水工建筑物--第六章--重力坝概述 荷载 稳定 PPT课件

水工建筑物 2020年4月5日 赖国伟 1 第六章重力坝GravityDam 第一节概述第二节重力坝的荷载及其组合第三节重力坝的稳定分析第四节重力坝的应力分析第五节重力坝的剖面设计第六节重力坝的泄水与消能防第七节重力坝的材料与构造第八节重力坝的地基处理第九节其它型式的重力坝 2 第一节概述 术语解释 坝 拦截江河渠道水流以抬高水位或调节流量的挡水建筑物 坝轴线 在平面上代表大坝位置的一条横断河谷的线 一般重力坝与拱坝用坝顶上游侧在水平面上的投影线 土坝用坝顶中心线作为坝轴线 3 大坝分类 按结构特点分 4 一 工作原理重力坝是用混凝土 concrete 或者浆砌石 groutedrubble 材料建筑而成的挡水建筑物 工作原理 在库水压力及其它外荷作用下 主要依靠坝体自重来保持稳定 依靠其自身重量在地基上产生的摩擦力和坝与地基之间的凝聚力来抵抗坝前水压力等推力 以保持坝体的抗滑稳定 剖面特点 重力坝基本剖面呈三角形 通常上游面铅直或稍倾斜 结构型式 类似于以地基为固端的悬臂梁 因为重力坝常沿坝轴线用横缝分成独立工作的若干坝段 5 二 工作特点优点 1 坝体材料抗冲性能好 泄洪和施工导流问题容易解决 泄洪 可坝顶溢流 或在坝身开设泄水孔泄洪 不需另设溢洪洞或泄水隧洞 这是重力坝的一个很大优点 这样不用另设河岸溢洪道 隧洞等其它泄水建筑物 枢纽布置也较紧凑 施工导流 可以利用坝体导流 不需另设导流洞 6 2 断面形状简单 结构作用明确 施工方便 安全可靠 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 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 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 7 3 适合于在各种气候条件下修建 但在 冬季 当温度低于 3 时 混凝土中水会结冰 施工需采用加热 保温 防冻措施等 夏季 当温度高于30 时 施工需采用低热水泥 低温水 加冰屑 预冷骨料 掺外加剂延长初凝时间 4 对地基的要求比拱坝低 但比土石坝高 8 缺点 1 坝体体积大 耗费材料多 不能充分利用材料强度 因为稳定靠重力 2 坝体与地基的接触面大 作用在坝底面上的扬压力大 对稳定不利 3 施工期对大体积混凝土温控要求高 9 三 重力坝的分类 1 按坝顶是否溢流可分溢流重力坝 既可挡水 又可泄水的重力坝 非溢流重力坝 10 2 按结构型式可分实体重力坝 concretesolidgravitydam 整个坝体除若干小空腔外均用混凝土填筑的重力坝 宽缝重力坝 concreteslottedgravitydam 如果将实体重力坝横缝的中部加宽成空腔 即成为宽缝重力坝 特点 减少扬压力 节约混凝土方量10 20 改善混凝土浇筑时的散热条件 施工复杂 模板用量多 实体重力坝 宽缝重力坝 11 支墩坝 包括大头坝 平板坝 连拱坝 定义 结构型式 支墩坝是由一系列独立的支墩顺坝轴线排列 前面设挡水构件 形成横断河道的挡水坝 分类 按挡水构件的型式不同 可分为以下几类 1 大头坝 把支墩的上游端向两侧扩大 成为挡水的大头结构 2 平板坝 挡水构件采用钢筋混凝土平面板 支承在支墩上 3 连拱坝 挡水构件采用钢筋混凝土连续拱面板 支承在支墩上 传力过程 挡水构件承受水压力等荷载 经支墩将荷载传给地基 特点 节约混凝土方量 充分利用材料强度 侧向稳定性差 对地基的要求严格 钢筋用量较大 施工复杂 12 特点 节约混凝土方量 充分利用材料强度 侧向稳定性差 对地基的要求严格 钢筋用量较大 施工复杂 13 空腹重力坝在坝内设置大型纵向空腔的重力坝 特点 减少扬压力 节约混凝土方量20 30 空腹可布置水电站厂房 施工复杂 模板用量多 预应力重力坝 特点 利用受拉钢筋或钢杆对重力坝施加预应力 改善坝体应力 加大抗滑稳定性 施工复杂 钢筋用量多 目前仅在小型工程和旧坝加固工程中采用 空腹重力坝 预应力重力坝 14 3 按施工方式可分常态混凝土重力坝碾压混凝土重力坝 用干贫混凝土或无坍落度干硬性混凝土经碾压而成的混凝土重力坝 背景资料 20世纪七十年代 通过减少混凝土中水和水泥用量 发展了用无坍落度混凝土经施工机械运输 摊铺 用振动碾压而成的混凝土 称为碾压混凝土 RCC 施工时碾压厚度 一般为30cm 贫混凝土 水泥用量较普通混凝土低的混凝土 一般每立方砼为100 200kg 因而又称为经济混凝土 15 碾压混凝土坝主要特点 节约水泥 可简化温控措施 碾压混凝土一般都掺入较大数量 胶凝材料的30 70 的粉煤灰或其他具有一定活性的掺合料 因而水泥用量显著减少 水泥用量为50 120kg m3 而常态混凝土的水泥用量为160 220kg m3 可缩短工期 工期一般可缩短1 5 1 3 甚至更短 降低造价 碾压混凝土的单价比常规混凝土低15 30 有的低50 左右 16 17 4 按坝高分可分低坝 坝高在30m以下 中坝 坝高在30m 70m 含30m和70m 高坝 坝高在70m以上为高坝 低坝的高度为50m以下 中坝的高度为50m lOOm 高度在100m以上者为高坝 电力行业标准 混凝土拱坝设计规范 2006年修订 18 四 重力坝的布置 应根据地形地质条件 结合枢纽各组成建筑物综合考虑 例如 泄水溢流坝段 深孔坝段尽量布置在原河床 水电站多为采用坝后式 坝轴线一般布置成直线 必要时也可布置成折线或稍带拱形的曲线 后者称为拱形重力坝 总体布置还应注意各坝段外形的协调一致 尤其上游坝面要保持齐平 19 五 重力坝的设计内容 1 剖面设计 非溢流重力坝 参照已建工程经验 初步拟定剖面尺寸 2 稳定计算 验算坝体沿建基面或地基中软弱结构面的稳定安全度 3 应力计算 使应力条件满足设计规范要求 保证大坝和坝基有足够的强度 4 溢流重力坝和泄水孔的孔口尺寸的设计 包括泄水建筑物体型 溢流堰顶高程 溢流重力坝前沿的宽度和泄水孔进口的高程 泄水孔口的尺寸 以及泄水重力坝的应力稳定计算 5 电站坝段及其它建筑物设计 6 构造设计 根据施工和运行要求 确定坝体的细部构造 如分缝 廊道系统 排水系统 止水系统等 7 地基处理 根据地质条件 进行地基的防渗 排水设计 进行断层等地质结构面的处理 8 监测设计 包括坝体内部和外部的观测设计 20 六 国内外著名的重力坝世界上最高的混凝土重力坝 20世纪90年代修建的 位于瑞士的大狄克逊 Granddixence 坝 285m 我国最高的实体重力坝 位于湖北省长江的三峡大坝 181m 最高的碾压混凝土重力坝 位于广西红水河的龙滩碾压混凝土重力坝 一期192m 最终220m 国内坝高100M以上的典型混凝土重力坝 见左表 21 22 第二节坝的荷载及其组合作用在坝上的荷载主要有以下几种 坝体及坝上永久设备的自重 上 下游坝面上的静水压力 溢流坝反弧段上的动水压力 扬压力 冰压力 泥沙压力 浪压力 地震荷载 包括地震惯性力 地震动水压力和地震动土压力 由于建筑材料的体积变形 由温度和干湿所引起的伸缩变形 受到约束所引起的荷载 其他荷载 包括风压力 雪压力 船舶的缆绳拉力和靠船撞击力 运输车辆 货物 起重机和人群等的临时荷载以及爆炸引起的气浪力等 23 一 荷载的计算常沿坝轴线方向取1米宽坝体为计算单元 1 坝体及坝上永久设备的自重自重 坝体及其上永久性设施的重量W iVi 坝体自重 应按其断面的几何尺寸及材料容重计算 在初步设计阶段 混凝土的容重可根据骨料的类别采用23 0 23 5kN m3 对重要的工程应采用混凝土的试验数值 对坝上永久设备 如闸门 启闭机 电机 电梯等自重均按实际重量计算 2 上 下游坝面的静水压力水的容重 清水 w 浑水 w 按实际情况考虑 3 溢流坝反弧段上的动水压力 24 4 扬压力 1 坝底扬压力 无防渗排水设施的实体重力坝通常假定扬压力呈直线分布 扬压力可分解成两部分 浮托力与渗透压力 即扬压力 浮托力 渗透压力 25 设有防渗帷幕和排水设施的实体重力坝 防渗帷幕 seepageproofcurtain 在坝基钻孔灌浆而形成的一道连续地下墙 作用 减少坝基渗流量 降低坝底扬压力 排水孔幕 在防渗帷幕后边基岩钻孔 形成排水孔幕 作用 降低坝底扬压力 排水孔较防渗帷幕的减压效果往往更为显著 坝底扬压力分布图 浮托力按矩形分布 压力强度为 wH2 渗透压力呈折线分布 在排水孔中心线与坝底相交点为 w H1 H2 wH 为渗透压力强度系数 或称渗透压力折减系数 书中称扬压力折减系数不妥 河床坝段 采用0 2 0 3 岸坡坝段 采用0 3 0 4 设有防渗帷幕和排水设施的实体重力坝坝底扬压力图 26 设有抽排降压设施的实体重力坝抽排降压设施 为了有效地减小坝基扬压力 还可在基础灌浆廊道下游设置纵 横排水廊道和基面副排水孔 由自动抽水设备定时抽排 坝底扬压力分布 见图 1为扬压力强度系数 扬压力折减系数 2为残余扬压力强度系数 残余扬压力折减系数 27 坝体扬压力 坝体内部的扬压力 为了减小坝体内扬压力 常在上游坝面附近3 5m范围内提高混凝土的防渗性能 形成防渗层 其后设置坝身排水管孔 坝体水平截面上的扬压力 当计算截面在下游水位以下时 坝体排水管幕处扬压力折减系数 一般采用 0 15 0 3 当计算截面在下游水位以上时 坝体排水管幕处扬压力折减系数 同上 下游坝面处扬压力为0 排水管幕与下游坝面之间按直线变化 当计算截面在下游水位以下时 当计算截面在下游水位以上时 28 5 冰压力6 泥沙压力7 浪压力8 地震荷载9 温度荷载 对重力坝施工期进行适当温控 运用期设置永久性横缝 则温度荷载不列为主要荷载 29 二 荷载组合见第三章 水口规范规定 荷载组合应按下表规定进行 必要时应考虑其他可能的不利组合 30 第三节重力坝的稳定分析重力坝稳定分析目的及意义重力坝稳定分析的计算方法沿建基面的抗滑稳定分析坝基深层抗滑稳定分析提高抗滑稳定性的工程措施 31 第三节重力坝的稳定分析抗滑稳定分析是重力坝设计中的一项重要内容 目的 核算重力坝在各种可能荷载组合下的稳定安全度 建筑物设计基本原则 安全性与经济性 重力坝设计基本原则 保持稳定 抗滑稳定 应力不超过材料强度 主要是坝体不出现拉应力 剖面最小 32 重力坝主要破坏模式 1 滑动破坏 是坝体沿抗剪能力不足的薄弱层面产生滑动 主要包括 沿坝基面滑动 坝基面往往是抗剪强度的一个弱面 另一方面作用在坝基面上的荷载一般最大 沿坝基岩体内连续软弱结构面的深层滑动 33 据不完全统计 在我国已建和正在设计的近百座大坝中 由于软弱夹层而改变设计 降低坝高 增加工程量或在后期加固的约有1 3 三峡左5坝段滑移模式 34 金沙江向家坝水电站 35 36 2 倾倒破坏 是在荷载作用下 上游坝踵下岩体受拉产生倾斜裂缝 下游坝趾岩体受压发生压碎而引起倾倒滑移破坏 坝体连同一部分地基的倾倒破坏机理是由原苏联费什曼 FishmanYu A 提出的 倾倒破坏具体计算方法尚不够成熟完善 但拓宽了稳定分析途径 是一个值得深入研究的课题 倾倒失稳情况很少发生 因为重力坝设计要求坝踵不出现拉应力 37 重力坝稳定分析的计算方法 1 刚体极限平衡法 规范使用 重点讲解 本课程只讲刚体极限平衡法 就是坝体 岩体或大坝与坝体组成的滑裂体看成刚体 不考虑滑裂体本身和滑裂体之间变形的影响 也不考虑滑裂面上应力分布情况 仅考虑滑裂面上的合力 正压力 重力 而忽略力矩的作用效应 2 数值方法 有限元法 块体元法 流形元法等 该方法还没有设计控制标准 3 模型试验法 计算时 计算方法 参数 标准 要配套 38 目前在进行抗滑稳定分析时 设计部门使用的规范主要是 SL319 2005 混凝土重力坝设计规范 本课程讲解 安全系数法 DL5108 1999 混凝土重力坝设计规范 分项系数极限状况法 规范是行业标准 是工程师进行设计的准则 抗滑稳定问题分类 按平面问题分析 各坝段独立受力 河床坝段一般作为平面问题处理 按空间问题分析 当河床坝段坝基内断层多条相互切割交错构成空间滑动体时 地形陡峻的岸坡坝段 39 下面着重针对实体重力坝 也适用宽缝重力坝和空腹重力坝 介绍抗滑稳定分析方法 支墩坝有一些特点 课堂不讲 一 沿坝基面的抗滑稳定分析稳定分析时 可取一个坝段或取单位宽度进行计算 常用的计算公式 有摩擦公式和抗剪断公式 1 摩擦公式 抗剪强度公式 认为坝体与坝基为接触状态 此法把滑动面看成是一种接触面 而不是胶结面 滑动面上的阻滑力只计摩擦力 不计凝聚力 40 1 当坝基面为水平时 抗滑稳定安全系数K为式中 W 作用于坝基面以上的合力在垂直方向投影的代数和 P 作用于坝基面以上的合力在水平方向投影的代数和 U 作用于坝基面上的扬压力 f 坝基面上的摩擦系数 坝体混凝土与坝基接触面的抗剪摩擦系数 采用一般的摩擦试验取得 41 2 当坝基面为倾斜时 抗滑稳定安全系数K为式中 滑动面与水平面的夹角 其它符号同前 但要注意扬压力U应垂直于所计算的滑动面 由上式看出 滑动面倾向上游时 对坝体抗滑稳定有利 微倾向上游对K有利 倾向下游时 sin 角由正变负 滑动力 分母 增大 抗滑力 分子 减小 对坝的稳定不利 42 2 抗剪断强度公式 认为坝体与坝基为胶结状态 此法认为坝体与基岩胶结良好 滑动面上的阻滑力包括摩擦力和凝聚力 并直接通过胶结面的抗剪断试验确定建基面抗剪断强度的参数f 和c 坝基面上的抗滑安全系数 抗剪断稳定安全系数 K 为式中 f 坝基面上的抗剪断摩擦系数 c 坝基面上的抗剪断凝聚力 A 坝基面上的面积 K 按抗剪断公式计算的抗滑稳定安全系数 43 3 设计抗滑安全系数抗滑稳定安全系数K K 的设计要求值 K K 与建筑物级别 荷载组合有关 见下表 44 说明 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使用经验 如果用摩擦公式计算的K 1 0 并不意味坝处于临界状态 因为公式不考虑粘结力与实际不符 其安全裕度已含在假定中 为什么抗剪断稳定安全系数的设计要求值 K 比 K 大很多 因为抗剪断强度公式已充分利用混凝土 岩体胶结面的全部抗剪强度 坝基面应力分布不均 及新老规范衔接等 45 4 摩擦公式和抗剪断公式的选用摩擦公式忽略了凝聚力 不合乎实际 而抗剪断公式则考虑 物理概念明确 比较符合坝体的实际情况 逐渐采用较多 我国规范规定中建议 当坝基内不存在可能导致深层滑动的软弱面时 应按抗剪断强度公式计算 对中型工程的中 低坝 为安全计 也可按抗剪公式 摩擦公式 计算 以上介绍的两种抗滑稳定计算公式虽然理论上还不够完善 但都有长期的使用经验 其安全系数只是一个抗滑稳定的安全指标 并不能反映坝体真实的安全程度 应用时应注意 抗滑稳定计算公式 参数取值 荷载组合 控制标准 的配套问题 46 讨论 在抗剪断强度公式中 W和 P基本是与坝高的平方成正比 而坝底混凝土与岩基面的凝聚力c A只与坝高成正比 用抗剪断强度公式核算坝的抗滑稳定时 对较低的坝 凝聚力对抗滑稳定所起的作用比较高的坝为大 因此 采用抗剪断公式设计较低的坝是比较有利的 即设计的低坝剖面较小 瘦 当然 如果c 值取得不当 则对较低坝的安全度影响也是较大的 而按摩擦公式核算坝体抗滑稳定时 高坝的安全储备比低坝小 即设计的高坝瘦 高坝与低坝分别采用摩擦公式与抗剪断公式设计 哪个更容易满足设计要求 对哪个更有利 47 5 关于f与f c 的取值 参数确定非常重要 f相差0 01 有的工程混凝土方量 V相差2万方 f与f c 的物理意义不同 试验方法也不同 f 采用一般的摩擦试验取得 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 f c 通过两材料胶结面的抗剪断试验取得 f c 取用野外现场测定的峰值的小值平均值 48 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 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 49 二 沿坝基岩体软弱结构面的深层抗滑稳定分析当坝基内存在不利的缓倾角软弱结构面时 在水荷载作用下 坝体有可能连同部分基岩沿软弱结构面产生滑移 即所谓的深层滑动 在深层抗滑稳定分析中 一般根据深层抗滑体的不同 分为 单斜面深层抗滑稳定计算 计算与建基面类似 双斜面深层抗滑稳定计算多斜面深层抗滑稳定计算 计算方法与双滑面类似 50 一 单斜滑动面抗滑稳定计算公式当坝基内只存在一个岩体软弱结构面 将软弱结构面以上的坝体和地基作为整体 按刚体极限平衡法 核算软弱结构面上的抗滑安全系数 式中fB 滑动面上的抗剪断强度摩擦系数 cB 滑动面上的抗剪断强度凝聚力 其余符号同前 公式中 的选用 当滑动面倾向上游时 选用上面的符号 当滑动面倾向下游时 则选用下面的符号 51 对安全系数的要求采用摩擦公式时 因软弱面的凝聚力小 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 52 二 折线滑动面抗滑稳定计算公式 双斜面深层抗滑稳定分析 实际工程中 坝基内往往存在多条相互切割交错的断层和软弱夹层 构成复杂的滑动面 在深层抗滑稳定分析时 应验算所有可能的滑动通道 从中找出最不利的滑动面组合和其上抗滑安全系数 一般 将倾向下游的缓倾角断层 泥化夹层假设为第一滑动面 将倾向上游的断层 泥化夹层假设为第二滑动面 也可以假定多条滑裂面 通过试算确定一条最不利的第二滑动面 53 计算时将滑移体分成两段 块体 在其分界面BD上 引入一个需要事先假定与水平面成 角的内力Q 抗力 分别令 段或 段处于极限平衡状态 即可演绎出三种不同的计算方法 被动抗力法剩余推力法等安全系数法 54 沿滑动面BC的抗剪断安全系数为 55 沿滑动面AB的抗剪断安全系数为 56 1 被动抗力法先令 段处于极限平衡状态 K2 1 求得抗力Q后 再计算 段沿AB面的抗滑稳定安全系数K1 作为整个坝段深层抗滑稳定安全系数 被动抗力法的概念清楚但理论依据不足 当抗力体提供的Q较小 坝体段可能产生较大的位移 导致于上游帷幕破坏 而该现象无法定量分析 计算结果中也不能反映出来 57 2 剩余推力法假定坝体段的稳定安全系数K1 1 求抗力体上的推力Q 由此计算出抗力体的稳定安全系数K2 作为深层抗滑稳定安全系数 剩余推力法存在的问题是 当坝体段的f1较大时 Q可能为负值或零 不符合实际情况 为承受Q 抗力体可能会产生较大的变形 以至坝趾岩体压碎 计算结果中也不能反映出来 58 3 等安全系数法等安全系数法就是假定K1 K2 分别由两个极限平衡方程求解K Q 存在问题 由于第一滑动面一般为断层 泥化夹层 产生塑性破坏 变形较大 第二滑动面一般处于完整岩体中 破坏形式为脆性破坏 变形较小即破坏 因此两滑动面上的安全系数实际不相同 59 4 抗力Q的方向的讨论当两滑动块体之间接触面抗力Q的方向为水平时 求得的抗滑稳定安全系数K值最小 随着Q与水平夹角的增大 K值也随之增大 抗力Q的方向 在0 r之间 r为块体之间接触面处材料的内摩擦角 抗力Q的方向取水平 0 实际上是假定接