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1、9.1.1 水利水电工程的主要任务水利水电工程的主要工作内容是防洪治河、水力发电、农田水利、给水排水、航运、等。防洪治河工程包括整修堤防（构建河流防洪体系）、兴建大中型水库（拦蓄洪水）。典型的现代防洪治河工程有长江上的三峡水利枢纽工程、奚落渡水电站、向家坝水电站，黄河上的有龙羊峡、盐锅峡、青铜峡、八盘峡、大峡、李家峡、刘家峡、拉西瓦、公伯峡、积石峡、等水电站（见图9-1-1）。水电是一种绿色能源，水力发电在国民经济中占据着重要的地位，我国目前的水电站装机容量已超过美国居世界第一，三峡、二滩、龙滩、小湾、公伯峡、水布垭等一大批大型常规水电站已成为我国能源生产的主力军，中国已成为目前世界水电技术最
2、发达的国家之一。农田水利的主要工作是机电排灌、除涝治碱、修建灌区和水库、水土保持、等。给水工程的目的是为居民、工矿企业、交通运输等提供生活用水、生产用水。排水工程的目的是排除工业及生活废水、江河洪水、雨水等，为工业、农业生产及人民生活提供良好环境。我国已建的大型引水工程有引栾入津工程、引黄济青工程、等，在建的世界级大型引水工程是南水北调工程。航运是水利水电工程的一个附属产物，水电站的建设一般都会极大地改善流域的通航条件，从而为航运奠定了坚实的基础，三峡大坝建设就是一个典型的例子（万吨轮船可从三峡大坝直航重庆）。第1页/共50页图9-1-1黄河水系与水电站第2页/共50页9.1.2 水利枢纽及水
3、工建筑物水利枢纽是由若干个不同类型的水工建筑物组成的综合体，通过水利枢纽可控制和利用水流。9.1.2.1 水工建筑物的类型水工建筑物包括一般性（通用性）建筑物和专门性建筑物。一般性（通用性）建筑物包括以下5类：（1）、拦水、蓄水、挡水建筑物。比如坝、水闸、堤防、等。（2）、泄水建筑物。比如溢洪道、坝身泄水孔、泄洪隧洞、等。（3）、取水建筑物。比如进水闸、电站引水系统（坝身引水道、引水管道）、引水隧洞、等。（4）、输水建筑物。比如渠道、隧洞、涵洞、渡槽、管道、等。（5）、河道整治工程。比如护岸工程、导流堤、丁坝、等。专门性建筑物主要是指电站厂房、通航建筑物、过木过鱼建筑物、等。9.1.2.2 水
4、利枢纽的类型水利枢纽包括水库枢纽、有坝取水枢纽、无坝取水枢纽、等。水库枢纽是由挡水、泄水、取水（电站取水系统、进水闸）等一般性建筑物和电站厂房、通航过木等专门性建筑物组成的综合体系。比如湖北汉江上的丹江口水利枢纽。有坝取水枢纽一般由挡水、泄水、取水（电站取水系统、进水闸）等一般性（通用性）建筑物和专门性建筑物（比如电站厂房）等组成，有坝取水枢纽对水的调蓄作用较小。比如湖南韶山灌区渠首工程、葛洲坝水利枢纽、等。无坝取水枢纽主要由取水建筑物（比如进水闸）、排砂闸、导流堤、等组成。比如都江堰水利枢纽工程。第3页/共50页9.1.4 水利水电枢纽工程的分等和水工建筑物的分级水利水电枢纽工程分等分级的依
5、据是水利水电工程等级划分及洪水标准。水利水电枢纽工程应根据其工程规模、效益及在国民经济中的重要性按表9-1-1确定其等别。水利水电工程中的水工建筑物，根据所属枢纽工程的等别及在工程的作用和重要性，按水利水电枢纽工程建设等级划分及设计标准划分为五级。表9-1-1水利水电枢纽工程的分等标准第4页/共50页9.2 水利水电枢纽工程设计水利水电枢纽工程（见图9-2-1）设计包括河流开发规划、环境影响评价、工程水文研究、工程地质研究、建筑材料研究、经济评价分析、设计研究报告的编制、等7项工作内容。图9-2-1水利水电枢纽工程第5页/共50页9.2.1 河流开发规划河流开发规划旨在根据江河流域的自然、地理
6、、资源、社会、经济和环境条件及其特征规律，按照国家或地区近、远期国民经济发展规划、研究和确定其治理与开发的主题方针、战略部署、工程方案以及实施程序等，从而有效地开发资源，除害兴利，促进和振兴流域地区社会经济事业的发展。河流开发规划包括水资源规划、专业规划、等。水资源规划分为流域规划和区域规划，流域规划包括流域综合规划和流域专业规划，区域规划包括区域综合规划和区域专业规划。流域综合规划和区域综合规划的编制必须符合该地区国民经济和社会发展的总体要求，同时还必须与土地利用规划、环境保护规划相协调，兼顾各流域、各地区和各行业的需要和发展。专业规划是指流域或区域的水文测验规划、防洪规划、水电开发规划、治
7、涝规划、灌溉规划、航运规划、渔业规划、水土保持规划、水资源保护规划、环境保护规划、等。河流开发规划的原则是区域规划服从流域规划、专业规划服从综合规划。第6页/共50页9.2.2 环境影响评价9.2.2.1 水利水电工程中的环境问题跨流域调水、修建大坝不仅会导致河流水沙情势和生态环境的变化，而且水库淹没、移民安置和工程施工，也会对人群健康、自然与生态环境产生不同程度的影响，因此，应全面调查流域内的生态与环境状况，分析存在的主要生态环境问题。应根据具体情况，合理拟定近、远期环境保护目标，并提出相应的标准和要求，必要时需修改规划方案或调整规划环境目标。水利水电工程中的环境问题包括自然环境破坏、次生环
8、境破坏、疾病产生与流行、作物生长环境变化、航运条件变化、气候变化、文物破坏、等。自然环境破坏主要指水库淹没后，移民安置毁林开荒造成的水土流失。次生环境破坏主要是指水库蓄水后引起库周地下水位抬高，会导致浸没、内涝或土地盐碱化、等，并有可能引起库岸崩坍、诱发水库地震、等。疾病产生与流行主要是指水库蓄水后水流变缓，水体稀释扩散能力降低，水体中污染物浓度增加，库尾与一些库湾地区易发生富营养化，一些水介疾病会因水面扩大而增加，移民动迁也可能导致某些疾病流行等问题。作物生长环境变化主要是指水库蓄水后水温结构发生变化，可能出现分层，对下游农作物产生冷害，影响陆生生物的生存环境。航运条件变化主要是指多泥沙河流
9、，水库回水末端易出现泥沙淤积，导致河床抬高，影响航运。气候变化主要是指水库蓄水后水面增加，对库区的气候会产生影响，引起风速、湿度、降水、气温等气象要素的变化。文物破坏主要是指水库蓄水后库区的文物古迹可能被淹没或需要迁址。第7页/共50页9.2.2.2 防止和减轻环境破坏的对策水利水电工程建设在改造自然、造福人类的同时，也会带来对自然环境和社会环境的不利影响，需因地制宜，研究和采取必要的措施，将不利影响减少到最低程度。对作为供水水源的工程，要制定水源保护条例和管理办法，密切监视水库水质状况，严格控制污水排放，确保水库不受污染。对有供水任务的工程，要保证泄放基流，满足下游人类及其他生物生活及环境用
10、水的要求。通过修建船闸解决了船只过坝问题，设置鱼梯或采取其他措施（比如人工孵化放流）解决了水生生物的生存问题。设置原生生物栖息繁衍保护地维持生物多样性。制订移民安置区环境保护规划，对库区各地的污水处理、生活垃圾处理以及蓄水前库底清理等提出了明确的要求，以保护水库水质。水利水电工程如果对环境的影响较大或影响期较长时，施工前就应开始对影响较大的主要环境因子进行跟踪监测，在运行期对某些影响较大的环境因子也要进行跟踪监测。水利水电工程生态环境监测工作要根据工程的具体情况和要求进行规划和实施。对水库库容较大的工程，为掌握水库蓄水前后水文、泥沙、水质、水温、局部气候等环境因素变化的状况及规律，更好地进行水
11、资源与水环境的管理，要尽早开展环境监测工作。第8页/共50页9.2.3 工程水文研究水文科学是研究水的起源、存在、分布、循环、运动等变化规律以及运用这些规律为人类服务的科学体系。工程水文是流域防洪规划、水资源利用规划以及水能开发规划中最重要的基础性工作，水文资料、水文信息及其分析计算成果是水利水电工程建设和运行管理的重要依据之一。目前，收集、获取基本水文资料信息的途径主要是从水文总站了解水文站、水位站、雨量站设置，获得这些站点长期连续的水位、流量、流速、泥沙、雨量或蒸发等观测资料。另外，还要进行野外调查获得特大暴雨、特大洪水、特枯流量及其水位等资料，考证历史文献及碑文石刻以获得历史洪水或枯水水
12、位等水文信息，用考古手段和方法获得古洪水信息，借助航摄相片及卫星遥感资料获得水文信息。测验技术、仪器仪表和分析软件不断改进和创新，我们在信息采集、传输、分析和处理的手段和方法上也应不断与时俱进，满足水利水电工程建设和管理不断提出的新的要求。9.2.4 工程地质研究水利水电工程地质是工程地质中专门研究与水利水电工程建设有关地质问题的科学，主要研究工程区域的地形地貌、地层岩性、地质构造、水文地质条件、物理地质现象、岩土物理力学参数，研究工程地质条件与建设工程及各建筑物间的相互作用和影响。水利水电工程中的主要工程地质问题包括区域构造稳定问题、水库工程地质问题、坝基岩体稳定性问题、等。区域构造稳定主要
13、是指活断层和可能发生的地震对工程的影响。水库工程地质是指水库蓄水后，库区周围的工程水文地质条件将发生较大变化，同时将会产生一系列水文工程问题（比如渗漏、浸没、坍岸、淤积、和诱发地震、等）。坝基岩体稳定性问题的关注点是软弱夹层，软弱夹层是指遇水易软化、力学强度低的薄层，它是影响水工建筑物整体稳定、变形稳定以及渗透稳定的关键条件，常成为设计研究中的重点。第9页/共50页9.2.5 建筑材料研究建筑材料是指水利水电工程各建筑物施工所需要的材料。建筑材料通常分三大类，第一类是矿物质材料（包括天然土料、天然石料、烧土制品、无机胶凝材料、混凝土以及水泥砂浆、等）；第二类为有机质材料（包括木材、竹材、沥青、
14、土工合成材料、等）；第三类为金属材料（包括钢筋、钢板及各种有色金属材料、等）。在水利水电工程建设中，应用较多的是天然建筑材料、水泥、混凝土、钢材、木材、沥青以及土工合成材料、等。对天然建筑材料必须按照勘察试验规程的规定进行必要的地质测绘、勘探、试验及研究等工作（包括开展天然建筑材料料场方案的综合比较、等），探明其储量、质量、开采方法和运输条件、等。9.2.6 经济评价分析经济评价是对建设项目的投入和产出进行分析，评价其社会效益和经济效益以及适应市场需要和抵御各种风险的能力，为建设项目的方案比选和决策提供科学依据。水电建设项目经济评价的主要内容分国民经济评价和财务评价两大部分。国民经济评价是在合
15、理配置国家资源的前提下，从国家全局角度，分析计算水电建设项目对国民经济的净贡献，据以判断建设项目的经济合理性。国民经济评价的一般方法是国民经济盈利能力分析，以经济内部收益率为主要评价指标。财务评价是根据国家现行财税制度、价格体系和建设机制，分析计算建设项目直接发生的费用和产出效益，据以判别项目的财务可行性。财务评价方法以动态分析为主、静态分析为辅，财务评价的主要参数为行业的财务基准收益率、基准投资回收期等。经济评价的依据是国家相关部门发布的建设项目经济评价方法与参数、建设项目经济评价方法、建设项目经济评价参数、中外合资经营项目经济评价方法等相关规定，有时也依照国际惯例进行。第10页/共50页9
16、.2.7 设计研究报告的编制9.2.7.1 水利工程设计报告我国水利工程勘察设计的全过程一般分为以下5个阶段，并应撰写出相应的报告。1）项目建议书。项目建议书应概述项目建设的依据、提出开发目标和任务；调查项目所在地区的自然经济条件，收集水文、地质等勘测资料，论证工程项目建设的必要性；初选建设项目的建设规模、建设方案、建设地点、建设时间和主要建筑物布置，初步估算项目的总投资额。2）可行性研究报告。可行性研究报告应明确拟建项目的任务和主要效益；确定主要水文参数，查清主要地质问题，选定工程场址，确定工程等级，初选工程布置方案，提出主要工程量、施工工期；初步确定淹没、用地范围和补偿措施，对环境影响进行
17、评价；估算工程投资，进行经济、财务分析评价、等，并以此为基础提出项目是否可行的结论性意见。3）初步设计。初步设计包括以下3方面工作，即：取得气象、水文、地形、地质、建筑材料、经济、综合利用要求等更多、更详实的基本资料，进行更为详细的调查、勘测和实验研究工作。确定或选定拟建项目的综合开发目标、工程及主要建筑物等级、总体布置、主要建筑物型式和轮廊尺寸、主要机电设备形式和布置等。确定总工程量、施工方法、施工总进度和总概算，论证在指定地点和规定期限内进行建设的可行性和合理性。4）招标设计。招标设计是制定编制施工招标文件和施工规划的基础，根据上述规定，其工作内容暂按原技术设计要求进行设计工作，即在初步设
18、计的基础上，进一步完善设计，确定或优化设计方案，并据此对概算进行修正，满足施工招标工作的需要。5）施工图设计。施工图设计的任务和基本要求是：完成建筑物地基开挖图、地基处理图、建筑物体形图、钢筋图，金属结构的结构图和大样图，机电设备、埋件、管道、线路的布置安装图等工程图纸的绘制。施工图中应说明选用材料的型号规格、施工方法或加工工艺、质量要求和其他注意事项。施工图是现场建筑物施工、设备制作、选用、埋设和安装的依据。第11页/共50页9.2.7.2 水电站工程设计报告目前，我国大中型水电站前期设计划分为以下4个设计阶段，并应撰写出相应的报告。（1）、预可行性研究。预可行性研究包括以下7项内容。、根据
19、河流规划审批意见，对拟开发工程着重研究工程建设的必要性、在电力系统中的任务、作用、主要特征水位和工程规模、综合利用要求。、提出初步水文计算资料，对枢纽区和库区工程地质条件初步评价。、提出水库淹没实物指标、从环境角度初步分析工程建设的可行性。、初拟坝址、坝型和枢纽布置方案、估算土建工程量。、初拟单机容量、送出工程、电气主接线及主要设备（含金属结构）。、初拟主体工程施工方法、导流方案、及施工总进度。、估算工程投资，提出资金筹措设想。进行初步的国民经济评价及财务评价，测算上网电价等。其勘测设计工作深度应低于原可行性研究报告要求。（2）、可行性研究。这里的可行性研究是将原可行性研究与初步设计两阶段合并
20、，其设计深度仍应达到原初步设计的深度。对于装机规模较大、涉及面较广的重大工程或地质条件复杂的工程，可在可行性研究报告中间提出选坝报告，经审查认定后，再全面开展可行性研究工作。可行性研究报告待主管部门审批后，可向国家编报可行性研究报告（即原设计任务书）。（3）、招标设计。需在批准的可行性研究报告基础上进一步优化设计。确定各枢纽建筑物的土建和机电等细部设计、主要材料及设备选型，达到编制招标设计文件及土建工程标书和机电设备采购标书（发包设计）的要求。招标设计深度除应满足原技术设计的深度要求外，还应提供标书所需的工程量报价表、相关的、详细的技术规范要求和机电设备采购技术要求等。（3）、施工图设计。施工
21、图设计是指配合工程施工提供相关的土建、机电安装等施工图纸。第12页/共50页9.3 水工建筑物的作用及作用效应组合所谓结构上的作用是使结构产生内力和变形的各种原因的总称，分直接作用和间接作用。直接作用是指直接施加在结构上的集中力或分布力，也可称为“荷载”。间接作用则是指使结构产生外加变形或约束变形的原因，如地震、温度作用等。9.3.1 水工建筑物的自重作用水工建筑物自重属恒定荷载，对水工建筑物的工作状态起着重要作用。水工建筑物本身的重力可按G=gV确定。式中、，g为材料重度（kN/m3）、V为体积（m3）。9.3.2 土压力土压力是土对连接建筑物产生侧向土压力（水平压力）。当刚性连接建筑物在土
22、压力作用下或因地基不均匀沉陷发生变位，至使侧向土压力减小时，可作为主动土压力进行分析。当刚性连接建筑物建造在坚硬的岩基上，同时自身刚度较大，变形较小时，可作为静止土压力进行分析。当刚性连接建筑物在其他荷载作用下有向填土一侧变位时，土坝对连接建筑物产生被动土压力。9.3.3 泥沙压力斜面上铅直的淤沙压力即为淤积在其上的泥砂重力（按浮容重计算）。当上游坝面倾斜时，除水平泥沙压力外还存在铅直泥砂压力，计算方法与计算铅直水压力的方法相同。9.3.4 水工建筑物的温度作用当结构的温度有所改变时，由于温度的升高或降低结构将发生膨胀或收缩。如果这种热胀或冷缩变形受到结构外在约束或内部各个部分之间的相互约束的
23、限制而不能自由进行时，结构内将产生相应的应力，这部分应力即是所谓的变温应力，通常又称温度应力。内外温差所引起的温度应力越接近表面越大，是产生表面裂缝的主要原因。第13页/共50页9.3.5 水工建筑物的渗流作用 水工建筑物的渗流作用涉及扬压力、有效应力、孔隙水压力、总应力、等。筑坝挡水后，在上、下游水位差的作用下，水将经过坝体和坝基向下游渗漏，形成渗透水流。渗流从上游流向下游的过程中，逐步消耗着水头，相应于某一计算点剩余水头的压力称为该点的渗透压力。若计算点在下游水位以下，则在该点处又存在着静水压力，也称为浮托力。该点所受的总水压力即为该点的渗透压力和浮托力之和。水压力是各向相等的。当我们考虑
24、建筑物底面或其他水平截面的这种荷载时，其方向是向上的，因此，习惯上称为扬压力。扬压力作用在100%的截面面积上。9.3.6 水工建筑物的流体作用水工建筑物的流体作用包括静水作用、动水作用、波浪作用、冰作用、高速水流作用、冲刷作用、等。9.3.7 水工建筑物的地震作用地震会引起对水工建筑物的动力作用，在地震区筑坝，必须考虑地震作用。水工建筑物抗震计算应考虑的地震作用包括建筑物自重和其上的荷重所产生的地震惯性力；地震动土压力；地震动水压力。地震作用考虑的因素包括地震惯性力、地震动水压力、地震动土压力、等。9.3.8 作用效应组合作用效应是指施加在结构上的作用引起的结构的反应，如轴力、弯矩、剪力、应
25、力等内力和位移、应变、裂缝等变形。作用效应组合就是指结构上几种可能同时出现的作用分别产生的作用效应的随机叠加。作用效应组合的原则是根据各种作用同时发生的可能性，选择最不利的作用效应进行组合。9.3.9 水工建筑物上的作用效应分析水工建筑物在受到自重、水压力等作用时，会产生变形并在建筑物内部形成应力场。当变形和应力达到一定程度，建筑物便会破坏。对建筑物的作用效应分析可以分为物理模拟方法、数学模拟方法和安全监测分析方法三类。第14页/共50页9.4 重力坝在水利水电工程建设中，混凝土重力坝（见图9-4-1）是最广泛采用的一种形式，在高坝枢纽中仍占有显著的优势。图9-4-1混凝土重力坝第15页/共5
26、0页混凝土重力坝的特点可概括为以下8个方面。（1）、坝体材料抗冲性能好，泄洪和施工导流问题容易解决。泄洪可采用从坝顶溢流或在坝身开设泄水孔泄洪的方式。导流可通过较低的坝块、底孔和预留的底孔进行。（2）、断面形状简单，结构作用明确，施工方便，安全可靠。重力坝设有垂直坝轴线方向的横缝，将坝体分为若干个独立的坝段，各坝段独立工作，受力明确。（3）、适合于在各种气候条件下修建。冬季当温度低于-3时，混凝土中水会结冰，需采用加热、保温、防冻措施等。夏季当温度高于30时，需采用低热水泥、低温水、加冰屑、预冷骨料，掺外加剂延长初凝时间。（4）、对地基的要求比拱坝低，但比土石坝高。（5）、有丰富的建设、设计经
27、验工作可靠、使用年限长，施工放样、扩建、维护简单，便于机械化施工，可采用定型模板，以利重复使用。（6）、坝体工程量较大，边缘应力是控制条件，故内部应力较小，材料的强度不能充分发挥。（7）、水泥用量大，施工时，水化热不易消散，易产温度裂缝。水化热是水泥的水化放热反应，水泥在凝结硬化过程中会放出大量的热。水化热的危害是使内外混凝土产生较大的温差，而产生温度应力，引起表面开裂。预防措施是设置温度伸缩缝。（8）、受扬压力影响大。扬压力是在上下游水位差的作用下，水渗入坝体的孔隙内，形成渗透水压力。所取截面上向上的渗透水压力为扬压力。削减办法是设置防渗排水设施，减小扬压力。第16页/共50页9.4.1 重
28、力坝的设计内容重力坝的设计内容主要有以下7项。（1）、剖面设计。参照已建工程经验，初步拟定剖面尺寸。（2）、稳定计算。验算坝体沿建基面或地基中软弱结构面的稳定安全度。（3）、应力计算。使应力条件满足设计规范要求，保证大坝和坝基有足够的强度。（4）、溢流重力坝和泄水孔的孔口尺寸的设计。包括泄水建筑物体型、溢流堰顶高程、溢流重力坝前沿的宽度和泄水孔进口的高程、泄水孔口的尺寸。（5）、构造设计。根据施工和运行要求，确定坝体的细部构造，如分缝、廊道系统、排水系统、止水系统等。（6）、地基处理。根据地质条件进行地基的防渗、排水设计，进行断层等地质结构面的处理。（7）监测设计。包括坝体内部和外部的观测设计
29、。第17页/共50页9.4.2 重力坝的分类按坝顶是否溢流的条件分为溢流坝重力坝（即可挡水，又可泄水的水工建筑物）和非溢流坝重力坝（挡水建筑物）两类。按结构型式分为实体重力坝（见图9-4-2之（a）、宽缝重力坝（见图9-4-2之（b）、支墩坝（见图9-4-2之（c）、空腹重力坝（见图9-4-2之（d）、预应力重力坝（见图9-4-2之（e）、等。（a）（b）（c）（d）（e）图9-4-2不同结构型式的重力坝第18页/共50页9.4.3 重力坝的荷载及组合荷载计算时沿坝轴线方向取1米宽坝体为计算单元。荷载包括自重（坝体及其上永久性设施的重量）；上、下游坝面的静水压力；溢流坝反弧段上的动水压力；扬压
30、力（包括坝基面上的扬压力和坝体内部的扬压力。在下、下游水位差的作用下，库水经过坝体和坝基的孔隙向下游渗透而形成渗透水流，渗透水流对计算截面产生的垂直指向该截面的水压力为渗透压力。若计算截面在下游水位之下，由下游水深对该截面产生的垂直指向该截面的水压力为浮压力。）；冰压力；泥沙压力；浪压力；地震荷载；温度荷载（对重力坝施工期进行适当温控，运用期设置永久性横缝，则温度荷载不列为主要荷载。）混凝土重力坝的荷载组合分基本组合（由基本荷载组合）和特殊组合（由基本荷载和一种或几种特殊荷载组合）。9.4.4 重力坝的稳定分析重力坝稳定分析的目的是核算坝体沿坝基面或沿坝基岩内体软弱面上的稳定安全度。（1）、沿
31、坝基面的抗滑稳定分析。（2）、深层抗滑稳定分析。（3）、提高坝体抗滑稳定性的措施第19页/共50页9.4.5 重力坝的剖面设计 重力坝枢纽一般有非溢流坝段和溢流坝段等组成。9.4.5.1 非溢流重力坝剖面确定坝顶的宽度、坝顶高程。9.4.5.2 溢流重力坝的泄水方式溢流重力坝剖面设计除应满足强度、稳定、经济条件外，还应考虑泄水条件。溢流重力坝的泄水方式有坝顶式溢流、大孔口式溢流、深式泄水孔、等。9.4.5.3 洪水标准洪水标准包括洪峰流量和洪水总量。洪水标准是确定泄水建筑物孔口尺寸，进行水库调洪演算的重要依据。水利水电工程的永久性水工建筑物的洪水标准，应按山区、丘陵区和平原、滨海区分别由水利水
32、电工程等级划分及洪水标准查找。洪水标准分别有设计洪水标准和校核洪水标准2种。9.4.5.4 溢流坝孔口尺寸的选定溢流坝孔口尺寸即溢流坝的堰顶高程和溢流坝段的前沿宽度。溢流坝孔口尺寸需通过对与洪水标准相应的设计（校核）洪水过程进行调节计算确定。9.4.5.5 溢流坝剖面溢流剖面设计时上游oa曲线一般采用椭圆或三心园曲线；下游ob曲线一般采用WES曲线或克-奥曲线。9.4.5.6 溢流重力坝的下游消能溢流重力坝下游的消能方式主要有挑流消能、底流消能、面流消能及消力戽消能、等。选择消能方式时应因地制宜。第20页/共50页9.4.6 重力坝的构造及坝体材料9.4.6.1 重力坝的构造（1）重力坝的分缝
33、（包括横缝、纵缝、水平施工缝）；（2）坝体排水系统；（3）廊道系统。9.4.6.2 溢流坝坝顶的结构布置溢流坝坝顶上的构造包括闸门、闸墩边墩和导墙、工作桥及交通桥、等。9.4.6.3 重力坝的材料建造重力坝的材料一般为混凝土、浆砌石等。用于建造重力坝的混凝土属于水工混凝土，除应有足够的强度以保证其安全承受荷载外，还应要求在周围天然环境和使用条件下具有经久耐用的性能（即具有强度、抗渗、抗冻、抗冲刷、抗侵蚀、低热、抗裂等性能要求）。重力坝坝体各部分工作条件不同，对混凝土材料性能指标的要求也不同。为节约和合理使用水泥，通常需要对坝体材料进行分区第21页/共50页9.4.7 重力坝对地基的要求及地基处
34、理方法9.4.7.1 重力坝对建坝地基的要求重力坝对建坝地基的要求主要包括强度和抗渗性。强度即要求建坝地基具有一定的承载能力，不发生显著的变形。抗渗性要求建坝地基不发生管涌等渗透破坏（管涌是坝基中的细土壤颗粒被渗流带走而逐渐形成渗流通道的现象）。天然地基经过长期的地质作用，一般都有风化、节理、裂隙等缺陷以及断层、软弱夹层等结构面。重力坝的地基处理的任务就是要提高地基的强度、稳定性和抗渗能力。9.4.7.2 坝基的开挖和清理坝基的开挖是指挖出覆盖层及风化破碎的岩石。开挖深度应根据大坝的工程等级、坝高和基岩条件确定。9.4.7.3 坝基的固结灌浆固结灌浆是指在坝基的较大范围内钻孔，进行浅层低压灌浆
35、，用于整体加固地基。固结灌浆可改善地基的强度、整体性、提高基岩的不透水性，在溶洞、断层、基岩间的裂隙中充填混凝土有利于提高帷幕灌浆的压力。固结灌浆的范围主要在坝趾及坝踵处。钻孔布置形式有梅花形、方格形。钻孔的孔距和排距一般为2m-4m。钻孔的孔深一般在5m-15m之间。灌浆压力的大小以不掀动基岩为限。9.4.7.4 帷幕灌浆帷幕灌浆是在坝踵附近钻孔，进行深层高压灌浆，充填地基中的裂隙和渗水通道，形成一道连续的混凝土地下墙。帷幕灌浆作用是减少坝底渗透压力、降低坝底渗流坡降、防止坝基发生机械或化学管涌、减少渗流量。9.4.7.5 坝基排水坝基排水的目的是进一步降低坝底渗透压力。坝基排水通过在灌浆廊
36、道下游侧沿坝轴线方向钻设排水孔，形成一排排水幕。9.4.7.6 断层破碎带和溶洞的处理断层破碎带和溶洞的处理应根据具体情况选择合理的方式。第22页/共50页9.5 拱坝我国是世界上修建拱坝（见图9-5-1）最多的国家之一。我国的中、低拱坝以砌石拱坝为主，高拱坝则以混凝土拱坝为主。上世纪5070年代我国建成了近600座中、低砌石拱坝，成为我国砌石坝的主要坝型。70年代后我国开始兴建坝高在100m左右的拱坝，比如坝高88.0m的石门拱坝、100.5m的群英拱坝、112.5m的凤滩拱坝、等。随着筑坝经验的积累和提高，8090年代又相继建成一批坝高超过150m的高混凝土拱坝，比如白山、龙羊峡、隔河岩等
37、高混凝土重力拱坝；东江、二滩（最大坝高240m，居世界第三位）等高双曲拱坝。后来的小湾、拉西瓦、溪落渡也都采用高混凝土双曲拱坝。世界上的最高拱坝均位于前苏联，1980年修建的萨扬-舒申斯克重力拱坝坝高245m、1986年修建的英古里双曲拱坝坝高272m。图9-5-1拱坝第23页/共50页9.5.1 拱坝的特点在空间上，拱坝是一种三维壳体结构，属于高次超静定结构，高次超静定结构具有超载能力（当拱坝局部开裂，拱坝拱和梁的作用会自行调整，坝体的应力会重分配。国内外拱坝的破坏试验表明，在坝肩稳定的条件下，混凝土拱坝的超载能力可达设计荷载的511倍），抗震性能好，但温度变化和地基变形对坝体应力的影响不能
38、忽略。拱坝是推力结构，坝体的应力状态以受压为主。拱坝结构处于二向或三向受力状态，材料强度较单轴状态有所提高。采用拱坝坝型，建筑材料的抗压强度（混凝土的抗压强度约为抗拉强度的10倍）可以得到充分发挥。拱坝承受的荷载主要通过拱的作用传至两岸，拱坝的稳定取决于两岸坝端岩体的稳定（而重力坝则是依靠自己的重量来维持自身的稳定的），因此拱坝的体积可小，在坝高、坝址条件相同的情况下，拱坝的体积可为重力坝的1/1.51/5。拱坝可以看作是“拱”和“梁”的交织体，即坝体结构既有拱的作用，又有梁的作用。拱坝的荷载可由水平拱圈和垂直悬臂梁共同承担，水平拱圈将荷载传至两岸山体，垂直悬臂梁将荷载传至河床基岩。拱坝的泄水
39、和施工导流问题容易解决。第24页/共50页9.5.2 拱坝的适用条件9.5.2.1 地形条件地形条件可决定拱坝的混凝土方量，主要有河谷的宽高比、河谷的对称性、河谷的断面形状、河谷的平面形状、等。9.5.2.2 地质条件地质条件决定了拱坝的稳定性，拱坝对地质条件的要求是基岩完整均一，强度高，地质构造简单，抗渗性能好。9.5.3 拱坝的分类按拱圈厚度（根据拱坝在最大高度处的坝底厚度和坝高的比值，即厚高比TB/H），拱坝可分为薄拱坝（TB/H0.2）、中厚拱坝（0.2TB/H0.35）、重力拱坝（TB/H0.35）。按水平拱的厚度变化情况，拱坝又可分为等厚度拱（水平截面为厚度不变的水平拱）、变厚度拱
40、（水平截面为变厚度的水平拱。一般从拱冠至拱座逐渐加厚，以改善拱圈的内应力条件，减小拱座处岩基单位面积上所受的推力。变厚拱坝的应力条件较好，但设计和施工较为复杂，一般用于高、中拱坝。）。按拱圈轴线形式可分为园弧拱（轴线为园弧拱轴线的园筒拱坝水平截面是单心的圆弧水平拱，设计和施工较简单，但拱圈中压力线偏离中心线较大，拱端推力方向与岸坡边线的夹角往往较小，不利于坝肩岩体的抗滑稳定。圆拱一般适用于中、低拱坝）、园筒拱坝、变曲率拱坝（包括抛物线、椭圆形或对数螺旋形的水平拱圈，拱圈中间段曲率较大，可改善拱中部应力，近两岸曲率较小，有利于坝肩岩体的抗滑稳定。变曲率拱坝适用于不同河谷形式，设计和施工较为复杂，
41、多用于高、中拱坝。）、多心拱（包括二心拱、三心拱、四心拱，五心拱等，多心拱可以适应河谷形状，减少或加大拱端的曲率半径，用以改善坝身应力或增加坝肩稳定。）。按拱圈间的几何关系可分为定园心定外（内）半径拱坝（在U形河谷中，采用定园心，定外（内）半径拱坝较为适宜）、变园心变半径拱坝（在V形河谷中，宜采用变园心、变半径，以使坝体顶底拱圈分别采用适宜的中心角，改善坝体的应力状态。按拱坝的体形可分为单曲率拱坝（特点是结构简单、设计施工方便，下部拱圈中心角较小，拱的作用不明显）、双曲率拱坝（特点是拱冠梁在（1/51/3）坝高处向上游鼓出，利用壳体结构的力学特点，使材料的强度能充分发挥悬臂梁的倒悬造成的预压应
42、力，可平衡水压力产生的拉应力各层拱圈的半中心角接近最优自下而上倒悬，利于坝顶溢流结构复杂，施工难度较大。）。另外，还有一些特殊形式的拱坝，比如周边缝拱坝、空腹拱坝、等。第25页/共50页9.5.4 拱坝的基本尺寸和拱冠梁剖面9.5.4.1 拱坝半中心角的选择拱坝半中心角A的选择原则是满足坝体应力分布均匀、拱坝的体积较小、拱肩稳定性好，可通过纯拱法分析、园筒公式分析、坝肩稳定分析、拱端基岩开挖量分析方法确定。一般情况下A可在3555之间选取。为满足应力要求，坝顶、坝底A可取稍小些，在（1/21/3）坝高处A可取大些。9.5.4.2 拱坝的基本尺寸和拱冠梁剖面拱顶的厚度，无交通要求，一般为3m5m
43、，不小于3m。拱顶的厚度不仅对坝体上部应力有影响，而且对拱冠梁附近的梁底应力也有较大的影响。当河谷上部较宽时，应适当加大坝顶厚度，有利于降低梁底上游面的拉应力。拱底厚度还取决于坝高、坝型、河谷地形、地质等因素，薄拱坝TB/H0.2、中厚拱坝0.2TB/H0.35、重力拱坝TB/H0.35。9.5.4.3 拱坝的拱冠梁剖面单曲率拱坝的拱冠梁剖面有三种型式。上游为倾斜面适于坝顶溢流，下泄水流离坝脚较远，有利于坝脚的稳定。上游为铅直面稳定性好，有利于改善上游坝踵的应力条件，宜布置坝身泄水孔。上下均游为倾斜面的型式，介于以上两者之间。首先由经验公式计算坝体顶底拱圈的厚度，再根据坝址处的地形地质条件综合
44、分析确定单曲率拱坝的形式。9.5.5 拱坝的平面布置拱坝平面布置的任务是拟定拱冠梁剖面和拱圈的尺寸，通过平面布置，确定各高程拱圈的半径、中心角和厚度。第26页/共50页9.5.6 拱坝的荷载与应力拱坝的荷载包括温度荷载、地震荷载、竖直荷载、等温度荷载是拱坝的主要荷载之一。温度荷载源于运行期坝体混凝土实际温度与封拱时坝体的温度的差值。地震荷载。对拱坝，采用拟静力法计算地震作用效应时，沿建筑物高度作用于质点i的水平向地震惯性力代表值计算同重力坝。竖直荷载包括自重、竖向水重、扬压力、等。拱坝的荷载组合分为基本荷载组合和特殊荷载组合。需考虑的荷载包括水压力、自重、泥砂压力及浪压力、温度荷载、地震力、冰
45、压力、等。拱坝的荷载组合应根据各种荷载同时出现的可能性，选择最不利的组合，作为坝体应力和坝肩稳定分析的依据，组合情况可参考混凝土拱坝设计规范。水压力包括正常蓄水位或设计洪水位时的上、下游静水压力（相应于正常蓄水位或设计洪水位时的扬压力）；校核洪水位时的上、下游静水压力和动水压力（相应于校核洪水位时的扬压力）；水库死水位或最低水位时的上、下游静水压力；施工期遭遇洪水时的静水压力。自重指坝体及其上的永久性设备的自重。温度荷载应考虑设计正常温降、设计正常温升、接缝灌浆部分坝体设计正常温降、接缝灌浆部分坝体设计正常温升、等4种工况。第27页/共50页9.5.7 拱坝变位拱坝是超静定结构，地基变形对坝体
46、变形和应力的影响很大，目前国内广泛采用的是1952年由挪威F.伏格特提出的近似计算方法。由于作出了一些假定，该方法计算复杂且与实际情况有较大的出入。伏格特法简化计算方法有3个假定，即假定基岩为均质各向同性的半无限弹性体；将实际坝基面摊开成的不规则平面用一等效矩形ab替代、取b/a4；坝体材料与基岩材料的弹性模量相等，且基岩面与水平拱端正交。9.5.8 拱坝的应力计算拱坝是一个变厚度、变曲率，边界条件十分复杂的壳体结构，目前的理论计算，需作必要的假定和简化。拱坝的应力计算方法有纯拱法、拱梁法、有限单元法、等。9.5.9 拱坝的泄洪常用的拱坝泄洪形式有坝顶溢流式、孔口泄洪、等。9.5.10 泄水建
47、筑物的平面布置泄水建筑物的平面布置有以下3种方式。1）溢流坝段布置在河床中部可避免冲刷两岸。2）溢流坝段布置在两岸。采用对称布置使下泄水流在空中对撞消能。采用不对称布置有利于减小冲坑的深度。存在的问题是实际泄流情况与设计情况会有差异，对称布置水流在空中对撞消能不易实现，对称布置型式主要用于高坝、大泄量的情况。3）闸墩布置。闸墩径向布置，下泄水流的出口宽度减小、单宽流量增大、消能困难。闸墩非径向布置可增加下泄水流的出口宽度，减少下泄水流的单宽能量。第28页/共50页9.6 土石坝土石坝的特点是可就地、就近取材，节省大量水泥、木材和钢材，减少运输费用。能适合各种不同的地形、地质和气候条件，有丰富的
48、建造经验。岩石力学理论、试验手段和计算技术的发展，提高了大坝设计的安全可靠性。大容量、高效率的施工机械的发展，降低了建坝的造价，提高了土石坝的施工质量。高边坡、地下工程结构、高速水流消能防冲等工程设计和施工技术的综合发展，促进了土石坝（尤其是高土石坝）的建设和推广。土石坝按坝体材料可分为土坝、堆石坝。土坝主要由土料填筑而成。堆石坝的坝体材料中砂砾料含量在60%-70%以上，起骨架作用。土石坝按施工方式可分为碾压式土石坝、水力冲填坝、水中倒土坝、等3类。碾压式土石坝是用机械将土料分层碾压密实，是应用最广泛的施工方法。水力冲填坝用水力机械开采运输和填筑土料而形成坝体。水中倒土坝是在坝址处修筑围埂形
49、成水池，在静水中填土，使其自行崩解压密，逐步填筑升高坝体。后两种方法常在国内有的中小型土坝工程施工时采用。土石坝按坝体材料组合和防渗体的相对位置可分为均质坝、分区坝、等2类。均质坝的坝体基本由透水性小的土料填筑而成，不需设置专门的防渗设备，一般采用透水性较小的砂质粘土或壤土，也可以采用几种土料配置的混合料。分区坝由土质防渗体和若干种透水性不同的土石料分区填筑而成，在坝体中央采用弱透水性士料、自中央向上下游侧的土石料透水性逐渐增大（称为心墙坝），上游侧坝体采用弱透水性土料做成防渗斜墙、坝主体采用较透水的土料、其透水性可由上游向下游侧逐渐增大（称为斜墙坝）。见图9-6-1。第29页/共50页图9-
50、6-1各种类型的土石坝图9-6-2土石坝的浸润线第30页/共50页9.6.1 土石坝的设计原则及要求土石坝的设计原则及要求主要有以下6点。（1）、坝身不能泄洪。土石坝枢纽中应按洪水标准设置容量足够大的泄洪建筑物，绝对不允许洪水漫顶、造成失事。（2）、需有适宜的坝坡维持坝坡及坝基的稳定性。（3）、应设置良好的防渗和排水措施，控制渗流、防止坝体产生渗透变形。渗流会在坝体内产生自由水面线（称为浸润线，见图9-6-2）。渗流会造成水库的水量损失，减轻坝体渗流区内土体的有效重量，对坝坡稳定不利，使渗流逸出处土体产生渗透破坏。渗流的控制方法是设置防渗和排水设施。（4）、根据现场的土料条件，选择好土料的填筑