第二章重力坝

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：m(上）平面布置（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：m(左）厂房坝段剖面图右）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、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：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：•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30m～70m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；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。•１、按时间的变异分永久作用、可变作用、偶然作用。•２、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：•（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，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：①自重；②静水压力；③扬压力；④动水压力；⑤冰压力；⑥泥沙压力；⑦浪压力；⑧地震力；⑨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。3/24mKNC一、自重•作用在坝面上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)rH12P２=(1/2)rH22垂直力：W３=rA1W４=(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：q—相应反弧段上的单宽流量(m3/s.m)；r—水的密度；v—反弧段最低处的断面平均流速(m/s)；•1、坝底扬压力形成原因：•①上下游水位差；•②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。•α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α=0.2～0.3;岸坡坝段α=0.3～0.42、坝身扬压力坝身排水管折减系数α3=0.15～0.3四、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2hm，波长不变。六、浪压力波浪几何要素图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7.0245.027.022)/(7.013.0)/(0018.0)(7.013.0omoomomvgHthvgDthvgHthvgh5.02)(9.13omomvghvgT2,5.02mmmmgTLLH时mmmmmHthgTLLH22,5.02时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。3121212)(0076.0ooovgDvvgh75.31215.212)(331.0ooovgDvvgLm2ovgD2ovgD表2-1累积频率波高hp与平均波高Hm的比值1.011.251.331.371.461.491.521.561.631.800.51.011.301.391.441.561.601.641.681.782.010.41.002.230.30.982.460.20.941.411.561.651.871.922.002.092.262.700.10.941.431.611.711.952.022.112.232.422.97050201310543210.1p(%)hp/Hm1.011.251.331.371.461.491.521.561.631.800.51.011.301.391.441.561.601.641.681.782.010.41.002.230.30.982.460.20.941.411.561.651.871.922.002.092.262.700.10.941.431.611.711.952.022.112.232.422.97050201310543210.1p(%)hp/Hm•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(m）25101520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1.5—2.0倍；校核洪水位时，宜采用相应洪水期最大风速的多年平均值。表2-2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：)(41%1zmWWKhhLPmmzLHcthLhh22%1%1%122ln4hLhLLHmmmcr坝的迎水面倾斜，波浪的反射作用将减弱，当α＞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：2）当水深H≥HcrH＜Lm/2时,浪压力为：建筑物底部浪压力剩余强度：3）当水深H＜Hcr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lflfwzWKHPPHhhP))((21%1mwlfLHhhP2sec%1HhpPoWK)7.0()5.05.1(21%1%1hkpwio底坡1/101/201/301/401/501/601/801/100系数1.891.611.481.411.361.331.291.25表2-3•1、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Ⅰ级挡水建筑物，