水利水电工程技术实务精品课件：9水利水电工程设计.ppt

1、水力荷载 根据水工建筑物荷载设计规范(DL 5077-1997)，水工建筑物的荷载按作用随时间的变异性，可分为永久作用荷载、可变作用荷载和偶然作用荷载。其中可变作用荷载包括：静水压力、扬压力、动水压力、水锤压力、浪压力、外水压力、风荷载、雪荷载、冰压力、冻胀力、温度荷载、土壤孔隙水压力、灌浆压力等；,偶然作用荷载包括：地震作用、校核洪水位时的静水压力。 其中，静水压力、扬压力、动水压力、浪压力和冰压力是水工建筑物上所承受的主要水力荷载。,例：水闸公路桥T形梁的预应力属于（ ）荷载。 A.永久作用 B.可变作用 C.偶然作用 D.施工期临时 答案:A,解析：永久作用荷载:包括结构自重和永久设备自

2、重、土压力、淤沙压力、地应力、围岩压力、预应力；可变作用荷载:包括静水压力、扬压力、动水压力、水锤压力、浪压力、外水压力、风荷载、雪荷载、冰压力、冻胀力、温度荷载、土壤孔隙水压力、灌浆压力等；偶然作用荷载:包括地震作用、校核洪水位时的静水压力、扬压力、浪压力及水重等。,例：（ ）是水工建筑物上所承受的主要水力荷载。 A.静水压力 B.扬压力 C.浪压力 D.冰压力 E.外水压力 答案: ABCD,一、静水压力 (一)一般规定如图1F411027-1所示，垂直作用于建筑物（结构）表面某点处的静水压强应按下式计算： P=rh （1F411027-1） 式中 p-计算点处的净水压强（KN/m2）；

3、h-计算点处的作用水头（m），按计算水位于计算点之间的高差确定； r-水的重要（KN/m3），一般采用9.8 KN/m3，对于多泥砂河流应根据实际情况确定；,水深为H时，单位宽度上水平静水压力P按下式计算： 式中 : p-单位宽度作用面上的水平净水压力（kN）； H-水深（m）； r-水的重度（KN/m3），一般采用9.8 KN/m3，对于多泥砂河流应根据实际情况确定；,例：尺寸为1.5m1.0m0.8m（长宽高）的箱体平放在水深为2.8m的水池底面，箱体顶面受到的静水压力为（ ）kN（水的重度取10kN/m3）。 A.20 B.27 C.30 D.42 答案：C,(二)枢纽建筑物的静水压力

4、坝、水闸等挡水建筑物和河床式水电站厂房在运用期静水压力代表值的计算水位应按下列规定确定： 持久设计状况，上游采用水库的正常蓄水位(或防洪高水位)，下游采用可能出现的不利水位； 偶然设计状况，上游采用水库的校核洪水位，下游采用水库在该水位泄洪时的水位；,短暂设计状况，采用设计预定该建筑物在检修期的上、下游水位。 水工建筑物抗震计算时的水库计算水位，可采用正常蓄水位；对于多年调节水库，经论证后可采用低于正常蓄水位的上游水位。,二、扬压力 作用于建筑物计算截面上的扬压力分布图形，应根据不同的水工结构形式，上、下游计算水位，地基地质条件及防渗、排水措施等情况确定。,例：作用与建筑物计算截面上的扬压力分

5、布图形，应根据不同的（ ）等情况确定。 A.水工结构形式 B.上、下游计算水位 C.地基地质条件 D.防渗、排水措施 E.水流方向 答案：ABCD,三、冰压力 冰压力包括静冰压力和动冰压力。 (一)静冰压力 在寒冷地区的冬季，水面结冰的厚度自数厘米至lm以上。当温度回升时(仍低于0)，因冰盖膨胀对建筑物表面产生的冰压力称为为静冰压力。静冰压力的大小与冰层厚度、开始升温时的气温及温升率有关。,(二)动冰压力 冰盖解冻破裂后，冰块随水流漂移，撞到建筑物上而产生撞击力称为动冰压力。动冰压力的大小与冰层厚度、冰块流速及流向、冰的抗压强度、建筑物迎冰面的体形有关。,例：动冰压力的大小与（ ）有关。 A.

6、冰层厚度 B.冰块流速 C.冰的抗压强度 D.建筑物背冰面的体形 E.冰块流向 答案：ABCE,渗流分析 一、土石坝的渗流分析 渗流分析的内容包括：确定浸润线的位置；确定渗流的主要参数渗流流速与坡降；确定渗流量。进行渗流分析的方法较简单的有水力学法和流网法。,二、闸基的渗流分析 闸基渗流计算的目的是计算水闸闸基地下轮廓线各点的渗透压力、渗透坡降、渗透流速及渗流量。进行渗流分析的近似方法较为常用的方法有直线比例法、流网法和改进阻力系数法。,例：闸基的渗流分析近似方法中，较为常用的是（ ）。 A.直线比例法 B.直线展开法 C.加权直线法 D.流网法 E.改进阻力系数法 答案：ADE,三、渗透系数

7、 渗透系数是反映土的渗流特性的一个综合指标。渗透系数的大小主要取决于土的颗粒形状、大小、不均匀系数及水温，一般采用经验法、室内测定法、野外测定法确定。渗透系数k的计算公式如下：,（1F411028） 式中 Q-实则的流量（m3/s）； A-通过渗流的土样横断面面积（m2）； L-通过渗流的土样高度（m）； H-实则的水头损失（m）,例：渗透系数的计算公式为： ，式中L表示（ ）。 A.通过渗流的土样面积 B.通过渗流的土样高度 C.实测水头损失 D.实验水压 答案：B,例：以渗透系数自大到小排列顺序正确的是（ ）。 A . 黏土砂壤土粉砂细砂 B . 黏土砂壤土细砂粉砂 C . 细砂粉砂砂壤土

8、黏土 D . 粉砂细砂砂壤土黏土 答案：C,四、渗透变形 渗透变形又称为渗透破坏，是指在渗透水流的作用下，土体遭受变形或破坏的现象。一般可分为管涌、流土、接触冲刷、接触流失四种基本形式。,(一)管涌 在渗流作用下，非黏性土土体内的细小颗粒沿着粗大颗粒间的孔隙通道移动或被渗流带出，致使土层中形成孔道而产生集中涌水的现象称为管涌。 管涌一般发生在无黏性砂土、砂砾土的下游坡面和地基渗流的逸出处。对于黏土土料，由于颗粒之间存在黏聚力，渗流不容易把土壤颗粒带走，因此较少发生管涌。,例：在渗流作用下，非黏性土土体内的细小颗粒沿着粗大颗粒间的孔隙通道移动或被渗流带出，致使土层中形成孔道而产生集中涌水的现象称

9、为（ ）。 A.流土 B.接触冲刷 C.管涌 D.接触流土 答案：C,(二)流土 在渗流作用下，非黏性土土体内的颗粒群同时发生移动的现象；或者黏性土土体发生隆起、断裂和浮动等现象，都称为流土。因为在渗流出口处往往渗透坡降最大，所以流土现象主要发生在黏性土及较均匀的非黏性土体的渗流出口处。,例：由于基坑降水中断，黏性土地基发生土体隆起的形式属于（ ）。 A.流土 B.管涌 C.接触冲刷 D.接触流失 答案：A,解析：在渗流作用下，非黏性土土体内的颗粒群同时发生移动的现象；或者黏性土土体发生隆起、断裂和浮动等现象，都称为流土。,(三)接触冲刷 当渗流沿着两种渗透系数不同的土层接触面或建筑物与地基的

10、接触面流动时，在接触面处的土壤颗粒被冲动而产生的冲刷现象称为接触冲刷。 (四)接触流失 在层次分明、渗透系数相差悬殊的两层土中，当渗流垂直于层面时，将渗透系数小的一层中的细颗粒带到渗透系数大的一层中的现象称为接触流失。,管涌和流土主要发生在单一结构的土体(地基)中，接触冲刷和接触流失主要发生在多层结构的土体(地基)中。一般来讲，黏性土的渗透变形(破坏)形式主要是流土。 以上四种渗透破坏类型中，最主要的是管涌和流土。,例：渗透变形一般可分为（ ）等类型。 A.流土 B.滑坡 C.管涌 D.接触流失 E.接触冲刷 答案：ACDE,(五)防止渗透变形的工程措施 防止岩(土)产生渗透变形的工程措施可概

11、括为两大类：一类是改善岩土体的结构特性，提高其抵抗渗透变形的能力，使其由可能产生渗透变形的岩(土)体，变成为不易产生渗透破坏的岩(土)体；另一类是采取措施截断岩(土)体中的渗透水流或减小岩(土)体中渗透水流渗透比降，使其小于允许比降。,第一类措施通常只用在岩体中。为防止岩体内断层破碎带、软弱夹层、裂隙填充物产生渗透变形(破坏)，可采用水泥灌浆、化学灌浆、混凝土防渗墙、局部置换等方法提高这类软弱破碎物质的抗渗性。这类处理措施通常都是和提高断层破碎带、软弱夹层的力学性质相结合进行的。,第二类处理措施中，最可靠的方法是在渗透土层中兴建防渗墙，截断土层中的渗透水流，降低渗透坡降，同时增加渗流出口处土体

12、抵抗渗透变形的能力，从而消除产生渗透变形的前提条件。具体工程措施为：,1设置水平与垂直防渗体，增加渗径的长度，降低渗透坡降或截阻渗流。 2设置排水沟或减压井，以降低下游渗流口处的渗透压力，并且有计划地排除渗水。 3对有可能发生管涌的地段，应铺设反滤层，拦截可能被渗流带走的细小颗粒。 4对有可能产生流土的地段，则应增加渗流出口处的盖重。盖重与保护层之间也应铺设反滤层。,例：防止土石坝产生渗透变形的工程措施有（ ）等。 A.设置水平与垂直防渗体 B.设置上游堆石戗堤 C.设置排水沟或减压井 D.在有可能发生管涌的地段铺设反滤层 E.在有可能产生流土的地段增加渗流出口处的盖重 答案：ACDE,(六)

13、反滤层和过渡层 反滤层的作用是滤土排水，防止在水工建筑物渗流出口处发生渗透变形。对反滤层的要求是： 1相邻两层间，颗粒较小的一层的土体颗粒不能穿过较粗的一层土体颗粒的孔隙； 2各层内的土体颗粒不能发生移动，相对要稳定； 3被保护土壤的颗粒不能够穿过反滤层； 4反滤层不能够被淤塞而失效；,5耐久、稳定，在使用期间不会随着时间的推移和环境的影响而发生性质的变化。 坝的反滤层必须符合下列要求：使被保护的土不发生渗透变形；渗透性大于被保护土，能通畅地排出渗透水流；不致被细粒土淤塞失效。,水流形态及消能方式 一、水流形态 从描述水流的不同角度出发，水流形态主要包括：恒定流与非恒定流、均匀流与非均匀流、层

14、流与紊流、急流与缓流。 (一)恒定流与非恒定流 1恒定流。流场中任何空间上所有的运动要素(如时均流速、时均压力、密度等)都不随时间而改变的水流称为恒定流。,2非恒定流。流场中任何空间上有任何一个运动要素随时间而改变的水流称为非恒定流。 (二)均匀流与非均匀流 1均匀流。当水流的流线为相互平行的直线时的水流称为均匀流。例如一引水渠，某顺直渠段中没有进出水(流量不变)、渠道横断面尺寸沿程不变，则该渠段内的水流即为均匀流，水面线为一直线，且与渠底坡线平行。,均匀流的过水断面为平面，且过水断面的形状和尺寸沿程不变；均匀流中，同一流线上不同点的流速应相等，从而各过水断面上的流速分布相同，断面平均流速相等

15、；均匀流在同一过水断面上各点测压管水头为一常数。,例：某顺直引水渠段流量不变，渠道横断面尺寸沿程不变，则该渠段内的水流为（ ）。 A.均匀流 B.渐变流 C.非均匀流 D.急变流 答案：A,2非均匀流。当水流的流线不是相互平行的直线时的水流称为非均匀流。按照流线不平行和弯曲的程度，可将非均匀流分为渐变流和急变流两种类型。 (1)渐变流：水流的流线虽然不是相互平行直线，但几乎近于平行直线时的水流称为渐变流。 (2)急变流：当水流的流线之间夹角很大或者流线曲率半径很小时的水流称为急变流。,例：若水流的流线之间夹角很大或者流线曲率半径很小，这种水流称为（ ）。 A.均匀流 B.渐变流 C.恒定流 D

16、.急变流 答案：D,(三)层流与紊流 同一液体在同一管道中流动，当流速不同时，液体可有层流和紊流两种不同的流态。 1层流：当流速较小，各流层的液体质点有条不紊地运动，互不混搀，该流动形态为层流。 2紊流：当流速较大，各流层的液体质点形成涡体，在流动过程中互相混搀，该流动形态为紊流。,实际工程中紊流是最为常见的流态，如闸后、跌水、泄水、水轮机中的水流均为紊流。,(四)急流与缓流 1急流：当水深小于临界水深，佛汝德数大于l的水流，称为急流。 2缓流：当水深大于临界水深，佛汝德数小于l的水流，称为缓流。,二、消能方式 修建闸、坝等泄水建筑物后，下泄的水流往往具有很高的流速。动能比较大，为了减小对下游

17、河道的冲刷，采取的消能方式有：底流消能、挑流消能、面流消能、消力戽消能。,(一)底流消能 是利用水跃消能，它主要是靠水跃产生的表面旋滚与底部主流间的强烈紊动、剪切和掺混作用。多用于低水头、大流量、地质条件较差的泄水建筑物。但护坦较长，土石方开挖量和混凝土方量较大，工程造价较高。该法对地质条件的要求较低，既适用于坚硬岩基，也适用于较软弱或节理裂隙较为发育的岩基。,例：低水头、大流量、地质条件较差的泄水建筑物宜采用（ ）。 A.底流消能 B.挑流消能 C.面流消能 D.消力戽消能 答案：A,例：既适用于坚硬岩基，也适用于较软弱岩基的消能方式是（ ）。 A.底流消能 B.挑流消能 C.面流消能 D.

18、消力戽消能 答案：A,(二)挑流消能 利用溢流坝下游设置挑流坎，把高速水流挑射到下游空中，然后扩散的掺气水流跌落到坝下游河道内，在尾水水深中发生漩涡、冲击、掺搅、紊动、扩散、剪切，以消除能量。但跌落的水流仍将冲刷河床，形成冲刷坑，在冲刷坑中水流继续消能。适用于坚硬岩基上的高、中坝。,(三)面流消能 当下游水深较大且比较稳定时，利用鼻坎将下泄的高速水流的主流挑至下游水面，在主流与河床之间形成巨大的底部旋滚，旋滚流速较低，避免高速水流对河床的冲刷。余能主要通过水舌扩散、流速分布调整及底部旋滚与主流的相互作用而消除。高流速的主流位于表层。适用于中、低水头工程尾水较深，流量变化范围较小，水位变幅较小，或有排冰、漂木要求的情况。一般不需要作护坦。,例：下图所示消能方式属于（ ）消能。 A.底流 B.挑流 C.面流 D.消力戽 答案：C,(四)消力戽消能 利用泄水建筑物的出流部分造成具有一定反弧半径和较大挑角所形成的戽斗，在下游尾水淹没挑坎的条件下，形不成自由水舌，高速水流在戽斗内产生激烈的表面旋滚，后经鼻坎将高速的主流挑至水面。并通过戽后的涌浪及底部旋滚而获得较大的消能效果。适用于尾水较深，流量变化范围较小，水位变幅较小，或有排冰、漂木要求的情况。一般不需要作护坦。,