《水工建筑物》第二章重力坝.ppt

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1、第二章 重力坝第二章 重力坝第一节 概 述第二节 重力坝上的作用及作用效应组合第三节 重力坝的可靠度设计原理简介第四节 重力坝的稳定分析第五节 重力坝断面设计第一节 概 述一、对坝的认识二、重力坝的主要内容三、重力坝的工作原理四重力坝的特点五重力坝的分类一、对坝的认识第一节 概 述1-非溢流重力坝；2-溢流重力坝；3-横缝；4-导墙；5-闸门；6-坝内排水管；7-检修、排水廊道；8-基础灌浆廊道；9-防渗帷幕；10-坝基排水孔重力坝的剖面重力坝的剖面详图详图三峡水利枢纽溢流重力坝三峡泄洪闸泄洪尼尔基水利枢纽中的重力坝三峡坝水利枢纽总布置图（尺寸单位：三峡坝水利枢纽总布置图（尺寸单位：m m(上

2、）平面布置上）平面布置 （下）上游立视图（下）上游立视图 用混凝土或浆砌石筑成，坝轴线一般为直线，并有垂直于坝轴线方向的横缝将坝体分成若干段.一、对坝的认识一、对坝的认识三峡坝水利枢纽总布置图（尺寸单位：三峡坝水利枢纽总布置图（尺寸单位：m m(左）厂房坝段剖面图左）厂房坝段剖面图 右）溢流坝段剖面图右）溢流坝段剖面图1、确定水利枢纽工程和水工建筑物的等级、洪水标准。2、剖面尺寸拟定3、溢流坝剖面的设计4、重力坝的应力校核计算5、重力坝的稳定校核计算6、大坝的构造（分缝、止水、廊道系统）7、坝基处理（坝基处理的技术）二、重力坝的主要内容定义：是用混凝土或浆砌石筑的大体积挡水建筑物.工作原理:在

3、水压力及其他荷载作用下,依靠坝体自重在坝面产生的抗滑力来抵抗水平水压力产生的滑动力以达到稳定要求;利用坝体自重在水平截面上产生的压应力来抵消由于水压力所引起的拉应力以满足强度要求.1、重力坝的基本剖面：做成上游面接近铅直的呈三角形断面，或稍倾向上游的三角形断面。2、受力简图可以视作倒置的悬臂梁三、重力坝的工作原理1、重力坝结构简单、体积大，有利于机械化施工。而且由于断面尺寸较大，材料强度高耐久性能好，抵抗水的渗漏，洪水漫顶，地震或战争破坏的能力都比较强，安全可靠。因而失事率较低。2、对地形、地质条件适应性强，坝体作用于地基面上的压应力不高，所以对地质条件的要求也较低，低坝甚至可修建在土基上。3

4、、枢纽泄洪、导流问题容易解决。由于筑坝材料的抗冲能力强，施工期可以利用较低坝块或预留底孔导流，坝体可以做成溢流式，也可以在坝内不同高程设置排水孔，一般不设溢洪道或泄洪洞，易于解决永久性泄洪及施工导流，便于机械化施工。4、传力系统明确，便于分析与设计，运行期间的维护及检修工作量较少。但需采用防渗排水设施及温控措施。四、重力坝的特点优点：优点：1、剖面尺寸大，水泥石料等用量多。2、坝体应力较低，材料强度能充分发挥。3、坝底扬压力较大，对稳定不利。重力坝坝体与地基的接触面积大，相应的坝底扬压力也大，它会减轻坝体的有效重量，对坝体的稳定不利，因此要采取有效防渗排水措施，减小扬压力，节省工程量。4、水泥

5、水化热较大，可能导致坝体裂缝。砼体积大，水泥用量大，在施工期，水泥水化热引起的温度也很大，并将引起坝体内温度和收缩应力，可能引起坝体产生裂缝，所以要采取温控措施。四、重力坝的特点缺点：缺点：1、按坝的高度分类:坝高低于30m的为低坝，高于70m的为高坝，介于30m70m之间的为中坝。坝高是指坝基最低面（不含局部有深槽或井、洞部位）至坝顶路面的高度。2、按泄水条件分类:有溢流重力坝和非溢流重力坝。溢流坝段和坝内设有泄水孔的坝段统称为泄水坝段，非溢流坝段也叫挡水坝段。3、按筑坝材料分类:有混凝土重力坝和浆砌石重力坝。4、按坝体结构型式分类:实体重力坝宽缝重力坝；空腹（腹孔）重力坝；预应力锚固重力坝

6、；装配式重力坝；支墩坝（大头坝、连拱坝、平板坝）。5、按施工方法分类:有浇筑混凝土重力坝和碾压混凝土重力坝。碾压混凝土重力坝剖面与实体重力坝剖面类似。五、重力坝的分类第二节 重力坝上的作用及作用效应组合作用自重静水压力动水压力扬压力泥沙压力浪压力冰压力地震力重力坝荷载组合作用：指外界环境对水工建筑物的影响。、按时间的变异分永久作用、可变作用、偶然作用。、按建筑物对外界作用的效应的原因分：直接作用和间接作用。所谓直接作用是指直接施加在结构上的分布力或集中力，亦可称“荷载”；间接作用则指因外部环境（改变）的原因使结构产生附加变形或约束变形，如温度地震作用等。结构上的各种作用，按其随时间的变异分三种

7、：（1）永久作用：是指在设计基准期内，其量值不随时间变化或其变化与平均值相比可忽略不计的作用。包括：结构自重；土压力淤沙压力；围岩压力预应力等。第二节 重力坝上的作用及作用效应组合（2）可变作用：指在设计基准期内量值随时间变化，且变化与平均值相比不可忽略的作用；包括:静水压力、扬压力、动水压力、浪压力、外水压力、风雪荷载、冰压力、温度作用、灌浆压力等。（3）偶然作用：指在设计基准期内出现概率很小，一旦出现量值很大且持续时间很短的作用，包括：地震作用、校核洪水位时的静水压力等。采用分项系数设计方法时，设计表达式中作用变量所采用的值，称为设计代表值。对永久作用和可变作用的代表值应采用作用的标准值，

8、偶然作用的代表值按有关规范确定。第二节 重力坝上的作用及作用效应组合作用于重力坝的主要荷载有：自重；静水压力；扬压力；动水压力；冰压力；泥沙压力；浪压力；地震力；温度及其他荷载。第二节 重力坝上的作用及作用效应组合 建筑物的结构自重标准值,可按结构设计及材料重度计算确定，初步设计时可取砼重度为 ；施工详图阶段由现场砼试验决定；当计算深层滑动时，还应考虑岩体的自重计算自重时，坝上永久性的固定设备，如闸门、固定式启闭机的重量也应计算在内，坝内较大的孔洞应该扣除。坝体自重的作用分项系数为1.0。永久设备自重的作用分项系数，当其作用效应对结构不利时采用1.05，有利时采用0.95。一、自重作用在坝面上

9、的静水压力可按静水力学原理计算，分为水平及垂直力分别进行计算。水平力：P1=(1/2)rH12 P=(1/2)rH22 垂直力：W=rA1 W=(1/2)rmH22 二、静水压力在溢流面上作用有动水压力，坝顶曲线和下游面直线段上的动水压力很小，可忽略不计。只计算反弧段上的动水压力。计算时假定水流为匀速流，流速为V，如果忽略水重W，侧面水压力p1和p2，则可以直接由动量方程求出作用于整个反弧上的水压力水平分量和垂直分量。三、动水压力式中：式中：q q 相应反弧段上的单宽流量相应反弧段上的单宽流量(m(m3 3/s.m)/s.m)；r r水的密度；水的密度；v v 反弧段最低处的断面平均流速反弧段

10、最低处的断面平均流速(m/s)(m/s)；1、坝底扬压力形成原因：上下游水位差；砼、岩石都是透水材料。由于基岩节理裂隙很不规则，难以求出坝底扬压力的准确分布，故通常加定扬压力从坝踵到坝趾成直线变化。为扬压力折减系数与岩体的性质和构造，帷幕深度和厚度，灌浆的质量，排水孔的直径、间距、深度等有关。规范规定：河床坝段=0.20.3;岸坡坝段=0.30.4 2、坝身扬压力坝身排水管折减系数坝身排水管折减系数3 3=0.15=0.150.3 0.3 四、扬压力 坝身扬压力图3、坝底扬压力图：水库蓄水后，入库水流挟带泥沙，逐年淤积在坝前，对坝面产生泥沙压力。淤积高程，根据河流的挟沙量和规定的淤积年限进行估

11、算，年限可取50-100年。按土力学公式计算，参照一般经验取数据五、泥沙压力 水面在风作用下，形成波浪产生压力，称浪压力。1.波浪要素平均波高(hm)，平均坡长（Lm），平均波周期（Tm）；其值大小与水面尺寸、形状、风力、库区的地形等有关。当坝（闸）迎水面垂直时，反射作用形成驻波，其波高 为2 hm，波长不变。六、浪压力 波浪几何要素图波浪几何要素图2波浪要素计算1）对滨海地区、平原水库等用莆田公式 当 当2）对内陆峡谷水库，宜按官厅公式计算：式中：当 =20-250时，为频率5%的波高h5%。式中：当 =250-1000时，为频率10%波高h10%。波浪受风速等影响，波浪参数并非定值。不同波

12、高所对应的超值累积频率为P%的数值不同。在I、II、III级建筑物的设计中，宜用合适的超值累积频率为P%的波高hp计算波浪压力。累积频率波高hp与平均波高hm的关系可按表2-1进行换算。表表2-1 2-1 累积频率波高累积频率波高hphp与平均波高与平均波高HmHm的比值的比值对计算风速，指水面以上10m高处10min多年最大平均风速，当测点在水面上Zm处，应乘以高度修正系数KZ（见表2-2）高度高度(m(m）25101520修正系数修正系数1.251.101.00.960.90 水库为正常和设计洪水位时，宜采用相应洪水期多年平均最大风速或采用重现期为50年一遇的年最大风速的1.52.0倍；校

13、核洪水位时，宜采用相应洪水期最大风速的多年平均值。表表2-2 2-2 风速高度修正系数风速高度修正系数3.波浪压力计算求出hm、hp、Lm等，并根据坝闸前水深，计算作用在坝闸上的波浪压力。1）当水深H HcrH Lm/2时,浪压力为：其中：其中：坝的迎水面倾斜，波浪的反射作用将减弱，当45时与铅直面情况相近作用在铅直迎水面上的风浪压力计算示意图作用在铅直迎水面上的风浪压力计算示意图 ：2）当水深H HcrHLm/2时,浪压力为：建筑物底部浪压力剩余强度：3）当水深HHcr时，浪压力为：水面处的浪压力强度p0：底坡影响系数Ki，按表2-3采用底坡底坡 1/101/201/301/401/501/

14、601/801/100系数系数1.891.611.481.411.361.331.291.25表表2-31、静冰压力：在气候严寒地区，冬季水库表面结成冰盖，但当气温回升时，冰盖膨胀对边界产生的挤压力称静冰压力2、动冰压力：当冰盖解冻后，冰块随水流漂移，流冰撞击坝面等建筑物上产生的撞击力，称动冰压力七、冰压力 1、地震作用概念：在地震区建坝，必须考虑地震的影响。地震时，地震力施加于结构上的动态作用。重力坝抗震计算应考虑的地震作用为：应包括建筑物自重及其上部永久设备自重所产生的地震惯性力；地震作用于库内水介质后而产生的地震动水压力以及地震动土压力。一般情况下，进行抗震计算时的上游水位可采用正常蓄水

15、位。地震对建筑物的影响程度，常用地震烈度表示。地震烈度分为12度。烈度越大，对建筑物的破坏越大，抗震设计要求越高。2、在考虑地震作用时，常用到地震的基本烈度和设计烈度。基本烈度是指建筑物所在地区在50年期限内，一般场地条件下，可能遭遇超越概率P50为0.10的地震烈度。设计烈度：抗震设计时实际采用的地震烈度。八、地震作用力 3、一般情况采用基本烈度作为设计烈度；对于级挡水建筑物，应根据其重要性和遭受震害后的危险性，可在基本烈度的基础上提高一度。对于设计烈度为6度及其以下的地区不考虑地震荷载；设计烈度在79度（含7度和9度）时，应考虑地震荷载；设计烈度在9度以上时，应进行专门研究。对设计烈度为6

16、度以上超过200m的高坝和设计烈度7度以上，超过150m的大（1）型工程，其抗震设防依据应根据专门的地震危险性分析成果评定。校核烈度应比设计烈度高1/2或1度，也可以用该地区最大可能烈度进行校核，此时允许局部破坏但不危及整体安全。1、基本荷载：（1）坝体及设备自重（2）正常蓄水位或设计洪水位时的静水压力（3）对应于（2）的扬压力（4）泥沙压力（5）相应的浪压力（6）冰压力（7）土压力（8）相应于防洪高水位时的动水压力。九、重力坝的荷载组合2、特殊荷载（偶然作用频率低，作用时间短）（8）相应于校核洪水位时的上、下游静水压力（9）其他出现机会较多的荷载（10）相应校核洪水位的扬压力（11）相应校核

17、洪水位的浪压力（12）相应校核洪水位的动水压力（13）地震作用（14）其他出现机会较少的荷载 水工结构设计的目是保证结构设计满足安全性、适用性、耐久性的要求，而结构的安全性、适用性、耐久性则构成了结构的可靠性，也称为结构的基本功能要求。第三节 重力坝的可靠度设计原理简介分项系数承载能力极限状态的基本组合设计表达式承载能力极限状态的偶然组合设计表达式正常使用极限状态设计表达式：短期效应组合长期效应组合式中：S（）作用效应函数 R（）结构抗力函数；第四节 重力坝的稳定分析一、重力坝滑动失稳模式二、重力坝的抗滑稳定计算三、提高坝体抗滑稳定性的工程措施重力坝主要依靠自身重力维持稳定。因此抗滑稳定分析是

18、设计中的重要课题。重力坝可能沿坝基平面滑动，也可能沿地基中缓倾角断层或软弱夹层滑动。按照目前的设计方法，高度H小于100m的重力坝，控制剖面尺寸常常是稳定而不是应力。目前的计算公式大都是半径验性的，因为影响因素很多。一、重力坝滑动失稳模式表面滑动 浅层滑动 深层滑动 我国修建了大中型重力坝100余座，其中有1/3存在深层滑动问题。一、重力坝滑动失稳模式(一)坝基面抗滑稳定极限状态 重力坝依靠自重等作用在坝体与基岩胶结面上产生的摩擦力与粘聚力来维持滑移稳定,当水平力足够大时,摩擦力与粘聚力就达到其抗剪断强度,此时,该平衡将达到极限状态.重力坝的施工是分层浇筑，水平施工缝也是抗滑(抗剪断)相对薄弱

19、面.因此，重力坝设计中也要对层面进行抗滑稳定计算.(二)坝体层面的抗滑稳定极限状态(三)坝基深层抗滑稳定极限状态 在很多情况下，重力坝的最危险滑动面往往不在坝身与地基的接触面，而是在地基内部。因为基岩内经常有各种形式的软弱面存在,坝体将带动一部分基岩沿这些软弱面滑动,即所谓的深层滑动.1、分项系数法介绍是在分项系数极限状态设计式中。考虑结构安全级别、设计状况、作用(荷载)和材料性能的变异性以及计算模式不定性与目标可靠指标相联系的系数。分项系数的设置应能保证各种水工结构设计的计算可靠指标尽可能地逼近目标可靠指标且误差绝对值的加权平均值也为最小。二、重力坝的抗滑稳定计算2、分项系数法基本公式 新发

20、布的电力行业标准DL5108-1999混凝土重力坝设计规范于2000年7月起开始实施，它是按国家标准GB50199-94水利水电工程结构可靠度设计统一标准规定的原则进行全面编制修订的。与原设计规范相比，用概率极限状态设计法代替了定值设计法，用分项系数极限状态表达式代替单一安全系数表达式。即以结构重要性系数、设计状况系数、作用分项系数、材料性能分项系数和结构系数来代替设计的安全系数。2、分项系数法基本式规范DL5108-1999规定对承载能力验算表达式为G G 永久作用分项系数；G G 结构重要性系数;Q Q 可变作用分项系数；设计状况系数;G GK K 永久作用标准值；Q QK K 可变作用标

21、准值；K K 几何参数标准值；f fK K 材料性能标准值；m m 材料性能分项系数；d1d1 基本组合结构系数。核算坝基面抗滑稳定极限状态时，应按材料的标准值和荷载的标准值或代表值分别计算基本组合和偶然组合两种情况。S()为作用效应函数，此处取S()PR 为作用于滑动面之上的全部切向（包括滑动面之上的岩体）作用之和；R()为抗力函数，此处取R()fRWR cos+cR AR（WR滑动面上全部法向作用之和,fR坝基面抗剪断摩擦系数，cR坝基面抗剪断黏聚力）；3、分项系数法具体计算 倾向上游滑动面计算式：（一）坝基面抗滑稳定水平滑动面计算式:（三）深层抗滑稳定分析（二）坝体混凝土层面抗滑稳定计算

22、 深层滑动：地基内往往存在着软弱夹层或缓倾角断层，坝体档水后，有可能沿这些薄弱面产生滑动，就叫做深层滑动计算时选择几个比较危险的滑动面进行试算，然后做出比较分析判断。目前尚无成熟的方法：（1）单斜面深层滑动的计算（2）双斜面深层滑动（三）深层抗滑稳定分析 除了增加坝体自重外，提高坝体抗滑稳定的工程措施，主要围绕着增加阻滑力、减少滑动力的原则，通过多方案技术经济比较，确定最佳方案组合。常采用以下工程措施。（1）利用水重（2）将坝基开挖成倾向上游的斜面（3）在坝踵下设齿墙（4）抽水措施（5）加固地基（6）利用预应力（7）其它措施三、提高坝体抗滑稳定性的工程措施 当坝底面与基岩间的抗剪强度参数较小时

23、，常将上游坝面做成倾向上游的斜面，利用坝面上的水重来提高坝体的抗滑稳定性。但应注意，上游坝面的坡度不宜过缓，否则，在上游坝面容易产生拉应力，对坝体强度不利。1.利用水重2.采用有利的开挖轮廓线 开挖坝基时，最好利用岩面的自然坡度，使坝基面倾向上游。有时，有意将坝踵高程降低，使坝基面倾向上游，但这种做法将加大上游水压力，增加开挖量和混凝土浇筑量，故很少采用。当坝基比较坚固时，可以开挖成锯齿状，形成局部的倾向上游的斜面，这种方法已广泛采用。坝基开挖轮廓 当基岩内有倾向下游的软弱面时，可在坝踵部位设齿墙，切断较浅的软弱面加大了滑动体重量，又增加了滑动面的面积，同时也增大了抗滑体抗力。3.设置齿墙 当

24、下游水位较高，坝体承受的浮托力较大时，可考虑在坝基面上设置排水系统，定时抽水以减少坝底浮托力。如：我国的龚嘴工程，下游水深达30m，采取抽水措施后，浮托力只按10m水深计算，节省了坝体混凝土浇筑量。4.抽水措施帷幕灌浆、固结灌浆以及断层、软弱夹层的处理等。5.加固地基：在靠近坝体上游面，采用深孔锚固高强度钢索，并施加预应力，既可增加坝体的抗滑稳定，又可消除坝踵处的拉应力，国外有些支墩坝，在坝趾处采用施加预应力的措施，改变合力R的方向，使PV /PH增大，从而提高了坝体的抗滑稳定性。6.预加应力措施7.横缝灌浆：将部分坝段或整个坝体的横缝进行局部或全部灌浆，以增强坝的整体性和稳定性。8.防渗排水

25、 在坝基内布置防渗排水幕、保证排水畅通，降低扬压力，有利于稳定。9.空腹抛石如果是空腹重力坝或宽缝重力坝，可在空腔内填块石，提高坝体稳定性。其它措施第五节 重力坝断面设计一、设计原则二、基本剖面三、实用剖面四、实用断面的优化设计1、满足稳定和强度要求2、工程量少、外形轮廓3、便于施工4、运用方便 重力坝的基本断面一般是指在水压力(水位与坝顶齐平)、自重和扬压力等主要荷载作用下，满足稳定、强度要求的最小三角形断面。第五节 重力坝断面设计一、设计原则 因为作用于上游面的水压力呈三角形分布,所以重力坝面是三角形。当a90时，即上游面为倒坡。库空时，三角形重心可能超过底边三分点在下游面产生拉应力，而且

26、倒坡不便施工。当a90a900 0a90a900 0a=90a=900 0(a)(a)(b)(b)(c)(c)不同a a角的坝体断面基本剖面设计规律：1）施工运用方便多做成a=900 2）f较低时，为满足稳定，减小a角，利用水重 3）工程经验m=0.60.8（下游坡）n=00.2（上游坡）一般情况,坝体与坝基接触面之间摩擦系数及粘结强度越大、渗压折减系数越大，基本剖面底宽就越小，断面主要由强度条件控制。反之，摩擦系数和粘结强度越小，渗压折减系数越小，坝底宽度就越大，且主要由抗滑稳定条件控制。(一）坝顶宽度 根据运用和交通要求确定，坝顶应有足够的宽度，无特殊要求，坝顶宽度=8-10%坝高，但不得

27、小于2米，如有运用和交通要求，应满足这些要求。(二)坝顶高程 由于三角形基本断面的顶点与上游最高水位齐平,因此,实用断面必须要有安全超高h计算：坝顶高程=正常蓄水位+h正 坝顶高程=校核洪水位+h校坝顶高程或防浪墙顶高程，按设计洪水位、校核洪水位两种情况分别计算，并选用较大值。防浪墙高度一般为1.2m三、实用剖面常用的实用断面形式有下图几种:(1)上游面铅直的坝面,该形式适用于坝基抗剪断参数较大,由强度条件控制坝体断面的情况,该断面形式便于坝内布设泄水孔或泄水管道的闸门和拦污设备.(2)上游面向上游倾斜的坝面,它适用于混凝土与基岩之间抗剪断参数小的情况.工程设计的基本任务就是寻找安全、适用而经济的设计方案。水工建筑的的优化设计主要是指选择结构的体形、尺寸和材料时，如何从所有安全、适用和技术上可行的方案中寻求一个经济上最合理的方案。而该方案只有通过计算机和适当的计算程序才能实现。对于重力坝而言，就是在满足现行设计规范要求和通用设计准则的前提下求出其造价最低工混凝土方量最小的断面，即最优断面。对中、低重力坝可以采用工程类比法，参照类似的已建工程，拟定坝体剖面尺寸，然后对坝体控制截面进行强度和稳定验算，并根据计算结果进行调整，直到满足设计要求为止.四、实用断面的优化设计：