水利工程安全概论要点.ppt

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1、1.我国水资源的特点（1 1）绝对量大，人均占有量少，亩均占有量少。）绝对量大，人均占有量少，亩均占有量少。总量排世界第总量排世界第5 5位，人均量排世界位，人均量排世界8484位，仅为世界平均位，仅为世界平均水平的水平的1/41/4。（2 2）空间分布不均，水资源与土地资源、人口组合又不平）空间分布不均，水资源与土地资源、人口组合又不平衡。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（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

2、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。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%。（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1991196419851985198020-3064748775-80一些国家工业用

3、水重复利用率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。（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m3，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。三、水工建筑

4、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(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

5、（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。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

6、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。2.水工建筑物的特点（1 1）由于水的作用，建筑物的工作条件复杂）由于水的作用，建筑物的工作条件复杂（2 2）设计独特性）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 3）施工条件复杂）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 4）意义重大，失事后果严重）意义重大，失事后果严重3 河川

7、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10108m3，达17%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：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 p

8、ressure（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（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）（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）。（4）冰压力静冰压力、动冰压力（5）土压力主动土压

9、力、被动土压力、坝前泥沙压力（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）基本荷载：（1）坝

10、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

11、组成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。（1）沿坝基面抗滑稳定A、摩擦公式B、剪摩公式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

12、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。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。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

13、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。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。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 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

14、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1/32/3。二、拱坝的工作特点 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

15、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 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。五、拱坝的温度荷

16、载拱坝的温度荷载是拱坝设计中主要的荷载之一。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：u均匀温度变化u沿坝厚的温度梯度变化u非线性温度变化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

17、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。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，

18、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。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。(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

19、。在渗流的出口处，易引起渗透变形，严重时会导致坝的失事。(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。(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。(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，

20、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。(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

21、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。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。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

22、。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。(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。(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

23、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

24、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。a.面板对基础沉降很敏感，须重视坝基缺陷处理。b.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。c.抗震性能稍差。