水工建筑物3

第三章岩基上的重力坝第一节概述一、重力坝的工作原理及特点重力坝的工作原理:主要依靠坝体自身重量在滑动面上产生的抗滑力来抵消坝前水压力以满足稳定的要求；同时也依靠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的要求。重力坝的工作特点:优点和缺点重力坝的类型按坝的高度分类为：高坝、中坝、低坝三类。按筑坝材料分类可分为：混凝土重力坝和浆砌石重力坝。按坝体的结构型式分类可分为：实体重力坝、宽缝重力坝、空腹重力坝。重力坝的设计内容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6、溢流重力坝和泄水孔的孔口设计7、监测设计第二节重力坝的作用及其组合作用（荷载）包括：坝体自重、水压力、扬压力、浪压力、冰压力、土压力、泥沙压力、地震荷载等。3.75122.1512)VgD(0.331VV)g(2lL3121212)VgD(0.0067VV)g(2lhho式中2hL—当=20∽250时，为累积频率5%的波高；当=250∽1000时，为累计频率10%的波高。在计算浪压力时，规范规定采用累计频率为1%时的波高，对应于5%的波高，应乘以1.24；对应于10%的波高，应乘以1.41。2LL—平均波长m。—计算风速，m/s。设计情况采用校核50年一遇最大风速，校核情况采用多年平均风速。D——吹程，m。可取坝前沿水库到对岸水面的最大直线距离，当水库水面特别狭长时，以5倍平均水面宽为限。2vgD2vgDv吹程D波浪中心至静水位的高差lllLLh120Hπcth2π4h式中：H1——坝前水库水深，m;cth——双曲线余切；当H1Ll时，上式可简化为：1.0Hπ4cth1lLl200.61h2π4hllLh作用效应（荷载）组合荷载按其随时间的变异性可分为永久作用、可变作用和偶然作用；按其作用状况又可分为持久状况、短暂状况和偶然状况。设计状况荷载组合持久状况基本组合短暂状况基本组合偶然状况偶然组合稳定分析方法单一安全系数法和分项系数极限状态法重力坝的稳定分析稳定分析是重力坝设计中的一项重要内容，其目的是核算坝体沿坝基面或沿地基深层软弱结构面抗滑稳定的安全性能。1.单一安全系数法K=阻滑力滑动力=f(∑w-u)∑pK=阻滑力阻滑力=f(∑w-u)∑p+c′A2.分项系数极限状态法作用函数≤抗力函数分项系数极限状态法重力坝按承载能力极限状态设计时，考虑以以下两种作用效用组合：（1）基本组合——持久状况（或短暂状况下），永久作用与可变作用组合。（2）偶然组合——偶然状况下，永久作用、可变作用与一种偶然作用的效应组合。对基本组合，采用以下极限状态设计表达式：),(1),,(10KmkdKKQKGarfRraQrGrSrRPS)(RRRRAcWfR,,)()(1)(0RrSrd对基本组合，采用以下极限状态设计表达式：作用函数抗力函数式中：γ0——结构重要性系数；ψ——设计状况系数；S（·）——作用效应函数；R（·）——结构及构件抗力函数；γG——永久作用分项系数；γQ——可变作用分项系数；Gk——永久作用标准值；Qk——可变作用标准值；αk——几何参数的标准值；fk——材料性能标准值；γm——材料性能分项系数；γd——基本组合结构系数。对基本组合，采用以下极限状态设计表达式：作用函数抗力函数),γfR(γ1),A,Qγ,GγS(ψγmkdkkQkG0kkaa式中：Ak——偶然作用的代表值；γd——偶然组合结构系数；结构重要性系数γ0是用来考虑水利水电工程结构或构件的重要性和失事后果。计算作用效应函数S（·）时，作用取设计值，是考虑作用（荷载）对标准值的不利变异。设计值等于标准值乘以分项系数γG即Qd=Qk·γG提高坝体抗滑稳定性的工程措施(1)利用水重(4)抽水措施(2)将坝基面开挖成(5)加固地基倾向上游的斜面(6)横缝灌浆(3)设置齿墙(7)预应力锚固措施重力坝的应力分析1.重力坝应力分析的目的与方法应力分析的目的：为了检验大坝在施工期和运用期是否满足强度要求；并根据应力分布情况进行坝体混凝土标号分区；也为研究坝体某些部位的应力集中和配筋等提供依据。应力分析的方法：1、模型试验法2、材料力学法3、弹性理论的解析法4、弹性理论的有限元法材料力学法符号规定2yuBM6BWσ因为假定按直线分布，所以可按偏心受压公式计算上、下游边缘应力σyu和σyd。式中：∑W——作用于计算截面以上全部荷载的铅直分力的总和，kN（包括坝体自重、水重、淤沙重及计算的扬压力等），以向下为正，对于实体重力坝，均切取单位宽度坝体为准（下同）∑M——作用于计算截面以上全部荷载对截面形心的力矩总和，kN·m，以使上游面产生压应力者为正。B——计算截面的长度，m2yuBM6BWσ边缘应力计算由上游坝面的微分体，根据平衡条件∑Fy=0得τu=(Pu-σyu)n式中：Pu——上游面水压力强度，kPa（如有泥沙压力和地震动水压力也应记在内）；Puu——上游边缘应力的扬压力强度；σyu——坝体上游边缘应力；n——上游坝坡坡率，uφtgn由下游坝面微分体，根据平衡条件∑Fy=0得τd=(σyd-Pd)mPd——下游面水压力强度，kPaPud——下游边缘应力的扬压力强度σyd——下游坝面边缘应力，kPam——下游坝坡坡率yσ由上游坝面微分体，根据∑Fx=0可得：σxu=Pu-(Pu-σyu)n2σxu=Pu-τun2同样，由下游坝面微分体，可得：σxd=Pd+(σyd-Pd)m2σxd=Pd+τdm2边缘主应力计算σ1u=(1+n2)σyu-Pun2σ1d=(1+m2)σyd-Pdm2σ2u=Puσ2d=Pd根据平衡条件∑Fy=0计入扬压力边缘应力计算极限状态法采用概率极限状态设计时，对重力坝应分别按承载能力极限状态和正常使用极限状态进行强度验算。1.坝趾抗压强度极限状态2.上游坝踵不出现拉应力极限状态因为上游坝踵不出现拉应力极限状态属于正常使用极限状态第七节重力坝的剖面优化设计1.基本剖面形状2.实用剖面设计