水工建築物

社會發展，教育先行。黨中央明確提出“以人為本、構建和諧社會、建設創新型國家”的奮鬥目標，做出“建設社會主義新農村”、“大力發展職業技術教育”的決定，並作為“十一五”規劃的主要任務。水是國民經濟的命脈，也是人類發展的命脈。水利建設關乎國計民生，水工建設是最重要的基礎建設。新中國成立以來，以已經基本建成的三峽水利樞紐為世界水利建設水平的標誌，中國水利工程建設取得了巨大的成就。中國水利工程建設正處在高潮時期，規模之大，矛盾之多，技術之難，舉世矚目；經濟可持續發展與生態環境保護的責任，任重道遠；人與社會、自然的和諧共處，需要大家共同努力去創建。本書是根據2003年10月全國高等農業院校“十五”規劃教材水利類系列教材編寫會議的精神，針對“應用本科”培養的需要，兼顧專科（高職）的知識銜接，在1991年水利電力出版社《水工建築物》教材長期使用的基礎上，在改革開放二十多年來水利標準化工作得到了很大發展的條件下，在水利部以現行有效的水利技術標準為主體2002年以後出版的《水利技術標準彙編》的規範下，又作為校內教材在“十五”期間試用、完善的過程中組織編寫的，特別注意了作為教材的實用性、科學性、先進性。《水工建築物》是研究水流與建築物矛盾的學科，是為治河防洪、發電供水、灌溉排澇、航道港口、水利開發、綜合利用、生態水利等專業開設的一門主要專業課。全書除緒論外共分三篇（十二章）：第一篇是蓄水樞紐的主要水工建築物，着重介紹壩、溢洪道、隧洞等主要建築物及蓄水樞紐佈置；第二篇是取水樞紐的主要水工建築物，着重介紹水閘等取水建築物及樞紐佈置，對沉沙池等防沙建築物僅作簡略介紹，過船、過魚、過木等建築物作為選學內容；第三篇是輸水渠系工程的主要水工建築物，重點是渠系中常用的渡槽、倒虹吸管及涵洞，對陡坡及跌水等建築物僅作簡單介紹。至於水工建築物的管理、養護和檢查、觀測等內容，由其他課程介紹。專業課要幫助學生完成在校應當完成的“三個過渡”（普通基礎課向專業基礎課的過渡；專業基礎課向專業課的過渡；專業課向生產實際的過渡）中的後兩個過渡。本教材的要點是：建築物的工作特點及設計要求，形式及適用性，工程佈置、基本尺寸和構造、材料；作用於建築物上的基本荷載和特殊荷載及其組合；設計條件的選擇；水力、水工計算和建築物的強度、穩定、配筋等問題。重點是建築物的工作特點及設計要求、基本形式和工程佈置、基本尺寸的擬定、設計的方法步驟。水工建築物功能多樣，形式各異，種類繁多。若按種類講全各種形式及功能，則面面俱到要佔用大量篇幅。雖然擔負不同任務的不同材料建造的水工建築物具有不同的個性，但擔負相同任務的水工建築物又具有許多共性。為了合理地節約篇幅和課堂理論教學時間，現行的《水工建築物》教材體系，一般為先共性後個性和先個性後共性兩種類型。按照“先有感性認識，後有理性認識，理性認識可以指導感性認識”的認知規律，本教材主要採用“先個性後共性，個性與共性相得益彰”的編寫理念及教材體系。“先個性”是在各章中分別介紹各種水工建築物的結構類型和構造形式、工作特點及設計要求、設計原理和設計標準、設計思路和設計步驟、荷載作用和計算方法、工程佈置和尺寸擬定、材料選擇和有效利用等許多個性的內容。而且注意各有所重，使每章的重點突出，也有助於分散難點。“後共性”是對於各種水工建築物的共性問題，放在與其關係密切的章節中詳細介紹。注意在後篇中講到與前篇中講過的擔負相同任務的或擔負不同任務但形式相同的水工建築物時，加以聯繫，再橫向相互對比在共性問題上（如穩定、強度、剛度、沉陷、滲流、沖刷、温變、老化、地震）的異同，進一步加深認識個性並觸類旁通。如大體積建築物的穩定分析，都是算出危險滑動面的阻滑力與滑動力的比值，與抗滑穩定安全係數比較，重力壩的底面穩定、水閘的淺層和深層穩定、拱壩的壩肩穩定、土壩的壩坡穩定，均是如此驗算。建築物的滲流分析，均是確定滲流壓力、滲流坡降、滲流流速三個要素，處理的原則均是上堵下排，前滯後導。每個建築物都有力學、水力學、構造問題。“個性與共性相得益彰”是注意在講個性的內容時也減少重複贅述，而是根據其在水利樞紐中的常用性歸入篇中，前篇中詳細講過的內容，後篇中不再贅述，而是做好鏈接和補充。另外，注意在認識各種水工建築物個性內容的基礎上，在每篇講整體佈置和有機結合等問題時，注意分析建築物個性在樞紐中的揚長避短。近十餘年，水利科學技術有了許多新的發展。此次編寫對新成就、新動態、新發展，在教材中結合各章內容進行簡介，重點是考慮本教材所涉及的水工建築物設計方面的規範問題。本教材均按照新的《水利技術標準彙編》保留的有關規範內容進行修訂。另外，對成熟、穩定、可靠、先進的技術內容，儘量介紹清楚、具體，給出適用的實用性公式和數據（比如土工膜防滲土石壩的抗滑穩定分析）。本書的緒論、第一章、第四章、第五章、第六章、第十章、第十一章、第十二章由顏宏亮編寫；第二章由顏宏亮、胡必武編寫；第三章由胡必武編寫；第七章、水工建築物專業詞彙漢英對照表由閆濱編寫；第八章由劉建軍編寫；第九章由蘇豔平編寫。本書由山東農業大學水利土木工程學院顏宏亮主編，寧夏大學土木水利工程學院胡必武副主編，瀋陽農業大學水利學院閆濱副主編，新疆石河子農業大學水利與建築工程學院劉建軍參編，中國農業大學水利土木工程學院蘇豔平參編。最後由山東大學水利土建工程學院羅建羣教授擔任主審。限於編者的水平，書中難免存在不足之處，在使用過程中敬請讀者給予批評和指正。

編者2006年10月

第一篇　蓄水樞紐的主要水工建築物

第一章　重力壩

第一節　概述

一、重力壩的工作特點和剖面形式

二、重力壩的類型

第二節　重力壩的荷載及其組合

一、作用在壩體上的荷載

二、荷載組合

第三節　重力壩的穩定分析

一、重力壩穩定分析的原理

二、抗滑穩定計算公式及參數選擇

三、保證壩體抗滑穩定性的節省措施

第四節重力壩的應力分析

一、材料力學方法分析重力壩壩體應力的理論説明

二、計算實體重力壩應力的基本公式

三、壩體應力計算時還應考慮的問題

四、等應力線和應力軌跡線

五、重力壩應力控制標準

六、實體重力壩實用強度計算的簡化

第五節　非溢流重力壩的剖面設計

一、基本剖面的擬定

二、修改為實用剖面

第六節　溢流重力壩

一、溢流孔口的設計

二、溢流重力壩的剖面設計

三、溢流重力壩的消能設計

四、溢流重力壩的泄水孔

第七節　重力壩壩體構造及建材

一、重力壩壩體的構成及建材

二、重力壩壩體材料分區與選用

三、重力壩壩體分縫及止水

四、壩體防滲、排水設施與溢流壩面保護

第八節　岩石體地基的處理

一、岩基的加固及防滲處理

二、壩體壩基的廊道佈置

三、壩基排水

四、兩岸的處理

第九節寬縫重力壩簡介

一、寬縫重力壩的特點

二、壩體剖面尺寸

三、穩定和應力計算特點

第二章　拱壩

第一節　概述

一、拱壩的工作特點

二、拱壩壩址選擇

第二節　拱壩的佈置

一、拱壩的類型

二、剖面尺寸的選擇

三、拱壩佈置的步驟

第三節　拱壩的應力計算

一、拱壩的荷載及其組合

二、拱壩設計的應力指標

三、拱壩應力分析方法簡介

第四節　拱壩的壩肩穩定、重力墩

一、壩肩穩定

二、拱壩的重力墩

第五節　拱壩的泄流、材料及構造

一、拱壩的泄流

二、拱壩的材料和構造

第三章　土石壩

第一節　概述

一、土石壩發展概況

二、土石壩的優缺點

三、土石壩的類型

四、碾壓式土石壩的類型

五、壩型選擇

第二節　工作特點及設計要求

一、穩定方面

二、滲流方面

三、沖刷方面

四、沉陷方面

五、其他方面

第三節　土石壩的剖面尺寸與構造

一、壩頂高程

二、壩頂構造

三、壩坡構造

四、壩體防滲設施

五、壩基防滲設施

六、壩體與壩基、岸坡、非土質建築物的接合及其防滲要求

七、土壩排水設施

八、反濾層和過渡層

九、土工合成材料在土石壩防滲和排水反濾中的應用

第四節築壩材料的選擇

一、土石料選擇的一般原則

二、壩體不同部位對土石料的要求

三、土石料填築標準的確定

第五節土壩的滲透計算

一、不透水地基上的土壩滲透計算

二、有限深透水地基土壩的滲透計算

三、土壩總滲流量計算及滲透計算情況

四、用流網法分析土壩滲流問題

五、土壩的滲透變形及其防止措施

第六節土壩的穩定計算

一、土石壩滑動面的形式

二、荷載及其組合

三、土體抗剪強度指標及分析方法的選用

四、土石壩的穩定分析方法

五、提高土石壩壩坡穩定性的措施

第四章河岸溢洪道

第一節開敞式正槽溢洪道

一、位置選擇

二、洪水標準

三、正槽式溢洪道各組成部分的佈置和構造

四、防空蝕設計

五、泄槽底板的穩定分析及增加穩定性的工程措施

第二節側槽式溢洪道

一、側槽中的水流形態及對側槽水力設計的要求

二、側槽中水面曲線計算的方程式

三、側槽的佈置

第三節非常溢洪道

一、漫頂自潰式

二、引衝自潰式

三、爆破引潰式

第五章水工隧洞與壩下涵管

第一節概述

一、類型及佈置原則

二、工作特點及設計要求

第二節隧洞與涵管的進出口建築物

一、進口建築物

二、出口建築物的形式和佈置

第三節隧洞與涵管的線路選擇與工程佈置

一、進、出口佈置

二、軸線選擇

第四節隧洞洞身的形式、尺寸與構造

一、隧洞洞身形式及尺寸

二、洞室支護及襯砌的作用及類型

三、襯砌的構造和灌漿

第五節涵管的形式、尺寸與構造

一、涵管的形式、材料和尺寸

二、涵管的鋪設方式與構造

第六節作用在隧洞襯砌和涵管管身上的荷載

一、作用在隧洞襯砌上的荷載

二、作用於隧洞上荷載的組合

三、作用在涵管管身上的荷載及其組合

第七節隧洞和涵管的結構計算

一、圓形有壓隧洞襯砌（涵管）的結構計算

二、無壓隧洞（涵管）襯砌的結構計算

第六章蓄水樞紐佈置

第一節壩址及壩型選擇

一、壩址選擇

二、壩型選擇

第二節樞紐的工程佈置

一、樞紐佈置的原則

二、樞紐佈置方案的選定

三、蓄水樞紐佈置實例

第二篇取水樞紐的主要水工建築物

第七章水閘

第一節水閘的類型、組成和設計要求

一、水閘的功能與分類

二、水閘的組成部分

三、水閘的工作特點和設計要求

第二節閘址選擇和閘孔設計

一、閘址選擇

二、閘孔設計

第三節閘室的佈置和構造

一、底板

二、閘墩

三、閘門

四、胸牆

五、交通橋及工作橋

六、分縫方式及止水設備

第四節水閘的消能防衝

一、過閘水流的特點

二、消能防衝設施

三、消能防衝的設計條件

第五節水閘的防滲、排水設計

一、水閘的防滲長度及地下輪廓的佈置

二、滲流計算

三、防滲及排水設施

第六節閘室的穩定分析和地基處理

一、荷載及其組合

二、表層抗滑穩定驗算

三、基底應力和閘室沉降的驗算

四、地基處理

第七節閘室結構計算

一、底板的結構計算

二、閘墩的結構計算

三、胸牆的結構計算

第八章取水樞紐佈置

第一節概述

一、取水樞紐的作用和類型

二、取水樞紐的工作特點

三、取水樞紐佈置的一般要求

四、渠首位置選擇的一般原則

第二節無壩取水樞紐的佈置

一、無壩取水樞紐位置選擇

二、無壩取水樞紐的佈置形式

第三節有壩取水樞紐的佈置

一、沉沙槽渠首

二、人工彎道式渠首

三、底欄柵式渠首

四、分層取水式渠首

五、兩岸引水式渠首

六、少泥沙河流上綜合利用樞紐的佈置

第九章過壩建築物

第一節通航建築物

一、船閘

二、升船機

第二節過木建築物

一、筏道

二、漂木道

三、過木機

第三節過魚建築物

一、魚道

二、過魚閘

三、升魚機

第三篇渠系中的主要水工建築物

第十章渡槽

第一節渡槽的組成及類型

第二節梁式渡槽的槽身及支承結構

一、槽身縱向支承形式與跨度

二、槽身橫斷面形式和尺寸

三、槽墩和槽架

第三節拱式渡槽的槽身及支承結構

一、拱上結構及槽身

二、主拱圈結構

三、槽墩和槽台

第四節桁架拱式渡槽的槽身及支承結構

一、桁架拱結構及其特點

二、桁架拱渡槽的類型及造型

三、桁架拱片間的橫向聯繫和槽身結構

四、桁架拱結構與墩台的連接

第五節斜拉渡槽的槽身及支承結構

一、斜拉渡槽的組成及特點

二、斜拉渡槽支承結構的形式

三、斜拉渡槽槽身的斷面形式

第六節渡槽的基礎

一、淺基礎

二、深基礎

三、基礎的埋置深度

第七節渡槽的細部構造

一、渡槽與兩岸的連接

二、渡槽的伸縮縫及止水

三、梁式槽身的支座

四、渡槽進出口漸變段的形式與長度

五、槽沿的超高

第八節渡槽的總體佈置與設計步驟

一、渡槽設計的基本資料

二、渡槽軸線及槽身起止點位置的選擇

三、渡槽的形式選擇、分跨和縱剖面佈置

四、渡槽的水力設計

五、渡槽的荷載及其組合

六、渡槽及其地基的穩定性驗算

七、槽身的結構計算

八、主拱圈結構計算

九、槽墩及槽台結構計算

十、渡槽的設計步驟