水工建筑物-第四章 水工建筑物作用效用分析

水工建筑物

主讲人：王均星教授

武汉大学水利水电学院第四章水工建筑物作用效用分析第四章水工建筑物作用效用分析

1.概述

2.物理模拟

3.数学模拟

4.监测数学模型第四章水工建筑物作用效用分析物理模拟数学模拟安全监测分析作用效应分析方法破坏试验弹性应力模型试验应力和变形

破坏机理超载安全度

数值分析方法解析解FDMFEM,BEMDDA,NMM监测确定性模型监测统计模型监测混合模型第五章水工建筑物作用设计准则和设计方法（略）第六章重力坝第六章重力坝

1.概述

2.重力坝的荷载及组合

3.重力坝的稳定分析

4.重力坝的应力分析

5.重力坝的剖面设计

6.重力坝的构造及坝体材料

7.重力坝对地基的要求及地基处理第六章重力坝6.1概述一、重力坝的工作条件与特点二、重力坝的设计理论与坝体断面三、重力坝的布置四、重力坝设计的主要内容五、重力坝的建设概况第六章重力坝6.1概述一、重力坝的工作条件与特点岩基上的重力坝主要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的水推力以保持抗滑稳定当坝的上游面是斜面时（图1-1），还可利用坝面上一部分水重来提高抗滑稳定性第六章重力坝6.1概述一、重力坝的工作条件与特点－－优点①适于从坝顶溢流，施工期间也易于通过较低的坝块或底孔（永久的或临时的）泄流；②较之拱坝、支墩坝，断面形状简单，混凝土浇筑简易，便于机械化施工，模板数量少，且易采用定型模板；③适合于在各种气候条件下修建，在严寒地区，重力坝与拱坝或支墩坝相比，受到冻害的影响较小；第六章重力坝6.1概述一、重力坝的工作条件与特点－－优点④对地基的要求比拱坝低，但比土石坝高；⑤设计和建造的经验比较丰富，工作可靠，使用年限较长，养护费用较低。第六章重力坝6.1概述一、重力坝的工作条件与特点－－缺点①坝体体积大，要消耗大量水泥，而材料强度却没有被充分利用；另一方面，它的体积虽远较土石坝为小，但单位体积的造价远较土石坝为高，也不一定经济；②由于体积大，散热困难，且由于温度收缩容易产生裂缝，破坏坝的整体性和强度；③底面积大，作用在坝底面上的扬压力也大，减少了坝的有效重量，使坝体进一步加大。第六章重力坝6.1概述一、重力坝的工作条件与特点－－改进措施改进设计方法和施工方法：向上游倾斜的上游坝面，以改善应力和稳定条件；不同部位使用不同标号混凝土，以节约水泥用量；采用碾压混凝土的方法筑坝，以降低水化热，加快筑坝速度改进坝的结构型式：宽缝重力坝、空腹坝、预应力坝第六章重力坝6.1概述一、重力坝的工作条件与特点二、重力坝的设计理论与坝体断面三、重力坝的布置四、重力坝设计的主要内容五、重力坝的建设概况第六章重力坝6.1概述二、重力坝的设计理论与坝体断面基本准则可表述如下：（1）坝体内不允许出现拉应力，即压力线应在截面的三分点以内；（2）坝体的一部分不允许沿着其下面的坝体滑动，或者整个坝体不允许沿着坝基滑动；（3）坝体或坝基所承受的最大压应力不得超过某一极限值。第六章重力坝6.1概述二、重力坝的设计理论与坝体断面一般认为，抗滑稳定及无拉应力原则是保证重力坝安全工作的两个主要条件对于这两个条件，不仅在坝基截面上要满足，在坝体的任何水平截面上也必须满足据此进行分析研究得知，重力坝剖面的理论形状为三角形，近代修建的许多重力坝剖面也都接近这个形状第六章重力坝6.1概述一、重力坝的工作条件与特点二、重力坝的设计理论与坝体断面三、重力坝的布置四、重力坝设计的主要内容五、重力坝的建设概况第六章重力坝6.1概述三、重力坝的布置重力坝总体布置应根据地形地质条件，结合枢纽其他建筑物综合考虑。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在河谷较窄而洪水流量较大，且拦河坝前缘宽度不足以并列布置溢流坝段和厂房坝段时，常可采用重迭布置方式，例如在泄洪坝段上同时设置溢流表孔及泄水中孔；将电站厂房设在溢流坝内，或采用坝后厂房顶溢流的布置方式向家坝水电站挡河大坝采用混凝土重力坝，坝顶高程383.00m，最大坝高161.00m，坝顶长度909.26m。第六章重力坝6.1概述一、重力坝的工作条件与特点二、重力坝的设计理论与坝体断面三、重力坝的布置四、重力坝设计的主要内容五、重力坝的建设概况第六章重力坝6.1概述四、重力坝设计的主要内容（1）总体枢纽布置（2）剖面设计参照已建工程经验，初步拟定剖面尺寸。（3）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。（4）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。第六章重力坝6.1概述四、重力坝设计的主要内容（5）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。（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。第六章重力坝6.1概述四、重力坝设计的主要内容（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。大坝的施工方法和施工组织设计（详见有关课程）第六章重力坝6.1概述一、重力坝的工作条件与特点二、重力坝的设计理论与坝体断面三、重力坝的布置四、重力坝设计的主要内容五、重力坝的建设概况第六章重力坝6.1概述五、重力坝的建设概况从1853年到1890年，法国先后发表了一些有关重力坝设计的论文，提出了坝体应力分析的材料力学方法和弹性理论方法十九世纪末期，通过对几个失事重力坝的分析研究，发现了作用于坝体的扬压力，此后便开始在重力坝坝体内设置排水系统第六章重力坝6.1概述五、重力坝的建设概况进入二十世纪以后，由于混凝土工艺和施工机械的迅速发展，逐步形成了现代的混凝土重力坝：在坝内设置靠近上游面的竖直排水管在坝基内布设灌浆帷幕和帷幕后的排水幕系统为了控制混凝土开裂，在坝内设置横缝和纵缝，并在施工期采取温控措施。第六章重力坝6.1概述五、重力坝的建设概况到四十年代初期，美国系统总结了重力坝的设计和施工经验。第二次世界大战后，欧美处于经济恢复时期，坝工建设力求节约工程量，拱坝和支墩坝建造得比较多，重力坝虽然修建数量的相对比例有所减少，但在技术上却继续进展。第六章重力坝6.1概述五、重力坝的建设概况瑞士修建了目前世界上最高的大狄克逊（GrandDixence）重力坝，坝高达285m，并发展了分期加高的筑坝技术；意大利修建了阿尔卑吉拉（AlpaGera）坝，应用低热水泥，取消分块浇筑，采用自卸卡车入仓卸料，推土机平仓，连续通仓浇筑，振动刀片切成伸缩缝等施工新工艺；第六章重力坝6.1概述五、重力坝的建设概况罗马尼亚建成了127m高的山泉（IzvroulMuntelui）坝，发展一种分层错接、斜缝不灌浆的混凝土施工方法

70年代以来，由于碾压混凝土筑坝技术的发展，进一步降低重力坝的造价和缩短施工工期，从而提高重力坝在坝型选择中的竞争力，促进了重力坝的发展。第六章重力坝6.1概述五、重力坝的建设概况我国自解放后，水利水电建设蓬勃发展，重力坝也大量兴建。通过建坝实践和研究，在坝体结构型式、建筑材料、枢纽布置、泄洪消能、地基处理、施工技术和设计理论等方面都有较大的发展。据不完全统计，中国已建、在建的装机容量在15MW以上水电站中，高、中、低混凝土重力坝达149座，其中坝高70m以上的混凝土重力坝共计34座，100m以上的有17座。第六章重力坝6.1概述五、重力坝的建设概况在装机容量大于250MW以上已建和在建的50余座大型水电站中（不含抽水蓄能电站），34座是混凝土重力坝（或重力闸坝），其中坝高在100m以上的有15座。

1993年开工的举世瞩目的三峡工程，重力坝坝高175m，长2309.47m，装机容量达18200MW，是世界上最大的水电站，首批机组于2003年投产，标志着中国大坝建设技术的巨大专进步。第六章重力坝6.1概述五、重力坝的建设概况－－科学研究

目前，重力坝研究工作的发展趋向于用现代的设计理论和分析方法解决一些专门的问题。用有限单元法分析坝体及坝基的应力状态用断裂力学研究坝体裂缝的发展和稳定重力坝在地震活动时的精确分析第六章重力坝6