河海大学水利水工建筑物复试-重力坝

1 重力坝重力坝 一 重力坝的工作原理及特点一 重力坝的工作原理及特点 1 1 重力坝在水压力及其它荷载作用下必需满足 重力坝在水压力及其它荷载作用下必需满足 A A 稳定要求 主要依靠坝体自重产生的抗滑力来满足 稳定要求 主要依靠坝体自重产生的抗滑力来满足 B B 强度要求 依靠坝体自重产生的压应力来抵消由于水压力所产 强度要求 依靠坝体自重产生的压应力来抵消由于水压力所产 生的拉应力来满足 生的拉应力来满足 2 2 重力坝的类型 重力坝的类型 1 1 按构造不同分为 实体重力坝 宽缝重力坝 空腹重力坝和预应力重力坝 按构造不同分为 实体重力坝 宽缝重力坝 空腹重力坝和预应力重力坝 2 2 按作用可以分 溢流重力坝 非溢流重力坝 按作用可以分 溢流重力坝 非溢流重力坝 3 3 按筑坝材料的不同分为 混凝土重力坝和浆砌石重力坝 按筑坝材料的不同分为 混凝土重力坝和浆砌石重力坝 二 重力坝的荷载组合重力坝的荷载组合 基本组合基本组合 1 1 正常蓄水位情况 作用包括 正常蓄水位情况 作用包括 基本组合基本组合 2 2 防洪高水位情况 作用包括 防洪高水位情况 作用包括 基本组合基本组合 3 3 冰冻情况 作用包括 冰冻情况 作用包括 偶然组合偶然组合 1 1 校核洪水位情况 作用包括 校核洪水位情况 作用包括 偶然组合偶然组合 2 2 地震情况 作用包括 地震情况 作用包括 重力坝按极限状态设计时一般要考虑四种承载能力极限状态 重力坝按极限状态设计时一般要考虑四种承载能力极限状态 坝趾抗压强度极限状态坝趾抗压强度极限状态 坝体与坝基面的抗滑稳定极限状态坝体与坝基面的抗滑稳定极限状态 坝体混凝土层面的抗滑稳定极限状态坝体混凝土层面的抗滑稳定极限状态 基岩有薄弱层基岩有薄弱层 时坝体连同部分坝基的深层抗滑稳定极限状态时坝体连同部分坝基的深层抗滑稳定极限状态 三三 重力坝的抗滑稳定分析重力坝的抗滑稳定分析 沿坝基面的抗滑稳定分析沿坝基面的抗滑稳定分析 重力坝失稳破坏的机理 首先坝踵处基岩和胶结面出现微裂松弛区 随后在坝址处基重力坝失稳破坏的机理 首先坝踵处基岩和胶结面出现微裂松弛区 随后在坝址处基 岩和胶结面出现局部区域的剪切屈服 进而屈服范围逐渐增大并向上游延伸 最后形成滑岩和胶结面出现局部区域的剪切屈服 进而屈服范围逐渐增大并向上游延伸 最后形成滑 动通道 导致大坝的整体失稳 动通道 导致大坝的整体失稳 一 抗剪强度公式 一 抗剪强度公式 1 1 当接触面呈水平时 其抗滑稳定安全系数 当接触面呈水平时 其抗滑稳定安全系数 UWfK S S P 2 2 当接触面倾向上游时 其抗滑稳定安全系数 当接触面倾向上游时 其抗滑稳定安全系数 sincos sincos WP PUWf KS 二 抗剪断公式 二 抗剪断公式 P AcUWf KS 2 深层抗滑稳定分析深层抗滑稳定分析 1 1 单斜面深层稳定计算 单斜面深层稳定计算 如图将软弱面以上的坝体和地基视为刚体 按下式计算 sincos sincos WP PUWf KS 2 2 双斜面深层抗滑稳定计算 双斜面深层抗滑稳定计算 提高抗滑稳定性的工程措施 提高抗滑稳定性的工程措施 1 利用水重利用水重 2 采用有利的开挖轮廓线 采用有利的开挖轮廓线 使坝基面倾向上游 当岩基比较坚固时 可开挖成锯齿状 形成局部的 倾向上游的斜面 3 3 设置齿墙设置齿墙 4 4 抽水措施 抽水措施 5 5 加固地基 加固地基 6 6 预加应力措施 预加应力措施 重力坝的应力分析重力坝的应力分析 方法 方法 A A 应力模型试验法 应力模型试验法 B B 材料力学法 材料力学法 C C 弹性理论解析法 弹性理论解析法 D D 弹性理论 弹性理论 差分法 差分法 E E 弹性理论有限元法 弹性理论有限元法 3 三三 重力坝的强度指标 应力控制标准 重力坝的强度指标 应力控制标准 一 一 坝基面的强度指标坝基面的强度指标 1 1 运用期运用期 1 1 在各种荷载组合作用下 地震除外 在各种荷载组合作用下 地震除外 坝基面下游边缘的最大垂直正应力应小于基 坝基面下游边缘的最大垂直正应力应小于基 岩容许压应力岩容许压应力 计入河不计入扬压力 2 2 坝基面上游最小正应力应大于零坝基面上游最小正应力应大于零 计入扬压力 2 2 施工期施工期 1 1 对下游坝基面的垂直正应力可允许有大于 对下游坝基面的垂直正应力可允许有大于 0 1MP0 1MP 的拉应力 的拉应力 2 2 压应力是根据岩石抗压强度结合坝基地质条件除以安全系数决定的 压应力是根据岩石抗压强度结合坝基地质条件除以安全系数决定的 二 二 坝体应力强度指标坝体应力强度指标 运用期 运用期 1 1 坝体上游面的最小主应力有两种强度指标坝体上游面的最小主应力有两种强度指标 计入扬压力时计入扬压力时0 min 不计入扬压力时不计入扬压力时 h0 4 0 25 0min 2 2 坝体内部一般不允许出现拉应力 坝体内部一般不允许出现拉应力 但宽缝重力坝上游较远处可出现不超过混凝土抗拉 强度的拉应力 3 3 溢流坝堰顶 坝内廊道及孔洞周围出现拉应力需配筋 溢流坝堰顶 坝内廊道及孔洞周围出现拉应力需配筋 2 2 施工期 施工期 1 1 坝体任何截面上的主应力应不大于混凝土的容许压应力 坝体任何截面上的主应力应不大于混凝土的容许压应力 2 2 坝体下游面可容许不大于 坝体下游面可容许不大于 0 2MP0 2MP 的主拉应力的主拉应力 四 各种非荷载因素对坝体应力的影响四 各种非荷载因素对坝体应力的影响 一 地基变形对坝体应力的影响 一 地基变形对坝体应力的影响 材料力学法假定任何水平截面的正应力均呈直线分布 即任何水平截面变形后仍保持材料力学法假定任何水平截面的正应力均呈直线分布 即任何水平截面变形后仍保持 为平面 而实际上坝地面在各种压力下不能一直保持水平 地基变形使坝基面以上为平面 而实际上坝地面在各种压力下不能一直保持水平 地基变形使坝基面以上 1 31 3 1 41 4 的范围内与材料力学法的计算结果有较大差别 的范围内与材料力学法的计算结果有较大差别 1 1 空库时空库时越大 坝踵处越大 坝踵处和和应力集中显著应力集中显著 rc E E y 2 2 满库时满库时越小 坝址和坝踵均出现拉应力越小 坝址和坝踵均出现拉应力 rc E E 下游坝址有应力集中的趋势下游坝址有应力集中的趋势1E E rc 很大时 坝址出现显著的压应力集中 坝踵也有一定的应力集中现象 很大时 坝址出现显著的压应力集中 坝踵也有一定的应力集中现象 rc E E 3 所以地基不能太坚硬 当然又不能太软弱 一般所以地基不能太坚硬 当然又不能太软弱 一般在在 1 1 2 2 范围内是有利的范围内是有利的 rc E E 二 地基不均匀性对坝体应力的影响 二 地基不均匀性对坝体应力的影响 上游坝踵附近地基的刚度较大时 坝趾处刚度小 有可能会产生拉应力 上游坝踵附近地基的刚度较大时 坝趾处刚度小 有可能会产生拉应力 当上游坝踵附近地基的刚度较小时 坝趾处刚度大 上游坝趾的应力状态较均当上游坝踵附近地基的刚度较小时 坝趾处刚度大 上游坝趾的应力状态较均 匀地基有所改善 增加了压应力 因此若地基必须跨在两种不同的刚度的地基上宜将下游匀地基有所改善 增加了压应力 因此若地基必须跨在两种不同的刚度的地基上宜将下游 坝体布置在较坚硬的地基上 坝体布置在较坚硬的地基上 三 三 施工纵缝对坝体应力的影响施工纵缝对坝体应力的影响 1 1 当 当 n 0n 0 时不考虑纵缝和考虑纵缝自重应力基本相同时不考虑纵缝和考虑纵缝自重应力基本相同 4 2 2 当 当 n n 0 0 时上游坝踵的自重应力明显减小 水压力叠加后坝踵处应力状态明显恶化时上游坝踵的自重应力明显减小 水压力叠加后坝踵处应力状态明显恶化 3 3 当 当 n n 0 0 时与水压力叠加后对坝踵应力有利 但施工期坝趾会出现过大的拉应力 时与水压力叠加后对坝踵应力有利 但施工期坝趾会出现过大的拉应力 四 分期施工队坝体应力的影响 四 分期施工队坝体应力的影响 1 1 不分期施工坝体垂直正应力呈直线变化 不分期施工坝体垂直正应力呈直线变化 2 2 分期施工呈折线变化 且在坝踵处出现拉应力 分期施工呈折线变化 且在坝踵处出现拉应力 一 一 施工期的温度应力施工期的温度应力 施工期的温度应力包括 施工期的温度应力包括 1 地基约束引起的应力 地基约束引起的应力 浇筑以后 在温升过程中 浇筑块底部受基础约束不能自 由膨胀 将会承受水平压应力 由于混凝土在浇筑初期弹性模量较低 因而压应 力不高 可是在混凝土处于降温期时 弹性模量变大 而地基不能随混凝土一起 收缩 所以对混凝土的收缩产生约束力 即产生和大的拉应力 贯穿性裂缝 2 内外温度差引起的应力内外温度差引起的应力 混凝土在浇筑初期 由于表面温度降度 在块体内外形 成的温差将使外部收缩受拉而内部受压 当拉应力超过材料的抗拉强度时 将产 生表面裂缝 施工期坝体温度取决于混凝土入仓时的浇筑温度和水化热温升 表面裂缝 二 二 重力坝的温度裂缝和防止措施重力坝的温度裂缝和防止措施 一 裂缝的分类 一 裂缝的分类 当坝体内某部位的拉应力超过混凝土的抗拉强度时 就会出现裂缝 重力坝的 裂缝主要是温度应力引起的 裂缝可分为 贯穿性裂缝和表面裂缝两类 其中贯穿裂缝可分为 贯穿性裂缝和表面裂缝两类 其中贯穿 性的裂缝又分为横向 纵向和水平向三个方向的裂缝 性的裂缝又分为横向 纵向和水平向三个方向的裂缝 裂缝的危害裂缝的危害 表面裂缝对大坝影响不大 表面裂缝对大坝影响不大 但上游坝面出现的裂缝会加剧渗漏 溢流 坝面的裂缝将降低抵抗高速水流冲刷的能力 横向贯穿性裂缝会漏水和渗透侵蚀破坏 横向贯穿性裂缝会漏水和渗透侵蚀破坏 纵向贯穿性裂缝会降低坝体的整体性能 纵向贯穿性裂缝会降低坝体的整体性能 水平向贯穿性裂缝会降低大坝的抗剪强度水平向贯穿性裂缝会降低大坝的抗剪强度 所以除适当分缝 分块和提高混凝土质量外还要对混凝土进行温度控制 三 温度控制措施 三 温度控制措施 温控措施有 温控措施有 1 1 降低混凝土的浇筑温度 降低混凝土的浇筑温度 2 2 减少混凝土水化热温升 减少混凝土水化热温升 3 3 加强混凝土表面养 加强混凝土表面养 护和保护 护和保护 重力坝的基本剖面重力坝的基本剖面 1 重力坝的基本剖面 指重力坝在坝体自重 静水压力和扬压力三项荷载作用下 满重力坝的基本剖面 指重力坝在坝体自重 静水压力和扬压力三项荷载作用下 满 足稳定和强度要求 并使工程量最小的三角形剖面 足稳定和强度要求 并使工程量最小的三角形剖面 2 2 极限状态设计 承载能力极限状态极限状态设计 承载能力极限状态 正常使用极限状态正常使用极限状态 二二 几种现象几种现象 1 1 空化和空蚀空化和空蚀 在自然条件下 水体中含有许多很小的气核 当过坝水流中某点的压力降至饱和蒸汽 压强 气核迅速膨胀为小空泡 这种现象称为空化 当低压区的空化水流流经下游高压区 时 空泡遭受压缩而溃灭 由于溃灭时间极为短暂 一般只有千分之几秒 会产生一个很 高的局部冲击力 可达几千个大气压 若空泡溃灭发生在过水坝面 局部冲击力大于材料 5 的内聚力时 可使坝面遭到破坏 这种现象称为空蚀 2 2 掺气 掺气 3 3 水流脉动水流脉动 泄水建筑物中的水流运动 属于高度的水流 其基本特征是流速和压力在不断变化 泄水建筑物中的水流运动 属于高度的水流 其基本特征是流速和压力在不断变化 即所谓脉动即所谓脉动 4 4 冲击波冲击波 在高速水流边界条件发生变化处 如 断面扩大 收缩 转弯处 将产生冲击波 五 消能防冲设计 五 消能防冲设计 常用的消能工形式有 底流消能 挑流消能 面流消能和消力戽消能等常用的消能工形式有 底流消能 挑流消能 面流消能和消力戽消能等 2 2 底流消能底流消能 1 1 底流消能的特点及措施 底流消能的特点及措施 优缺点及应用优缺点及应用 底流消能具有流态稳定 消能效果好 对地质条件和尾水变幅适应性强以 及水流雾化很小等优点 可适应高 中 低水头 但护坡较长 土石方开挖量和混凝土方 量较大 工程造价较高 底流消能多用于中 小工程 实际工程中 为了防止流态不稳定而产生的远驱水跃 常采用以下三种措施 在护坦末端设置消力坎 在坎前形成消力池 在护坦末端设置消力坎 在坎前形成消力池 降低护坦高程形成消力池 降低护坦高程形成消力池 既降低护坦高程 又建造消力坎形成综合消力池 既降低护坦高程 又建造消力坎形成综合消力池 消力池是水跃消能工的主体 其横断面除少数为梯形外 绝大多数呈矩形 2 2 护坦构造 护坦构造 护坦用来保护河床免受高速水流的冲刷 长度 长度 对底流消能 护坦长度应延伸至水跃跃尾 对其他形式的消能工 当可能产生 临近坝趾的冲刷时 也需要在坝趾下游设置护坦 3 3 挑流消能挑流消能 1 挑流消能的特点与设计 特点 特点 挑流消能是利用泄水建筑物出口处的挑流鼻坎 将下泄的急流抛向空中 然 后落入离建筑物较远的河床 与下游水流相衔接的消能方式 能量消耗大体分三部分 急 流沿固体边界的摩擦消能 射流在空中与空气摩擦 掺气 扩散消能 射流落入下游尾水 中淹没紊动扩散消能 优缺点和应用 优缺点和应用 挑流消能通过鼻坎可以有效地控制射流落入下游河床的位置 范围 和流量分布 对尾水变幅适应性强 结构简单 施工 维修方便 耗资省 挑流消能适应 于基岩比较坚固的中 高水头各类泄水建筑物 是应用非常广泛的一种消能工 挑流消能设计的主要内容有挑流消能设计的主要内容有 选择鼻坎形式 确定鼻坎高程 反弧半径 挑角 计 算挑距和下游冲刷坑深度 4 4 面流消能与消力戽面流消能与消力戽 1 1 面流消能 面流消能 特点 特点 利用鼻坎将主流挑至水面 在主流下面形成旋滚 旋滚流速较低 而且系沿 河床流向坝址 河床一般不需要加固 应用 应用 面流消能适应于下游尾水较深 流量变化范围较小 水位变幅不大 或有排 水 漂木要求的情况 2 2 消力戽 消力戽 特点 特点 消力戽的挑流鼻坎潜没在水下 形不成自由水舌 水流在戽内产生旋滚 经鼻 坎将高速的主流挑至表面 戽内的选滚可以消耗大量能量 6 应用 应用 消力戽适应于尾水较深且变幅较小 无航运要求且下游河床和两岸抗冲能力较 强的情况 消力戽设计的主要内容是 确定反弧半径 戽坎高度和挑射角度 消力戽设计的主要内容是 确定反弧半径 戽坎高度和挑射角度 重力坝的地基处理重力坝的地基处理 地基处理的主要任务是 地基处理的主要任务是 防渗 防渗 提高基岩的强度和整体性 提高基岩的强度和整体性 地基处理的主要措施 对岩基进行固结灌浆和防渗帷幕灌浆 设置基础排水系统 对特地基处理的主要措施 对岩基进行固结灌浆和防渗帷幕灌浆 设置基础排水系统 对特 殊软弱带进行专门的处理等殊软弱带进行专门的处理等 一 坝基的开挖与清理一 坝基的开挖与清理 坝基开挖与清理的目的是把覆盖层及风化破碎的岩石挖除 使坝体座落在稳定 坚固坝基开挖与清理的目的是把覆盖层及风化破碎的岩石挖除 使坝体座落在稳定 坚固 的地基上 的地基上 二 坝基的固结灌浆二 坝基的固结灌浆 1 1 定义 采用浅孔低压灌注水泥浆的坝基处理方法叫 定义 采用浅孔低压灌注水泥浆的坝基处理方法叫 固结灌浆固结灌浆 2 2 目的 固结灌浆的目的是 提高基岩的整体性和强度 降低地基的透水性 目的 固结灌浆的目的是 提高基岩的整体性和强度 降低地基的透水性 三 帷幕灌浆三 帷幕灌浆 1 1 定义 在靠近上游坝基布设一排或几排钻孔 利用高压灌浆填塞岩基内的裂缝和空 定义 在靠近上游坝基布设一排或几排钻孔 利用高压灌浆填塞岩基内的裂缝和空 隙等深水通道 在岩基中形成一道相对密实的阻水帷幕 称为隙等深水通道 在岩基中形成一道相对密实的阻水帷幕 称为 帷幕灌浆帷幕灌浆 2 2 目的 帷幕灌浆的目的是 降低坝底渗透压力 防止坝基内产生机械或化学管涌 目的 帷幕灌浆的目的是 降低坝底渗透压力 防止坝基内产生机械或化学管涌 减少坝基渗流量 帷幕材料最常用的是水泥浆 减少坝基渗流量 帷幕材料最常用的是水泥浆 四 坝基排水四 坝基排水 目的 为进一步降低坝底面的扬压力 应在防渗帷幕后设置排水孔幕 目的 为进一步降低坝底面的扬压力 应在防渗帷幕后设置排水孔幕 五 断层破碎带 软弱夹层和溶洞的处理五 断层破碎带 软弱夹层和溶洞的处理 1 1 断层破碎带的处理 断层破碎带的处理 可采用开挖回填混凝土的措施 做成混凝土塞 埋藏较浅的应予挖除 埋藏较深的 除应在顶面做混凝土塞外 还要考虑其深埋部分对坝体稳定的影响 2 2 软弱夹层的处理 软弱夹层的处理 在坝踵部位做混凝土深齿墙在坝踵部位做混凝土深齿墙 切断软弱夹层直达完整基岩 当夹层埋藏较浅时 此 法施工方便 工程量不大 且有利于坝基防渗 应用广泛 对埋藏较深 较厚 倾角平缓的软弱夹层 可在夹层内设置混凝土塞 可在夹层内设置混凝土塞 在坝址处建混凝土深齿墙 在坝址处建混凝土深齿墙 切断软弱夹层直达完整岩基 以加大尾岩抗力 这种 方法适用于建坝过程中发现未预见到的软弱夹层或已建工程抗滑稳定的加固处理 在坝址下游侧岩体内设钢筋混凝土抗滑桩在坝址下游侧岩体内设钢筋混凝土抗滑桩 切断软弱夹层直达完整岩基 抗滑桩 的作用不十分明显 在坝址下游岩体内采用预应力锚索以加大岩体的抗力 此法适用 于已建工程的加固处理 重力坝的材料及构造重力坝的材料及构造 一 混凝土一 混凝土 重力坝的建筑材料主要是混凝土 中 小型工程有的也用浆砌石 对水工混凝土 除 强调外 还有按其所处部位和工作条件 在抗肾 抗冻 抗冲刷 抗侵蚀 低热 抗裂等 性能方面提出不同的要求 二 坝体混凝土分区二 坝体混凝土分区 坝体各部位的工作条件不同 对混凝土强度 抗渗 抗冻 抗冲刷 抗裂等性能的要 求也不同 为了节约与合理使用水泥 通常将坝体按不同部位和不同工作条件分区 采用 7 不同