第三章_重力坝1-4节

水工建筑物水利水电工程系2012年3月第三章岩基上的重力坝§3—1概述§3—2重力坝的荷载及其组合§3—3重力坝的抗滑稳定分析§3—4重力坝的应力分析本章的主要内容：§3—5重力坝的渗流分析§3—6温度应力、温度控制和裂缝防止§3—7重力坝的剖面设计§3—8重力坝的极限状态设计法§3—9重力坝的抗震设计§3—10泄水重力坝§3—11重力坝的地基处理§3－12重力坝的材料及构造§3－13碾压砼重力坝§3－14其他型式重力坝一、重力坝的工作原理和特点3.1概述公元前2900年埃及第一代王朝，曼奈斯王在首都孟非斯城附近的尼罗河上，修建了一座高H＝15m，L=240m的挡水坝。（1）利用自重在坝基面产生的摩擦力以及坝与地基间的凝聚力来抵抗水平水压力而维持稳定；（2）利用自重引起的压应力抵消由水压力产生的拉应力。（3）基本剖面呈三角形。（4）平面上，坝轴线通常呈直线，有时也布置呈折线或曲率不大的拱向上游的拱形。（5）用横缝（1-2cm）将坝体分隔成若干个独立工作的坝段，见图3–1。（6）靠近坝踵设防渗帷幕，帷幕后设排水孔，见图3-2。图3-3为三峡水利枢纽工程布置图。图3–1重力坝的布置1–溢流坝段；2–非溢流坝段；3–横缝优点：（1）结构作用明确，设计方法简单，安全可靠用横缝分成若干坝段，各坝段独立工作,结构作用明确，应力和稳定计算简单。剖面尺寸大，坝内应力较低，材料强度高，耐久性好，因而抵抗洪水漫顶、渗流、地震和战争破坏的能力都比较强。优点：（2）对地形地质条件适应性强任何形状的河谷都可以修建重力坝。对地质条件的要求也较拱坝低，甚至在土基上也可以修建高度不大的重力坝。优点：（3）枢纽泄洪问题容易解决可以做成溢流的，也可以在坝内不同高度设置泄水孔，一般不需另设溢洪道或泄水隧洞，枢纽布置紧凑。优点：（4）便于施工导流可以利用坝体导流，一般不需要另开设导流隧洞。（5）施工方便大体积砼，可以采用机械化施工，在放样、立模和砼浇筑方面都比较简单，并且补强、修复、维护或扩建也比较方便。缺点：（1）坝体剖面尺寸大，材料用量大（2）坝体应力较低，材料强度不能充分发挥（3）坝体与地基接触面积大，相应坝底扬压力大（4）坝体体积大二、重力坝的类型1.实体重力坝:三峡、刘家峡、三门峡等2.宽缝重力坝:新安浆、丹江口、盐锅峡、潘家口等3.空腹重力坝:石泉、岱峪（浆砌石）等171m190.00270.00262.30400.00403.11406.508校核洪水位廊廊道排水管灌浆帏幕灌浆排水孔校核洪水位正常蓄水位坝顶高程河床高程1:0.701:0.20宽缝AAAAA防渗帷幕排水管空腹排水孔防渗帷幕排水管廊道三、重力坝的设计内容1.剖面设计。参照已建类似工程，拟定剖面尺寸。2.稳定分析。验算沿地基面或地基中软弱结构面的抗滑稳定。3.应力分析。保证坝体和坝基有足够的强度。4.构造设计。根据施工和运用要求确定坝体的细部构造，如廊道系统、排水系统、坝体分缝等。5.地基处理。进行地基的防渗、排水、断层软弱带的处理等。6.溢流重力坝和泄水孔的孔口设计。包括：堰顶高程、孔口尺寸、体形及消能、防护设计等。7.监测设计。坝体内部和外部的观测设计，制定大坝的运行、维护和监测条例。★实际工作中，以上的内容在步骤上是相互交叉的。四、重力坝的建设情况■19世纪以前，基本上都采用浆砌毛石；■19世纪后期才逐渐采用砼。进入20世纪后，随着砼施工工艺水平的提高和施工机械的迅速发展；■1962年瑞士建成了世界上最高的大狄克桑斯重力坝，坝高达285m。■进入20世纪80年代，碾压砼技术开始运用于重力坝建设。★50年代首先建成了高105m的新安江和高71m的古田一级两座宽缝重力坝。★60年代建成了高97m的丹江口宽缝重力坝和高147m的刘家峡重力坝。★70年代建成了黄龙滩、龚嘴重力坝。★80年代建成了高165m的乌江渡拱型重力坝和高107.5m的潘家口低宽缝重力坝等。★90年代建成的有故县、铜街子、岩滩、水口、宝珠寺、漫湾、五强溪、万家寨等重力坝。1994年12月正式开工兴建的长江三峡水利枢纽重力坝，坝高181m，2003年7月第一台机组已经并网发电。3.2重力坝的荷载及其组合一、作用与荷载◆作用：是指外界环境对水工建筑物的影响。◆荷载：进行结构分析时，如果开始即可用一个明确的外力来代表外界环境的影响，则此作用（外力）可称为荷载。—部分作用在结构分析开始时不能用力来代表，它的作用力及其产生的作用效应只能在结构分析中同步求出，如：温度作用、地震作用等。●作用分为：永久作用：不随时间变化的，如自重、土压力等；可变作用：随时间变化的，如水荷载、温度作用等；偶然作用：偶然发生的，如地震、校核水位下的水压力等。●为了与工程界习惯一致，除地震作用和温度作用外，其他作用可用外力来代表，则直接称为荷载。重力坝承受的荷载与作用主要有：⑴自重（包括固定设备重）⑵静水压力⑶扬压力⑷动水压力⑸浪压力⑹泥沙压力⑺冰压力⑻土压力⑼地震作用⑽温度作用⑾风作用1.自重G=V*γcV—坝体体积；γc—材料容重（初设时取混凝土γc=24kN/m3，施工详图阶段由现场混凝土试验决定）。①沿坝基面滑动，仅计坝体重量；②沿深层滑动，需计入滑动体中的岩体重。2.静水压力水平力：P1=(1/2)γH12P2=(1/2)γH22垂直力：W1、W2式中:H——水深，m；γ——水的容重，取9.81kN／m3。图3–4静水压力3.扬压力（1）坝底扬压力原因:①上下游水位差；②砼、岩石都是透水材料。包括两部分:①浮托力；②渗透压力。α—扬压力折减系数。《水工建筑物荷载规范》（DL5077－1997）规定：河床坝段:α=0.2～0.25；岸坡坝段:α=0.3～0.35（2）坝身扬压力坝身排水管折减系数:α3=0.15～0.2选取坝基扬压力折点位置考虑：（1）帷幕灌浆廊道设置在坝踵附近距上游坝面0.05～0.1倍作用水头、且不小于4～5m。（2）廊道一般宽为2.5～3.0m，高为3～4m，底面距基岩面不宜小于1.5倍廊道宽度。（3）排水孔与防渗帷幕下游面的距离，在坝基面处不宜小于2.0m。排水孔幕略向下游倾斜，与帷幕成10～15°交角。选取坝体扬压力折点位置考虑：检查排水廊道多为城门洞型，最小宽度1.2m，最小高度2.2m，至上游面距离应不小于0.05～0.07倍水头，且不小于3m。坝体排水管至上游面的距离，一般要求不小于坝前水深的1/10～1/12。4.动水压力溢流坝泄水时，水流流经曲面，由于流向改变，在该处产生动水压力，见图3-7。溢流面上作用有动水压力，其中坝顶曲线段和下游直线段上的动水压力较小，可忽略不计。在反弧段上需根据水流动力方程求解动水压力。图3－7动水压力计算简图计算假定：（1）水流为匀速流，动水压力分布亦均匀，取V1＝V2＝V；（2）不计水重W，侧面水压力F1和F2。根据动量冲量原理：单位时间内物体动量的增量等于该物体所受外力的合力。即反弧段上总水平分力和垂直分力为：式中PH，PV——总动水压力的水平和铅直分量，kN；α1，α2——反弧最低点两侧弧段所对的中心角，°；q——单宽流量，m3／(s·m)；γ——水的容重，kN／m3；g——重力加速度，m／s2；V——水的流速，m/s。合力作用点：可近似地取在反弧中点。)sin(sin)cos(cos2112VgqPVgqPVH5.波浪压力■成因:空气流动，带动水体，形成波浪。■波浪三要素：波高为hl，波长为L，波浪中心线高于静水面产生的壅高为hz。（1）波高、波长当波浪推进到坝前，由于铅直坝面的反射作用而产生驻波，波高为2hl，而波长仍保持L不变。图3–8波浪几何要素及吹程（a）波浪要素；（b）、（c）波浪吹程（波浪要素计算）官厅水库经验公式：式中:Vo——风速(m/s)，水库为正常蓄水位和设计洪水位时，宜采用相应季节50年重现期的最大风速；校核洪水位时，宜采用相应洪水期最大风速的多年平均值；D——吹程(km)，为自坝前（风向）到对岸的距离，当吹程内水面有局部缩窄，若缩窄处的宽度B小于12倍波长时，近似地取吹程D＝5B。壅高LHcthLhhlz22式中:H——坝前水深，以m计。官厅水库公式适用于Vo20m／s及D20km的山区峡谷水库。按式算出累计频率为5%的波高h5%，要推算出累计频率1%的波高h1%=1.24h5%3/14/500166.0DVhl（2）波浪压力☻深水波：当HL／2时，波浪运动不受库底的约束。☻浅水波：L／2HHo时，波浪运动受到库底影响。☻破碎波：HHo时，波浪发生破碎，称为破碎波。临界水深Ho为：]22ln[40llhLhLLH（1）深水波，见图（a）。)(4%1zlhhLP(2)浅水波，见图（b）。(由学生推导完成)2/]))([(%1lslszlHppHhhPLHhhPls2sec%1式中pls——建筑物基面处浪压力的剩余强度。6.土压力及泥沙压力土压力：当建筑物背后有填土，将受到不同的土压力作用。建筑物向前侧移动时承受主动土压力，向后侧移动时承受被动土压力，不动时承受静止土压力。泥沙压力：①成因:水库蓄水后，入库水流流速降低并趋于零，挟带的泥沙随流速减小而沉积于坝前，其过程是先沉积大颗粒，而后沉积细颗粒。②计算a、淤积高程：坝前淤积逐年增高，可通过数学模型计算及物理模型试验，并比照类似工程经验，分析推定设计基准期内坝前的淤积高程。年限通常为50-100年。b、指标：淤积的泥沙逐年固结，容重和内摩擦角也在逐年变化，很难算准，一般按式（3–11）计算。式中:Ps——坝面单位宽度上的水平泥沙压力，kN／m；γsb——淤沙的浮容重，kN／m3；hs——坝段前泥沙淤积厚度，m；——淤沙的内摩擦角，)245(2122sssbstghPs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，当气温升高时，冰层膨胀，对建筑物产生的压力为静冰压力。大小取决于冰层厚度，参照表3–1确定。静冰压力作用点在冰面以下1／3冰厚处。表3–1静冰压力冰厚（m）0.40.60.81.01.2静冰压力（kN/m）85180215245280注：对小型水库冰压力应乘以0.87，对大型平原水库乘以1.25。（2）动冰压力当冰破碎后，受风和水流的作用而漂流，当冰块撞击在坝面或闸墩上时将产生动冰压力。1）冰块垂直撞击坝面的动冰压力iciiibfAdVF07.01式中:Fb1——冰块撞击坝面的动冰压力，MN；Vi——冰块流速，应按实测资料确定，无实测资料时，对于水库可取流冰期内保证率为1％的风速的3％，一般不超过0.6m／s；di——计算冰厚，取当地最大冰厚的0.7～0.8倍，m；Ai——冰块面积，m2；fic——冰块的抗压强度，宜由试验确定，当无试验资料时，可采用0.3～0.4MPa。iciiibfAdVF07.012）冰块撞击闸墩的动冰压力iibbbdmfF2式中:Fb2——冰块撞击闸墩的动冰压力，MN；fib——冰块的挤压强度，流冰初期可取0.75MPa，后期可取0.45MPa；b——建筑物在冰作用处的宽度，m；di——计算冰厚，取当地最大冰厚的0.7～0.8倍，m；m——与闸墩前沿平面形状有关的系数，对于半圆形墩头m可取0.9，对于矩形墩头m可取1.0，对于三角形墩头m可按有关规范选取。说明：1冰压力对高坝可以忽略，因为一方面水库开阔，冰易凸起破碎，另一方面在总荷载中所占比例较小；2对低坝、闸较为重要，它占总荷载的比重大；3某些部位如闸门进水口处及不宜承受大冰压力的部位，可采取防冰、破冰措施。8.温度作用结构由于温度变化产生的应力、变形、位移等，称为温度作用效应。热量的来源主要为气温、日照、水温、以及水泥的水化热等。年周期变化过程：)(cos0aamaATT式中:Ta——多年月平均气温，℃；τ——时间变量，月；τ0——初始相位，对于高纬度地区(纬度大于30º)，取τ0＝6.5(月)，对于低纬度地区，取τ0＝6.7（月）；ω——圆频率，ω＝2π／12；Tam—