荷载,earthquake load / seismic load,（7）温度荷载,load of temperature variation,2021/9/24,13,（1）自重建筑物（坝体）及附属永久设备的重量,（2）水压力静水压力（上游、下游）、动水压力（挑流反弧段）、浪压力（上游库水面）,2021/9/24,14,（3）扬压力坝基扬压力、坝体扬压力,两部分组成：下游水深产生的浮托力（uplift pressure），上下游水头产生的渗透压力（seepage pressure）。,2021/9/24,15,（4）冰压力静冰压力、动冰压力,（5）土压力主动土压力、被动土压力、坝前泥沙压力,2021/9/24,16,（6）地震荷载地震惯性力、地震动水压力、地震动土压力,（7）温度荷载温度变化引起的热胀冷缩，水温、气温等,2021/9/24,17,2. 荷载组合,作用在重力坝上的各种荷载，除坝体自重外，都是在一定范围内随机出现的。如：,上游水位、下游水位不断变化；,宣泄最大洪水时，不一定发生强烈地震；,封冻时，存在静冰压力，就不会有风浪压力，等等,因此，设计时应把各种荷载根据它们出现的概率，合理地组合成不同的情况，用不同的安全系数进行核算，以解决安全和经济之间的矛盾。,把荷载分成两类：,（1）基本荷载：出现概率较大的荷载（base load）,（2）特殊荷载：出现概率较小的荷载（special load）,2021/9/24,18,基本荷载：,（1）坝体及其永久设备的自重,（2）正常蓄水位或设计洪水位的静水压力,（3）正常蓄水位或设计洪水位的扬压力,（4）泥沙压力,（5）正常蓄水位或设计洪水位的浪压力,（6）冰压力,（7）土压力,（8）相应于设计洪水位的动水压力,（9）其他出现机会较多的荷载,2021/9/24,19,特殊荷载：,（10）校核洪水位时的静水压力,（11）校核洪水位时的扬压力,（12）校核洪水位时的浪压力,（13）相应于校核洪水位的动水压力,（14）地震压力,（15）其他出现机会很少的荷载,荷载组合有两种,：,（1）基本组合（设计情况）水库处于正常运用情况下可能发生的荷载组合，由基本荷载组成,（2）特殊组合（校核情况）水库处于非常运用情况下可能发生的荷载组合，由基本荷载+一种或几种特殊荷载组成,2021/9/24,20,1. 抗滑稳定分析,抗滑稳定安全系数建筑物的抗滑力与建筑物所受的滑动力之比，用K表示。,对于重力坝，要求任意一个剖面（截面）上均满足稳定条件。通常，岩基上的重力坝，坝体混凝土和基岩的接触面往往是一个薄弱面，这是因为：,（1）两种材料的接触面,（2）混凝土干缩可能产生裂缝,因此，只要该接触面上满足抗滑稳定要求，则该坝体肯定满足稳定要求。,2021/9/24,21,（1）沿坝基面抗滑稳定,A、摩擦公式,B、剪摩公式,2021/9/24,22,2. 应力分析,目的：,验算大坝在施工期、运用期强度的安全度,要求：,坝体内各部分材料的应力不超过该种材料的容许应力，即,s=s。,s,=R/k,式中：R材料的极限强度；k材料强度的安全系数，一般取k=35，由建筑物的级别及工作情况确定。,计算方法：,模型试验、理论分析（材料力学、弹性力学、有限单元法）,设计规范,：采用材料力学法。取1m长坝段，按平面形变问题考虑。,2021/9/24,23,应力分析部分成果（1）,由重力坝剖面和受力特点：,在,空库,时，坝踵处压应力最大，坝趾处压应力最小，甚至出现拉应力；,在,满库,时，坝趾处压应力最大，坝踵处压应力最小，甚至出现拉应力。,2021/9/24,24,2. 灌浆,固结灌浆：,浅孔低压灌注水泥浆对坝基加固处理。目的：,提高岩体的整体性和弹性模量，减少基岩受力后的变形，并提高基岩的抗压、抗剪强度；,降低坝基的渗透性，减少渗漏量；,帷幕旁边的固结灌浆可提高帷幕的灌浆压力。,帷幕灌浆：,靠近上游坝基设一排或几排钻孔，利用高压灌浆填塞基岩内的裂隙和孔隙等渗水通道，在基岩中形成一道相对密实的阻水帷幕。目的：降低坝基的渗透压力，减少渗流量； 防止坝基内产生机械或化学管涌。,2021/9/24,25,3. 坝基排水系统,目的：,收集并排走由地基渗透过来的水，进一步降低坝基扬压力。,因为：坝基虽然已经进行帷幕灌浆，但并不能完全截断渗流。,2021/9/24,26,一、拱坝的工作原理,(1) 依靠拱的作用，将力传给拱座,(2) 依靠悬臂梁的作用，将力传给地基,2021/9/24,27,拱坝同时有拱的作用和悬臂梁的作用，拱和悬臂梁分担荷载，其大小取决于河谷形状：,河谷深而窄，拱作用大，梁作用小,河谷浅而宽，拱作用小，梁作用大,主要依靠两岸拱座和坝基来保持稳定，自重对稳定的影响不大。,(1) 受力条件好,(2) 坝的体积小,拱是一种受压结构，拱的作用越显著，越能减小坝的厚度，从而减小工程量。梁的作用越大，越需要依靠坝体自重来抵抗水压力。,拱坝的坝轴线比重力坝长，但总的工程量至少比同高度的重力坝减少1/3,2/3,。,二、拱坝的工作特点,2021/9/24,28,拱坝是周边嵌固的,高次超静定结构,，当外荷载增大至坝的某一部位因拉应力过大而开裂时，能调整拱作用和梁作用及其荷载分配，使坝内应力重分配，而不致使大坝丧失全部承载能力。,裂缝对于拱坝的威胁不象对其他坝型那样严重：,水平缝：,扬压力只会降低悬臂梁的作用。一般薄拱坝是以独立的水平拱设计的，悬臂的作用只作为一种安全储备,垂直缝：,使拱圈未开裂部分的应力增加，原来的拱圈变成具有更小曲率半径的拱圈，坝内应力重分配，成为无拉应力的有效拱,按结构的观点来看，拱坝的坝面允许局部开裂。如果拱座岩体坚固，那么，,拱坝的破坏主要取决于压应力是否超过筑坝材料的强度极限,。,一般混凝土具有塑性和徐变特性，在局部应力特大的部位，如果变形受限制，经过一段时间，混凝土的徐变变形增大，弹性变形减小，使这些特大的应力有所降低。,(3) 超载能力强，安全度高,2021/9/24,29,拱坝是整体的空间结构，坝体较坚韧，富有弹性，又能自行调整结构特性，故可以提高坝体的抗震性能。如：,意大利：柯尔菲诺拱坝，高40m,中国：河北峡沟水库浆砌石拱坝，高78m，1966年3月,(4) 抗震性能好,(5) 施工技术要求高,拱坝坝体断面小，几何形状复杂，故对施工技术、施工质量控制和筑坝材料的强度有较高的要求，对地基处理的要求更严格，开挖较大,。,2021/9/24,30,五、拱坝的温度荷载,拱坝的温度荷载是拱坝设计中主要的荷载之一。,2021/9/24,31,1、封拱温度,拱坝建成并经过充分冷却后，当施工期混凝土产生的水化热已经基本散尽、坝体混凝土温度趋于相对稳定时，对坝体各施工缝进行灌浆，使各坝块固结形成整体，称为,封拱,。相应的混凝土温度称为,封拱温度,。,2、拱坝的温度荷载,指拱坝封拱形成整体后，在上下游水温、气温周期性变化的影响下，坝体内产生相对于封拱温度的温度变化所引起的荷载，称为,拱坝的温度荷载,。,三部分：,均匀温度变化,沿坝厚的温度梯度变化,非线性温度变化,2021/9/24,32,温度荷载对坝体应力和稳定的影响,因此，,温降对坝体应力不利；温升对坝体稳定不利。,当坝体温度低于封拱温度（温降）时，坝轴线收缩，使坝体向下游位移，产生的弯矩、剪力的方向与水库水压力所产生的相同，但轴力方向相反，结果是拱端上游面受拉、下游面受压，在拱冠则上游面受压、下游面受拉。,当坝体温度高于封拱温度（温升）时，坝轴线伸长，使坝体向上游位移，产生的弯矩、剪力的方向与水库水压力所产生的相反，但轴力方向相同，结果是拱端上游面受压、下游面受拉，在拱冠则上游面受拉、下游面受压。,2021/9/24,33,一、土石坝的特点,(1) 筑坝材料就地取材。可节省大量钢材、水泥、木材等。,(2) 适应地基变形能力强。土石体是散粒体结构，对地基的要求比混凝土坝低。,(3) 施工方法选择灵活性大。能适应不同的施工方法，且工序简单、施工速度快、易保证质量。（人工,机械化,）,(4) 结构简单、造价低廉、运行管理方便、工作可靠，便于维修加高。,缺点,：,(1) 坝顶不能溢流，通常需另开溢洪道。,(2) 施工导流不便，增加了工程造价。,(3) 坝体断面大，土料填筑的质量受气候影响，给施工带来困难。,2021/9/24,34,二、土石坝的工作条件,土石坝由散粒体材料填筑而成，其剖面一般呈梯形。,土石坝的失稳一般是坝坡滑动或坝坡连同地基一起滑动的剪切，这是土石坝特有的。,2021/9/24,35,(1) 渗流问题,土石坝在挡水后，在上下游水位差的作用下，坝体、坝基会有一系列的问题需要考虑：,水流经过坝身与坝基的结合面、坝体土与混凝土的结合面，易产生渗漏。,坝体内形成自由面，饱和区的土体有效重量减轻，土的强度（内摩擦角和凝聚力）减小,渗透动水压力增大了下游坝坡的滑动可能性。当库水位骤降时，易引起上游坝坡的失事。,在渗流的出口处，易引起渗透变形，严重时会导致坝的失事。,2021/9/24,36,(2) 冲刷问题,土颗粒间的粘结力很小，抗冲能力很低：,雨水侵入坝体，会降低坝的稳定性；沿坝坡下流会冲刷坝面。,库内风浪会淘刷坝坡，易引起滑坡。,2021/9/24,37,(3) 沉降问题,土粒间存在孔隙，在坝体自重和水荷载作用下，坝体和坝基都会因压缩而产生沉降。,过大沉降：,会导致坝顶高程不足。,过大不均匀沉降：,会导致坝体开裂，形成渗水通道，威胁大坝。,2021/9/24,38,(4) 其他问题,严寒地区，库面的冰盖层与坝坡、岸坡冻结在一起，对坝坡产生很大的冰压力，易导致护坡的破坏,自由面以上的坝体粘土，在冻融作用下会造成孔穴、裂缝；夏季干旱作用下，易引起干裂而导致集中渗漏,地震地区，坝坡塌滑的可能性增大；粉砂地基，存在振动液化问题,南方，白蚂蚁可以蛀空坝体，导致坝体塌陷、渗漏通道等,2021/9/24,39,七、土石坝的裂缝,1. 类型及其成因,(1) 干缩和冻融裂缝,干缩缝：土体表面失去水分收缩，而土体内部不收缩或收缩甚微，表层土体受约束产生拉应力，形成裂缝。常见于含水量较高、薄膜水较厚的细粒土体。,冻融裂缝：土体冻结后，气温骤降，表层土体发生收缩，受到内部未降温土体约束产生拉应力，在表层形成裂缝。常见于含水量较高的细粒土体。,仅限于表层土体，不至威胁大坝的安全。,2021/9/24,40,(2) 变形裂缝,主要由不均匀沉降所引起。由于不均匀变形，在坝的某些部位产生较大的拉应变和剪应变，因而产生裂缝。这种裂缝一般规模较大，并深入坝体，是破坏坝体完整性的主要裂缝。特别是防渗体的拉伸缝，对坝的威胁很大，应尽量避免。,变形裂缝纵向裂缝、横向裂缝、水平裂缝,2021/9/24,41,纵向裂缝,缝的走向平行于坝轴线。多出现于坝坡，有时也出现在坝坡，也可能出现在坝的内部。缝的宽度往往较大。这种缝是由横向不均匀变形引起的。,2021/9/24,42,横向裂缝,缝的走向垂直于坝轴线。多出现于局部变化地形、岸坡陡峭、坝体埋有刚性建筑物的、易出现局部拉伸的区域。这种缝是由于坝轴线方向的纵向不均匀变形引起的。横缝常贯穿防渗体，对坝的危害很大。,2021/9/24,43,水平裂缝,多发生在窄心墙坝中。它是由于坝体和坝基的不均匀沉降引起的，是一种内部裂缝。有时贯穿上下游，形成集中渗水通道。这种缝不易发现，往往出现事故后才知道，对危害性很大。,由于坝体非粘性土沉降速度快，较早达到稳定。而粘土心墙由于固结速度慢，沉降还在继续。坝壳通过心墙接触面的摩擦力作用阻止心墙沉降，形成,心墙拱效应,。拱效应使心墙的垂直应力减小，如果拱效应过大，使垂直应力由压变拉，超过土体的强度，会产生水平裂缝。,2021/9/24,44,(3) 滑坡裂缝,滑坡引起的裂缝，在顶部呈张开缝、底部隆起处产生许多细小裂缝。这种缝延伸较长、较深、较宽，有较大的错距。这是坝失稳前，滑动体开始发生位移时，在周界上出现的缝，是滑坡的前兆。,2021/9/24,45,(4) 水力劈裂缝,在孔隙水压力作用下，土体局部有效应力减小到零以下时，由于拉伸破坏所形成。在水压减退后张开的裂缝也可以自行闭合。水力劈裂多发生于水库初次蓄水时，是一种危害性很大的裂缝。,心墙拱效应使心墙,的垂直压力降低到该处的孔隙水压力时，会因水力劈裂产生水平裂缝。因其他原因而产生的水平裂缝也可能因水力劈裂作用而扩展。,有时对防渗体进行灌浆,时，在灌浆压力的作用下 ，也可能出现水力劈裂。,在防渗体与基岩表面局部不平整处,也会产生拱效应，从而使防渗体与基岩的接触压力降低，当压应力小于孔隙水压力时，造成水力劈裂。,美国提堂坝失事,2021/9/24,46,与前两个阶段相比，新型面板堆石坝的改进处：,堆石体密度高（采用大型振动碾）,石料粒径小，且级配良好，过渡区垫层不但密实度高，且低透水性，可临时挡水（在未浇筑面板前）,堆石体石料的要求低,堆石体可分区，可有不同的碾压要求，利于加快施工，降低造价,面板无水平向伸缩缝，改为施工缝，以便用滑模连续浇筑，加快施工进度,改进了面板的底座结构，截水齿槽式,趾板式，避免槽挖，简化施工,改进了面板周边缝和竖向伸缩缝的止水设施，适应相对变位，避免止水受损而漏水,2021/9/24,47,二、特点,面板设于堆石体上游面，整个坝体都受力，水压力的铅直分力有助于坝的稳定，坝体工程量是土石坝中最小的。,高密度的堆石体变形小，面板的抗裂防渗有保障，坝的稳定安全度也是很高的，即使面板少许漏水，也不会危及堆石体的稳定和坝的安全。,面板兼起防浪护坡的作用，经济合理。,面板在上游面，便于检修，即使不放空水库，也便于潜水检修。,无粘性土料施工，干扰小，气候影响小，可全年施工。,面板对基础沉降很敏感，须重视坝基缺陷处理。,面板抗漂浮物冲击、抗严寒冰冻、抗环境水侵蚀作用性能稍差。,抗震性能稍差。,2021/9/24,48,
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