河海大学水工建筑物(重力坝)教学课件02-重力坝3 剖面设计

1、任务任务：选择一个既满足稳定和强度要求，又使体积最小、：选择一个既满足稳定和强度要求，又使体积最小、施工简便、运行方便的剖面施工简便、运行方便的剖面方法方法：以整个工程的经济指标作为目标函数，进行优化设：以整个工程的经济指标作为目标函数，进行优化设计，获得最优剖面。计，获得最优剖面。实际，简化分析，实际，简化分析，拟定基本剖面，核算、修改，确定剖面拟定基本剖面，核算、修改，确定剖面。5 重力坝的剖面设计重力坝的剖面设计1）按应力确定）按应力确定B1. 基本剖面基本剖面base profile在主要荷载作用下，满足坝基面稳定和应力控制条件的最小三角形剖面。在主要荷载作用下，满足坝基面稳定和应力控

2、制条件的最小三角形剖面。任务：给定坝高任务：给定坝高H，求最小坝底宽度，求最小坝底宽度B，即确定三角形的上下游坡度。，即确定三角形的上下游坡度。最小坝底宽度最小坝底宽度B2）按稳定确定）按稳定确定B2. 实用剖面实用剖面utility profile1）坝顶宽度）坝顶宽度根据运用要求（如坝顶超高、构造、交通等），由基本剖根据运用要求（如坝顶超高、构造、交通等），由基本剖面修改而成的剖面。重力坝一般沿坝轴线分为面修改而成的剖面。重力坝一般沿坝轴线分为10-30m的坝的坝段，各坝段独立工作。段，各坝段独立工作。满足设备布置、运行、交通及施工的需要。满足设备布置、运行、交通及施工的需要。a. 坝高的

3、坝高的810%，且不小于，且不小于2m；b. 交通、启闭设备，按实际需要确定；交通、启闭设备，按实际需要确定；c. 满足强度要求（冰压力、漂浮物撞击力）。满足强度要求（冰压力、漂浮物撞击力）。2 ,%)108(max坝坝顶宽度H2）坝顶高程）坝顶高程安全超高高度波浪中心线到静水位的波浪高度式中：c010122hhhhhhhc为满足挡水要求，坝顶或防浪墙顶至少不低于水库静水位，超高为：为满足挡水要求，坝顶或防浪墙顶至少不低于水库静水位，超高为：校核校核设计设计坝顶高程hh,max对于对于1、2级坝，如果按照可能最大洪水校核，则级坝，如果按照可能最大洪水校核，则坝顶高程坝顶高程不能低于相应静水位，

4、防浪墙顶高程不得低于波浪顶高程不能低于相应静水位，防浪墙顶高程不得低于波浪顶高程。防浪墙一般高防浪墙一般高1.2m，与坝体连成整体，墙身能抵抗波浪和，与坝体连成整体，墙身能抵抗波浪和漂浮物的冲击。漂浮物的冲击。3. 剖面形态剖面形态1）非溢流重力坝）非溢流重力坝profile of non-overflow dam(a) 适用于坝基抗剪强度较高且有防渗排水设施、由应力控制剖面尺寸的情况；适用于坝基抗剪强度较高且有防渗排水设施、由应力控制剖面尺寸的情况；(b) 适用于坝基抗剪强度较低、由稳定条件控制剖面的情况；适用于坝基抗剪强度较低、由稳定条件控制剖面的情况；(c) 应用较多，既可利用部分水重帮

5、助坝体稳定，又便于进水口的设备安装和操作；应用较多，既可利用部分水重帮助坝体稳定，又便于进水口的设备安装和操作；(d) 把基本三角形的顶点适当提高，它保留了把基本三角形的顶点适当提高，它保留了(a)的特点，在坝高及剖面面积相同的情的特点，在坝高及剖面面积相同的情况下底宽较小，当下游水位高时能显著减小扬压力，但在库空遇上地震的情况下，况下底宽较小，当下游水位高时能显著减小扬压力，但在库空遇上地震的情况下，下游面易出现较大的拉应力。下游面易出现较大的拉应力。2）溢流重力坝）溢流重力坝profile of overflow dam要求：要求：坝体稳定、坝体强度、水力学条件坝体稳定、坝体强度、水力学条

6、件基本剖面也是三角形，常用剖面要求尽量与非溢流坝一致，基本剖面也是三角形，常用剖面要求尽量与非溢流坝一致，溢流堰顶为一特定曲面。溢流堰顶为一特定曲面。重力坝剖面实例重力坝剖面实例The main parameters of profile of the Three Gorges Dam175.00185.00155.8080.0032.0050.0010.001:0.71:0.51:0.1513222dam axisflow180.40The typical cross section of spillway dam (a)The typical cross section of spillw

7、ay dam section (b)The typical cross section of power house dam section4. 重力坝型式改进重力坝型式改进实体重力坝的缺点：实体重力坝的缺点：(1) 坝基扬压力大坝基扬压力大(2) 坝体工程量大，材料强度不能充分发挥坝体工程量大，材料强度不能充分发挥(3) 水化热大，温控不易水化热大，温控不易1、宽缝重力坝、宽缝重力坝1）特点）特点(1) 坝基扬压力减小，坝体混凝土减坝基扬压力减小，坝体混凝土减少少1020%(2) 坝段内部减薄，材料强度能较好坝段内部减薄，材料强度能较好利用利用(3) 天然散热面，有利于温控天然散热面，有利于

8、温控(4) 宽缝有利于观测和检查宽缝有利于观测和检查(5) 模板增加，施工复杂（有倒悬）模板增加，施工复杂（有倒悬）(6) 气温变化剧烈，易产生裂缝，严气温变化剧烈，易产生裂缝，严寒地区保温寒地区保温宽缝重力坝在适当的条件下是合理的，新安江、丹江口、潘宽缝重力坝在适当的条件下是合理的，新安江、丹江口、潘家口、古田四级、黄龙滩等。家口、古田四级、黄龙滩等。实例实例2）宽缝重力坝的剖面尺寸）宽缝重力坝的剖面尺寸坝段宽度坝段宽度一般一般1624m，可根据坝的高度、，可根据坝的高度、施工条件、泄水道布置和坝后厂房机组间距施工条件、泄水道布置和坝后厂房机组间距等因素选定；等因素选定；缝宽缝宽2S一般为坝

9、段宽的一般为坝段宽的2040，如缝宽过小，宽缝坝的优点就不显著，如缝宽过小，宽缝坝的优点就不显著，但如缝宽过大，又可能在坝体腹部产生较大但如缝宽过大，又可能在坝体腹部产生较大的主拉应力；的主拉应力；上下游坡度上下游坡度n、m的选择与实体的选择与实体重力坝一样，重力坝一样，也是在满足稳定和应力条件下也是在满足稳定和应力条件下力求经济，上游坡比实体重力坝略缓，一般力求经济，上游坡比实体重力坝略缓，一般在在0.150.35之间采用，下游坡一般在之间采用，下游坡一般在0.50.7之间；之间；上游头部厚度上游头部厚度一般为一般为(0.080.12)倍的坝面作用水头，且不小于倍的坝面作用水头，且不小于3m

10、；下游尾部下游尾部厚度厚度由应力条件及施工条件确定，一般由应力条件及施工条件确定，一般35m，不宜小于，不宜小于2m，寒冷地区应适当加厚，寒冷地区应适当加厚。宽缝的上下游及顶部与实体部分的连接处，宽缝的上下游及顶部与实体部分的连接处，应有足够的渐变段长度，以减小断面变化处应有足够的渐变段长度，以减小断面变化处的应力集中，在变厚处采用斜坡连接，其坡的应力集中，在变厚处采用斜坡连接，其坡度一般为度一般为12。3）宽缝重力坝的稳定和应力分析）宽缝重力坝的稳定和应力分析稳定分析方法稳定分析方法与实体重力坝相同，与实体重力坝相同，但应以整个坝段进行分析。由于但应以整个坝段进行分析。由于宽缝的存在，渗流水

11、可从宽缝排宽缝的存在，渗流水可从宽缝排出，所以坝底部扬压力的分布与出，所以坝底部扬压力的分布与实体重力坝略有不同。用折线实体重力坝略有不同。用折线ABC表示沿截面宽度平均的渗透表示沿截面宽度平均的渗透压力分布。图中上游面仍为压力分布。图中上游面仍为Hg0，在排水线上为在排水线上为aHg0，a为渗压系为渗压系数，与实体重力坝相应，在数，与实体重力坝相应，在C点点处渗透压力为零，该点距宽缝起处渗透压力为零，该点距宽缝起点的距离约为点的距离约为2b，b为宽缝部位为宽缝部位坝段的厚度。浮托力在整个坝段坝段的厚度。浮托力在整个坝段截面上均等于截面上均等于H2g0，H2为下游水为下游水深。深。应力分析应力

12、分析是三维问题，应采用三维有限元是三维问题，应采用三维有限元分析。简化，以平面分析为基础，分析。简化，以平面分析为基础，局部应力复合。局部应力复合。整体应力分析整体应力分析坝段的整体作坝段的整体作为变厚度的平面问题。按材料力为变厚度的平面问题。按材料力学法，简化为工字形截面，应力学法，简化为工字形截面，应力沿坝轴线方向均匀分布，水平截沿坝轴线方向均匀分布，水平截面上的垂直正应力为直线分布。面上的垂直正应力为直线分布。局部应力分析局部应力分析坝段的头部，坝段的头部，沿垂直坝面（或沿主应力方向）沿垂直坝面（或沿主应力方向）切取截面，作为平面问题处理，切取截面，作为平面问题处理，用弹性力学有限元法或差分法计用弹性力学有限元法或差分法计算。检查头部拉应力。算。检查头部拉应力。2、空腹重力坝、空腹重力坝1）特点）特点(1) 坝基扬压力减小坝基扬压力减小(2) 空腹内可设厂房空腹内可设厂房(3) 前后退分别浇筑，天然散热，前后退分别浇筑，天然散热，有利于温控有利于温控(4) 前腿深嵌，有利于稳定前腿深嵌，有利于稳定(5) 有利于检查、检测有利于检查、检测(6) 可加