水工建筑物课件.ppt

水工建筑物(1),第二讲,主讲教授：李庆斌2003年春,第二章重力坝,重力坝的荷载及其组合重力坝的断面设计重力坝的抗滑稳定分析重力坝的应力分析重力坝的材料、分区、分缝及构造重力坝的基础处理泄水重力坝其它型式重力坝,Chapter2ConcreteGravityDams,重力坝的工作原理重力坝的特点重力坝的设计内容重力坝的建设概况,2.1重力坝的特点,一、重力坝的工作原理,重力坝是用浆砌石(groutedrubble)或者混凝土(concrete)材料建筑而成的挡水建筑物，其剖面一般做成上游面近于垂直的三角形断面，主要依靠坝体的重量，在坝体和地基的接触面产生抗剪强度或者摩擦力，来抵抗水库的水平推力，以达到稳定的要求；同时，也依靠坝体的自重产生的压应力，来抵消由于水压力所引起的坝体上游侧的拉应力，以满足坝身强度的要求。,世界上最高的重力坝是1962年瑞士的大狄克桑斯(TheGrandeDixence)重力坝，高284m。,世界上最高的重力坝,返回,二、重力坝的特点-优点,对地形(topography)、地质(Geology)条件的适应性强。任何形状的河谷都可以修建重力坝，中低坝的地应力不高，对地质条件要求较拱坝低，甚至沙砾石地基上也能够修建高度不大的重力坝。枢纽泄洪(flood-releasing)问题容易解决。重力坝可以做成溢流，坝内不同高度的泄水孔，不需另设溢洪洞或泄水隧洞。,重力坝的特点优点（续）,便于施工导流(constructiondiversion)。在施工期可以利用坝体导流，不需另设导流洞。安全可靠。剖面大且应力低，筑坝材料强度高、耐久性好，抵抗洪水漫顶、渗漏、地震和战争破坏的能力都比较强。根据统计，在各种坝型中，重力坝的失事率是较低的。,重力坝的特点优点（续）,施工方便。大体积混凝土，可采用机械化施工，放样、立模、浇筑都比较方便，补强、维护和扩建也比较方便。结构作用明确。重力坝沿坝沿坝轴线用横缝分成若干坝段，各坝段独立工作，结构作用明确，稳定和应力计算都比较简单。可采用块石筑坝。用浆砌石本身做材料筑坝，也可在混凝土加入块石，以节省水泥。,重力坝的特点缺点,剖面尺寸大，材料用量多。因为稳定靠重力。中低型重力坝的应力较低，混凝土材料的强度不能充分发挥。坝体与地基的接触面大，扬压力大，对稳定不利。坝体体积大，温度应力严重，需采取温控措施。,返回,三、重力坝的设计内容,剖面(profile)设计先设后计、确定断面。稳定(slidingstability)分析坝、基面、地基中软弱面抗滑稳定。应力分析(stressanalysis)应力满足坝体与坝基的强度要求。构造设计细部构造：坝顶、廊道、排水、分缝等。,地基(foundation)处理地基的防渗：排水、断层软弱带处理等。溢流(overfolw)重力坝和泄水孔的设计堰顶高程、孔口尺寸、体形及消能、防护设计。监测(monitoring)设计坝体内部和外部的观测设计。,重力坝的设计内容(续),返回,四、重力坝的建设情况,历史上最早的重力坝公元前2900年古埃及在尼罗河上建造的一座高15m、顶长240m的挡水坝19世纪以前建造的重力坝，基本上都采用浆砌毛石，19世纪后期才逐渐采用混凝土,重力坝的建设情况(续1),坝工设计理论是在筑坝实践中不断发展起来的:,1853年到1890年法国工程师提出了坝体应力分析的材料力学方法和弹性理论方法。19世纪末期认为作用于坝体的扬压力对坝体有不利影响，便在靠近上游面的坝体内设置排水管幕，以消减扬压力。,重力坝的建设情况(续2),20世纪的发展:进入20世纪后，筑坝材料由浆砌毛石、块石发展到混凝土1962年瑞士建成了世界上最高的大狄克桑斯重力坝，坝高达284m从20世纪60年代开始，由于土石坝建设的迅速发展，使重力坝在坝工建设中所占的比重有所下降。进入20世纪80年代，碾压混凝土技术开始运用于重力坝建设，使重力坝所占比重又有所回升。,重力坝的建设情况(续3),我国的发展从19491985年，在已建成的坝高30m以上的113座混凝土坝中，重力坝达58座，占总数的5150年代:新安江、古田一级60年代:丹江口、刘家峡、三门峡70年代:黄龙滩、龚嘴重力坝80年代:乌江渡、潘家口90年代:万家寨、三峡,重力坝设计规范(DesignCriteria),1、中华人民共和国水利电力部，混凝土重力坝设计规范（SDJ21-78),1978年；2、中华人民共和国水利电力部，混凝土重力坝设计规范SDJ21-78的补充规定,（84）水电水规字第131号，1984年；3、中华人民共和国国家经济贸易委员会，电力行业标准混凝土重力坝设计规范（DL5108-1999),1999年。,本节完,18,重力坝的荷载(Loads)荷载组合(LoadCombination),2.2荷载及其组合,重力坝的荷载（挡水坝段的主要荷载）,Seismicload,重力坝的荷载,坝体及其上永久设备的自重上下游面上的静水压力溢流坝反弧段上的动水压力扬压力泥沙压力浪压力冰压力地震荷载温度荷载,坝体及其上永久设备的自重(Self-weight),混凝土的容重，在初设可采用2.352.4T/m3（23.524KN/m3）。施工详图阶段应由混凝土试验决定。,back,水压力-静水压力(HydrostaticPressure),按水力学原理计算，如图：,back,水压力泄水动水压力(hydrodynamicpressure),如图，溢流堰ab段，一般有很小正或者负水压力，bc段水压力也很小，都可以忽略不计，只计算反弧段cd上的动水压力。,back,扬压力(upliftpressure),混凝土内存在空隙，坝基岩石本身空隙率很小，但往往存在着节理缝隙，因此，水库蓄后，在上下游水位差的作用下，库水会经过坝体及坝基渗向下游，不但造成水头的损失，而且还产生渗透压力，使坝体的有效重量减少。,坝基扬压力(foundationseepageuplift),坝体扬压力(internalseepageuplift),坝基扬压力-无防渗排水情况,库水经坝基向下渗透时，渗透水流沿程受到阻力，造成水头损失。如下图所示，上游坝踵处的扬压力强度为H1，下游坝趾处的扬压力强度为H2，由于岩基节理裂隙很不规则，难以求出坝体扬压力的准确分布，故通常假定扬压力从坝踵到坝趾呈直线变化。,矩形ABCD部分是下游水深H2形成的上举力，称为浮托力；三角形CDE部分是由上下游水位差形成的渗透水流产生的上举力，称为渗透压力。坝底的扬压力则是两者之和。当下游无水时，扬压力渗透压力。,2019/12/13,29,可编辑,其中大值适用于岸坡坝段（因绕流）。修订规范建议只采用:,有防渗排水情况,不考虑，以直线代替即可。,坝体扬压力,上游为下游为零（无下游水头时），,back,泥沙压力(sedimentpressure),淤沙的容重和内摩擦角随时间而变化，且各层不同，准确计算泥沙压力比较困难，只能参照经验数据，按土压力公式计算。,back,浪压力(hydrodynamicwavepressure),水库水面在风吹下生成波浪，并对坝面产生浪压力。如图所示：,波浪三要素,波高2hl从波峰到波谷的高差波长2Ll从波峰到波峰的距离波浪中心线高度h0波浪中心线距静水面的高度,水面波的分类,根据坝前水深与波长的关系可以分为以下三类：,深水波坝前水深大于半波长，HLl，波长运动不受库底约束。,浅水波坝前水深小于半波长而大于临界水深H0，即LlHH0，这时波浪运动受库底影响。,破碎波坝前水深小于临界水深，HLl，分布见图，用下式计算,（两个三角形面积差）,波浪水压力计算(续),浅水波情况，如图所示，H0HLl。,坝基面的浪压力剩余强度pl为：,则总压力为（两个三角形面积差）：,破碎波水闸适用，到时再讲。,波浪水压力计算(续),当坝面与水平面的交角大于45o时，波浪的性质与坝面为铅直时的情况相近；而当交角小于45o时，则应按斜坡上的波浪计算。对于中高坝，浪压力在全部荷载中所占的比重较小，可以忽略不计。美国垦务局（BureauofReclaimation）规定的重力坝设计准则中就没有风浪荷载。,back,冰压力-静冰压力(staticicepressure),寒冷地区，水库表面在冬季会结成冰盖，当气温回升时，冰盖发生膨胀，因而对挡水建筑物表面产生压力，称为静冰压力。静冰压力值与冰盖厚度、长度、气温上升率以及开始升温时冰盖的温度等有关。目前，尚无合理的公式用来计算静冰压力，一般参照下表采用。,静冰压力表,比如，-25oC开始以2.5oC/h升温时，静冰压力为（2028）104Pa冰压力对于重力坝并不重要，而对于低坝、闸墩、胸墙等结构物，往往成为比较重要的荷载。为避免过大的冰压力，可采用防冰、破冰措施。,冰压力动冰压力,冰块破碎后，受风或者流水的作用而漂移，撞击在坝面或闸墩上时，产生冲击压力，称为动冰压力。,Kb系数，决定于流冰的抗碎强度Rb值Kb4.3，Rb1MPa；Kb3.0，Rb0.5MPa；Kb2.36，Rb0.3MPaVb冰块流速，一般不大于0.6m/s；db冰块厚度（m）；Ab冰块面积（m2）,当冰的运动方向垂直或接近垂直于铅直坝面时，动冰压力值Pbd（Kn）可按下式计算：,动冰压力的计算公式,back,地震荷载(seismicload),在震区建坝，必须考虑地震荷载。,地震荷载主要包括：建筑物质量引起的地震惯性力(seismicinertiaforce)地震动水压力(hydrodynamicinertiapressure)动土压力(soildynamicpressure),地震荷载的大小，主要决定于建筑物所在地区的地震烈度。一般用最大加速度来作为地震烈度标准，烈度指标用地震系数K来表示，K是地面最大加速度和重力加速度的比值。,基本烈度在一定期限内一个地区可能普遍遭遇的最大烈度设计烈度设计时用的烈度，一般为基本烈度。对于特别重要的挡水建筑物，失事后果严重时，可将基本烈度提高1度。,地震烈度(earthquakeintensity),对于设计烈度6度以下时，地震荷载相对较小，设计中不考虑。对于79度时，应进行抗震设计，而大于9度时，应专门研究。,地震荷载的计算,拟静力(pseudostatic)理论适于坝高150m,分析方法：,计算方法：拟静力法，改变了静力法地震加速度上下一样的不足。,水平地震惯性力为：,式中，Q0地震惯性力；KH水平向地震系数，为地面最大水平加速度的统计平均值与重力加速度的比值。设计烈度70时，KH0.1；80时，KH0.2；90时，KH0.4,地震惯性力,CZ结构综合影响系数，1/4。其用意是弥补理论计算与客观实际之间的差距，以适应目前的设计传统，主要为：理论假定不符合实际；有些结构经考验可以承受较大值；对抗震强度估计不足等等。W产生地震惯性力的总质量;F地震惯性力系数；,地震惯性力（续）,30m=H=70m，F1.3,地震惯性力（续）,F地震惯性力系数，见表。如,沿建筑物高度作用于质点i的地震惯性力为,Wi集中在质点i的重量n结点总数,地震惯性力分布系数,见表,地震惯性力（续）,一般认为垂直最大加速度是水平方向的2/3。水平向和垂直向分别计算，考虑遇合机率，一般用遇和系数来考虑，即把竖向地震乘以小于1.0的系数，一般为0.5。,地震惯性力（续）,垂直地震的考虑：,地震动水压力,直立坝面水深y处的地震动水压力按下式计算：,fy：水深为y处的地震动水压力分布系数，见吴书P.16的表25；,: