重力坝设计 PPT课件

1 第一章重力坝 二 2 第五节重力坝的应力分析 一 重力坝应力分析的目的 1 检查坝体和坝基在设计情况下能否满足强度的要求 2 根据应力分布情况进行坝体混凝土标号的分区 3 研究坝体某些部位的局部应力集中和某些特殊结构 如坝内孔道 溢流坝闸墩和挑流鼻坎等 的应力状态 以便采取加强措施 二 重力坝应力分析方法 应力分析的方法可归纳为理论计算和模型试验两大类 理论计算又分为材料力学法和弹性理论法等 国内外广泛采用弹性理论的有限单元法来计算坝体应力 3 DL5108 1999规定 混凝土重力坝一般以材料力学法和刚体极限平衡法计算成果作为确定坝体断面的依据 高坝除用材料力学法计算坝体应力外 尚宜采用有限元法进行计算分析 必要时可采用结构模型 地质力学模型等试验验证 修建在复杂地基上的中坝 必要时 可进行有限元分析 三 材料力学法计算重力坝边缘应力 一 基本假定 1 坝体混凝土为均质 连续 各向同性的弹性材料 2 视坝段为固接于地基上的悬臂梁 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 4 3 假定坝体水平截面上的正应力 y按直线分布 不考虑廊道等对坝体应力的影响 二 重力坝边缘应力的计算 计算图形及应力与荷载的正方向见图1 5 1 材料力学法通常沿坝轴线取单位宽度 1m 的坝段作为计算对象 在一般情况下 坝体的最大和最小应力都出现在坝面 所以 在重力坝设计规范中规定 首先应校核坝体边缘应力是否满足强度要求 计算坝体内部应力需要以边缘应力为边界条件 沿坝高方向每隔一定高度 或断面轮廓有突变处 切取水平截面作为计算截面 5 图1 5 1坝体应力计算图 6 图1 5 2坝体边缘应力计算图 7 1 水平截面上的边缘正应力 y 和 y 据材料力学偏心受压公式 y A B O O T 2 T 2 B 面积 A T B T 抗弯截面模量 WZ y y y y y 8 2 边缘剪应力 和 1 对于上游A点微元体 取 可得 化简得 2 对下游坝面B点微元体 同理可得 9 3 铅直截面上的边缘正应力 x 利 x 1 对于上游坝面A点微元体 取 得 化简得 2 对下游坝面B点微元体 同理可得 10 4 边缘主应力 和 1 第一主应力 1 和 1 上下游坝面仅受垂直于坝面的水压力 没有剪应力 因此 上下游坝面即为主应力面之一 而另一主应力面必然与坝面垂直 1 对于上游坝面A点三角形微元体 取 得 化简得 2 对于下游坝面A点三角形微元体 取 可得 11 2 第二主应力 2 和 2 由于另一主应力即为作用在坝面上的压力强度 故有 2 p 2 p 5 有扬压力时边缘应力的计算 1 水平截面上的边缘正应力 y 和 y 将扬压力作为一种荷载计入和中 再应用前述公式 2 其佘边缘应力 仍根据坝面微元体的平衡条件求得 但此微元体上需计入扬压力 12 1 上游边缘应力 2 下游边缘应力 13 3 当无泥沙压力和地震动水压力情况时 p pu p pu 1 上游边缘应力 y n x y n2 1 1 n2 y 2 0 2 下游边缘应力 y m x y m2 1 1 m2 y 2 0 14 四 强度校核 一 承载能力极限状态强度验算 强度验算时 应考虑基本组合和偶然组合两种情况 规范规定 重力坝承载能力极限状态抗压强度的核算点有 坝基面的坝趾 坝体选定截面的下游端点 1 作用效应函数 2 抗力函数 R fc 或 R fR 3 强度要求 15 二 正常使用极限状态强度验算 1 DL5108 1999规定 1 核算坝踵垂直应力 按作用的标准值分别计算作用的短期组合和长期组合 2 核算坝体上游面的垂直应力 按作用的标准值计算作用的长期组合 3 核算短期组合下游坝面的垂直拉应力 2 坝踵和坝体上游面的垂直应力计算公式 计扬压力 S 0 3 短期组合下游坝面的垂直拉应力计算公式 S 16 荷载计算步骤 分析 画图 列表计算 校核 17 18 19 坝体应力的实际分布情况比较复杂 受很多因素影响 1 地基变形模量对坝体应力的影响 五 各种因素对坝体应力的影响 20 2 地基变形弹模对坝体应力的影响3 坝体异弹模对坝体应力的影响4 纵缝对坝体应力的影响5 分期施工对坝体应力的影响 见下图 6 坝踵断裂对坝体应力的影响 21 坝体主应力分布示意图 22 第五节重力坝的剖面设计 一 剖面设计原则 1 满足稳定和强度要求 保证大坝安全 2 工程量小 3 运用方便 4 便于施工 二 基本剖面 重力坝的基本剖面是指坝体在自重 静水压力 水位与坝顶齐平 和扬压力三项主要荷载作用下 满足稳定和强度要求 并使工程量最小的三角形剖面 23 24 对于完整 坚硬的岩基 f c 值较大 剖面尺寸主要由上游面不出现拉应力的条件控制 上游坝坡较陡 甚至可做成倒坡 n 0 但倒坡对施工不利 且在库空时 坝趾易出现拉应力 对于完整性较差 较软弱的岩基 f c 值较小 需要将上游坝坡放缓 以便借助上游坝面上的水重帮助坝体维持稳定 但当n太大时 在满库情况下合力可能超出底边三分点 坝踵易出现拉应力 根据工程经验 重力坝基本剖面的上游边坡系数常采用0 0 2 下游边坡系数常采用0 6 0 8 坝底宽约为坝高的O 7 0 9倍 25 三 实用剖面 1 坝顶宽度B H B 1 无特殊要求 B 8 10 H B 2 3 H 常态砼坝 B 3m 碾压砼坝 B 5m 1 有特殊要求 若有交通要求或设置移动式启闭机时 应据需要而定 26 2 坝顶高程 hz h1 hc 1 无防浪墙 超高值 h hz h1 hc 坝顶高程 max 设计水位 h设 与 校核水位 h校 2 设防浪墙 坝顶高程 防浪墙顶高程 防浪墙顶高程 max 设计水位 h设 与 校核水位 h校 27 28 3 实用剖面A 上游坝面铅直 适用于混凝土与基岩接触面间的f c 值较大或坝体内设有泄水孔或引水管道 有进口控制设备的情况 29 上游坝面上部铅直 下部倾斜 既便于布置进口控制设备 又可利用一部分水重帮助坝体维持稳定 是实际工程中经常采用的一种形式 3 实用剖面B 30 上游坝面略向上游倾斜 适用于混凝土与基岩面间的f c 值较低的情况 3 实用剖面C 31 第七节溢流重力坝 32 溢流坝既是挡水建筑物又是泄水建筑物 除应满足稳定和强度要求外 还需要满足泄水的要求 设计原则a 要有足够的泄水能力 孔口尺寸 孔口体形 流量系数 b 除了满足强度稳定条件外 还要满足泄洪要求 要尽量减小高速水流带来的问题 负压 振动 下游流态平瞬 减小局部冲刷 控制水流设备 一 溢流重力坝的工作特点 33 1 有足够的孔口尺寸 良好的孔口体形和泄水时具有较高的流量系数 2 使水流平顺地流过坝体 不产生不利的负压和振动 避免发生空蚀现象 3 保证下游河床不产生危及坝体安全的局部冲刷4 溢流坝段在枢纽中的位置 应使下游流态平顺 不产生折冲水流 不影响枢纽中其他建筑物的正常运行 5 有灵活控制水流下泄的设备 如闸门 启闭机等 设计要求 34 三峡大坝 35 二 孔口设计 一 洪水标准 36 二 孔口形式 1 开敞溢流式 分堰顶设闸门和不设闸门两种 开敞溢流式重力坝 37 2 大孔口溢流式 大孔口溢流式重力坝 38 三 孔口尺寸 1 溢流前缘总净宽L 1 计算Q 经调洪演算所得 Q QS Q0 2 确定q 经技术经济比较而得 q的影响因素 枢纽布置 工程造价 下游河床地质条件 中墩厚d b L0 39 2 溢流段总宽度L0 L0 L n 1 d nb n 1 d b值 一般b 8 16m 闸门宽高比1 5 2 0 尽量采用标准尺寸 n值 一般为奇数孔 3 溢流坝的堰顶高程 先求堰顶水头HW 再根据水库洪水位确定堰顶高程 堰顶高程 设计洪水位 H H HW 1 开敞溢流式 40 2 大孔口溢流式 四 溢流孔口布置 工程上常有两种布置方式 一种是横缝设于闸墩中间 另一种是横缝布置在闸孔中间 41 三 溢流坝断面设计 一 溢流面体形设计 溢流面由顶部曲线段 中间直线段和下部反弧段三部分组成 1 顶部曲线段 1 为控制流量的关键部位 2 DL5108 1999规定 溢流坝段的堰面曲线 当采用开敞式溢流孔时可采用幂曲线 当设有胸墙时 可采用孔口泄流的抛物线 上述堰面曲线的确定可见该规范附录A 3 开敞式溢流孔堰顶部曲线段 42 WES实用堰堰面曲线示意图 43 44 45 46 顶部曲线段 47 4 设有胸墙大孔口泄流的堰顶部曲线段 原点上游 可用单圆 复圆或椭圆曲线 与胸墙底缘通盘考虑 原点下游 抛物线 48 2 反弧段 溢流堰下游反弧段半径 应结合下游消能设施来确定 对不同的消能设施可选用不同的公式 比如 对于挑流消能 可按下式求得反弧段半径R 4 10 h 3 中间直线段 中间直线段与坝顶曲线和下部反弧段相切 坡度与非溢流坝的下游坝坡相同 49 基本三角形剖面 堰面曲线 1 堰面曲线落在基本三角形剖面以内 2 堰面曲线落在基本三角形剖面以外 3 有挑流鼻坎的溢流坝 当鼻坎超出基本剖面且L h 0 5时 应验算B B 截面的应力 如应力较大 可在坝体与鼻坎之间用缝分开 1 0 2 1 m B C A 二 溢流坝实用剖面 溢流坝实用剖面是将溢流面曲线与坝体基本剖面拟合修改而成 A 50 四 消能防冲设计 一 消能工的设计原则 1 尽量使下泄水流的大部分动能消耗在水流内部的紊动中 以及水流与空气的摩擦上 2 不产生危及坝体安全的河床或岸坡的局部冲刷 3 下泄水流平稳 不影响枢纽中其他建筑物的正常运行 4 结构简单 工作可靠 5 工程量小 51 二 消能工型式 52 底流式消能 53 面流式消能 54 消力戽消能 55 挑流消能 56 鼻坎挑流消能设计主要包括 选择合适的鼻坎型式 鼻坎高程 挑射角度 反弧半径 计算挑射距离和最大冲坑深度 挑射水流形成的冲坑应保证不影响坝体及其它建筑物的安全 1 鼻坎型式 1 连续式 2 差动式 2 鼻坎高程 鼻坎最低高程 宜高出宣泄设计消能防冲建筑物的洪水标准时的下游水位 但可略低于下游最高水位 57 3 挑流鼻坎的挑角 挑流鼻坎的挑角 可采用150 350 应通过比较选定 4 计算挑射距离L L L L L Ttan L V12sin cos V1cos V12sin2 2g h1 h2 0 5 g 5 最大冲坑深度T T tk H2 tk kq0 5H0 25 安全挑距 冲坑最低点距坝趾的距离应大于2 5倍坑深 即要求L 2 5T 58 五 溢流坝的上部结构 一 闸门和启闭机 工作闸门 事故闸门 检修闸门 1 闸门 平面闸门 弧形闸门 平面闸门 浮箱闸门 叠梁 2 启闭机 活动式 门机 固定式 卷扬式启闭机 二 闸墩 工作桥和交通桥 闸墩用来分孔 承受闸门传来的水压力 支承工作桥和交通桥 59 1 闸墩的平面形状 60 2 闸墩厚度 闸墩厚度与闸门形式有关 采用平面闸门时需设闸门槽 工作闸门槽深0 5 2 om 宽1 4m 门槽处的闸墩厚度不得小于1 1 5m 以保证有足够的强度 弧形闸门闸墩的最小厚度为1 5 2 0m 如果是缝墩 墩厚要增加o 5 1 0m 由于闸墩较薄 需要配置受力钢筋和温度钢筋 3 闸墩的长度和高度 闸墩的长度和高度 应满足布置闸门 工作桥 交通桥和启闭机械的要求 4 边墩和导墙 溢流坝两侧设边墩也称边墙 一方面起闸墩的作用 同时也起分隔溢流段和非溢流段的作用 61 62 第八节重力坝的材料及构造 一 混凝土重力坝的材料 一 水工混凝土的特性指标 1 强度 2 耐久性 混凝土的耐久性包括抗渗 抗冻 抗冲耐磨 抗侵蚀等 1 抗渗性 是指混凝土抵抗水压力渗透作用的能力 抗渗性指标可用抗渗等级表示 水力坡降 水头损失 渗径 L y 63 2 抗冻性 是表示混凝土在饱和状态下能经受多次冻融循环而不破坏 不严重降低强度的性能 混凝土的抗冻性用抗冻等级表示 3 抗冲耐磨性 4 抗侵蚀性 二 常态混凝土重力坝分区 坝体各部位的工作条件不同 对混凝土材料性能指标的要求也不同 为满足各部分的要求 节省水泥用量及工程造价 通常将坝体混凝土按不同部位 不同工作条件分区 5 抗裂性 64 坝体混凝土分区图 65 二 坝体构造 一 坝顶构造 66 二 坝体分缝 1 横缝 作用 适应温变 适应地基 适应地基 间距 一般为12 20m 永久性横缝 临时性横缝 分类 67 横缝止水构造示意l一第一道止水铜片 2一沥青井 3一第二道止水片 4一廊道止水 5一横缝 6一沥青麻片 7一电加热器 8一预制混凝土块 68 2 纵缝 铅直纵缝是最常采用的一种纵缝形式 缝的间距根据混凝土浇筑能力和温度控制要求确定 一般为15 30m 69 重力坝的横缝及纵缝 a 横缝及纵缝布置 b 竖直纵缝 c 斜缝 70 3 水平施工缝 水平施工缝是上 下层浇筑块之间的接合面 三 坝体排水 为减小渗水对坝体的不利影响 在靠近坝体上游面需要设置排水管幕 排水管幕至上游面的距离 一般要求不小于坝前水深的1 10 1 12 且不小于2m 以便将渗透坡降控制在许可范围以内 排水管常用预制多孔混凝土管