水工建筑物

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水工建筑物(Hydraulic Structure)

　　水工建筑物是指控制和调节水流、防治水害、开发利用水资源的建筑物。水工建筑物是实现除害兴利的各项水利工程的重要组成部分。

　　水工建筑物可按使用期限和功能进行分类。按使用期限可分为永久性水工建筑物和临时性水工建筑物，后者是指在施工期短时间内发挥作用的建筑物，如围堰、导流隧洞、导流明渠等。按功能可分为通用性水工建筑物和专门性水工建筑物两大类。

• 通用性水工建筑物主要有：

　　① 挡水建筑物，如各种坝、水闸、堤和海塘；

　　② 泄水建筑物，如各种溢流坝、岸边溢洪道、泄水隧洞、分洪闸；

　　③ 进水建筑物，也称取水建筑物，如进水闸、深式进水口、泵站；

　　④ 输水建筑物，如引（供）水隧洞、渡槽、输水管道、渠道；

　　⑤ 河道整治建筑物，如丁坝、顺坝、潜坝、护岸、导流堤。

• 专门性水工建筑物主要有：

　　① 水电站建筑物，如前池、调压室、压力水管、水电站厂房；

　　② 渠系建筑物，如节制闸、分水闸、渡槽、沉沙池、冲沙闸；

　　③ 港口水工建筑物，如防波堤、码头、船坞、船台和滑道；

　　④ 过坝设施 ，如 船闸 、 升船机 、 放木道 、筏道 及鱼道 等。

　　有些水工建筑物的功能并非单一，难以严格区分其类型，如各种溢流坝，既是挡水建筑物，又是泄水建筑物；闸门既能挡水和泄水，又是水力发电、灌溉、供水和航运等工程的重要组成部分。有时施工导流隧洞可以与泄水或引水隧洞等结合。

　　由于水的作用和影响，与其它建筑物相比，水工建筑物有以下特点。

　　1.工作条件复杂

　　水工建筑物经常承受着水的作用，产生各种作用力，对其工作条件不利。挡水建筑物承受着一定的水平静水压力、风浪压力、地震动水压力、冰压力、浮力以及渗流产生的渗透压力，对建筑物的稳定性影响极大，水流渗入建筑物内部及地基中，还可能产生侵蚀和渗透破坏；泄水建筑物的过水部分，还承受着水流的动水压力，高速水流还可能对建筑物产生空蚀、振动以及对河床产生冲刷。由于水的某些作用力难以用计算方法确定，所以进行大中型水工建筑物设计时，往往按理论和经验拟定建筑物的尺寸、构造和外形后，还须借助模型试验进行验证和修改，并在实际工程上进行观测研究，以提高设计理论。

　　2.施工条件复杂

　　在河床中修筑建筑物，需要解决施工导流的问题，避免建筑物基坑及施工设施被洪水淹没。根据河道情况，在施工期还要保证航运和木材浮运不致中断。要进行很深的地基开挖和复杂的地基处理，常需水下施工。因此，水工建筑物的施工比陆地上的土木工程复杂得多。再加上工程量庞大，要在较短时间内完成，故需要采用先进的施工技术、大型施工机械和科学的施工组织与管理体制。

　　3.对国民经济的影响巨大

　　一个综合性的大型蓄水枢纽，不仅可以免除洪水灾害，还可发电、改良航道、变沙漠为良田、调节当地气候、美化周围环境。举世闻名的长江三峡工程建成后，将使三峡下游五省一市免受洪水灾害，将充足的电力输送到华中、华东、华北的城市和农村，并获得灌溉航运之利。但是，如果处理不当，也可能产生消极影响。如建水库后，不仅导致大量移民和迁建；还可能引起库区周围地下水位的变化，直接影响工农业生产，甚至影响生态环境，大型水库还可能诱发地震。拦蓄巨大水量的挡水建筑物万一失事，将会给下游带来巨大的灾害，其损失远远超过建筑物本身的价值，并使以该水利枢纽为基础而建立起来的经济事业处于瘫痪状态。因此，水工建筑物设计工作必须充分重视勘测、试验和研究分析工作，以高度负责的精神，精心设计、精心施工、加强管理，确保工程安全。

　　水工建筑物的作用可按不同的因素进行分类。

　　①按随时间的变异，作用可分为永久作用、可变作用、偶然作用三类；

　　②按随空间位置的变异，作用可分为固定作用、可动作用两类；

　　③按引起结构的反应，作用可分为静态作用、动态作用两类。按属于安全系数设计法的规范，作用可分为基本荷载和特殊荷载两类。

　　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确定。式中，g为材料重度，kN／m³；V为体积，m³。

　　2.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。

　　3.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。

　　(1)静水作用。静水作用是不流动的水作用在建筑物上的压力，称为静水压力。静水压力是表面力。在静水中，任一点压力为该点的压强，也称点压力。

　　点压力是个矢量。水下任一计算点的静水压力值在该点的任何方向上是相同的。建筑物挡水后，静水压力的方向垂直作用于建筑物的表面。

　　(2)动水作用。动水作用是水体在流动过程中对建筑物产生的作用。动水作用对水工建筑物产生的作用力，包括水体在其流动边界上产生的摩阻力、建筑物过水表面上的壁面动水压力、泄水建筑物在抛射水流时产生的反作用力、地震时建筑物表面因振动产生的动水压力、溢流坝溢流时作用在坝面上的动水压力等，这些压力一般通过水工试验确定，也可按经验公式进行近似计算。

　　(3)波浪作用。波浪的高度是指从波峰到波谷的高差，波浪的长度则为波峰(谷)到波峰(谷)的距离。波浪的波长L1、波浪的高度h1、波浪中心线壅高h0。构成波浪的三要素。在上石坝和水闸设计中，还需引入与波高相对应的平均波周期要素。求解出波浪要素，判断出波浪的类型，就可求解作用在重力坝上的浪压力大小及坝顶在最大静水位上的超高。浅水波、破碎波情况下波浪要素的求解公式略。

　　(4)冰作用。冰作用分静冰压力与动冰压力两种。静冰压力是江河渠湖或水库等水面结冰后，因温度升高冰层膨胀而对建筑物产生的乐力。动冰压力是流动冰块对建筑物撞击时的作用力。冰压力对中等以上高度的坝并不重要，但对低坝、水闸、闸墩、胸墙等结构物，冰压力则往往成为比较重要的荷载。

　　(5)高速水流作用。泄水建筑物中的水流流速增加到一定的程度时(u>16—18m／S)，随之会出现一些高速水流所特有的问题，比如高佛氏数、大雷诺数、紊动强烈、对边界变化非常敏感，很容易产生冲击波、掺气、空穴等现象。

　　(6)水工建筑物的冲刷作用和防护。泄水建筑物消能的原则就是要将下泄水流的能量在水流旋滚紊动中削减。泄水建筑物的消能方式分为体内消能和体外消能。体内消能是在建筑物表面或内部产生水流紊动消能(比如阶梯式消能工、宽尾墩消能工等辅助消能工等)。体外消能是在泄水建筑物的下游某一指定地方通过一定方式消刹水能，常用的有底流消能、挑流消能、面流消能和戽流消能等。

　　4.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。抗震设计中常用到基本烈度和设计烈度的概念。基本烈度是指建筑所在地区，5O年基准期内，可能遭遇的地震事件中，超越概率为0．10所对应的烈度，一般为《中国地震烈度区划图》上所标示的地震烈度值，对重大工程应通过专门的场地地震危险性分析确定。设计烈度指在基本烈度基础上确定的作为工程设防依据的地震烈度。一般情况下，设计烈度等于基本烈度。对于1级水工建筑物，可根据工程的重要性、受害后果的危害性及工程地点的地质条件的复杂性，在基本烈度的基础上提高1度。设计烈度在6度以下可不进行抗震设计，而设计烈度高于9度的水工建筑物或高度超过250m的壅水建筑物，其抗震安全性应进行专门研究论证。