河海大学水工建筑物(重力坝)教学课件02-重力坝4 构造地基

1、6 重力坝的材料及构造重力坝的材料及构造一、材料一、材料混凝土（混凝土（concrete）1. 水工混凝土的特性指标水工混凝土的特性指标1） 混凝土的强度混凝土的强度组成：组成：水泥（胶结材料）、骨料（石子、砂）、水、掺合水泥（胶结材料）、骨料（石子、砂）、水、掺合料料强度：强度：随时间而增长随时间而增长强度等级强度等级由抗压强度标准值确定。按标准方法制作养护的由抗压强度标准值确定。按标准方法制作养护的15X15X15 cm3立方体试件、在立方体试件、在28d龄期用标准试验方法测得的具有龄期用标准试验方法测得的具有95%保证率的抗压强度。保证率的抗压强度。大坝大坝常态混凝土常态混凝土强度的标准

2、值采用强度的标准值采用90d龄期强度，保证率龄期强度，保证率80%。种类种类C7.5C10C15C20C25C30轴心轴心/MPa7.69.814.318.522.426.2大坝大坝碾压混凝土碾压混凝土强度的标准值采用强度的标准值采用180d龄期强度，保证率龄期强度，保证率80%。种类种类C5C7.5C10C15C20C25轴心轴心/MPa7.210.413.519.625.431.02） 混凝土的耐久性混凝土的耐久性抗渗性抗渗性：抗渗标号表示，由渗透坡降确定。渗透坡降是指：抗渗标号表示，由渗透坡降确定。渗透坡降是指单位渗径长度上的水头损失。见课本单位渗径长度上的水头损失。见课本p55。抗冻性

3、抗冻性：抗冻标号表示，混凝土在饱和状态下，经受多次：抗冻标号表示，混凝土在饱和状态下，经受多次冻融循环而不破坏、也不严重降低强度的性能。抗冻性好冻融循环而不破坏、也不严重降低强度的性能。抗冻性好的混凝土，抗风化能力强，故在温暖的地区也有此要求。的混凝土，抗风化能力强，故在温暖的地区也有此要求。抗磨性抗磨性：混凝土抵抗高速水流或夹沙水流的冲刷、磨损的：混凝土抵抗高速水流或夹沙水流的冲刷、磨损的性能，尚无明确标准，一般用提高抗压强度来处理（高标性能，尚无明确标准，一般用提高抗压强度来处理（高标号硅酸盐大坝水泥，号硅酸盐大坝水泥，C20级以上），且骨料坚硬、振捣密实。级以上），且骨料坚硬、振捣密实。

4、抗侵蚀性抗侵蚀性：混凝土抵抗环境水侵蚀的性能，尚无明确标号，：混凝土抵抗环境水侵蚀的性能，尚无明确标号，一般选择适当品种水泥和骨料。如矿渣水泥或火山灰水泥。一般选择适当品种水泥和骨料。如矿渣水泥或火山灰水泥。2、坝体混凝土分区、坝体混凝土分区区区上、下游水位以上坝体外部表面混凝土上、下游水位以上坝体外部表面混凝土区区上、下游水位变化区的坝体外部表面混凝土上、下游水位变化区的坝体外部表面混凝土区区上、下游最低水位以下坝体外部表面混凝土上、下游最低水位以下坝体外部表面混凝土区区基础混凝土基础混凝土区区坝体内部混凝土坝体内部混凝土区区抗冲刷部位的混凝土，如溢流面、泄水孔、导墙、闸墩等抗冲刷部位的混凝

5、土，如溢流面、泄水孔、导墙、闸墩等混凝土分区的性能（混凝土分区的性能（P57）二、施工期温控二、施工期温控1. 温度变化温度变化坝体混凝土的稳定温度取决于边界温度。气温、水温、地坝体混凝土的稳定温度取决于边界温度。气温、水温、地温等周期性波动，坝体坝体混凝土温度也有波动，表层显温等周期性波动，坝体坝体混凝土温度也有波动，表层显著，内部不显著、滞后。著，内部不显著、滞后。2. 温度应力和温度裂缝温度应力和温度裂缝混凝土温度发生变化，其体积随之热胀冷缩，当混凝土块体受到约束、混凝土温度发生变化，其体积随之热胀冷缩，当混凝土块体受到约束、不能自由伸缩时，就产生温度应力；当拉应力超过混凝土抗裂强度时，

6、不能自由伸缩时，就产生温度应力；当拉应力超过混凝土抗裂强度时，就产生裂缝。就产生裂缝。1）基础温差引起的应力和裂缝）基础温差引起的应力和裂缝水平向温度应力水平向温度应力2）坝块内外温差引起的应力和裂缝）坝块内外温差引起的应力和裂缝混凝土块体在温度发生变化时，其温度分布是不均匀的。表面与周围环混凝土块体在温度发生变化时，其温度分布是不均匀的。表面与周围环境易热交换，内部温度高于外部，内部混凝土膨胀较快，表层膨胀较慢境易热交换，内部温度高于外部，内部混凝土膨胀较快，表层膨胀较慢（甚至收缩）。内部混凝土的膨胀受到约束，产生压应力，而外部混凝（甚至收缩）。内部混凝土的膨胀受到约束，产生压应力，而外部混

7、凝土受到内部混凝土的约束，产生拉应力，若拉应力超过混凝土的抗拉强土受到内部混凝土的约束，产生拉应力，若拉应力超过混凝土的抗拉强度，就产生裂缝。一般只发生在表层，不甚重要。公式见度，就产生裂缝。一般只发生在表层，不甚重要。公式见P60。2. 防止温度裂缝的措施防止温度裂缝的措施温度裂缝对坝体的危害性视其发展深度和出现的位置而不同。温度裂缝对坝体的危害性视其发展深度和出现的位置而不同。平行于坝轴线的贯穿性裂缝，破坏坝的整体性；在上游面出平行于坝轴线的贯穿性裂缝，破坏坝的整体性；在上游面出现的裂缝会加剧渗漏，使混凝土遭受溶蚀，且扬压力增大，现的裂缝会加剧渗漏，使混凝土遭受溶蚀，且扬压力增大，对坝的应

8、力和稳定不利；溢流坝面的裂缝将降低抵抗高速水对坝的应力和稳定不利；溢流坝面的裂缝将降低抵抗高速水流冲刷的能力；较深的表面裂缝也在一定程度上降低坝的整流冲刷的能力；较深的表面裂缝也在一定程度上降低坝的整体性和耐久性。体性和耐久性。温度应力取决于温差及约束条件。因此，防止坝体温度裂缝温度应力取决于温差及约束条件。因此，防止坝体温度裂缝的措施，主要有的措施，主要有加强温度控制、提高混凝土的抗裂强度、保加强温度控制、提高混凝土的抗裂强度、保证混凝土的施工质量和采用合理的分缝、分块等证混凝土的施工质量和采用合理的分缝、分块等方面。方面。1）温度控制标准）温度控制标准基础温差：指浇筑块在基础约束范围内，混

9、凝土最高温度与稳定温度基础温差：指浇筑块在基础约束范围内，混凝土最高温度与稳定温度之差。之差。基础温差标准是大体积水工混凝土结构最重要的温度控制项目。基础温差标准是大体积水工混凝土结构最重要的温度控制项目。因为基础混凝土一旦发生裂缝，将会发展成垂直贯穿性裂缝，严重地破因为基础混凝土一旦发生裂缝，将会发展成垂直贯穿性裂缝，严重地破坏结构的整体性。坏结构的整体性。上下层温差：指在老混凝土上下层温差：指在老混凝土(龄期超过龄期超过28天天)面上下各面上下各L/4范围内，上范围内，上层新混凝土最高平均温度与新混凝土开始浇筑时下层老混凝土实际平均层新混凝土最高平均温度与新混凝土开始浇筑时下层老混凝土实际

10、平均温度之差。温度之差。当上层混凝土短间歇均匀上升的高度大于当上层混凝土短间歇均匀上升的高度大于0.5L时，上下层容时，上下层容许温差约为许温差约为1520，浇筑块侧面长期暴露时，宜采用较小值。严寒地，浇筑块侧面长期暴露时，宜采用较小值。严寒地区应另行研究。区应另行研究。内外温差：指混凝土块体内任一时刻的平均温度与表面最低温度之差。内外温差：指混凝土块体内任一时刻的平均温度与表面最低温度之差。混凝土表面温度与气温有关，为安全计一般用边界气温来代表。控制内混凝土表面温度与气温有关，为安全计一般用边界气温来代表。控制内外温差，主要目的是防止表面裂缝。外温差，主要目的是防止表面裂缝。在基础或老混凝土

11、约束范围以外的在基础或老混凝土约束范围以外的混凝工块体，控制在混凝工块体，控制在2325以内；在基础或老混凝土约束范围以内，以内；在基础或老混凝土约束范围以内，控制在控制在2022以内；对于坝体上游面或其他有防渗要求的部位，也应以内；对于坝体上游面或其他有防渗要求的部位，也应按后一标准控制。按后一标准控制。2）温度控制措施）温度控制措施减少混凝土发热量减少混凝土发热量降低混凝土入仓温度降低混凝土入仓温度加速混凝土热量散发加速混凝土热量散发防止不利气温影响，保护混凝土表面防止不利气温影响，保护混凝土表面见见P61-62P61-62三、混凝土重力坝的构造三、混凝土重力坝的构造1、坝顶结构、坝顶结构

12、一般采用实体结构，按路面设计，布置排水系统和照明设一般采用实体结构，按路面设计，布置排水系统和照明设施。也可采用轻型结构。施。也可采用轻型结构。2、坝体分缝、坝体分缝适应温度变化产生的伸缩变形和地基产生的不均匀沉降，适应温度变化产生的伸缩变形和地基产生的不均匀沉降，以及适应施工期浇筑能力和温度控制等，需要设以及适应施工期浇筑能力和温度控制等，需要设横缝、纵横缝、纵缝和水平施工缝缝和水平施工缝等。等。1）横缝及止水）横缝及止水横缝垂直于坝轴线，将坝体沿坝轴线分成若干个坝段，是永久缝。缝面为横缝垂直于坝轴线，将坝体沿坝轴线分成若干个坝段，是永久缝。缝面为平面，不设键槽，不灌浆，使各坝段独立工作。缝

13、宽平面，不设键槽，不灌浆，使各坝段独立工作。缝宽12cm，缝内用沥，缝内用沥青油毛毡或沥青玛蹄脂填充。缝内上游设止水。青油毛毡或沥青玛蹄脂填充。缝内上游设止水。2）纵缝和水平施工缝）纵缝和水平施工缝纵缝纵缝平行于坝轴线，是为适应混凝土的浇筑能力和减小施工期温度应力而平行于坝轴线，是为适应混凝土的浇筑能力和减小施工期温度应力而设置的临时缝。纵缝有设置的临时缝。纵缝有垂直纵缝、斜缝、错缝垂直纵缝、斜缝、错缝三种布置。蓄水前，混凝土三种布置。蓄水前，混凝土充分冷却收缩、坝体达到稳定温度的条件下进行灌浆，使坝段成为整体。充分冷却收缩、坝体达到稳定温度的条件下进行灌浆，使坝段成为整体。缝面设键槽。缝面设

14、键槽。水平缝水平缝是上下两层新老混凝土浇筑块之间的施工接缝。它是坝体防渗、抗是上下两层新老混凝土浇筑块之间的施工接缝。它是坝体防渗、抗剪的薄弱面，须认真处理。剪的薄弱面，须认真处理。3、坝体排水、坝体排水目的目的：减少渗水影响，降：减少渗水影响，降低坝体中的渗透压力低坝体中的渗透压力方法方法：在上游坝面设排水：在上游坝面设排水孔，间距孔，间距23m，距上游，距上游坝面坝面(1/151/25)H，不小，不小于于2m。4、坝内廊道、坝内廊道7 重力坝的地基处理重力坝的地基处理重力坝承受较大的荷载，对地基要求较高。然而天然基岩经受重力坝承受较大的荷载，对地基要求较高。然而天然基岩经受长期地质构造运动

15、及外界因素的作用，多少存在着风化、节理、长期地质构造运动及外界因素的作用，多少存在着风化、节理、裂隙、破碎带等缺陷，在不同程度上破坏了基岩的整体性和均裂隙、破碎带等缺陷，在不同程度上破坏了基岩的整体性和均匀性，降低了基岩的强度和抗渗能力。因此，必须对地基进行匀性，降低了基岩的强度和抗渗能力。因此，必须对地基进行适当的处理，以满足重力坝对地基的适当的处理，以满足重力坝对地基的要求要求：1.具有足够的强度，以承受坝体的压力具有足够的强度，以承受坝体的压力2.具有足够的整体性和均匀性，以满足坝基抗滑稳定和减少不具有足够的整体性和均匀性，以满足坝基抗滑稳定和减少不均匀沉陷的要求均匀沉陷的要求3.具有足

16、够的抗渗性，以满足坝基渗透稳定和减少渗漏的要求具有足够的抗渗性，以满足坝基渗透稳定和减少渗漏的要求4.具有足够的耐久性，以防止在水的长期作用下基岩性质发生具有足够的耐久性，以防止在水的长期作用下基岩性质发生恶化恶化地基处理，一般包括地基处理，一般包括坝基开挖清理坝基开挖清理，对基岩进行，对基岩进行固结灌浆和防固结灌浆和防渗帷幕灌浆渗帷幕灌浆，设置基础排水系统设置基础排水系统，对，对特殊软弱带特殊软弱带如断层、破碎如断层、破碎带和溶洞等进行专门的处理。带和溶洞等进行专门的处理。 高坝应挖到新鲜或微风化下部的基岩；中坝宜挖到微风化或弱风高坝应挖到新鲜或微风化下部的基岩；中坝宜挖到微风化或弱风化下部

17、的基岩；对两岸地形较高部位的坝段，其开挖基岩的标准可比化下部的基岩；对两岸地形较高部位的坝段，其开挖基岩的标准可比河床部位适当放宽。河床部位适当放宽。 坝基开挖的边坡必须保持稳定；在顺河方向，为保持坝体的抗滑坝基开挖的边坡必须保持稳定；在顺河方向，为保持坝体的抗滑稳定，不宜开挖成向下游倾斜的斜面，必要时可挖成分级平台或向上稳定，不宜开挖成向下游倾斜的斜面，必要时可挖成分级平台或向上游倾斜面；两岸岸坡应开挖成台阶形，以利于坝块侧向的稳定；基坑游倾斜面；两岸岸坡应开挖成台阶形，以利于坝块侧向的稳定；基坑开挖轮廓应尽量平顺，避免有高差悬殊的突变，以免应力集中造成坝开挖轮廓应尽量平顺，避免有高差悬殊的

18、突变，以免应力集中造成坝体裂缝；当地基中有软弱夹层存在，且用其他措施无法解决时，也应体裂缝；当地基中有软弱夹层存在，且用其他措施无法解决时，也应挖除。挖除。 为保持基岩的完整性，避免开挖爆破震裂，为保持基岩的完整性，避免开挖爆破震裂，基岩应分层开挖基岩应分层开挖。 基岩开挖后，在浇筑混凝土前，需进行彻底的清理和冲洗，清除基岩开挖后，在浇筑混凝土前，需进行彻底的清理和冲洗，清除一切松动的岩块，打掉突出的尖角。基坑中原有的勘探钻孔、井、洞一切松动的岩块，打掉突出的尖角。基坑中原有的勘探钻孔、井、洞等均应回填封堵。等均应回填封堵。1. 坝基开挖清理坝基开挖清理2. 固结灌浆固结灌浆固结灌浆：固结灌浆

19、：浅孔低压灌注水泥浅孔低压灌注水泥浆对坝基加固处理。浆对坝基加固处理。目的目的：提高岩体的整体性和提高岩体的整体性和弹性模量，减少基岩受力后的弹性模量，减少基岩受力后的变形，并提高基岩的抗压、抗变形，并提高基岩的抗压、抗剪强度；剪强度；降低坝基的渗透性，降低坝基的渗透性，减少渗漏量；减少渗漏量；帷幕旁边的固帷幕旁边的固结灌浆可提高帷幕的灌浆压力。结灌浆可提高帷幕的灌浆压力。孔距和排距由孔距和排距由地质条件和试验地质条件和试验确定。确定。灌浆压力灌浆压力根据岩石裂隙发育程根据岩石裂隙发育程度、浆液浓度、孔深等因素确度、浆液浓度、孔深等因素确定。定。3. 帷幕灌浆帷幕灌浆帷幕灌浆：帷幕灌浆：靠近上游坝基设一靠近上游坝基设一排或几排钻孔，利用高压灌浆排或几排钻孔，利用高压灌浆填塞基岩内的裂隙和孔隙等渗填塞基岩内的裂隙和孔隙等渗水通道，在基岩中形成一道相水通道，在基岩中形成一道相对密实的阻水帷幕。对密实的阻水帷幕。目的目的：降低坝基的渗透压力，降低坝基的渗透压力，减少渗流量；减少渗流量； 防止坝基内产防止坝基内产生机械或化学管涌。生机械或化学管涌。确定帷幕深度、帷幕厚度、灌确定帷幕深度、帷幕厚度、灌浆孔布置、灌浆压力