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第四章支墩坝第一节概述一、支墩坝的工作原理1、问题的提出重力坝的二个主要缺点：①材料强度不能充分利用；②底部扬压力大.宽缝重力坝在一定程度上克服了这两个缺点.我们设想：①能否最大限度地利用材料强度；②能否最大限度地减小扬压力；③能否充分利用水重来节省砼方量；2.工作原理①组成支墩坝由一系列独立的支墩和挡水面板组成，支墩顺坝轴线排列，上游面设挡水面板，遮断河谷，形成挡水面。②传力方式库水压力由面板→支墩→地基③工作原理:利用水重和自重在坝基面产生的摩擦力来抵抗水平水压力维持稳定.二、支墩坝的型式根据挡水面板的形状可将支墩坝分为如下三种型式,见图4.1：图4.1支墩坝的类型1、平板坝这是支墩坝的最早型式，常用的是简支式平板坝。它的面板是一个平面，平板与支墩在结构上互不相连。优点：①平板的迎水面上不产生拉应力；②对温度变化的敏感性差；③地基变形对坝身应力分布影响不大,对地基要求不十分严格；适用场合：①地基不均匀变化较大时；②适用于坝高40m以下的坝；这是由于面板受力条件的限制(跨中弯矩大1/8ql2)2、连拱坝一方面由于平板坝的面板受力条件不好，需将面板的形式加以改进，砼的抗压性能好，所以可以把平面的面板改为圆弧面板(拱)，即连拱坝；另一方面在河谷较宽时，若采用拱坝，拱作用得不到充分发挥，且砼方量多(中心角越大，弧长越长)；将面板做成拱型的，其受力条件较好能较好地利用材料强度。如我国的梅山连拱坝1956年建成，坝高88.24m是当时世界上最高的，它比美国1938年建造的巴特勒(Bartlett)坝(87.19m)高1.05m,见图4.2；佛子岭连拱坝高74.4m,见图4.3，现在世界上最高的是六十年代初期开始建造的加拿大旦尼尔约翰逊(DanielJohnson)连拱坝，高214m。它的混凝土体积仅为同等高度重力坝的一半。图4.2梅山连拱坝图4.3佛子岭连拱坝图4.4大头坝布置图适用场合：连拱坝是空间超静定结构，对地基变形、温度变化较敏感，故对地基要求相对要高。3、大头坝这是一种较为优越的坝型，它既能充分利用材料的强度，钢筋用量又少。已建的大头坝有:国内:广东新丰江单支墩大头坝，坝高105m;湖南柘溪单支墩大头坝，坝高104m;国外：巴西--巴拉圭80年代修建的伊太普;(Itaipa)双支墩大头坝，坝高185m;日本火田薙笫一单双支墩大头坝，高125m.图4.5连拱坝示意图三、支墩坝的特点1、稳定性特点①抗滑稳定a、因支墩间有空隙渗水易排，扬压力减小；b、上游边坡加缓(0.4～0.9)，可利用水重，节省砼；②侧向稳定支墩因本身单薄，又相互分立，侧向刚度比纵向(上下游方向)刚度低，地震时顺坝轴线方向抗震能力明显低于重力坝。③弹性稳定因支墩坝是一块单薄的受压板，当作用力超过临界值时，尽管应力分析所求得的支墩内应力未超过材料的破坏强度，但支墩却因丧失纵向弯曲稳定而失稳。所以对支墩坝还应进行弹性稳定计算。2、应力特点支墩可以随受力情况调整厚度，以充分利用砼的容许抗压强度，连拱坝把盖板做成压力结构。3、施工特点①地基开挖支墩坝的基础一般不需全部开挖，只需开挖支墩部分，特别是在新鲜岩面埋藏较深的情况下，可节省大量的开挖工作量。②散热条件及模板用量因与外界接触面增加，施工散热相对容易，故温度收缩应力较小，温控措施简单，可加快坝块上升速度，但模板用量大且复杂(尤以连拱坝为甚)砼标号较重力坝高，单方造价也高。③施工导流大头坝、平板坝可利用支墩间隔布置导流底孔或采用梳齿法施工，但遇到意外洪水而未完建之坝体被迫过水时，存在坝体震动，基础冲刷，支墩侧向稳定等方面的问题。4、溢流特点大头坝接近于宽缝重力坝，单宽流量可以较大，随基岩条件而定，如湖南柘溪单支墩大头坝n为136方/sec，平板顶也可以溢流，但因结构简单，单宽流量较大易引起坝身振动，连拱坝一般不溢流。连拱坝漫顶:1969.7.14淮河上游发生大洪水，佛子岭水库溢洪道全部开启，仍不能泄走上游来水，将库水位逼至130.64m，超过坝顶1.08m，时间长达25小时15分钟，测得坝顶最大位移12.1mm。大坝安然无恙。5、钢筋用量平板坝、连拱坝钢筋用量较多，达30～40kg/方砼；大头坝不用钢筋，仅在大头局部和洞周边布置2～3kg/(方砼)的钢筋，与宽缝重力坝相近。6、砼方量节省与实体重力坝相比，大头坝可节省20～40％，连拱坝可节省30～60％。支墩坝的支墩形式见图4.6.图4.6框格支墩坝图第二节平板坝一、组成平板坝由支墩和面板组成，平(面)板支承于支墩。二、连接方式简支式,连续式,见图4.7.图4.7平板坝面板与支墩连接方式示意图三、面板的厚度顶部满足构造和施工要求，一般不小于0.2～0.5m底部由结构计算确定，保证受拉区不发生裂缝四、支墩支墩一般用单支墩，其间距一般为5～10m。顶部厚0.3～0.6m，向下逐渐加厚。上下游坡由抗滑稳定和上游面的拉应力条件决定。五、墩肩宽度一般为(0.5～1.0)倍的板厚；断面一般为折线形，墩肩与支墩连接处为避免应力集中，可做成圆弧形R=1.0～2.0m；六、平板坝结构计算要点包括平板内力计算、墩肩内力计算、支墩应力计算、配筋计算等。第三节大头坝一、大头坝的工作特点大头坝介于宽缝重力坝和轻型支墩坝(平板坝和连拱坝)之间，属于大体积砼结构，它具有宽缝重力坝和轻型支墩坝两者的优点，表现在：①钢筋用量少:(2～3kg/方砼)，平、连拱坝30～40kg/m3砼；②砼体积小:砼体积随坝高变化，H↑V砼↓H=40m节省30％H=100m节省40％③坝顶可以溢流单宽流量q可达100方/sec，如湖南柘溪单宽流量为136方/sec。二、大头型式(图4.8)图4.8大头坝的头部形式1°平头式施工方便，但应力条件不好，挡水面常有抗应力，近代较少采用；2°圆头式水压力环向辐射，应力情况好，但模板复杂；3°折线式(或叫钻石式)兼有以上两者优点，应力情况接近圆头式，施工也较方便，我国己建的大头坝都采用这种型式.三、支墩型式(图4.9)图4.9大头坝不同类型支墩的水平剖面图开敞式单支墩优点：结构简单，施工方便，便于观察检修；缺点：侧向刚度较低，寒冷地区保温条件差；封闭式单支墩这种型式是将支墩下游面扩大后互相紧贴而成，较为多用。优点：侧向刚度较高，墩间空腔封闭保温条件好，适用于地震地区和寒冷地区，溢流布置方便,采用最广泛。开敞式双支墩优点：侧向刚度高，可改变头部应力状态，导流底孔、坝身引水管可以从两墩之间的缺点：施工复杂；封闭式双支墩侧向刚度最高；施工最复杂，目前采用不多；四、大头坝的剖面设计分两步进行：第一步将坝体看成厚度均一的三角形剖面，定出坝的基本尺寸，如大头跨度(挡水面宽度)L、支墩平均厚度B、上下游边坡n、m--以解决稳定和强度问题。第二步拟定大头形状和尺寸将等厚的三角形剖面转化为实用剖面再进行静力校核。1、大头跨度影响因素：地形、地质、施工、经济一般来说，跨度大，支墩数目就少，支墩相对要加厚，侧向刚度大，便于砼施工。存在缺点是大头面积加大，对支墩应力不利，头部浇筑仓面也增大，要求砼的浇筑能力高，坝块散热困难，导致温度应力大。根据经验：坝高＜45m，大头跨度L=9～12m坝高45～60m大头跨度L=12～16m坝高＞60m大头跨度L=16～18m甚者单支墩坝L=14～18m.双支墩坝L=18～25m.如巴西巴拉圭的伊太普,双支墩大头坝L=34m。特殊坝段：溢流坝段,厂房坝段2、支墩的平均厚度B用S表示大头跨度与平均厚度之比S=L/B,当L一定时，S↑B↓过于单薄，侧向刚度不足；S↓B↑对侧向刚度有利，扬压力加大砼方量增加，支墩坝的优点不显著。根据经验：坝高H=40mS=1.4～1.6坝高H=60mS=1.6～1.8坝高H=60～100mS=1.8～2.0坝高H＞100mS=2.0～2.43、上下游边坡n、m(即确定基本剖面)在初定L、B的条件下，上下游的边坡由稳定和强度两个条件来确定.、拟定大头头部尺寸原则：上游面不出现拉应力σ≥0步骤：①初步拟定大头尺寸a、b、c、d、e②按偏心受压公式计算应力，以保证上游面不出现拉应力；③计算上游面的抗应力，当σ≥0时，初拟尺寸有效。否则重新假定尺寸，直至满足要求为止。大头坝的基本剖面见图4.10.图4.10大头坝的基本剖面说明：1°以上尺寸都是用不等号或≈来表示的，它们只能用于初估，具体设计时还得参考同类工程的经验。尺寸拟定后，要用有限元法或光弹性试验来较准确地分析头部应力，并反复修改，直至满足要求为止。2°从图中可看出：不出现拉应力的有利因素是Q，所以使b尽量大，不利因素是Wφ，为了减小Wφ，可采取设排水管和在大头内部开孔的措施，防止由于渗流引起“劈头缝”。3°“劈头缝”是当时大头坝难以推广的原因之一。引起劈头缝的主要原因有二：①渗流力；②温度作用.五、实用剖面设计(同重力坝)六、静力校核1、稳定校核2、强度校核计算内容：a.头部应力计算,b.支墩应力计算,c.支墩纵向稳定计算,d、抗震计算.计算方法：初步设计阶段用材力法技术设计阶段用三维有限元法或结构模型试验.纵向弯曲的概念：在材料力学中，某些受压杆件，它的破坏并非强度不足而引起，而是由于纵向弯曲的原因而失稳。支墩坝的支墩，水压力经挡水面板传给支墩，支墩实际上成为一中面受压的板，它也会因纵向弯曲而失稳。因此需要进行纵向弯曲的稳定分析