水工建築物

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水工建築物(Hydraulic Structure)

　　水工建築物是指控制和調節水流、防治水害、開發利用水資源的建築物。水工建築物是實現除害興利的各項水利工程的重要組成部分。

　　水工建築物可按使用期限和功能進行分類。按使用期限可分為永久性水工建築物和臨時性水工建築物，後者是指在施工期短時間內發揮作用的建築物，如圍堰、導流隧洞、導流明渠等。按功能可分為通用性水工建築物和專門性水工建築物兩大類。

• 通用性水工建築物主要有：

　　① 擋水建築物，如各種壩、水閘、堤和海塘；

　　② 泄水建築物，如各種溢流壩、岸邊溢洪道、泄水隧洞、分洪閘；

　　③ 進水建築物，也稱取水建築物，如進水閘、深式進水口、泵站；

　　④ 輸水建築物，如引（供）水隧洞、渡槽、輸水管道、渠道；

　　⑤ 河道整治建築物，如丁壩、順壩、潛壩、護岸、導流堤。

• 專門性水工建築物主要有：

　　① 水電站建築物，如前池、調壓室、壓力水管、水電站廠房；

　　② 渠系建築物，如節制閘、分水閘、渡槽、沉沙池、沖沙閘；

　　③ 港口水工建築物，如防波堤、碼頭、船塢、船台和滑道；

　　④ 過壩設施 ，如 船閘 、 升船機 、 放木道 、筏道 及魚道 等。

　　有些水工建築物的功能並非單一，難以嚴格區分其類型，如各種溢流壩，既是擋水建築物，又是泄水建築物；閘門既能擋水和泄水，又是水力發電、灌溉、供水和航運等工程的重要組成部分。有時施工導流隧洞可以與泄水或引水隧洞等結合。

　　由於水的作用和影響，與其它建築物相比，水工建築物有以下特點。

　　1.工作條件複雜

　　水工建築物經常承受著水的作用，產生各種作用力，對其工作條件不利。擋水建築物承受著一定的水平靜水壓力、風浪壓力、地震動水壓力、冰壓力、浮力以及滲流產生的滲透壓力，對建築物的穩定性影響極大，水流滲入建築物內部及地基中，還可能產生侵蝕和滲透破壞；泄水建築物的過水部分，還承受著水流的動水壓力，高速水流還可能對建築物產生空蝕、振動以及對河床產生沖刷。由於水的某些作用力難以用計算方法確定，所以進行大中型水工建築物設計時，往往按理論和經驗擬定建築物的尺寸、構造和外形後，還須藉助模型試驗進行驗證和修改，併在實際工程上進行觀測研究，以提高設計理論。

　　2.施工條件複雜

　　在河床中修築建築物，需要解決施工導流的問題，避免建築物基坑及施工設施被洪水淹沒。根據河道情況，在施工期還要保證航運和木材浮運不致中斷。要進行很深的地基開挖和複雜的地基處理，常需水下施工。因此，水工建築物的施工比陸地上的土木工程複雜得多。再加上工程量龐大，要在較短時間內完成，故需要採用先進的施工技術、大型施工機械和科學的施工組織與管理體制。

　　3.對國民經濟的影響巨大

　　一個綜合性的大型蓄水樞紐，不僅可以免除洪水災害，還可發電、改良航道、變沙漠為良田、調節當地氣候、美化周圍環境。舉世聞名的長江三峽工程建成後，將使三峽下游五省一市免受洪水災害，將充足的電力輸送到華中、華東、華北的城市和農村，並獲得灌溉航運之利。但是，如果處理不當，也可能產生消極影響。如建水庫後，不僅導致大量移民和遷建；還可能引起庫區周圍地下水位的變化，直接影響工農業生產，甚至影響生態環境，大型水庫還可能誘發地震。攔蓄巨大水量的擋水建築物萬一失事，將會給下游帶來巨大的災害，其損失遠遠超過建築物本身的價值，並使以該水利樞紐為基礎而建立起來的經濟事業處於癱瘓狀態。因此，水工建築物設計工作必須充分重視勘測、試驗和研究分析工作，以高度負責的精神，精心設計、精心施工、加強管理，確保工程安全。

　　水工建築物的作用可按不同的因素進行分類。

　　①按隨時間的變異，作用可分為永久作用、可變作用、偶然作用三類；

　　②按隨空間位置的變異，作用可分為固定作用、可動作用兩類；

　　③按引起結構的反應，作用可分為靜態作用、動態作用兩類。按屬於安全繫數設計法的規範，作用可分為基本荷載和特殊荷載兩類。

　　1.水工建築物的自重作用

　　水工建築物自重屬恆定荷載，對水工建築物的工作狀態起著重要作用。水工建築物本身的重力可按確定。式中，g為材料重度，kN／m³；V為體積，m³。

　　2.水工建築物的滲流作用

　　水工建築物的滲流作用涉及揚壓力、有效應力、孔隙水壓力、總應力等。築壩擋水後，在上、下游水位差的作用下，水將經過壩體和壩基向下游滲漏，形成滲透水流。滲流從上游流向下游的過程中，逐步消耗著水頭，相應於某一計算點剩餘水頭的壓力稱為該點的滲透壓力。若計算點在下游水位以下，則在該點處又存在著靜水壓力，也稱為浮托力。該點所受的總水壓力即為該點的滲透壓力和浮托力之和。水壓力是各向相等的。當我們考慮建築物底面或其他水平截面的這種荷載時，其方向是向上的，因此，習慣上稱為揚壓力。揚壓力作用在100％的截面面積上。

　　3.水工建築物的流體作用

　　水工建築物的流體作用包括靜水作用、動水作用、波浪作用、冰作用、高速水流作用、沖刷作用等。

　　(1)靜水作用。靜水作用是不流動的水作用在建築物上的壓力，稱為靜水壓力。靜水壓力是錶面力。在靜水中，任一點壓力為該點的壓強，也稱點壓力。

　　點壓力是個矢量。水下任一計算點的靜水壓力值在該點的任何方向上是相同的。建築物擋水後，靜水壓力的方向垂直作用於建築物的錶面。

　　(2)動水作用。動水作用是水體在流動過程中對建築物產生的作用。動水作用對水工建築物產生的作用力，包括水體在其流動邊界上產生的摩阻力、建築物過水錶面上的壁面動水壓力、泄水建築物在拋射水流時產生的反作用力、地震時建築物錶面因振動產生的動水壓力、溢流壩溢流時作用在壩面上的動水壓力等，這些壓力一般通過水工試驗確定，也可按經驗公式進行近似計算。

　　(3)波浪作用。波浪的高度是指從波峰到波谷的高差，波浪的長度則為波峰(谷)到波峰(谷)的距離。波浪的波長L1、波浪的高度h1、波浪中心線壅高h0。構成波浪的三要素。在上石壩和水閘設計中，還需引入與波高相對應的平均波周期要素。求解出波浪要素，判斷出波浪的類型，就可求解作用在重力壩上的浪壓力大小及壩頂在最大靜水位上的超高。淺水波、破碎波情況下波浪要素的求解公式略。

　　(4)冰作用。冰作用分靜冰壓力與動冰壓力兩種。靜冰壓力是江河渠湖或水庫等水面結冰後，因溫度升高冰層膨脹而對建築物產生的樂力。動冰壓力是流動冰塊對建築物撞擊時的作用力。冰壓力對中等以上高度的壩並不重要，但對低壩、水閘、閘墩、胸牆等結構物，冰壓力則往往成為比較重要的荷載。

　　(5)高速水流作用。泄水建築物中的水流流速增加到一定的程度時(u>16—18m／S)，隨之會出現一些高速水流所特有的問題，比如高佛氏數、大雷諾數、紊動強烈、對邊界變化非常敏感，很容易產生衝擊波、摻氣、空穴等現象。

　　(6)水工建築物的沖刷作用和防護。泄水建築物消能的原則就是要將下泄水流的能量在水流旋滾紊動中削減。泄水建築物的消能方式分為體內消能和體外消能。體內消能是在建築物錶面或內部產生水流紊動消能(比如階梯式消能工、寬尾墩消能工等輔助消能工等)。體外消能是在泄水建築物的下游某一指定地方通過一定方式消剎水能，常用的有底流消能、挑流消能、面流消能和戽流消能等。

　　4.水工建築物的地震作用

　　地震會引起對水工建築物的動力作用，在地震區築壩，必須考慮地震作用。水工建築物抗震計算應考慮的地震作用包括建築物自重和其上的荷重所產生的地震慣性力、地震動土壓力、地震動水壓力。抗震設計中常用到基本烈度和設計烈度的概念。基本烈度是指建築所在地區，5O年基準期內，可能遭遇的地震事件中，超越概率為0．10所對應的烈度，一般為《中國地震烈度區劃圖》上所標示的地震烈度值，對重大工程應通過專門的場地地震危險性分析確定。設計烈度指在基本烈度基礎上確定的作為工程設防依據的地震烈度。一般情況下，設計烈度等於基本烈度。對於1級水工建築物，可根據工程的重要性、受害後果的危害性及工程地點的地質條件的複雜性，在基本烈度的基礎上提高1度。設計烈度在6度以下可不進行抗震設計，而設計烈度高於9度的水工建築物或高度超過250m的壅水建築物，其抗震安全性應進行專門研究論證。