第三章 重力坝.ppt

1、第 3 章 岩基上的重力坝,3.1 概述 重力坝： 用混凝土或石料等材料修筑， 主要依靠坝体自重产生的抗 滑力抵抗水推力、保持稳定 的坝。,不同时期各种剖面型式的重力坝,重力坝类型： 按结构形式分： （1）实体重力坝；（2）宽缝重力坝；（3）空腹重力坝 按坝顶是否溢流分： （1）溢流重力坝；（2）非溢流重力坝 按筑坝材料分： （1）混凝土重力坝；（2）浆砌石重力坝,3.1.1 重力坝的特点 现代重力坝构造特点： （1）基本剖面为三角形。 （2）坝轴线一般为直线，也可为折线或曲率不大的拱形（向 上游）。 （3）一般分成若干独立坝段。 （4）坝体内设置排水管幕，设置各种廊道；坝基内设置防渗帷幕、排

2、水孔幕。,坝轴线一般为直线,重力坝基本剖面为三角形,坝轴线也可为折线,坝轴线也可为曲率不大的拱形,重力坝一般分成若干独立坝段,坝体内设置排水管幕，设置各种廊道； 坝基内设置防渗帷幕、排水孔幕。,重力坝的优点： （1）结构作用明确，设计方法简便，安全可靠。 （2）对地形、地质条件适应性强。 （3）枢纽泄洪问题容易解决。 （4）便于施工导流。 （5）施工方便。,重力坝缺点： （1）坝体剖面尺寸大、材料用量多。 （2）坝体应力较低 ，混凝土抗压强度没有充分发挥。 （3）坝体与地基接触面积大，坝底扬压力大，对稳定不利。 （4）大体积混凝土，存在温度应力问题、温控措施严格。,3.1.2 重力坝的设计内容

3、 （1）剖面设计 （2）稳定分析 （3）应力分析 （4）构造设计 （5）地基处理设计 （6）溢流重力坝和泄水孔设计 （7）监测设计,3.1.3 重力坝的建设情况 人类修建堰坝的历史已有数千年，重力坝是一种较早的坝型。 早期的重力坝都是用浆砌石（或干砌石）建造的。1850年前后混凝土发明。19世纪后期开始，混凝土重力坝开始建造。首先是块石混凝土重力坝，后来出现全部混凝土的重力坝。 现代大型重力坝都采用混凝土建造，中小型工程还经常采用浆砌石。,重力坝设计理论、筑坝技术也是一个不断提高的过程： 19世纪下半叶，提出了一些重力坝应力控制标准。1895年法国工程师Levy分析了几座重力坝失事的原因，证实

4、了扬压力的重要性，而在此之前重力坝设计中，扬压力是被忽略的。20世纪80年代，碾压混凝土技术应用建筑重力坝。,国外以及我们国家建成了一大批重力坝： 瑞士大狄克桑斯混凝土重力坝，高度285米，是目前最高的重力坝。 我国19491985年，建成坝高30米以上的混凝土重力坝58座。 1990年代及以后建成的有故县、铜街子、岩滩、水口、宝珠寺、漫湾、五强溪、万家寨、三峡等重力坝。 本章建议参考资料： 1.重力坝设计.潘家铮，水利电力出版社，1987年. 2. 重力坝设计规范.,瑞士大狄克桑斯混凝土重力坝（285米）,三峡混凝土重力坝（181米）,安康重力坝（128m）,池潭水电站混凝土重力坝（78米）

5、,丹江口混凝土宽缝重力坝（97m）,新安江宽缝重力坝 （105m）,枫树坝水电站宽缝重力坝（95.4m）,3.2 重力坝的荷载及荷载组合,3.2.1 作用与荷载 作用：外界环境对水工建筑物的影响，也就是使结构产生内力 和变形的各种原因。 直接作用：直接作用于结构上的各种集中力、分布力（又称为 荷载）。 间接作用：引起结构内力和变形的其他原因，有温度作用、地 震作用等。 本节参考文献：水工建筑物荷载设计规范（DL5077-1997）,作用可分为三类： （1）永久作用 量值不随时间变化的作用。如结构重量、土压力等。 （2）可变作用 量值随时间变化的作用。如水荷载、温度荷载等。 （3）偶然作用 出现

6、几率很小，一旦出现量值大、持续时间短的作用。如地震作用、校核洪水等。,重力坝承受的荷载与作用有： （1）自重；（2）静水压力；（3）扬压力； （4）动水压力；（5）波浪压力；（6）泥沙压力； （7）冰压力； （8）土压力；（9）温度作用； （10）风压力；（11）地震作用等。,3.2.1.1 自重 建筑物、机电设备等的重量。 建筑物各部分的重量，可以根据其体积和材料容重，比较准确计算。 机电设备重量，可由厂家提供的设备重量（或质量）参数获得。,3.2.1.2 静水压力 可由水力学公式比较准确确定。 静水压强 作用于各种平面或曲面上的静水压力都较容易确定。,3.2.1.3 扬压力 作用于坝底面或

7、坝体内部某一水平面上，方向向上的一种静水压力。扬压力是由渗流产生的。 为了便于计算，扬压力通常分解为两部分： 浮托力：下游水深产生的上浮力。 渗流压力：上下游水位差作用下 渗流产生的静水压力。, 托浮力 由坝基面(或计算面)在下游水位以下的深度确定。 渗流压力 渗流压力比较难准确确定。 重力坝设计中根据经验值 近似确定，其分布按图所示。 河床坝段 岸坡坝段,（经实测和分析研究,岸坡坝段扬压力折减 系数 一般高于河床坝段）,坝体内部截面上的渗流压力分布按图所示。,3.2.1.4 动水压力 水流流经曲面由于方向改变对曲面产生的压力。 圆弧曲面动水压力公式: （可以由动量方程 或离心力公式得到） 当

8、反弧段上水深较大时水体重量不能忽略。,质量为m、半径为R、速度为V的圆周运动： 离心力 水体沿曲面运动的离心力产生动水压力。,3.2.1.5 波浪压力 波浪压力作为静水压力之外的一种附加水压力计算。 波浪三要素：波高 、波长 、雍高 。 确定波浪要素，是为了计算波浪压力；也用于计算坝顶超高（防浪墙顶高程）。,波浪要素计算公式国内外有多种。上世纪60年代我国开始观测研究并且提出了自己的公式。主要有官厅水库公式、莆田海浪试验站公式、鹤地水库公式，分别适合于不同情况。 混凝土重力坝设计规范（SL319-2005）关于波浪要素计算的规定：,波浪要素计算官厅水库公式: （波浪壅高公式(3-6)是 G.S

9、ainflou 于1928年提出，为我国规范采用。） 波浪系列具有随机性，计算出的或用到的波高都是指一定累计频率的波高。,波浪压力计算 分深水波、浅水波、破碎波按有关公式计算。 临界水深（浅水波与破碎波分界） （1）深水波 （2）浅水波 破碎波浪压力、斜坡式挡水建筑物浪压力计算，参考其他资料。,3.2.1.6 土压力及泥沙压力 土压力 建筑物前（或背后）有填土时，产生土压力。 视不同情况可以按主动土压力、被动土压力、静止土压力计算。 土压力计算公式有：库伦公式、朗肯公式等。,泥沙压力 可按主动土压力公式计算： 泥沙淤积高程（厚度 ）： 通过研究论证确定。 泥沙力学指标: 浮容重 、内摩擦角 ：

10、 通过试验和经验确定。,3.2.1.7 冰压力和冰冻作用 1.静冰压力 在寒冷地区冬季水库表面结冰。当气温回升时，冰层膨胀，对建筑物产生压力称为静冰压力。 我国根据对东北和华北若干水库的冰压力调查研究，提出静冰压力建议取值：按表3-1。,参考：水工建筑物抗冰冻设计规范 SL211-2006 水工建筑物抗冰冻设计规范 DL/T5082-1998,2.动冰压力 冰块破裂后，受风、水流作用而漂流，撞击坝面或其他建筑物产生动冰压力。 （1）冰块垂直撞击坝面动冰压力（可按有关公式计算） 前苏联规范公式。 （2）冰块撞击闸墩动冰压力（可按有关公式计算） 低坝、闸墩或胸墙等结构，冰压力有可能成为重要荷载。

11、工程中不宜承受冰压力的部位应采取防护措施（防冻或破冰）。,铁路桥墩的打冰人 北京门头沟落坡岭水库铁路桥：丰沙线的必经之路，春运期间平均十多分钟就有一趟列车经过。寒冬水库冰层挤压可能造成桥墩位移变形，威胁行车安全。每个桥墩要求打出一圈1米宽的活水区。班组一天要处理完17个桥墩的冰层。,3.冰冻作用 地基土中的水份结冰时土体膨胀，对建筑物或其保护层产生冻胀力（推力）。可以导致变位、甚至失稳、破坏。 冻融作用可使材料强度降低，导致建筑物破坏。 寒冷地区建筑物设计要注意冰冻作用。,3.2.1.8 温度作用 温度应力： 水工结构温度变化产生膨胀或收缩，当变形受到约束时产生温度应力。 温度作用效应： 结构

12、由于温度变化产生的应力、变形、位移等，称为温度作用效应。 水利水电工程中，混凝土结构和钢结构的温度作用效应比较显著，需要考虑。 结构温度变化之热量来源： 气温、日照、水温、水泥水化热等。,坝址气温、水库水温的年周期变化过程（近似按余弦函数变化）： 气温多年平均年周期变化公式： 水库水温多年平均年周期变化公式：,3.2.1.9 风作用 风吹在建筑物表面产生风压力（迎风面为正压，背风面可能产生负压）。 一般情况可不计风压力。坝顶上的闸墩、排架、闸门、启闭机房等高耸孤立结构可能需要考虑风压力。 风压力计算可按有关方法。 基本风压公式（由流体力学伯努利方程得到的理论公式）：,流体力学贝努力方程：,大气

13、压,（常温常压下空气密度近似取 ）,3.2.1.10 地震作用 地震作用计算方法选择： 抗震等级为甲类的重力坝，采用动力法。 乙、丙类重力坝，采用动力法或拟静力法。 丁类重力坝，采用拟静力法或不计算地震作用。 设计烈度小于8度且高度小于等于70m的重力坝，可采用拟静力法。 一般只考虑水平向地震作用，设计烈度为8、9度的1、2级重力坝，应同时计入竖向地震作用。,拟静力法： 拟静力法是地震作用分析的一种常用近似方法。它是把地震惯性力、地震动土压力、地震动水压力施加于结构上，与其他静荷载组合，分析结构的强度和稳定性。,1.地震惯性力 水平向地震惯性力公式：, 竖向地震惯性力计算方法： 采用竖向地震系

14、数 ，并考虑遇合系数0.5。,2.地震动水压力 地震动水压力作为静水压力之外的一种附加水压力考虑。 铅直坝面上地震动水压力强度公式：, 单位宽度坝面上总地震动水压力公式： 水深为y的截面 以上地震动水压力, 倾斜坝面上地震动水压力： 按铅直坝面地震动水压力乘以折减系数 近似计算。 为建筑物迎水面与水平面的夹角。 地震动水压力方向：垂直于坝面，其指向与地震加速度指向相反。,3.地震动土压力 地震主动动土压力公式：, 地震主动动土压力示意图, 地震被动土压力： 尚无较准确的计算方法，需要专门研究确定。,3.2.2 荷载组合 作用于重力坝上的荷载分为两类： 基本荷载（包括永久荷载、可变荷载） 特殊荷

15、载（偶然荷载）,1.重力坝的基本荷载 （1）坝体及固定设备自重； （2）正常蓄水位或设计洪水位时的静水压力； （3）正常蓄水位或设计洪水位时的扬压力； （4）泥沙压力； （5）正常蓄水位或设计洪水位时的浪压力； （6）冰压力； （7）土压力； （8）设计洪水位的动水压力； （9）其它出现几率较大的荷载。,2.特殊荷载 （1）校核洪水位时的静水压力； （2）校核洪水位时的扬压力； （3）校核洪水位时的浪压力； （4）校核洪水位的动水压力； （5）地震作用； （6）其它出现几率较小的荷载。,重力坝力学分析的荷载组合分为两类： 基本组合：由同时出现的基本荷载组成。 特殊组合：由同时出现的基本荷载和一

16、种或几种特殊荷载组成。,重力坝力学分析荷载组合情况：见表3-3。,3.3 重力坝的抗滑稳定分析,重力坝抗滑稳定分析目的： 重力坝抗滑稳定分析是重力坝设计的重要内容之一，其目的是核算坝体沿坝基面，或坝基内软弱结构面抗滑稳定的安全度。,3.3.1 沿坝基面的抗滑稳定分析 取一个坝段或单位宽度作为计算单元，计算公式有抗剪强度公式和抗剪断公式两个。 1.抗剪强度公式（摩擦公式） 将坝体与基岩间看成一个接触面而不是胶结面，坝体依靠摩擦力维持稳定。 抗剪强度公式：, 坝基面倾斜时计算公式： 可以看出，坝基面向上游倾斜时对坝体抗滑稳定有利，坝基面向下游倾斜时对坝体抗滑稳定不利。,摩擦系数f的确定： 摩擦系数

17、 f 取值关系到重力坝的稳定安全和坝体混凝土用量。需要通过试验研究、工程经验综合确定。 摩擦系数一般取值：,坝基面抗滑安全系数Ks标准： 由于抗剪强度公式偏安全，其安全系数标准较低（略大于1.0）,2.抗剪断公式 抗剪断公式认为坝体与基岩接触面是个胶结面、存在凝聚力，采用接触面抗剪断参数计算抗滑稳定安全系数。 抗剪断公式：,抗剪断强度参数 、 的确定： 通过试验研究、工程经验综合确定。 表3-5抗剪断强度参数数值可供参考。,安全系数 标准： 我国重力坝规范规定： 基本荷载组合：3.0； 特殊荷载组合（1）：2.5； 特殊荷载组合（2）：2.3；,抗剪强度公式与抗剪断公式应用情况 两个公式在重力

18、坝设计中都得到了应用。 我国水利部门最新重力坝设计规范SL319-2005，规定采用抗剪断公式或抗剪强度公式计算重力坝的稳定性。 我国电力部门重力坝设计规范DL5108-1999，将结构可靠度理论引入到重力坝设计中，规定采用“分项系数极限状态方法”进行抗滑稳定计算。,3.3.2 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，坝体可能连同部分基岩，沿软弱结构面滑移，称为深层滑动。 深层滑动示意图,重力坝深层抗滑稳定分析方法有三类： 以刚体极限平衡法为主，重要工程或复杂地基情况，采用有限元法或地质力学模型试验复核。,3.3.2.1 刚体极限平衡 1.单斜面深层抗滑稳定计算

19、 与沿坝基面抗滑稳定分析相似。 计算公式与安全系数标准： （1）采用抗剪强度公式， 不小于1.05-1.3。 （2）采用抗剪断公式， 不小于2.3-3.0。,2.双斜面深层抗滑稳定计算 双斜滑动面确定： 根据地基中软弱结构面的分布，选取一个或多个可能的滑动通道，进行抗滑稳定验算。 a.双斜滑动面AB-BC b.双斜滑动面AB-BC（常见情况）,计算方法有四种： （1）剩余推力法 令(1)区沿AB面处于极限平衡状态确定反力R，将R作用于(2)区，求(2)区沿BC面的抗滑稳定安全系数，作为整体抗滑稳定安全系数。,（2）被动抗力法 令(2)区沿BC面处于极限平衡状态确定反力R，将R作用于(1)区，求

20、(1)区沿AB面的抗滑稳定安全系数，作为整体抗滑稳定安全系数。,（3）等安全系数法： 令(1)区沿AB面、(2)区沿BC面同时处于极限平衡状态，且两区的抗滑稳定安全系数相等，确定抗滑稳定安全系数。,抗力R与水平面夹角 确定： 取 ，计算成果偏安全。 取 。 根据有限元法计算成果确定 。 深层抗滑稳定安全系数标准： 参照沿坝基面抗滑稳定安全标准。,“混凝土重力坝设计规范SL319-2005”关于深层抗滑稳定安全系数标准的规定：,重力坝设计规范：坝基面抗滑稳定安全系数标准：,（4）整体滑动法 假定 和 为滑动面 上的反力，并假定坝体连同 部分地基沿中心O转动。 滑动力矩 抗滑稳定安全系数 反力 和

21、 需要由有限单元法等确定。,3.3.2.2 有限单元法 可以用该方法分析评价重力坝的抗滑稳定性。 在本课程中不详细介绍,3.3.3 岸坡坝段的抗滑稳定分析 岸坡坝段的坝基面是斜面，在上游水压力和自重作用下，其滑动趋势为沿岸坡斜向下游及河床（属于空间滑动问题）。 滑动面法向压力 自重产生的滑动力 总滑动力 抗滑稳定安全系数(抗剪强度公式) 抗滑稳定安全系数(抗剪断公式),3.3.4 提高坝体抗滑稳定性的工程措施 （1）利用水重 （2）采用有利的开挖轮廓线 （3）设置齿墙 （4）抽水措施(降低坝基面上的扬压力) （5）加固地基 （6）横缝灌浆 （7）预加应力措施,3.4 重力坝的应力分析,应力分析

22、的目的： 检验大坝在施工期和运用期是否满足强度要求；同时为设计中的某些问题（如混凝土标号分区、某些部位的配筋等）提供依据。 应力分析是重力坝设计的重要内容之一。,3.4.1 应力分析方法综述 重力坝应力分析方法有下面一些： （1）模型试验法 （2）材料力学法 （3）弹性理论的解析法 （4）弹性理论的差分法 （5）有限元方法 材料力学法是目前最主要的方法，有限元方法也广泛应用。,3.4.2 材料力学法 3.4.2.1 基本假定 （1）坝体混凝土作为均质、连续、各向同性弹性材料。 （2）坝体作为固接于地基上的悬臂梁，不考虑地基变形影响。 （3）假定坝体水平截面上的正应力 按直线分布，不考虑廊道等孔

23、道对坝体应力的影响。,3.4.2.2 边缘应力的计算 边缘应力指上游和下游坝面处的应力。 坝体最大和最小正应力、主应力都发生在上下游坝面，重力坝设计中一般取边缘应力进行强度校核。 边缘应力也是计算内部应力的边界条件。, 边缘应力计算简图： 荷载与应力正向规定：,1.水平截面上的正应力 边缘竖向应力-由偏心受压公式确定： 上游边缘竖向应力 下游边缘竖向应力,2.剪应力 边缘剪应力：由边缘微分体的平衡条件 得到。 上游边缘剪应力： 下游边缘剪应力： 上游边缘微分体 下游边缘微分体,3.水平正应力 边缘水平正应力：由边缘微分体的平衡条件 得到： 上游边缘水平正应力： 下游边缘水平正应力：,4.主应力

24、 边缘主应力：由微元体平衡条件 得到： 上游边缘主应力： 下游边缘主应力：,由主拉应力的表达式可以看出，重力坝上游坝坡不能太缓，否则出现主拉应力。因此上游坝面常做成铅直的。,3.4.2.3 内部应力的计算 微分体平衡方程：,坝体内水平截面上的三个应力分量： 1.竖向正应力 按直线分布，由偏心受压公式确定 2.剪应力 呈抛物线分布 3.水平正应力 呈三次曲线分布 由平衡微分方程经积分、并利用边界条件得到。 重力坝内部应力计算方法，本课程不做详细介绍，可查阅有关资料。,4.坝体内主应力 由材料力学公式给出：,3.4.2.4 考虑扬压力时的应力计算 1. 边缘应力 先计入扬压力计算出 、 ，再根据微

25、元体平衡条件确定其它应力分量和主应力表达式如下： 重力坝应力计算中，当考虑扬压力不利时 应当考虑；当考虑扬压力有利时可不考虑。 上游微分体受力图,其他边缘应力：,情况： 情况：在没有淤沙压力等附加压力时。 与 的关系类似。 当 及 前面的公式可简化。,有淤沙压力情况：,有地震动水压力、波浪压力等附加压力情况：,2. 考虑扬压力时坝内应力求解 可参考有关专门资料（本课程中不详细介绍）。,3.4.3 强度指标 采用材料力学方法计算的应力控制标准： 3.4.3.1 坝基面坝踵、坝趾铅直应力 要求 1.运用期 （1）各种荷载组合下，坝踵不出现拉应力（计入扬压力）；坝趾小于坝基容许压应力（计入和不计入扬

26、压力）。 （2）地震情况，标准可放宽（具体见“水工建筑物抗震设计规范”）。 2.施工期 坝趾容许出现小于0.1MPa的拉应力。,3.4.3.2 坝体应力要求 1. 运用期 (1)坝体上游面铅直应力不出现拉应力（计入扬压力）。 (2)坝体最大主应力不大于混凝土容许压应力（计入和不计入扬压力） 。 (3)地震情况，应力控制标准符合抗震设计规范要求。 (4)坝体局部区域拉应力应符合有关规定。 2. 施工期 (1)坝体任何截面上的主压应力不应大于混凝土容许压应力。 (2)坝体下游面允许有不大于0.2MPa的主拉应力。,混凝土容许压应力由混凝土极限抗压强度除以安全系数确定。容许压应力安全系数基本组合不小

27、于4.0，特殊组合（非地震情况）不小于3.5。 局部混凝土有抗拉要求时，抗拉安全系数应不小于4.0。 地震情况混凝土容许压应力可提高30%、并允许出现瞬时拉应力、抗拉安全系数不小于2.0。,“水工建筑物抗震设计规范D5073-2000”有关规定：,3.4.4 有限元法 有限单元法也是重力坝力学分析的重要方法，本课程中略去不做介绍。,四川龙河石板水重力坝应力位移分析有限元网格,3.4.4.3 有限元法的应力控制标准 “重力坝设计规范”提出的有限元法计算应力控制标准为： （1）铅直应力 1）坝基上游面。拉应力区宽度小于坝底宽度的7%或坝踵至帷幕中心线的距离。（计入扬压力） 2）坝体上游面。拉应力区

28、宽度小于计算截面宽度的7%或计算截面上游边缘至排水管中心线的距离。（计入扬压力） （2）坝内孔洞、闸墩的应力与配筋，可依据有限元法应力计算结果。,有限元法计算应力控制标准示意图,3.4.5 各种因素对坝体应力的影响 （1）地基变形模量对坝体应力的影响 坝体和地基相互约束，坝底附近的应力状况受地基刚度特性的影响。 用弹性理论方法计算得到三角形坝体坝基面上的应力分布。 可见： 坝体混凝土弹性模量与地基岩体变形模量比值不同，坝基面上各应力分量呈现不同的分布。竖向应力与材料力学方法假定的直线分布偏离较大。,图3-29：库空情况（弹性理论计算结果）,图3-29：库满情况（弹性理论计算结果）,（2）坝体混

29、凝土分区对坝体应力的影响 坝体不同部位混凝土弹性模量比值不同，水平截面上竖向应力 分布不同，且偏离直线分布。 图3-30(有限元数值方法结果),（3）纵缝对坝体应力的影响 坝体自重竖向应力是各坝段独立产生，其分布与上游面坡度有关。水荷载产生的竖向应力反对称分布。 最终的竖向应力随上游坝面坡度而不同。 图3-31,（4）分期施工对坝体 应力的影响 图(a)为整体计算得到的 竖向正应力 分布 图(d)为考虑分期施工 得到的 分布 可见考虑与不考虑 分期施工得到的应力 分布有较大差异。,图3-32,（5）温度变化对坝体应力的影响 施工期和运行期坝体温度变化对应力有一定影响，但目前重力坝应力计算不考虑

30、温度作用。原因是： 1）施工期采取温控措施尽可能减小温度应力、防止温度裂缝； 2）重力坝是静定结构，运行期温度应力只是局部的、仅限于表面附近； 3）温度应力较难准确确定（混凝土徐变等），仍需要研究。,由上面五个方面影响因素可见，材料力学法计算得到的坝体应力是近似的，具有某种“平均性”、“表观性”，在某一点处与真实状态可能有较大偏差。但材料力学法有较多的应用经验，仍是目前重力坝应力分析的最主要方法。,3.5 重力坝的渗流分析,重力坝渗流分析通常不是必须进行的，一般是按经验确定扬压力如前面所讲。本节略去。,3.6 重力坝的温度应力、温度控制和裂缝防止,混凝土重力坝属于大体积结构，和轻型混凝土或钢筋

31、混凝土结构（梁、柱、板等）相比，有一个显著特点，即必须研究并控制其温度变化与温度应力问题。在早期人们并未充分注意该特点，也没有采取专门措施，结果在坝体中出现了严重的裂缝，破坏了结构的整体性，影响了坝的寿命、安全和正常使用。经过一系列研究试验，证实是由于温度变化所致。即由于水泥凝固过程中产生大量的热，使混凝土温度急剧升高，然后再逐渐冷却收缩，相应地产生了体积变化和温度应力，在条件不利时会导致开裂。,如果对重力坝这样的大体积混凝土结构的温度应力不加控制，会由于温度应力（拉应力）过大而产生各种裂缝，有的可以发展成贯穿性大裂缝，破坏结构的整体性，削弱其刚度，影响坝的安全和寿命，或者成为漏水通道。即使是

32、表面裂缝，也会损伤混凝土的强度和完整性，加速其破坏过程。国内外都有一些混凝土坝在施工期或运行期出现巨大裂缝，不得不进行复杂的补强或影响工程运用的例子。 现在重力坝设计中，在确定坝体剖面（进行应力分析和稳定性分析）时，不考虑温度应力。在确定大坝剖面和初步安排施工进度后，再研究温度控制问题，确定坝体温度变化情况、控制性温度应力的大小，以及温度控制和防止裂缝的措施。,3.6.1 坝体温度变化 混凝土浇筑块的温度变化过程可分为三个阶段： 温升期-水化热导致温升（发生在浇筑后3-7天内）。,重力坝混凝土块浇筑示意图, 降温期-混凝土下降至稳定温度(或外界影响温度)。这个过程缓慢，取决于边界散热条件和降温

33、措施，可以持续几个月或几年。 稳定期-只受外界温度影响而波动。内部接近年平均温度、波动较小；越靠近表面随外界温度波动越大。,图3-38 美国某坝实测温度过程线,3.6.2 施工期的温度应力 施工期混凝土浇筑块温度变化引起变形，如果变形受到地基或内部约束将产生温度应力。施工期温度应力主要是两类： 1.地基约束引起的应力 温降过程中，混凝土收缩受到基岩 约束产生有害的温度拉应力。 新浇混凝土块受老混凝土块约束产 生的温度应力也属于此种情况。 混凝土浇筑块温度应力计算方法与公式 （可参考有关资料） 图3-39,2.内外温差引起的应力 混凝土块在水化热温升阶段，由于内部温升大、外部温升小，以及在模板拆

34、除后外部温降大、内部温降小，将产生内部受压而外部受拉的温度应力。 内外温差引起的温度应力是产生表面裂缝的原因。,3.6.3 重力坝的温度裂缝和温控措施 1.裂缝的分类 贯穿性裂缝：横向贯穿性裂缝、纵向贯穿性裂缝、水平贯穿 性裂缝。 表面裂缝,防止裂缝的措施： 坝体混凝土分缝、分块； 提高混凝土质量； 混凝土施工期温度控制。 2.温度控制（包括温度和温度应力计算）的目的 防止各种温度裂缝。 为施工中分缝分块及施工工序确定，接缝灌浆时机等提供依据。,3. 温度控制标准(建议查阅混凝土重力坝设计规范) （1）地基容许温差： 地基约束范围的混凝土最高温度与稳定温度之差：见表3-9。,混凝土重力坝施工期

35、地基容许温差：,（2）上、下层容许温差： 接触面（先浇混凝土龄期超过28天）上下各1/4块长范围内，上层新浇混凝土的最高平均温度与开始浇筑混凝土时下层老混凝土的平均温度之差。建议不超过 。 DL规范： 新老混凝土约束应力由 分析计算确定，其温控标准 可较基础部分适当放宽。,（3）内外容许温差： 浇筑块中心温度与边界温度之差。不宜大于 。 这些标准是经过温度应力近似计算和研究论证而提出的。,4.重力坝混凝土浇筑温度控制措施 （1）降低混凝土的浇筑温度（入仓温度）。 （2）减小混凝土水化热温升。 （3）加强对混凝土的养护和保护。,3.6.4 稳定温度场及温度应力的有限元计算 1.稳定温度场 不随时

36、间变化的温度场称为稳定温度场。重力坝竣工后经长时间散热，坝体温度只受外界温度影响在其平均温度附近周期性变化（内部温度变化小、越靠近边界变化越大），因此严格地讲重力坝不存在稳定温度场。 重力坝的稳定温度场是指多年平均温度场。可以用多年平均气温和平均水温为边界条件、用有限元方法确定坝体稳定温度场。, 稳定温度场是确定运行期温度荷载、接缝灌浆时机、施工期混凝土温度控制的重要依据。 有限单元法是计算混凝土稳定温度场和温度应力的很有效方法，本课程中不做讲述。,3.7 重力坝的剖面设计,3.7.1 剖面设计原则 重力坝设计剖面应由基本荷载组合控制，以材料力学法应力分析和刚体极限平衡法稳定分析成果为依据，并

37、以特殊荷载组合复核。 重力坝设计剖面应满足以下几方面要求： 稳定和强度要求，保证大坝安全； 工程量小；运用方便；便于施工等。,3.7.2 基本剖面 在自重、静水压力、扬压力三项主要荷载作用下，满足稳定和强度要求、工程量最小的三角形剖面称为基本剖面。,满足稳定和强度条件的三角形剖面可以有很多，“刚好”满足的剖面最小，为基本剖面。剖面越大，稳定和强度富裕度越大。 重力坝基本剖面由三项主要荷载下稳定和强度条件确定。,重力坝基本剖面确定方法, 由稳定条件,得到：, 维持坝体稳定需要有足够的重量。 越大，越能利用上游水重 维持稳定，底宽 可以越小。,根据 ， 得到：, 应力条件,库空时,库空时应满足 ，

38、要求 ，即上游为正坡。,库满时要求 ，取 得到：,由稳定条件（1）和应力条件（2）联立求解，可以确定 和 ，得到基本剖面。,基本剖面的特点： 对于完整坚硬基岩，基本剖面常由应力条件控制，上游坡较陡甚至可以为倒坡以防止坝踵出现拉应力。 对于完整性差较软弱基岩，常由稳定条件控制，上游坡较缓以利用水重增加稳定性 。但也不宜太缓，否则坝踵易出现拉应力。 上游、下游坝坡经验取值：n=0 0.2 ; m=0.6 0.8 。,3.7.3 实用剖面 重力坝实用剖面是由基本剖面修改得到。 1.坝顶宽度 一般取坝高的8%-10%，且不小于2m。其取值应考虑坝顶的一些使用要求。 2.坝顶高程 坝顶高程应高于校核洪水

39、位、防浪墙顶高程应高于波浪高程。 防浪墙顶在静水位之上超高： （波浪高度、波浪中心线高出静 水位高度、安全加高三部分构成）,防浪墙顶高程： （取较大值）,重力坝常用剖面形态： （1）上游坝面铅直 （2）上游坝面上部铅直、下部倾斜 （3）上游坝面略倾斜,重力坝剖面需要参考工程经验、根据坝体稳定性和应力分析结果、并考虑运用要求确定。,3.8 重力坝的极限状态设计法,3.8.1 重力坝剖面设计原则 “混凝土重力坝设计规范”（ DL5108-1999 ）规定，采用概率极限状态设计原则，用分项系数极限状态设计表达式进行重力坝结构计算(稳定性与强度计算)。 对“重力坝的极限状态设计法”全面了解，需查阅“混

40、凝土重力坝设计规范”（ DL5108-1999 ），本节介绍要点。,重力坝剖面设计原则 (1)各基本变量（包括各项荷载、材料力学指标等）均应作为随机变量。 (2)以现行规范计算方法为基础建立极限状态方程。 (3)应同时满足抗滑稳定和坝趾抗压强度承载能力极限状态，和坝踵应力约束条件的正常使用极限状态。,(4)重力坝工作状况分为：持久状况、短暂状况和偶然状况。 持久状况、短暂状况考虑承载能力和正常使用两种极限状态； 偶然状况只考虑承载能力极限状态。 （持久状况：正常运用期 短暂状况：施工期、检修期 偶然状况：校核洪水、地震情况）,3.8.2 极限状态设计表达式 重力坝承载能力极限状态包括： 坝体沿

41、坝基面和坝基深层滑动失稳临界状态； 坝趾压应力超过材料抗压强度而破坏的临界状态。 重力坝正常使用极限状态包括： 坝踵与坝体的拉应力不超过规定值。,1.承载能力极限状态设计式 （1）抗滑稳定极限状态作用效应函数： （2）坝趾抗压强度极限状态作用效应函数（计入扬压力）,作用效应函数根据坝址大主应力 的表达式建立。,（3）抗滑稳定极限状态抗力函数： （4）坝趾抗压强度极限状态抗力函数：,（混凝土抗压强度）,（基岩抗压强度）,2. 正常使用极限状态设计式 坝踵铅直正应力作用效应函数： 正常使用极限状态设计式：,（长期组合坝踵不出现铅直拉应力）,（短期组合容许下游 坝面出现不大于100kPa的拉应力）,

42、3.9.1 抗震计算 (结合 “2.4 水工建筑物的抗震分析” “3.2.1.10 地震作用”部分,学习要点) 重力坝抗震计算包括地震荷载组合情况的强度计算和稳定性计算。 重力坝抗震计算方法选择：动力法；拟静力法。 重力坝抗震计算一般只考虑顺河流方向的水平地震作用；设计烈度为8度、9度的1级、2级坝，应同时计人水平和竖向地震作用。 考虑的地震作用：地震惯性力，地震动水压力，地震动土压力。地震对扬压力、淤沙压力的影响，以及竖向地震的动水压力，一般可不考虑,3.9 重力坝的抗震设计,3.9.2 重力坝抗震措施 可采取6个方面的措施，具体见教材。,3.10 泄水重力坝,泄水建筑物是水利枢纽中不可缺少

43、的设施，重力坝可以兼作泄水建筑物。 重力坝坝身泄水方式有两种： 坝顶溢流（3.10.2）； 坝身泄水孔泄水（3.10.3）。,3.10.1 泄水重力坝设计要点 1. 泄水重力坝位置选择 较宽阔的河道：可以布置在主河槽。 较狭窄的河道：可以加大单宽泄流量、以缩短泄流段长度；还可以与电站厂房重叠布置（采用厂房顶溢流式、挑越厂房式、坝内厂房式等型式）。,三峡工程混凝土泄水重力坝,安康水电站泄水重力坝（布置在河床）,池潭水电站混凝土泄水重力坝,潘家口水库泄水重力坝,观音阁水库泄水重力坝,2.水利枢纽泄水方式的组合与流量分配 水利枢纽泄水方式有两类： 表面溢流式： 溢流重力坝；溢流拱坝；岸边溢洪道（在第

44、七章学习）。 表面溢流孔泄流能力大，是水利枢纽泄洪的主要设施。 深水泄流式： 坝身泄水孔；泄水隧洞（在第八章学习）。 深水泄流孔具有供水、排沙、放空水库等作用，在水利枢纽中不可缺少。,3. 溢流坝堰顶和泄水孔进口高程的确定 溢流坝堰顶高程 根据下泄流量要求、溢流坝段长度、对下游冲刷等多种因素确定。 泄水孔进口高程 根据所承担的任务、水库调度运用要求、闸门和启闭设备制造水平等因素确定。,3.10.2 溢流重力坝 3.10.2.1 溢流重力坝的工作特点 溢流重力坝泄洪应满足以下几方面的要求： (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

45、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，即闸门、启闭机等。,3.10.2.2 孔口设计 溢流坝孔口设计涉及的因素 洪水标准，下游防洪要求，水库水位壅高限制，是否利用洪水预报，枢纽泄水方式，枢纽地形、地质条件等。,1.洪水标准 水利枢纽的洪水标准，可参考“水利水电枢纽工程等级划分及设计标准”确定，见表3-11。,对土石坝，如失事后下游将造成特别重大灾害时，1级建筑物的校核洪水标准，应取可能最大洪水（PMF）或重现期1000

46、0年标准；24级建筑物的校核洪水标准，可提高一级。 对混凝土坝、浆砌石坝，如洪水漫顶将造成极严重的损失时，1级建筑物的校核洪水标准，经过专门论证并报主管部 门批准，可取可能最大洪水(PMF)或重现期10000年标准。,2.孔口型式 分为下面两种： （1）开敞溢流式 坝顶宜设置闸门，小型工程可不设。 （2）大孔口溢流式 堰顶高程较低、上部设置胸墙。,3. 孔口尺寸 （1）单宽流量的确定 溢流孔口下泄流量： （由调洪演算确定）,溢流孔口单宽流量：,单宽流量是个控制性指标。其取值影响溢流坝段总长度、堰顶高程、下游消能防冲设施布置等，需要通过经济技术比较确定。目前国内外单宽泄流量已超过300m3/s。

47、,（2）孔口尺寸 孔口宽度、孔口数量及溢流段总长度 设置闸门时溢流坝段要分为若干个孔口。 孔口数为： 溢流段总长度： 堰顶高程（孔口高度） 可根据水力学公式计算确定堰顶水头 。,确定孔口尺寸需要考虑的因素 (1)泄洪要求。对于大型工程，应通过水工模型试验检验泄流能力。 (2)枢纽布置。宣泄同一流量，孔口高度越大，单宽流量越大，溢流段越短。孔口宽度越小，孔数越多，闸墩数也越多，溢流段总长度也相应加大。孔口宽度愈大，启门力也愈大，工作桥跨度也相应加大。孔口宽高比的确定还要考虑闸门结构合理、操作方便等因素。 (3)下游水流条件。单宽流量愈大，下游消能问题就愈突出。为了控制下游河床水流流态，闸门要对称

48、均衡开启，孔口数目最好采用奇数。,当校核洪水和设计洪水相差较大时，应考虑设置非常泄洪设施，例如当地形地质条件适宜时，可以设置岸边非常溢 洪道。,4.闸门和启闭机 溢流孔口一般设置闸门和启闭机。 闸门按作用分为：检修闸门、工作闸门、事故闸门。 闸门按构造分为：平面闸门、弧形闸门等。 启闭机：活动式、固定式。 5. 闸墩和工作桥 闸墩：分隔闸孔、支承上部结构等。 工作桥：用于支承启闭设备、操作闸门启闭。 交通桥：用于坝顶交通。 检修桥：用于闸孔、闸门检修。 边墩（边墙、导墙）：除了闸墩作用，分隔溢流段与非溢流段。,6. 横缝的布置 溢流段横缝布置方式有下面两种： （1）横缝设在闸墩中间 （2）横缝

49、设在溢流孔跨中,3.10.2.3 泄水重力坝设计中有关高速水流的几个问题 高速水流特有的一些物理现象： 空蚀、掺气、压力脉动、冲击波。 一般认为流速 ( )即为高速水流，有时流速低于此值也会出现这些现象。,1. 空化和空蚀 空化 在自然条件下,水体中含有许多很小的气核，当过坝水流中某点的压强降至饱和蒸汽压强时，气核迅速膨胀为小空泡，这种现象称为空化。(与液体处于动态平衡的蒸汽叫饱和 蒸汽，在一定温度下饱和蒸汽的压强是一定的。) 空蚀 当低压区的空化水流流经下游高压区时，空泡遭受压缩而溃灭，由于溃灭时间极为短暂(一般只有千分之几秒)，会产生一个很高的局部冲击力(可达几千个大气压)。若空泡溃灭发生

50、在靠近过水坝面，局部冲击力大于材料的内聚力时，可使坝面遭到破坏，这种现象称为空蚀。,泄水建筑物常见的空蚀破坏部位 溢流坝面、辅助消能工附近、闸门槽附近、泄水洞进口顶面等。 见图3-52。 防空蚀措施 控制溢流面的不平整度，设计合理的溢流坝面体形，设置掺气减蚀装置，采用抗空蚀性能好的材料、合理的运行方式等。,2. 掺气 掺气 由重力坝下泄的水流，当流速较高时空气将被带入水体，产生掺气现象。 高速水流掺气对工程的影响 可减免空蚀破坏、有利于消能（有利影响）；水深加大导致边墙或泄水洞高度增大、形成雾化区（不利影响）。,3. 水流脉动 泄水建筑物高速水流的流速和压力 存在脉动。 水流脉动对水工建筑物的

51、主要影响： (1)增大作用在建筑物上的瞬时荷载。 (2)脉动压力变化有一定的周期性。可能引起建筑物振动,甚至共振。 (3)增加空蚀破坏的可能。,4.冲击波 冲击波对溢流面流态有影响(造成水深分布不均匀)，将在岸边溢洪道泄槽部分介绍。,3.10.2.4 溢流面体形设计 溢流面通常由三部分组成： 顶部曲线段、中间直线段、下部反弧段。,1. 顶部曲线段 顶部曲线常用型式： 克奥曲线 WES曲线 孔口射流曲线（孔口泄流情况）,2.反弧段 常采用圆弧曲线。 圆弧半径结合下游消能设施确定、有经验公式供参考。 3.中间直线段 与顶部曲线和下部反弧段相切、坡度与非溢流坝段下游坡相同。,4.剖面设计 溢流重力坝

52、剖面要与非溢流段剖面相协调适应。 当溢流面曲线剖面小于基本三角形剖面时，可调整堰顶曲线使其与三角形斜边相切下图（a）所示。 当溢流面曲线剖面大于基本三角形剖面时，为了节约工程量而又不影响泄流能力，可使堰顶向上游突出下图（b）所示。,3.10.2.5 消能防冲设计 1. 消能工的设计原则及型式 消能设施的作用与意义 溢流坝下泄的水流具有很大的动能，必须采取消能防冲措施，否则有可能导致下游河床严重冲刷，甚至造成岸坡坍塌和大坝失事。,消能工的设计原则 尽量使下泄水流的大部分动能消耗在水流内部的紊动中，以及水流和空气的摩擦。 不产生危及坝体安全的河床或岸坡局部冲刷。 下泄水流平稳，不影响枢纽中其他建筑

53、物的正常运行。 结构简单，工作可靠。 工程量小。 常用的消能工型式 底流消能；挑流消能；面流消能；消力戽消能。,2. 底流消能 （1）底流消能的特点及措施 底流消能是通过水跃消能。在河床上设置消力池，使水跃发生在消力池中。,形成消力池的措施 在护坦末端设置消力坎，形成消力池； 降低护坦高程，形成消力池； 既降低护坦又设置消力坎，形成综合消力池。 消力池构造要点 横剖面可为矩形或梯形； 平面上可取等宽、扩散或收缩的型式； 可设置斜坡段； 可设置辅助消能工。,（2）护坦（消力池底板）构造 护坦长度（根据水跃长度计算确定） 护坦厚度（应满足抗浮稳定要求，可按近似公式核算，必要时设置锚筋） 护坦分缝（

54、设置温度伸缩缝） 排水系统（为降低护坦下部扬压力，宜设置排水系统） 缝间止水（为防止脉动压力引起护坦块体失稳破坏，宜设置缝间止水） 护坦末端设齿坎或齿墙,3. 挑流消能 （1）挑流消能的特点与设计 挑流消能是利用挑流鼻坎，将下泄水流挑射到空中，再落入较远处的下游河床，与下游水流衔接的消能方式。 冲刷坑,挑流消能设计内容包括： 选择鼻坎型式 确定鼻坎高程 确定反弧半径 确定挑角 计算挑距和下游冲刷坑深度，并分析冲刷坑对坝体稳定性、岸坡稳定性的影响。 （以上几个方面可根据工程经验和近似公式确定）,（2）挑坎体形（见教材了解） 随着消能技术的发展，出现了多种多样的挑坎体型： 1）扩散坎; 2）连续坎

55、; 3）差动坎; 4）斜挑坎; 5）扭曲坎; 6）高低坎; 7）狭缝坎; 8）分流墩。,4. 面流消能与消力戽 （1）面流消能 利用鼻坎将主流挑至水面，在主流下面形成反向漩滚，使主流与河床隔开。,（2）消力戽消能 消力戽的鼻坎潜没在水下，形不成自由水舌，水流在戽内漩滚，经鼻坎将高速主流挑至表面。,消力戽设计的主要内容： 确定反弧半径、戽坎高度和挑射角等数据。,5. 其他新型消能工 具体见教材 （1）宽尾墩 （2）台阶式溢流坝面 （3）T形墩 6. 多种消能工联合消能 具体见教材 （1）多种泄水建筑物联合 （2）不同型式消能工联合,7. 下游折冲水流及防止措施 在水利枢纽中，溢流坝段往往只占河床

56、的一部分。泄水时，特别是当只开启部分孔口泄水时，有可能下泄水流不能迅速在平面上扩散，形成折冲水流。折冲水流左冲右撞，冲刷河岸，也加剧水面波动影响航运。 改善下游流态措施： 在枢纽布置上,尽量使溢流坝的下泄水流与原河床主流的位置和方向一致； 规定闸门操作程序，使各孔闸门同时均匀开启，或对称开启； 布置导流墙，将溢流段与电站隔开，并引导主流充分扩散； 进行水工模型试验，研究下游流态及改善措施。,3.10.3 坝身泄水孔 3.10.3.1 坝身泄水孔的作用及工作条件 坝身泄水孔的作用 (1) 宣泄部分洪水； (2) 预泄水，增大水库调蓄能力； (3) 放空水库，以便检修； (4) 排放泥沙，减少水库

57、淤积； (5) 向下游放水，满足航运、灌溉等需求； (6) 施工导流。 深部泄水孔是水利枢纽不可缺少和溢流坝不能代替的。,中孔,底孔,坝身泄水孔示意图,坝身泄水孔工作条件 水流流速高，容易产生负压、空蚀和振动；闸门承受的水压力大，启闭难度大；门体结构复杂、造价高。 坝身泄水孔一般布置在非溢流坝段。,3.10.3.2 坝身泄水孔的型式及布置 坝身泄水孔分类： 按水流条件：有压泄水孔和无压泄水孔。 按所在高程：中孔和低孔。 按布置层数：单层和多层。,有压泄水孔工程例图,无压泄水孔工程例图,1. 有压泄水孔 工作闸门在出口，泄水时孔内为有压流。 2. 无压泄水孔 工作闸门在进口，泄水时闸门之后孔内为

58、无压流。 3. 双层泄水孔 为了不使泄水孔断面积过大，而布置成双层。,3.10.3.3 进口曲线 具体见教材 顶部和两侧壁曲线可采用1/4椭圆； 底部边界线可采用圆弧。 3.10.3.4 闸门和闸门槽 具体见教材 常用平面闸门和弧形闸门。 3.10.3.5 孔身 具体见教材 有压泄水孔采用矩形断面或圆形断面。 无压泄水孔通常采用矩形断面。,泄水孔（泄水隧洞）矩形断面与圆形断面比较： 1.水流条件：流速较低时，两种断面都可采用。水流流速较高时，圆形断面水流条件较好，因此有压泄水孔可采用圆形断面。 2.受力条件：在外部荷载和内水压力作用下，洞周应力分布情况，两种断面可能差别不大，一般圆形断面更好一

59、些。 3.施工条件：矩形断面施工方便。,3.10.3.6 渐变段 具体见教材 渐变段：矩形进口（或出口）与圆形洞身的过渡段或不同尺寸 断面之间的过渡段。,3.10.3.7 竖向连接 具体见教材 泄水孔沿轴线在变坡处需要用竖曲线（圆弧曲线或抛物线等）连接。 3.10.3.8 平压管和通气孔 具体见教材 平压管：向两道闸门之间充水、以便检修闸门在静水中开启。 通气孔：泄水时向工作闸门后面孔内补气，两道闸门之间充水时排气（见前图3-71和3-72） 。,3.10.3.9 泄水孔的应力分析 具体见教材 可以采用有限元法或结构模型试验进行分析。也可用简化近似方法。,3.11 重力坝的地基处理,地基处理的主要任务： （1）防渗 （2）提高地基的强度和整