水工建筑物重力坝ppt课件.ppt

一 重力坝的工作原理及其特点1 工作原理 利用自重在坝基面产生的摩擦力以及坝与地基间的凝聚力来抵抗水平水压力而维持稳定 利用自重引起的压应力来抵消由水压力产生的拉应力 横缝 排水孔 排水管 灌浆帷幕 帷幕灌浆孔 非溢流坝段 2 重力坝的特点 断面尺寸大 抵抗渗漏 漫顶破坏的能力强 在各种坝型中失事率最低 对地形地质条件适应性强 泄流问题容易解决 施工导流容易解决 体积大便于机械化施工 结构作用明确 2 1概述 由于体积大 材料强度不能充分利用 底部扬压力大 对稳定不利 由于体积大 水化热不易散发 温控要求高 2 1概述 2 重力坝的特点 二 重力坝的型式 按内部结构分实体重力坝宽缝重力坝空腹重力坝 2 1概述 2 1概述 按作用分非溢流重力坝溢流重力坝 2 1概述 按建筑材料分混凝土重力坝碾压混凝土重力坝浆砌石重力坝 2 1概述 三 重力坝设计的主要内容 1 总体布置坝轴线组成建筑物的位置2 剖面设计3 稳定分析4 应力分析5 构造设计6 地基处理7 溢流坝或泄水孔设计8 监测设计 2 1概述 2 2重力坝的荷载及其组合 一 荷载荷载 作用不随时间变化的 永久作用如自重 土压力等随时间变化的 可变作用如水压力 扬压力 温度 孔隙水压力等 偶然发生的 偶然作用如地震 校核水位下的水压力等可变作用是指在设计基准期内作用的量值随时间变化与平均值之比不可忽略的作用 1 自重 坝体自重是重力坝的主要荷载之一 W A 坝上永久设备重 沿坝基面滑动 仅计坝体重量 沿深层滑动 需计入滑体内岩体重 用有限单元法计算时 应计入地基初始应力的影响 假定 1 地基中任一点的垂直应力 y h2 水平应力 x h3 剪应力 xy 0 1 上游面垂直2 上游面倾斜 挡水坝段 溢流坝段3 水的容重 清水 浑水 按实际情况考虑 2 静水压力 坝基扬压力包括两部分 下游水深引起的浮托力 由水头差引起的渗透压力 渗透压力从上游向下游逐渐消减 其变化呈抛物线分布 扬压力对坝体稳定不利 为减小扬压力需采取工程措施 设帷幕用折减系数 表示岩体构造 性质 帷幕的深度 厚度 灌浆质量 排水孔直径 间距 深度等因素 设排水 3 扬压力 含坝基和坝体内扬压力 规范规定 河床坝段 0 2 0 3岸坡坝段 0 3 0 4需要指出 原型观测资料表明 扬压力因受泥沙淤积的影响随时间延长而减小 对稳定有利 坝体内扬压力 4 动水压力 溢流坝泄水时 溢流面上作用有动水压力 其中坝顶曲线段和下游直线段上的动水压力较小 可忽略不计 在反弧段上需根据水流动力方程求解动水压力 反弧段上总水平分力和垂直分力为 根据动量冲量原理 单位时间内物体动量的增量等于该物体所受外力的合力即 5 冰压力 冰压力包括静冰压力和动冰压力静冰压力 寒冷地区 水库表面将结冰 当气温升高时 冰层膨胀 对建筑物产生的压力 大小 取决于冰层厚度 开始升温时的气温及温升率 见教材表2 18 表中数据为单位面积上的静冰压力 总的应乘上冰厚 说明 1 冰压力对高坝可以忽略 因为一方面水库开阔 冰易凸起破碎 另一方面在总荷载中所占比例较小 2 对低坝 闸较为重要 它占总荷载的比重大 3 某些部位如闸门进水口处及不宜承受大冰压力的部位 可采取冲气措施等 动冰压力 当冰破碎后 受风和水流的作用而漂流 当冰块撞击在坝面或闸墩上时将产生动冰压力 当冰的运动方向垂直或接近垂直坝面时 按式 2 51 2 52 计算 取其中小值 6 泥沙压力 成因水库蓄水后 入库水流流速降低并趋于零 挟带的泥沙随流速减小而沉积于坝前 其过程是先沉积大颗粒 而后沉积细颗粒 计算a 淤积高程坝前淤积逐年增高 可根据河流的挟沙量进行估算 估算年限通常为50 100年 b 指标淤积的泥沙逐年固结 容重和内摩擦角也在逐年变化 很难算准 设计时可根据经验取定 象黄河这样的多沙河流应由试验定出 c 计算公式 6 泥沙压力 7 浪压力 成因 空气流动 带动水体 形成波浪 波浪三要素2hl 2hm 波高 2Ll 2Lm 波长 h0 hz 波浪中心线与静水位的距离 a 波浪涌高2hL波浪运动不受库底影响 深水波波浪运动受库底影响 且库水深小于临界深度Hk Hk 3 5 hL 时 破碎波水深大于临界深度Hk小于LL波浪受库底影响 浅水波 b 波长2L c 波浪中心线距静水面的距离h d 平原 滨海地区按莆田公式计算 见式 2 23 24 25 式中 cth为双曲余切 2 23 2 24 2 25 内陆峡谷水库用官厅公式计算 见式 2 27 28 适用于V0 20m s D 20000m 注意式中 当 20 250时 为累积频率5 的波高 当 250 1000时 为累积频率10 的波高 与平均波高 的比值 可由 及水深 按表2 12查取 累积频率P的波高 2 27 2 28 风浪压力计算影响波浪的因素很多 目前大都采用半经验公式来确定波长 波高 我国 混凝土重力坝设计规范 推荐官厅水库公式 深水波压力计算公式 勘误表2 12左上角 浅水波压力计算公式 深水波压力计算公式 若坝的迎水面倾斜 波浪的反射作用将减弱当 45 时与铅直面情况相近当 45 时按斜坡上的波浪考虑 8 地震荷载 地震荷载包括地震惯性力地震动水压力 激荡力 地震动土压力 地震对扬压力 泥沙压力的影响一般不考虑 计算方法 动力法一般用拟静力法计算F maa为坝址处的地震加速度地震烈度 表示地震时在一定地点的地面震动的强烈程度 分0 12度 地震荷载的大小与建筑物所在地区的烈度有关 烈度又分基本烈度和设计烈度两种基本烈度 系指建筑物所在地区今后一定时期 一般指100年左右 内可能遭遇的地震最大烈度 设计烈度系指抗震设计时实际采用的烈度 震级 烈度 一般情况下 设计烈度 基本烈度特殊情况下 设计烈度 基本烈度 1 如特别重要的坝 地质条件复杂 失事后影响巨大 地震惯性力用拟静力法计算地震作用效应 地震作用的效应折减系数 取0 25 第i坝块的坝体重量 kN 水平向设计地震加速度 根据设计烈度选取 地震动水压力 地震时 坝前坝后的水随之震动 形成作用在坝面上的激荡力 在水平地震作用下坝面上的地震动水压力沿高度变化 水深y处的动水压力强度为 总的动水压力为 其作用点位于水面以下的0 54H处水深为y的截面以上单宽地震动水压力的合力及其作用点深度可查现成图表 横坐标为Py P0 纵坐标为Y h0 说明 1 倾斜的迎水面 用上述公式求得的动水压力应乘以折减系数 90 2 迎水面有折坡时 直立部分等于或大于水深的一半 按直立面计算 否则用直线连接水面与坡脚按倾斜面计算 3 对宽高比B H 5的梯形河谷或V形河谷 按上述公式求得的地震动水压力偏大 故需乘以折减系数C1 C1 0 75 0 05B H4 作用在坝体上下游的地震动水压力均垂直于坝面 且二者作用方向一致 二 荷载 作用 组合 1 基本概念除自重外 作用在重力坝上的荷载有如下特点 时大时小时有时无此出彼没2 荷载组合定义 将可能作用在建筑物上的所有荷载按出现的时间 机率 是否相同进行分组 然后将各组荷载分别作用在所设计的建筑物上 研究建筑物的稳定和强度 并给以不同的安全系数 这种分组的方法即为荷载组合 荷载 作用 组合分类结构设计时需对不同的作用进行组合即分基本组合和偶然组合 基本组合 可能同时出现永久作用和可变作用的组合 分长期组合持久发生 持久状态 如正常挡水位短期组合短暂发生 短暂状态 如设计洪水位偶然组合 基本组合与一种偶然作用同时出现的组合 上述组合都需按承载能力极限状态和正常使用极限状态进行设计 设计工况正常使用极限状态下分 长期组合 短期组合 偶然组合 承载能力极限状态下分 基本组合 不分长短期 分项系数是考虑结构安全级别 r0 设计状态 作用 荷载 rf 材料性能变异性 rm 以及计算模式不定性 rd 1 结构重要性系数 r0 用以反映不同结构安全级别对结构可靠度的不同要求 安全级别为一级时 r0 1 1安全级别为二级时 r0 1 0安全级别为三级时 r0 0 9 2 设计状况系数 用以反映不同设计状况的目标 可靠指标不同 分别对应持久状况 短暂状况 偶然状况 对重力坝 1 0 0 95 0 85 3 作用分项系数 rf 用以反映作用 荷载 对其标准值Fk的不利变异 由作用设计值Fd与标准值之比来定义 rf随作用的概率分布不同而不同 4 材料性能分项系数 rm 用以反映材料性能对其标准值fk的不利变异 可由材料性能设计值fd与标准值之比的倒数来定义 5 结构系数 rd 用以反应作用效应计算模式不定性和抗力计算模式不定性 还包括反映前4个分项系数未反映的其他不定性 用计算得到 rd1 承载能力极限状态基本组合的结构系数rd2 承载能力极限状态偶然组合的结构系数rd3 正常使用极限状态短期组合的结构系数rd4 正常使用极限状态长期组合的结构系数 式中S 为作用效应函数 R 为结构抗力函数 Gk Qk 分别为永久作用的标准值和可变作用的标准值 Ak 为偶然作用代表值 fk ak 分别为材料性能标准值 几何参数标准值 C 为结构的功能限值 2 3重力坝的稳定分析 重力坝主要是依靠自重维持稳定 其可能出现的破坏型式 浮起倾倒滑动抗滑稳定是重力坝设计中的一个重要内容 滑动 倾倒 一 计算假定 1 河床坝段作为平面问题处理 岸坡坝段按空间问题处理 2 略去横缝作用 以单宽计 3 假定为一根固结于基础上的变截面悬臂梁 横缝 排水孔 排水管 灌浆帷幕 非溢流坝段 上游水位 二 稳定分析 定值安全系数法 一 沿坝基面的抗滑稳定分析假定坝体与坝基的连接有三种物理模式 触接 粘接 咬接 1 简单接触 摩擦公式 认为坝底光滑 坝基光滑 坝直接放置在基岩上 触接 故抗滑稳定计算公式 2 抗剪断公式假定坝体与坝基之间涂有一层砂浆 粘接 计算时考虑粘结力的作用 故抗剪断公式为 3 剪摩公式假定坝体坝基之间凸凹不平 相互咬合在一起 计算时考虑纯剪强度 说明 1 上述三个抗滑稳定计算公式是在不同的假定前提下得到的摩擦公式 形式简单 概念明确 计算方便 多年来积累了丰富的经验 公式中不考虑粘结力与实际不符 安全裕度含在假定中 k 1 0并不意味着处于临界状态 剪摩公式 考虑抗滑力时 人为地把阻滑力看作为摩擦力与抗剪能力之和 己挖掘了维持稳定的所有潜力 因而要求的安全系数较大 在美 日等国家用得较多 抗剪断公式 物理概念明确 也较符合实际 是近年来发展的趋势 规范 也推荐采用 应注意抗剪断参数的选用 2 参数确定非常重要 f相差0 01 V相差2万方 f c 取用野外现场测定的峰值的小值平均值f 取用野外现场测定的屈服极限值 塑性破坏型 或比例极限值 脆性破坏型 见书168 3 可能滑动面为水平时 按上述公式计算 可能滑动面为倾斜时 需将各力向可能滑动面分解4 当接触面前后为不同岩性的岩体 参数分别为f1 c1和f2 c2 则计算时假定变形后坝底面仍保持平面 粗略计算地基反力 不计扬压力 分别求出作用于两种岩体上的法向作用力 W1和 W2 近似计算 5 有限单元法可以反映复杂的地基情况 利用各单元的 和 计算可能滑动面上的安全系数 二 深层抗滑稳定分析 地基内一般都存在着软弱夹层或缓倾角断面 坝体挡水后 除了会沿接触面滑动外 还有可能沿断层 夹层等薄弱面产生滑动 需讨论坝体沿深层抗滑稳定问题 目前关于深层滑动至今尚没有成熟的方法 常用的方法有如下三种即 刚体极限平衡法有限单元法地质力学模型试验法 1 单斜面深层抗滑稳定计算 a 计算公式b 对安全系数的要求采用摩擦公式时 因软弱面的C小 安全储备低 K应适当提高 25 30 采用抗剪断公式时 因软弱面的f c 低 k 很难达到规范要求 可适当降低 但至少不低于2 0 2 双斜面深层滑动 a 计算方法 令 区处于极限平衡状态 剩余推力法 令 区处于极限平衡状态 被动抗力法 令k1 k2 等安全系数法 等安全系数法 被动抗力法 对ABD块 对BCD块 b 说明 1 上述三种方法求出的k差别较大 2 R的倾角对K的影响较大 0时 K最小 与 分界面上的摩擦特性有关 较难精确确定 3 上述方法在地基内设想增加了一个BD软弱面 使K降低 如岩体坚固完整 BD面上的抗剪强度足以承担其剪力 则按整体深层失稳核算 三 岸坡坝段的稳定分析 对于岸坡坝段 除沿上下游方向有滑动的趋向外 坝体在自重作用下还有沿岸坡下滑的趋势 这就构成了三维受力状态 其稳定性不如河床坝段 需进行稳定验算 二 稳定分析 分项系数极限状态计算法 重力坝的抗滑稳定按承载能力极限状态进行计算时 把滑动力作为作用效应函数 阻滑力 包括摩擦力和粘聚力 作为抗滑稳定抗力函数 并认为承载能力达到极限状态时刚体处于极限平衡状态 此时阻滑力 抗力函数 与滑动力 作用效应函数 相平衡 1 坝基面抗滑稳定的极限状态 2 坝基深层抗滑稳定的极限状态 四 增稳措施 1 利用水重 2 将坝基开挖成向上游倾斜的斜面 一般不这样做 3 当节理面倾向下游时 在坝踵下设齿墙 增加滑动体重量也增大抗力 4 设排水系统减小扬压力 5 加固地基 如进行固结灌浆提高强度参数 6 予应力锚固 2 4重力坝的应力分析与强度校核 一 应力分析的目的和方法1 目的1 了解坝体内的应力分布情况 检验大坝在施工期和运行期是否满足强度要求 2 为布置坝身材料 如混凝土分区 提供依据 3 为特殊部位的配筋提供依据 如孔口 廊道等部位的配筋 4 为改进结构型式和科学研究提供依据 2 分析方法模型试验法理论计算法 模型试验法光测方法如 偏振光弹性试验激光全息试验脆性材料电测法 理论计算法1 材料力学法 重力法 这是一种历史悠久 应用最广 最简便的方法 它不考虑地基变形的影响 假定 y呈直线分布 x呈三次抛物线分布 呈二次抛物线分布 评价 该法有长期的实践经验 目前我国重力坝设计规范中的强度标准就是以该法为基础的 2 弹性理论解析法该法的力学模型和数学解法均很严密 但目前只有少数边界条件简单的典型结构才有解答 评价 可用于验证其他方法的精确性 有重要价值 3 弹性理论差分法该法力学模型严密 在数学解法上采用差分格式 是一种近似的方法 评价 要求方形网格 对复杂边界适应性差 4 弹性理论的有限单元法与差分法相反 该法力学模型是近似的 数学解法是精确的 网格可采用三角形单元 四边形单元或两者的组合 评价 可处理复杂的边界条件 随着计算机的发展 单元可划分得很细以模拟各种边界 目前大型或重要的工程都需用该法计算 以了解坝体各部位的应力状态 二 材料力学法1 基本假定 坝体混凝土为均质 连续 各向同性的弹性体 将坝体简化为固结在地基上的变截面悬臂梁 不考虑地基变形对坝体应力的影响 并认为各坝段独立工作 横缝不传力 y呈直线分布 2 边缘应力计算 水平截面上的垂直正应力 剪应力 水平正应力 主应力 水平截面上的边缘正应力和 式中 W 作用于计算截面上全部荷载的垂直分量的总和 M 作用于计算截面上全部荷载对截面垂直水流流向形心距的力矩总和 B 计算截面长度 水平外力向上游为正 铅直向下为正 力矩逆时针为正 正应力压为正 剪应力以拉伸对角线在一 三像限为正 边缘剪应力 水平边缘正应力 铅垂截面上 边缘主应力 有扬压力时边缘应力的计算 全截面线性分布 式中 W M计入相应扬压力荷载 说明 1 2 一般较小 小易满足 m愈大愈不易满足 而m大对稳定有利 故从稳定和强度看 m并不是越大越好 3 内部应力计算 y的计算 的计算 x的计算 坝内主应力计算 坝内微元体受力状态 在边缘应力求得以后 根据假定条件利用平衡条件推算坝体内部应力 3 内部应力的计算 坝内水平截面上的正应力根据 y在水平面上呈直线分布假定a b可由边界条件和边缘应力得到 坝内剪应力 将代入微元体的平衡方程 可得剪应力 沿x轴呈二次抛物线分布 即 简化计算 坝内正应力 简化计算 假定呈近似线性分布 坝内主应力 求得把内各点的三个应力分量 y x后 可根据材料力学公式求得该点的主应力 1 2和第一主应力方向 1 式中 1以顺时针方向为正 y x 自铅直线量取 y x 自水平线量取 有扬压力的坝内应力 全截面线性分布 4 考虑扬压力时的计算方法 全截面呈折线分布 实际上由于坝体及坝基的防渗 排水等作用 水平截面上的扬压力一般呈折线分布 计算时 可将扬压力分解为一个全截面呈梯形或三角形分布和一个在上游部分呈局部三角形分布的图形 三 应力分析的有限单元法 在有限元法计算中 一般把坝体作为平面应力问题 坝基作为平面应变问题进行分析 坝基应包括主要的地质构造 要取足够大的范围 在所取范围的边缘位移应已很小 可以忽略 可假定为固支或铰支边界 所取地基范围 一般在坝踵和坝趾分别向上 下游取一倍坝高 坝基深度也取一倍坝高 先把坝体和地基平面离散化 得到有限个离散单元 在单元角点或边线某些选定点作为铰接 称之为节点 以取平面问题的三角形单元为例 如图4 14 a 所示 它有6个结点位移分量 即 同时 三角形的3个结点上存在着结点力 4 40 在单元内部任意一点的水平位移和垂直位移的一般表达式为 式中 为单元结点的位移列向量 为形函数矩阵 是坐标的函数 根据几何方程式可以得出关系式 为单元的应变矩阵 据弹性理论中的广义虎克定律 可以得出单元应力与应变的关系式 式中 为应力列阵 为转换矩阵 4 44 为弹性矩阵将式 4 43 代入式 4 44 得 4 45 4 46 四 坝体强度验算 坝基面运用期施工期下游坝基 坝趾 处允许有不大于0 1MPa的拉应力坝趾处允许压应力取试块岩石极限抗压强度的 1 25 1 5 强度高者分母取大值强度低者分母取小值 计入与不计入扬压力计入扬压力 坝体 运用期施工期地震允许压应力可提高30 拉应力的安全系数不小于2 0 计入扬压力不计入扬压力 砼 分项系数极限状态坝体强度验算 混凝土重力坝设计规范 DLS408 1999 采用分项系数极限状态设计方法 即荷载计算时 考虑了各种作用 荷载 都有变异性或随机性 并给出了各种作用的分项系数 从而计算出相应的设计值 然后用材料力学法计算各应力分量并用极限状态设计原则进行强度验算 1 承载能力极限状态坝趾的抗压强度验算验算坝趾抗压强度时 应按承载能力极限状态 按式 1 58 和 1 59 分别计算基本组合和偶然组合两种情况 计算时按公式要求采用材料的标准值和作用的标准值或代表值 作用效应函数 4 53 2 承载能力极限状态坝体选定截面下游端点的抗压强度验算验算坝体选定截面下游端点的抗压强度时 同样应按承载能力极限状态 按式 1 58 和式 1 59 分别计算基本组合和偶然组合两种情况 计算时按公式要求采用材料的标准值和作用的标准值或代表值 作用效应函数 3 正常使用极限状态坝体上 下游面拉应力验算 1 运行期坝体上游面拉应力验算 2 施工期坝体下游面拉应力验算 应力控制标准与采用的分析方法有关 应力分析方法不同 控制标准也不一样 目前我国重力坝设计规范规定了按材料力学法计算的应力控制标准 还提出了有限元法计算坝体应力时的应力控制标准 用有限元法计算坝体应力时 作用 荷载 取标准值 材料 地基性能应根据试验结合工程类比取定值计算 有限元法计算混凝土重力坝上游垂直应力时 控制标准为 1 坝基上游面 计入扬压力时 拉应力区宽度宜小于坝底宽度的0 07倍或坝踵至帷幕中心线的距离 2 坝体上游面 计入扬压力时 拉应力区宽度宜小于计算截面宽度的0 07倍或计算截面上游面至排水孔 管 中心线的距离 kPa 五 非荷载因素对坝体应力的影响 地基变形对坝体应力的影响 地基不均匀对坝体应力的影响坝体跨越不同弹模的岩体 应力将受到一定的影响当坝踵处的弹模高于坝趾处的弹模时 坝踵易出现拉应力 坝体不同材料对坝体应力的影响坝体外部材料弹模越高 坝踵越易出现拉应力 纵缝对坝体应力的影响 纵缝对坝体应力的影响 分期施工对坝体应力的影响 2 5重力坝的剖面及优化设计 一 设计原则1 满足稳定和强度要求 2 尽可能节省工程量 使剖面尺寸最小 3 外部形状简单 便于施工 4 运行管理方便 二 基本剖面定义 基本剖面是指坝体在自重 库水压力和扬压力三个主要荷载作用下 满足稳定和应力要求并使其剖面最小的三角形剖面 一 按应力条件确定坝底最小宽度 假定上游库满水位平三角形顶点 荷载只考虑水平水压力P 假设下游无水 水重Q和坝体自重G以及扬压力U 在坝轴线方向取单位长度坝体 其上下游面的水平投影长度分别为 B 和 1 B 1设计工况满库和空库两种工况2强度标准重力坝上下游边缘不出现拉应力 3方法库空 0 1满库 当 0时 0 20 二 按稳定条件确定坝底最小宽度 1 加大 可以利用上游倾斜坝面上的水重增加坝体稳定 减小坝底宽度B 由于应力条件的限制 值不能随意加大 2 最优的 的值 应通过应力和稳定条件联立求解 3 当f较大时 B H由应力条件控制 当f较小时 B H由稳定条件控制 按应力条件 按稳定条件 4 根据经验 一般n 0 0 2 m 0 6 0 85 B约为H的0 7 0 9倍 从理论上讲 基本剖面虽然经济 但不实用 因为 1 坝顶不能是一个尖顶 不便于施工 运行管理和交通 2 坝高不能刚好与水位齐平 必须有一定的超高 3 厂房坝段需设闸门和拦污栅 希望上部做成垂直的 三 实用剖面 坝顶宽度 1 满足设备布置 运行 交通及施工的要求 非溢流坝的坝顶宽度一般可取坝高的8 10 并不小于2米 2 若作交通要道或有移动式启闭机设施时 应根据实际需要确定 当有较大的冰压力或漂浮物撞击力时 坝顶最小宽度还应满足强度的要求 坝顶高程坝顶或坝顶上游防浪墙顶高出水库静水位高度 h 2hl h0 hc 式中 2hl 波浪高度 h0 波浪中心线高出静水位高度 hc 安全超高 由于设计和校核采用的风速不同 设计和校核情况的2hl h0值不同 设计洪水位计算的坝顶高程h设 设计洪水位 h设校核洪水位计算的坝顶高程h校 校核洪水位 h校坝顶高程 max h设 h校 同时防浪墙高度 1 2m 三 实用剖面 剖面形态 由基本剖面修改为实用剖面 有三种常用的形态 1 铅直上游坝面适用 坝基f c较大 剖面由应力条件控制 优点 便于布置和操作坝身过水管道进口控制设备 缺点 经济性不明显 2 上游坝面上部铅直 下部倾斜优点 利用部分水重增加坝的稳定性 上部仍能便于管道进口布置和操作 缺点 上游折坡点要结合应力和管道进口布置高程选定 要验算折坡点截面的强度和稳定 一般在坝高的1 3 2 3的范围内 3 上游坝面略呈倾斜优点 增加坝体自重 利用部分水重增加坝的稳定性 可避免库空时下游产生过大拉应力 适用 f c较小情况 三 实用剖面 四 优化设计 1 确定描述坝体体形的设计参数 2 建立目标函数 一般取结构的重量和造价 因重力坝的造价主要取决于坝体砼方量 故取坝体体积作为目标函数 3 确定约束条件 如稳定约束 应力约束 几何约束等 4 优化计算方法 目标函数和约束条件都是设计参数的非线性函数 因此重力坝的优化设计是一个非线性规划问题 2 6泄水重力坝设计 坝身设有溢流面 底孔 中孔的重力坝称为泄水重力坝 它既是泄水建筑物 又是挡水建筑物 因此它除了应满足挡水建筑物的稳定强度要求外 还应满足水流条件 解决好下泄水流对建筑物可能产生的空蚀 振动以及对下游的冲刷 一 泄水重力坝的泄水方式1 坝顶溢流式 从坝顶过水 闸门承受水头较小 孔口尺寸可以较大 闸门全开时 下泄流量与水头的二分之三次方成正比 闸门启闭方便 易于检查修理 可以排冰及其他漂浮物 但不能预泄 2 大孔口溢流式 为满足预泄要求将堰顶高程降低 利用胸墙挡水减小闸门高度 低水位时胸墙不影响泄流 和堰顶泄流相同 胸墙可以做成活动式的 当遇特大洪水时 可将胸墙吊起来 库水位较低时 不能供水和放空检修 3 深式泄水孔按孔内流态可分为有压泄水孔无压泄水孔 流量与水头的二分之一次方成比例 超泄能力小 闸门承受水头高 操作 检修都比较复杂 可向下游供水 预泄 放空 排沙和施工导流 以上三种方式各有特色 应结合具体情况比较选择 一般可配合使用 但为简化结构 便于施工和运用 类型不宜过多 二 溢流重力坝的剖面设计1 溢流面 1 溢流面顶部曲线视堰顶是否允许出现真空 有真空堰和非真空堰两种堰型 非真空堰曲线稍稍切入相应于薄壁堰的溢流水舌 使其在设计条件下坝面不致发生真空 真空堰较非真空堰瘦 堰面与自由水舌脱开 工程中常用的非真空堰有克奥曲线和幂曲线 WES 要求 堰面压力分布合理 无负压 泄流能力大 这两个要求实际上是矛盾的 为满足这两者 出现了不同的堰曲线 定型设计水头Hd当H 运 Hd时 出现负压 Q 负压需控制 当H 运 Hd时 出现正压 Q 2 直线段直线段的坡度取用非溢流坝下游坡度 并作调整 使其与非溢流坝在同一平面 上部与溢流曲线相切 下部与反弧段相切 3 反弧段 结构尺寸 鼻坎高程 挑角 反弧半径R l h 0 5时不分开l h 0 5时分开 2 溢流坝的孔口尺寸1 己知设计洪水位和允许下泄流量先定q L H 堰顶高程 2 未知设计洪水位 己知允许下泄流量假定堰顶高程 孔口尺寸 调最大泄量与 q 相比影响因素 设计洪水标准 下游防洪要求 地形地质条件 单宽流量 总泄量a 确定单宽流量b 孔口尺寸 表4 6永久性建筑物洪水标准 运用情况 洪水重现期 年 建筑物级别 堰顶高程 设计洪水位 H0 3 溢流坝顶部结构布置包括闸门 启闭机 闸墩 工作桥 公路桥等 4 溢流重力坝的稳定及强度计算 方法同非溢流重力坝 三 大孔口 深式泄水孔的布置 1 大孔口的布置为满足预泄洪水 减小闸门高度的要求 在坝顶可布设带胸墙的大孔口泄水建筑物 大孔口泄流视水头与孔口高度情况分为三种 1 Hmax D 1 5堰顶按孔口射流曲线设计2 Hmax D 1 2堰流3 1 2 Hmax D 1 5通过试验确定曲线型式 最大负压不超过3 6m水柱高 2 深式泄水孔的型式及布置1 深式泄水孔易产生的问题 孔内流速高 易产生负压 空蚀 振动 闸门在水下 承受压力大 检修困难 启门力也相应加大 门体结构 止水和启闭都较复杂 2 深式泄水孔的型式按水流条件分有压 优点 工作闸门布置在出口 门后为大气 可部分开启 出口高程低 利用水头大 Q大可使断面尺寸较小 缺点 闸门关闭时 孔内承受较大的内水压力 对坝体的应力和防渗不利 常需钢板衬砌 无压 优点 工作闸门在进口 可以部分开启 关闭后孔道内无水 明流段可不用钢板衬砌 施工简便 干扰少 有利于加快进度 缺点 断面尺寸大 削弱坝体 按所处高程分 中孔 位于坝高1 3 2 3范围内底孔 位于坝高底部1 3范围内按布置的层数分 单层 多层 双层 3 深式泄水孔的布置A 进口曲线要求 a 水头损失小 泄水能力大 b 控制负压 防止空蚀 进口曲线 椭圆方程 常采用1 4椭圆 长轴与孔轴平行对圆形孔A 直径 0 30孔口两侧A 孔宽 1 4对矩形孔A 孔高 1 3 1 4 B 管身有压 用圆形 过水能力强 周边应力较好 无压 用矩形 留足够的净空顶部距水面矩离取最大流量不掺气水深的30 50 C 渐变段由方 圆 进口段用 由圆 方 出口段用 因施工较复杂 不宜太长 为满足水流平顺要求又不宜太短 故常取L 1 5 2 0 D D 竖向连接由缓变陡时 用抛物线由陡变缓时 用反弧E 平压管和通气孔 四 泄水重力坝的下游消能 通过坝体的下泄水流具有很大的能量 当水位差为40m时 单宽流量q 50秒立方米 1米宽河床内的水流动能可达24000匹马力 如此巨大的能量主要消耗于两个方面 1 水流的内部损耗 如摩擦 冲击 紊动 漩涡 2 水流与固体边界作用 如摩擦 冲刷等 当冲刷扩展到坝基时 就会危及坝体安全 消能设计原则 1 尽量增加水流的内部紊动2 限制水流对河床的冲刷范围 消能方式 底流消能 挑流消能 面流消能 消力戽消能 1 底流消能1 工作原理在坝趾下游设消力池 消力坎等 促使水流在限定范围内产生水跃 通过水流的内部摩擦 掺气和撞击消耗能量 2 产生底流消能的条件 图3 48水跃类型 a 波状水跃 b 弱水跃 c 振荡水跃 d 稳定水跃 e 强水跃 3 岩基上护坦的构造要求 护坦厚度应满足稳定要求 在扬压力和脉动压力作用下不浮起 荷载 水重集度P 平均脉动压强A 动水压力 比较复杂 由试验确定 扬压力强度U 设排水时 仅有浮托力 不设排水时 除考虑浮托力外还有渗透压力 增稳措施 锚筋 2 挑流消能1 工作原理利用鼻坎将水流挑向空中 并使其扩散 掺入大量空气 然后落入下游河床水垫 形成旋滚 消耗能量约20 起初冲刷河床 形成冲坑 达一定深度后 水垫加厚冲坑趋于稳定 2 设计内容选择鼻坎型式反弧半径鼻坎高程挑射角度3 连续式挑坎R 水流转向容易 但鼻坎向下游延伸较长 工程量增加 R 水流转向困难 一般取 8 10 hc 挑射距离远 入水角大 冲坑深 挑射距离近 入水角小 冲坑浅 20 35 鼻坎高程一般高出下游最高水位1 2m 4 对坝体安全的评估挑距冲坑 对陡倾角岩石 对缓倾角岩石 5 差动式挑坎使水流通过高低坎分为两股射出 在垂直方向有较大的扩散 水舌入水宽度增加 减少了单位面积上的冲刷能量 两股水流在空中互相撞击 掺气加剧 因此冲坑较连续式的浅 约减少35 但挑距将有所减小 主要缺点 高坎侧面极易形成负压而产生空蚀 3 面流消能工作原理 利用鼻坎将水流挑至水面 不是空中 在主流下面形成旋滚 从而达到消能的目的 结构尺寸 同挑流鼻坎不同之处 鼻坎低一些 下游水位附近 小一些 0 适用场合 下游水位较深 单宽流量变化范围小 水位变幅不大 有排冰和漂木要求 缺点 消能效率不高 下游水面波动大 影响电站稳定运行和通航 图3 74跌坎面流消能基本流态 a 自由面流 b 混合面流 c 淹没混合面流 d 淹没面流 4 消力戽消能工作原理 利用戽坎在水下的特点 使水流分别在戽内和戽后漩滚 形成 三滚一浪 进而达到消能目的 设计内容 确定反弧半径RR 坎上水流出流条件好 戽内漩滚水体相应加大 对消能有利 但R太大 效果不显著 且戽体工程量加大 戽坎高度a戽坎应高于河床 以防泥沙杂物卷入戽内 一般取尾水深的1 9 a R 1 COS 挑射角度 大部分工程采用45 也有采用37 40 易产生戽流 但涌浪高冲坑深 戽内漩滚易超出戽外 最好由试验确定 戽底高程一般取与河床同高 原则上保证在各级流量和下游水位条件下均能发生稳定戽流 优点 工程量比消力池省 冲刷坑比挑流消能小 不存在雾化问题 缺点 下游水位波动较大 延绵范围较长 易冲刷河岸 对航运不利 底部漩滚会把河床砂石带入戽内 磨损戽面 增加维修费用 5 宽尾墩与挑流联合消能6 不利流态 折冲水流的产生及其防止折冲水流 闸坝泄向下游的水流 主流在平面上不能均匀扩散 两侧形成回流 使主流受挤压 单宽流量增加 当两侧回流强度不同 水位不同时 可能将主流压向一侧 并沿下游河道或左或右摆动的现象 参见教材Page441图10 6 防止措施 1 在枢纽布置上尽可能使下泄水流与原河道主流一致 2 规定闸门操作程序 均匀对称开启 3 设分水墙 布置消力墩 扩散槛和齿槛等4 进行水工水力学模型试验 2 7重力坝的材料及构造 一 重力坝的材料重力坝的材料主要是混凝土 山区也有用石块砌1 水土混凝土的特点 抗压性能好多用于承受压力的结构 可塑性好可以制成结构所需要的形状 能抗渗 抗侵蚀 可进行机械化施工 节省劳动力 可进行水下施工 大大改善施工条件 可制成预制件 2 混凝土的设计强度及龄期强度包括抗拉 抗压 抗剪 通常用标号来表示砼强度的高低 砼强度是随着龄期增长的 那么在规定设计标号时应同时规定设计龄期 抗压 规定设计龄期为90天 不超过180天 28天龄期时的强度不低于75号抗拉 规定设计龄期为28天 一般不采用后期强度 常用的砼标号有C10 C15 C20 C25 C30 C40等 在试验室里 用砼拌和物做成20 20 20cm的试块 在标准条件 温度20 3 C 相对湿度95 以上 下养护28天 90天 作抗压试验 测得 其极限抗压强度 以kg c 表示 即为标号 抗压强度 75 85 标号 3 混凝土的耐久性耐久性包括抗渗 抗冻 抗磨 抗侵蚀抗渗 指抵抗压力水渗透的性能 用抗渗标号表示 可根据作用水头与抗渗砼层厚度的比值 渗透坡降 选定 抗冻 指砼在饱和状态下 经过多次冻融循环而不破坏 也不严重降低强度的性能 抗磨 指抵抗高速水流或挟沙水流的冲刷磨损的性能 目前尚未订出明确的技术标准 通常有抗磨要求的砼其抗压强度不得低于 200号 抗侵蚀 某些物质的化学作用 需进行水质分析二 坝体混凝土分区理由 因坝体各部位受力条件不同 为节约和合理使用水泥而为之 分区 上下游水位以上坝体表层砼 上下游水位变化区的坝体表层砼 上下游最低水位以下坝体表层砼 靠近地基的砼 坝体内部砼 抗冲刷部位砼 如溢流面 泄水孔周边导墙闸墩等 为便于施工 应尽量减少混凝土标号的类别 相邻区的强度标号不应超过两级 以免引起应力集中或产生温度裂缝 分区厚度不小于2 3m 三 坝顶构造 四 施工温度控制及裂缝的防止混凝土在施工过程中 由于水泥水化热的影响 引起体积变化 如果体积受到外部或内部的约束 便产生温度应力 当应力值超过初期混凝土的抗拉能力时 砼初期抗拉强度是很低的 便出现裂缝 因此应严格控制温度 1 温度变化规律为了深入理解混凝土块体内温度裂缝的成因 首先需了解坝体砼温度的变化规律 砼浇筑入仓后 其温度将有一个复杂的变化过程 它与以下三个因素有关 1 砼在硬化过程中散发水化热成为内部热源 2 流态砼入仓时的温度与当时周围介质的温度不同 即存在 初始温差 3 周围气温随时间在变化 由于上述三个因素的存在 砼内部各点之间以及砼与周围介质存在温差 热量在其间流动传导 大体上讲 砼入仓后任一点的温度变化过程为 混凝土的温度变化过程 大体积混凝土的温度变化过程 可分为3个阶段 温升期 降温期 冷却期 和稳定期 2 温度应力及裂缝成因温度变化后 砼产生体积变形 当变形不能自由发生而受到约束时即产生温度应力 根据约束的特点 温度应力可分为 基础约束温度应力 易导致贯穿性裂缝砼自身约束温度应力 易导致表面裂缝等 混凝土坝温度裂缝 3 温度裂缝的控制与防止1 注意浇筑块的温度 湿度控制减少砼水化热温升是降低温度应力防止裂缝的重要方法 包括 减少水泥用量如分区采用不同标号砼 埋块石 在水泥中加掺合剂 降低砼的入仓温度 如预冷骨料 加冰拌和 采取措施散发热量 包括人工冷却和天然散热 2 提高砼的浇筑质量和抗裂性能 高坝靠近地基部位28天龄期砼不低于C15 C20 坝内90天龄期不低于C10 中低坝 上述标号可适当降低 但不低于90天龄期C10 提高砼浇筑质量 合格率不低于80 离差系数应尽量小于0 153 分缝 横缝和纵缝 目的 a 适应施工能力的要求b 防止温度应力产生裂缝c 防止不均匀沉降产生裂缝 型式 横缝 垂直于坝轴线 相隔12 20m 有时顾及溢流孔口尺寸和厂房机组间距 永久缝 缝面为平面 缝宽1 2cm 缝内设止水 止水材料可用金属片 如紫铜片 橡胶 塑料和沥青等 临时缝 缝面为楔形键槽 为传递力需灌浆 临时缝适合于下列情况a 河岸狭窄 做成整体以发挥两岸的支撑作用 b 岸坡较陡 做成整体以改善岸坡坝段的稳定性 c 对软弱破碎带上的坝段 做成整体可增加坝体刚度 d 提高大坝的抗震性能 横缝键槽的方向可竖向布置也可水平向布置 纵缝 沿坝轴线布置 属于临时缝 待坝体温度 降到稳定温度后 进行接缝灌浆 纵缝型式 铅直纵缝 最常用的一种 间距15 30m 为更好地传力 需在缝面上设三角形键槽 缝面主要受正应力 剪应力较小 错缝 将缝错开 不作灌浆处理 基岩附近分块高度高1 5 2 0m 坝体内3 4m 错距不应超过浇筑块厚度的一半 以免垂直开裂 适用于低坝 施工简便 斜缝 大致沿主应力方向设置 缝面剪应力小 亦不必灌浆 斜缝不应直通上游面 为防止斜缝在终止处沿缝顶向上贯穿 需采取并缝措施 如布设骑缝钢筋 设并缝廊道等 斜缝施工复杂 较少采用 通仓浇筑 由于温控和施工技术水平提高 加之施工简便 可以加快速度 采用薄层通仓浇筑 为防止水泥水化热引起温度应力 故采取降低水泥用量添加粉煤灰 采用碾压技术提高容重 碾压混凝土坝 五 坝体排水1 作用 降低坝体内的渗透压力 2 布置 坝体排水管的间距 一般2 3m管内径15 25cm 距上游面距离要求不小于坝前水深的1 10 1 12 排水线路渗入坝体 排水管 廊道集水井 下游 排水管材料无砂砼或多孔砼 六 廊道1 作用 灌浆 排水 检修 交通 检查等2 型式基础廊道 尺寸 城门洞型2 5m 3 5m满足灌浆要求 距上游面 应满足砼渗透坡降要求 取 0 05 0 1 H距坝基面 满足帷幕灌浆时盖重的要求 一般取4 5m坝身廊道 尺寸 满足交通检查等要求 上圆下方 1 2m 2 2m距上游面距离 同排水管 0 05 0 07 H且不小于3m沿高程 每隔15 20m设一层 2 8重力坝的地基处理 重力坝的失事有40 是因为地基问题造成的 实际上 完整无缺的地基也是很难找到的 基岩中存在着节理 裂隙 断层 夹层等软弱结构面 它们都会不同程度地破坏或降低了岩体的稳定性 强度及抗渗能力 所以在具有缺陷的岩基上修建重力坝应对地基进行处理 它包括两方面的工作 一是防渗 二是提高基岩强度 承载力 其处理措施有 一 开挖和清理将复盖层和风化破碎的岩石挖掉 包括清除松动石块 打掉突出的尖角 当复盖层很深时 全部清除工作量十分巨大 可考虑其他坝型 二 固结灌浆目的 提高基岩的整体性和弹性模量 减少基岩受力后的变形 提高基岩的抗压抗剪强度 降低坝体的渗透性减少渗流量 设计内容 1 确定灌浆范围 应力较大的上下游部位 局部节理裂隙发育和破碎带及其附近的范围2 灌浆孔的深度 5 8m3 灌浆孔的间距 3 4m4 排列型式 梅花形或井字形 固结灌浆孔排列型式 梅花形或井字 棋盘 形 三 帷幕灌浆目的 降低坝基渗透压力 减少渗流量深度 相对隔水层浅时 打至隔水层内3 5m 相对隔水层深时 打至 0 3 0 7 倍坝高 相对不透水层是指单位吸水率 0 01升 分米 单位吸水率即一米长的钻孔在1kg c 压力下一分钟内的吸水量 厚度 由承受的水力坡降而定位置 基础灌浆廊道上游沿坝轴线形成阻水幕方向 钻孔方向一般垂直向下 必要时有一定斜度 10 以内 与节理方向正交 为帷幕的允许渗透坡降 说明 最大渗透坡降发生在帷幕顶部 当设双排灌浆孔时 只需将一排灌至设计深度 另一排灌至设计深度的1 2 2 3即可 四 坝基排水因帷幕不能完全截断渗流 为进一步降低坝底的渗透压力 需设置坝基排水 打排水孔和设置基础排水廊道 五 断层破碎带处理断层破碎带由于强度低 弹性模量小 可能引起坝基产生不均匀沉陷和坝体开裂 破碎带如连通水库将使坝基渗透压力加大 在高压水作用下破碎带内的物质可能产生机械和化学管涌淘刷坝基 危及大坝安全 处理措施 1 破碎带倾角较大或与地面接近垂直时 在坝基面采用砼塞 塞深为 1 1 5 破碎带宽度 图4 51倾角较缓的断层破碎带处理1 平洞回填 2 斜井回填 3 阻水斜塞 4 表面混凝土梁 塞 5 破碎带 6 帷幕灌浆孔 7 阻水斜塞井壁固结灌浆 2 有倾角但不大的破碎带处理除在坝基面做砼塞外 还需在其下部埋深部分进行斜井和平洞回填处理 2 9其他型式的重力坝 重力坝的主要缺点 1 扬压力大 2 材料强度不能充分利用 3 坝体体积大 水泥用量多 水化热高 散热条件差 一 宽缝重力坝1 宽缝重力坝的剖面型式及构造特点 它由实体重力坝横缝 加宽 而成 坝基渗水从宽缝处排出 使扬压力减小同时作用面积减小 比实体重力坝可节省10 20 宽缝的存在增加侧向天然散热面 加快散热过程 有利于温度控制 坝段内厚度减薄 有利于充分利用材料强度 坝内有宽缝便于观测检查 根据不同坝段的地质条件 通过改变宽缝尺寸来调节坝体重量 外观保持一致 模板用量增加 倒悬模板拆装麻烦 施工复杂 气温变化剧烈的地区 易产生表面裂缝 2 剖面尺寸坝段宽度L 16 24m考虑 1 溢流坝段布置 孔数和尺寸 2 发电厂房的机组间距 3 施工条件 缝宽2S 20 40 L2S 宽缝的优点不明显 2S 坝体腹部易产生拉应力 宽缝高满足施工导流 厂房引水管 稳定等要求 n可比实体重力坝略缓n 0 15 0 35m可比实体重力坝略陡m 0 5 0 7tu满足水力坡降和侧向传力要求 tu 0 08 0 12 H不小于3mtd满足应力 施工和保温要求td 3 5m不小于2m