第三章重力坝第二部分(3.5～3.7.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,3.5,温度应力、温度控制和裂缝防止,水化热,砼固化过程中产生的热量叫水化热。,国产部分水泥的水化热：,7,天（,kJ/kg,）,28,天,硅酸盐水泥：,325#209 272,425#251 314,525#293 355,矿渣硅酸盐水泥：,325#188 230,低热微膨胀水泥：,425#167 188,如每,m,3,混凝土中有,200kg,水泥，则,100,万,m,3,混凝土因水泥水化热所产生的热量相当于燃烧,2000t,煤所释放的能量。,一、坝体温度状况,1,温度随时间的变化,(1),温升阶段,主要在,3,7,天内,温差：,T,r,T,max,T,j,称为水化热温升，一般,15-25,，最,高可达,36,。,T,j,砼入仓温度；,T,max,入仓后，使砼温度从,T,j,至最高值；,（,2,）温降阶段,温度达到了,Tmax,后，逐渐散热冷却，温度下降。,（,3,）稳定期,靠近坝体表面的温度随外界温度变化而波动，坝体内部一般接近坝址的,年平均气温,T,d,。,实体重力坝从,T,max,T,d,所需的时间，视散热条件，自几个月至几年不等。,温降：,T,T,max,一,T,d,是温度控制的一个重要指标。,2,温度在空间的变化,靠近坝体表面由于水化热散逸较快，该部位的温度较早地达到稳定温度。,坝体内部由于水化热不易散发，温度下降缓慢，需要较长时间才能到达稳定温度。,3,温度的周期性变化,（,1,）年变化,365,天,（,2,）日变化,24,小时,（,3,）寒潮,热潮,7,14,天,二、施工期的温度应力,1.,约束应力,在靠近基础面浇筑砼时，在,温升过程中,，浇筑块底部受基岩约束不能自由膨胀，将,产生压应力,；在,温降过程中,，受基岩约束将,产生水平拉应力、剪应力和垂直正应力,。,同样，新浇筑砼受老砼（齢期超过,28,天）约束也会产生温度应力。,2.,内外温差（自生）应力,砼块在浇筑初期，由于,表面温度降低,，在块体,内外,形成的,温差,将使外部,收缩受拉而内部受压,，当拉应力超过材料的抗拉强度时，将产生表面裂缝。,施工期坝体温度取决于,砼入仓时的浇筑温度,T,j,和水化热温升,，由于水化热温升和边界温度都在随时间而变化，因而求解施工期的坝体温度场是很复杂的，一般多采用简化的计算方法，参见,砼重力坝设计规范,（,SDJ21,78,）。,贯穿性裂缝和表面裂缝。,危害：横向贯穿性裂缝会导致漏水和渗流侵蚀性破坏；纵向贯穿性裂缝会损坏坝的整体性；水平向贯穿性裂缝会降低大坝的抗剪强度。,三、重力坝的温度裂缝和温控措施,1.,裂缝的分类,图,342,重力坝裂缝型式,l,横向竖直贯穿性裂缝；,2,纵向竖直贯穿性裂缝；,3,水平贯穿性裂缝；,4,坝表面裂缝；,5,仓面裂缝,2.,温度控制的目的,（,1,）防止砼温升过高、内外温差过大及气温骤降产生各种温度裂缝；,（,2,）为做好接缝灌浆，满足结构受力要求，提高施工工效，简化施工程序提供依据。,3.,温度控制标准,（,1,）地基容许温差,砼最高温度与稳定温度之差，按表,3,9,的数值控制,表,39,地基容许温差,T,（,0,C,）,离建基面高度,h,浇筑块长边,L,（,m,）,16,以下,17,20,21,30,31,40,通仓长块,（,0,0.2,）,L,26,25,24,22,22,19,19,16,16,14,(0.2,0.4)L,28,27,26,25,25,22,22,19,19,17,（,2,）上、下层容许温差,系指其接触面（先浇砼龄期超过,28d,）上、下层各,l/4,范围内、先浇砼上层最高平均温度与新浇砼开始浇筑时下层平均温度之差，,建议不超过,15,20,。,（,3,）内外容许温差,是指坝块中心温度与边界温度之差。内外容许温差大致和地基容许温差相当，,一般不宜大于,20,25,。,4.,温度控制措施,（,1,）降低入仓,T,j,预冷骨料和加冰屑拌等来降低砼的入仓温度；,加入掺合料（如粉煤灰）和外加剂（如塑化剂）来尽 量减少水泥用量；,采用低热水泥；,在运输中注意隔热保温。,（,2,）减少温升,Tr,冷却水管进行初期冷却；,减小浇筑层厚度，延长浇筑块之间的间歇时间，利用仓面天然散热；,在砼中埋大块石。,（,3,）加强养护和保护,在砼浇筑后初期需要对坝块表面加覆盖、浇水养护。冬季要抵御寒潮袭击，夏季防止热量回灌进入砼。,3.6,重力坝的剖面设计,一、剖面设计原则,设计原则：,满足稳定,不滑动，,KK,；,满足强度,不出现拉应力；,不超过允许的压应力：,【,】,；,工程量小（,Vmin,），使剖面尺寸最小；,外部形状简单，便于施工；,运用方便。,二、基本剖面,（一）定义：,基本剖面是指坝体在自重、库水压力和扬压力三个主要荷载作用下，满足稳定和应力要求并使其剖面最小的三角形剖面。见图,3-44,。,工程经验：,上游,n,0,0.2,；,下游,m,0.6,0.8,；,B/H=0.7,0.9,。,二、实用剖面,1.,坝顶宽度,（,1,）满足设备布置、运行、交通及施工的要求：,b=H(8,10)%,，且,b,m,（,2,）若作交通要道或有移动式启闭机设施时，应根据实际需要确定，当有较大的冰压力或漂浮物撞击力时，坝顶最小宽度还应满足强度的要求。,2.,坝顶高程,坝顶应高于,校,，防浪墙顶的高程应高于,波浪,。,防浪墙顶至,设,或,校,的高差,h,，可按下式计算,h,h,1,十,h,z,十,h,c,（,m,）,式中,h,1,累积频率为,1,时波浪高度（,m,）；,h,Z,波浪中心线高于静水位的高度；,hc,安全加高，按表,3,10,选用。,表,310,安全加高,h,C,（,m,）,防浪墙顶高程按下式计算：,3.,常用的剖面形态,上游直坡，,n=0,适用地质物理力学参数,f,、,c,值较大。,优点：,便于布置和操作坝身过水管道进口控制设备。,缺点：,由于在上游面为铅直的基本三角形剖面上增加坝顶重量，空库时下游坝面可能产生拉应力。,折坡，,n,1,=0,n,2,0,上部铅直，下部倾斜，常用；,特点：,既可利用水重增加稳定，又可便于管道进口布置设备和操作的优点。,上游折坡的起坡点位置一般在坝高的,1/3,2/3,的范围内。要验算起坡点高程水平截面的强度和稳定条件。,斜坡，,n0,。适用地质物理力学参数,f,、,c,值较低的情况。,特点：,倾斜的上游坝面可以增加坝体自重和利用一部分水重，以满足抗滑稳定的要求。修建在地震区的重力坝，可采用此种剖面。,图,345,非溢流坝剖面形态,3.7,泄水重力坝,一、溢流重力坝,（一）工作特点,既是挡水建筑物又是泄水建筑物,，应满足：,1,、稳定、强度要求；,2,、泄水要求：,（,1,）泄的下（足够的孔口尺寸、体形、有较高的流量系数）；,（,2,）不破坏（不产生不利的负压、振动、空蚀等现象）；,（,3,）保证下游河床安全（不产生危及坝体安全的局部冲刷）；,（,4,）互不影响（下游流态平顺，不产生折冲水流）；,（,5,）便于管理（有灵活控制的闸门、启闭机等）。,（二）孔口设计,1.,洪水标准,根据,水利水电枢纽工程等级划分及设计标准,（,SL252,2000,）选用。,表,3,12,山区、丘陵区水利水电工程永久性水工建筑物,洪水标准,重现期（年）,2.,孔口形式,（,1,）开敞溢流式（表孔）,QH 3/2,成正比，超泄能力大，但不能预泄；,还能用于排冰和其他漂浮物；,闸门启闭操作方便，易于检修，工作安全可靠。,（,2,）大孔口溢流（中孔）,上部设胸墙，堰顶高程较低，可满足预泄要求；,低水位时,开敞（自由）溢流；,高水位时,大孔口泄流，,QH 1/2,成正比，超泄能力不如开敞溢流式。,3.,孔口尺寸,（,1,）单宽流量的确,定,（,m,3,/s,）,经过电站和泄水孔等下泄的流,量；,式中：,系数，正常运用,0.75,0.9,，,校核运用,1.0,。,m,3,/,（,s,m,）,设,L,为溢流段净宽，则单宽流量为：,单宽流量的选取与地质条件有关，对,一般软弱岩石：,q=30,50m,3,/,（,s,m,）；,较好岩石：,q=50,70m,3,/,（,s,m,）；,坚固岩石：,q=70,130m,3,/,（,s,m,）；,近年来，选用的单宽流量在不断增大，例：龚嘴,q=254.2 m,3,/,（,s,m,），安康表孔,q=282.7 m,3,/,（,s,m,）；委内瑞拉的古里坝,q,300 m,3,/,（,s,m,）。,(2),孔口尺寸,溢流前沿总长,L,0,若孔口宽度为,b,，孔口数,n=L/b,，,n,一般取单数。令闸墩厚度为,d,，,则,L,0,为：,开敞溢流,时,a,、孔口高,H,b,、堰顶高程,堰正常,H,设,设闸门；,堰正常 不设闸门。,c,、孔口宽 一般情况：,b,（,8,16,）,m,；,当有排浮要求时，可加大到（,18,20,）,m,。,在枢纽布置允许的前提下，闸门宜选用,宽而扁,，宽高比常采用,b/H1.0,2.0,；,d,、校核水位下校核过流量,大孔口泄流,（,m,3,/s,）,式,中,闸门开启高度，,m,；,孔口垂直收缩系数，与比值,a/H,有关，见表,3,13,。,4,闸门和启闭机,（,1,）闸门,按结构分,平面闸门,结构简单，闸墩受力条件好，共用一个活动启门机；,缺点：启门力大，闸墩较厚。,弧形闸门,启门力较小，闸墩较薄，无门槽、水流平顺；,缺点：闸墩较长，受力条件较差。,按工作性质分,工作闸门,调节下泄流量，在动水中启闭，启门力较大。,常用平面闸门和弧形闸门；,检修闸门,用于短期挡水，以便进行检修，静水中启闭，启门力较小。,一般采用,平面闸门,，也可浮箱闸门，采用叠梁；,事故闸门,是在建筑物或设备出现事故时紧急应用，要求,能在动水中关闭；,事故检修闸门,检修闸门和工作闸门之间应留有,1,3m,的净距，以便进行检修。全部溢流孔通常备有,1,2,个检修闸门，交替使用。,（,2,）启闭机,活动式,多用于平面闸门，可以兼用于启吊工作闸门和检修闸门。,固定式,固定在工作桥上，多用于弧形闸门。,5,闸墩和工作桥,(1),墩形,1,半圆曲线；,2,椭圆曲线；,3,抛物曲线；,4,三圆弧曲线；,5,圆弧曲线；,6,方形,图,349,常见的闸墩形状,（,2,）墩厚,平面闸门，工作闸门槽深,0.5,2m,，宽,1,4m,，门槽处的闸墩厚度,1,1.5m,；,弧形闸门闸墩的最小厚度为,1.5,2m,；,缝墩，墩厚要增加,0.5,1m,。,（,3,）长度和高度,应满足布置闸门、工作桥、交通桥和启闭机械的要求,。,（,4,）边墩（边墙）,边墩顶一般高出水面,1,1.5m,；,底流消能时，需延长到消力池末端形成导墙；,挑流消能时，需延长到挑坎末端；,当溢流坝与水电站并列时，导墙长度要延伸到厂房后一定的范围。,6,横缝,（,1,）缝在闸墩中间,优点：,各坝段间产生不均匀沉降时，不影响闸门启闭，工作可靠；,缺点：,闸墩厚度较大。,（,2,）缝在溢流孔跨中,优点：,闸墩薄，受力条件好；,缺点：,易受地基不均匀沉降的影响。,（三）高速水流的几个问题,1,空化和空蚀,空化,水体中含有许多气核，当过坝水流中某点的压力降至饱和蒸汽压强时，气核迅速膨胀为小空泡，这种现象称为空化。,空蚀,当低压区的空化水流流经下游高压区时，空泡遭受压缩而溃灭，由于,溃灭时间,极为短暂（一般只有千分之几秒），会产生一个很高的,局部冲击力,（可达几千个大气压）。若空泡溃灭发生在靠近过水坝面，局部冲击力大于材料的内聚力时，可使坝面遭到破坏，这种现象称为,空蚀,。,国内外的工程运行经验和试验表明，当,v15m/s,时，就有可能发生空蚀破坏，且空蚀强度与水流流速的,5,7,次方成正比。,图,352,为泄水建筑物常见的空蚀部位。,2,掺气,掺气现象：由溢流重力坝下泄的水流，当流速超过,7,8m/s,时，空气从自由表面进入水体，产生掺气现象。,溢洪道设计规范,（,SL253,2000,）规定：,掺气水深,式中,未计入波动及掺气的水深，,m,；,未计入波动及掺气计算断面上的平均流速，,m/s,；,修正系数，一般,1.0,1.4,，当,v20m/s,时，采用较大值,。,3,水流脉动,（,1,）增大作用在建筑物上的瞬时荷载。,（,2,）脉动压力变化有一定的周期性。,（,3,）增加空蚀破坏的可能性。,4,冲击波,在高速水流边界条件发生变化处，如：断面扩大、收缩、转弯处，闸门槽、墩尾等处均是引起冲击波的部位。,（四）溢流面体形设计,要求：,泄流能力大；,水流平顺，不产生不利的负压和空蚀破坏；,体形简单、便于施工等。,1,顶部曲线段（,a,b,c,）,（,1,）开敞式,克,奥曲线,苏联推荐，我国早期采用。,缺点：下部断面较大，因而不经济；,m,0.48,0.49,，比,WES,曲线,m,0.502,要小；,无公式控制坐标，施工放样不便。,WES,曲线,流量系数较大且剖面较瘦，工程量较省，坝面曲线用方程控制，施工较方便，近年来我国采用较多。,上游段：,双圆弧、椭圆。近年来，提出了三圆弧及下,列型式的曲线,式中：,H,d,定型设计水头，一般为校核洪水位时堰顶水,头的,75%,95%,。,下游段：,当坝体上游面为铅直时：,若上游面不是铅直的，下游段曲线需做修正。,（,2,）设有胸墙的大孔口,当,H,max,/D1.5,或闸门全开时仍属孔口泄流，按孔口射流曲线设计溢流面时，,式中：,H,d,定型设计水头，取孔口中心线至校核洪水位时堰顶水头的,75%,95%,；,流速系数，一般取,0.96,，,设有检修闸,门槽时取,0.95,当,1.2Hmax/D1.5,时,，应通过模型试验确定。,D,孔口开度,2,中间直线段（,c,d,）,坡度与非溢流坝段的下游坡相同。,3,反弧段（,d,e,）,挑流消能：,R=,（,4,10,）,h,h,为校核洪水时反弧最低点处的水深。当,2.5,5.0,。,（,2,）水舌挑射距离,1,坎顶水面流速，,m/s,，约为,鼻坎处平均流速的,1.1,倍；,h,1,坎顶平均水深,h,在铅直向的投影,h,1,hcos,h,2,坎顶至河床面的高差，,m,（,3,）冲坑深,式中,：,t,k,水垫厚度，自水面算至坑底,，,m,；,q,为单宽流量，,m,3,/,（,s.m,）；,H,上、下游水位差，,m,；,冲坑系数，为,0.9,2,。,（,4,）挑坎体形,主要有：扩散坎、连续坎、差动坎、斜挑坎、扭曲坎、高低坎、窄缝坎和分流墩等，如图,362,所示。,图,362,挑坎体形示意图,4,面流消能与消力戽,（,1,）面流消流,利用鼻坎将主流挑至水面，在主流下面形成反向旋滚，使主流与河床隔开。,主流在水面逐渐扩散而消能，反向旋滚也消除一部分能量。,反向旋滚流速较低且沿河床流向坝趾，河床一般无需加固。,图,364,面流消能,适用于尾水较深，流量变化较小，水位变幅不大，或有排冰、漂木要求的情况。,我国富春江、西津、龚嘴等工程都采用这种消能型式。,面流消能虽不需要作护坦，但因为高速水流在表面，并伴随着强烈的波动，使下游在很长的距离内（有的可绵延数里）水流不够平稳，可能影响电站的运行和下游航运，且易冲刷两岸，因此也须采取一定的防护措施。,（,2,）消力戽,消力戽的挑流鼻坎潜没在水下，形不成自由水舌，水流在戽内产生旋滚，经鼻坎将高速的主流挑至表面，其流态如图,3,65,所示（三滚一浪），戽内的旋滚可以消耗大量能量，因高速水股在表面，也减轻了对河床的冲刷。,1942,年，大苦力溢流坝应用,。,图,365,消力戽消能,1,戽内旋滚；,2,戽后底部旋滚；,3,下游表面旋滚；,4,戽后涌浪,消力戽适用于尾水较深（大于跃后水深）且变幅较小，无航运要求且下游河床和两岸抗冲能力较强的情况。,高速水流在表面，不需做护坦，但水面波动较大，其缺点与面流消能工相同。,5,其他新型消能工,（,1,）宽尾墩,将闸墩尾部逐渐拓宽的闸墩称为宽尾墩，如图,367,所示。,闸孔收缩比约为,0.3,0.5,，墩体收缩角约,20,左右。,图,367,宽尾墩体形示意图,（,2,）台阶式溢流坝面,如图,3,68,所示，在溢流堰面曲线下游的坝面，设置一系列的台阶，以消除下泄水流的多余能量，简化下游消能设施。水流沿坝面台阶逐级掺气、减速和消能，其消能率比常规光滑坝面高,40%,80%,。一般台阶高度取,1.0m,左右，宽度略小于高度。,目前国外采用的单宽流量控制在,30m,3,/,（,s,m,）以内。,图,368,大朝山工程宽尾墩台阶式溢流坝面泄流状况图,（,3,）,T,形墩,墩头平面为矩形，其后以一矩形直墙支撑与消力池尾坎相连，整体在平面上呈,T,形，故称,T,形墩，见图,369,。,优点：,结构稳定。消能效果好，抗空蚀性能好，工程量省（消力池短）。,首先用于印度的布哈伐尼坝；,我国湖南澧水三江口水电站溢流坝消力池也采用了这种型式，消力池长度由平底消力池的,50m,降到,15m,。,图,369,三江口水电站溢流坝,T,形墩消力池（单位：,m,）,6,多种消能工联合消能,联合消能可以是：,多种泄水建筑物的联合，包括：坝体的表孔、中孔、底孔，岸边溢洪道及泄洪隧洞等，而以溢流坝和岸边溢洪道为主；,不同型式消能工的联合，如：宽尾墩与挑流联合，宽尾墩与消力池联合，宽尾墩、台阶式溢流坝面与消力戽联合等。,乌江渡水电站工程布置图,龙羊峡水电站,7,下游折冲水流及防止措施,为改善下游流态，可采取以下措施：,在枢纽布置上，尽量使溢流坝的下泄水流与原河床主流的位置和方向一致；,规定闸门操作程序，使各孔闸门同时均匀开启，或对称开启；,布置导流墙，使主流充分扩散；,进行水工模型试验，研究下游流态及改善措施。,二、坝身泄水孔,（一）作用和工作条件,1.,作用,宣泄部分洪水,(,泄洪,),；,预泄库水，增大水库的调蓄能力（预泄）；,放空水库以便检修（放空）；,排放泥沙，减少水库淤积（排沙）；,随时向下游放水，满足航运或灌溉、生态等要求（放水）；,施工导流。,2.,工作条件,流速高，易产生负压、空蚀、振动；,水头高，压力大，有的可达,20000,40000kN,，启门力也相应加大；,闸门在水下，检修较困难；,门体结构、止水、启闭、复杂，造价也相应增高。,（,二）型式及布置,1,有压泄水孔（图,3,71,）,工作闸门布置在出口，门后为大气，可以部分开启；出口高程较低，作用水头较大，断面尺寸较小。,缺点：闸门关闭时，孔内承受较大的内水压力，对坝体应力和防渗都不利，常需钢板衬砌。,常在进口处设置事故检修闸门，平时兼用来挡水。如安砂。,2,无压泄水孔（图,3,72,）,工作闸门布置在进口。为了形成无压水流，需在闸,门后将断面顶部升高。,闸门可以部分开启，闸门关闭后孔道内无水。明流段,可不用钢钣衬砌，施工简便、干扰少、有利于加快施,工进度；,与有压泄水孔相比，对坝体削弱较大。,国内重力坝多采用无压泄水孔，如：三门峡、丹江口、,刘家峡等。,图,372,无压泄水孔（单位：,m,）,1,启闭机廊道；,2,通气孔,3,双层泄水孔（图,3,73,）,因受闸门结构及启闭机的限制，坝身泄水孔的断面面积不能太大。为了增大经过坝体的泄流量，可将泄水孔做成双层的，或将泄水孔布置在溢流坝段。,采用这种布置时需要注意两个问题：,双层泄水时，对下层泄水孔泄流能力的影响；,在尾部上、下层水流交汇处容易发生空蚀。模型试验和原型观测都表明，双层泄水孔在技术上是可行的，但应开展水工模型试验研究，以便对可能出现的问题进行妥善处理。,图,373,双层泄水孔（高程：,m,）,（三）进口曲线,应满足：,减小局部水头损失，提高泄水能力；,控制负压，防止空蚀。,常采用,1/4,椭圆：对圆形断面，式中的,A,为圆孔直径，,0.3,对矩形断：顶面曲线，,A,为孔高，,1/3,1/4,两侧曲线，,A,为孔宽，,1/4,底部边界线可以采用圆弧。,椭圆长轴（,x,轴）多与孔轴平行。有些试验资料表明，长轴稍向上倾斜约,12,左右，不但可以保证良好的压力分布，且有较大的泄水能力。,（四）闸门和闸门槽,1.,闸门,弧形闸门,不设门槽，虽流速较高，但因边界平顺，水流流态好，抗空蚀性能强，启门力较平面闸门小，运用方便。缺点是，闸门结构复杂，整体刚度差，闸门支铰座受力集中，启闭室所占的空间较大。,平面闸门,具有结构简单、布置紧凑、启闭机可布设在坝顶等优点。缺点是，启门力较大，门槽处边界突变，易产生负压引起空蚀。,对于尺寸较小的泄水孔，亦可以采用阀门。,2.,门槽,矩形门槽，适用于,v5D(,孔径,),；,无压孔，采用抛物线连接。,一般应通过水工模型试验确定曲线型式。,（八）平压管和通气孔,平压管作用：开启检修闸门前先在,两道闸门中间充水，使检修闸门可以,在静水中启吊。,当充水量不大时，也可将平压管设,在闸门上，充水时先提起门上的充,水阀，待充满后再提升闸门。,通气孔作用：补气,泄流、,放空时通气；,排气,冲水时排气。,1,通气孔；,2,平压管；,3,检修门槽；,4,渐变段；,5,工作闸门,通气孔直径,d,的确定：,通气量：,通气孔面积：,通气孔直径：,式中：,V,w,水流流速，,m/s,；,A,闸门后泄水孔断面面积,，,m,2,【,Va,】,通气孔允许风速，一般不超过,40,45m/s,。,（九）泄水孔的应力分析,泄水孔附近的应力状态比较复杂，属于三维应力状态，可采用三维有限元法或结构模型试验进行分析。,在泄水孔断面与坝段断面之比相对较小，坝段独立工作、横缝不传力的情况下，可近似按弹性理论无限域中的平板计算孔口应力。计算图形如图,3,77,所示，,