河海大学水工建筑物重力坝课件.pptx

一、重力坝的工作原理及其特点 1、工作原理 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 利用自重引起的压应力来抵消由水压力产生的拉应力横缝横缝排水孔排水孔排水管排水管灌浆帷幕灌浆帷幕帷幕灌浆孔帷幕灌浆孔非溢流坝段非溢流坝段上游水位上游水位 2、重力坝的特点 断面尺寸大，抵抗渗漏、漫顶破坏的能力强，在各种坝型中失事率最低 对地形地质条件适应性强 泄流问题容易解决 施工导流容易解决 体积大便于机械化施工 结构作用明确2-1 2-1 概述概述 由于体积大，材料强度不能充分利用底部扬压力大，对稳定不利由于体积大，水化热不易散发，温控 要求高2-1 2-1 概述概述2、重力坝的特点 二、重力坝的型式按内部结构分 实体重力坝 宽缝重力坝 空腹重力坝2-1 2-1 概述概述2-1 2-1 概述概述按作用分 非溢流重力坝 溢流重力坝2-1 2-1 概述概述按建筑材料分 混凝土重力坝 碾压混凝土重力坝 浆砌石重力坝2-1 2-1 概述概述三、重力坝设计的主要内容1、总体布置 坝轴线 组成建筑物的位置2、剖面设计3、稳定分析4、应力分析5、构造设计6、地基处理7、溢流坝或泄水孔设计8、监测设计 2-1 2-1 概述概述2-2 重力坝的荷载及其组合一、荷载 荷载 作用不随时间变化的-永久作用永久作用如自重、土压力等随时间变化的-可变作用可变作用如水压力、扬压力、温度、孔隙水压力等；偶然发生的-偶然作用偶然作用如地震、校核水 位下的水压力等 可变作用是指在设计基准期内作用的量值随时间 变化与平均值之比不可忽略的作用。1、自重 坝体自重是重力坝的主要荷载之一。W=A+-坝上永久设备重 沿坝基面滑动，仅计坝体重量；沿深层滑动，需计入滑体内岩体重；用有限单元法计算时，应计入地基初始应 力的影响；假定：1地基中任一点的垂直应力(y)=h 2水平应力(x)=h 3剪应力(xy)=0 1上游面垂直 2上游面倾斜 挡水坝段 溢流坝段 3水的容重 清水 浑水(按实际情况考虑)2、静水压力坝基扬压力包括两部分 下游水深引起的浮托力；由水头差引起的渗透压力；渗透压力从上游向下游逐渐消减，其变化呈抛物渗透压力从上游向下游逐渐消减，其变化呈抛物线分布。扬压力对坝体稳定不利，线分布。扬压力对坝体稳定不利，为减小扬压力需采取工程措施：设帷幕设帷幕 用折减系数表示岩体构造、性质、帷幕的深度、厚度、灌浆质量、排水孔直径、间距、深度等因素。设排水设排水 3、扬压力(含坝基和坝体内扬压力)规范规定：河床坝段：=0.20.3 岸坡坝段：=0.30.4 需要指出需要指出：原型观测资料表明：扬压力因受泥沙淤 积的影响随时间延长而减小，对稳定有利。坝体内扬压力4.动水压力 溢流坝泄水时，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。反弧段上总水平分力和垂直分力为：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5、冰压力冰压力包括静冰压力和动冰压力静冰压力：寒冷地区，水库表面将结冰，当气温升高 时，冰层膨胀，对建筑物产生的压力。大小：取决于冰层厚度、开始升温时的气温及温 升率。见教材表2-18。(表中数据为单位面 积上的静冰压力，总的应乘上冰厚)。冰层厚度（m）0.40.60.81.01.3静冰压力标准值（kN/m）85180215245280说明：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，可采取冲气措施等。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。当冰的运动方向垂直或接近垂直坝面时，按式(2-51)(2-52)计算，取其中小值。6、泥沙压力成因 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。计算 a、淤积高程 坝前淤积逐年增高，可根据河流的挟沙 量进行估算，估算年限通常为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，设计时可根据经 验取定，象黄河这样的多沙河流应由试验 定出。c、计算公式 6、泥沙压力7.浪压力 成因-空气流动，带动水体，形成波浪。波浪三要素 2hl(2hm)波高；2Ll(2Lm)波长；h0(hz)波浪中心线与静水位的距离；ua、波浪涌高2hL 波浪运动不受库底影响-深水波深水波 波浪运动受库底影响，且 库水深小于临界深度Hk(Hk=(3-5)hL)时-破碎波破碎波 水深大于临界深度Hk小于LL波浪受库底影响-浅水波浅水波b、波长2Lc、波浪中心线距静水面的距离h。d、平原、滨海地区按莆田公式计算，见式（2-23、24、25）式中：cth为双曲余切（2-23)（2-24)（2-25)内陆峡谷水库用官厅公式计算，见式（2-27、28）(适用于V020m/s，Dx x,自自铅直线量取；铅直线量取；y yx x,自水平线量取。自水平线量取。有扬压力的坝内应力有扬压力的坝内应力 (全截面线性分布全截面线性分布)4 4、考虑扬压力时的计算方法、考虑扬压力时的计算方法(全截面呈折线分布)实际上由于坝体及坝基实际上由于坝体及坝基的防渗、排水等作用，水平的防渗、排水等作用，水平截面上的扬压力一般呈折线截面上的扬压力一般呈折线分布。计算时，可将扬压力分布。计算时，可将扬压力分解为一个全截面呈梯形或分解为一个全截面呈梯形或三角形分布和一个在上游部三角形分布和一个在上游部分呈局部三角形分布的图形。分呈局部三角形分布的图形。三、应力分析的有限单元法三、应力分析的有限单元法 在有限元法计算中，一般把坝体作为平面应力问题，坝基作为平面应变问题进行分析。坝基应包括主要的地质构造，要取足够大的范围，在所取范围的边缘位移应已很小，可以忽略，可假定为固支或铰支边界。所取地基范围，一般在坝踵和坝趾分别向上、下游取一倍坝高，坝基深度也取一倍坝高。先把坝体和地基平面离散化，得到有限个离散单元，在单元角点或边线某些选定点作为铰接，称之为节点。以取平面问题的三角形单元为例，如图4-14(a)所示，它有6个结点位移分量，即 同时，三角形的3个结点上存在着结点力(4-40)在单元内部任意一点的水平位移和垂直位移的一般表达式为式中：为单元结点的位移列向量；为形函数矩阵，是坐标的函数。根据几何方程式可以得出关系式、为单元的应变矩阵。据弹性理论中的广义虎克定律，可以得出单元应力与应变的关系式。式中：为应力列阵；为转换矩阵。(4-44)为弹性矩阵将式(4-43)代入式(4-44)，得(4-45)(4-46)四、坝体强度验算四、坝体强度验算坝基面 运用期 施工期 下游坝基(坝趾)处允许有不大 于0.1MPa的拉应力 坝趾处允许压应力取试块 岩石极限抗压强度的(1/251/5)强度高者分母取大值 强度低者分母取小值计入与不计入扬压力计入与不计入扬压力计入扬压力计入扬压力坝 体 运用期 施工期 地 震 允许压应力可提高30%拉应力的安全系数不小于2.0计入扬压力计入扬压力不计入扬压力不计入扬压力砼分项系数极限状态坝体强度验算分项系数极限状态坝体强度验算 混凝土重力坝设计规范（DLS408-1999）采用分项系数极限状态设计方法，即荷载计算时，考虑了各种作用（荷载）都有变异性或随机性。并给出了各种作用的分项系数，从而计算出相应的设计值，然后用材料力学法计算各应力分量并用极限状态设计原则进行强度验算。1.1.承载能力极限状态坝趾的抗压强度验算承载能力极限状态坝趾的抗压强度验算 验算坝趾抗压强度时，应按承载能力极限状态，按式（1-58）和（1-59）分别计算基本组合和偶然组合两种情况，计算时按公式要求采用材料的标准值和作用的标准值或代表值。作用效应函数 (4-53)2.2.承载能力极限状态坝体选定截面下游端点的承载能力极限状态坝体选定截面下游端点的抗压强度验算抗压强度验算 验算坝体选定截面下游端点的抗压强度时，同样应按承载能力极限状态，按式(1-58)和式(1-59)分别计算基本组合和偶然组合两种情况，计算时按公式要求采用材料的标准值和作用的标准值或代表值。作用效应函数 3.3.正常使用极限状态坝体上、下游面拉应力验算正常使用极限状态坝体上、下游面拉应力验算 （1）运行期坝体上游面上游面拉应力验算（2 2）施工期坝体下游面拉应力验算）施工期坝体下游面拉应力验算 应力控制标准与采用的分析方法有关，应力分析方法不同，控制标准也不一样，目前我国重力坝设计规范规定了按材料力学法计算的应力控制标准，还提出了有限元法计算坝有限元法计算坝体应力时的应力控制标准。体应力时的应力控制标准。用有限元法计算坝体应力时，作用(荷载)取标准值，材料、地基性能应根据试验结合工程类比取定值计算。有限元法计算混凝土重力坝上游垂直应力时，控制标准为：(1)(1)坝基上游面坝基上游面：计入扬压力时，拉应力区宽度宜小于坝底宽度的0.07倍或坝踵至帷幕中心线的距离。(2)(2)坝体上游面坝体上游面：计入扬压力时，拉应力区宽度宜小于计算截面宽度的0.07倍或计算截面上游面至排水孔(管)中心线的距离。kPa五、非荷载因素对坝体应力的影响五、非荷载因素对坝体应力的影响 地基变形对坝体应力的影响地基变形对坝体应力的影响地基不均匀对坝体应力的影响地基不均匀对坝体应力的影响 坝体跨越不同弹模的岩体，应力将受到一定的影响 当坝踵处的弹模高于坝趾处的弹模时，坝踵易出现拉应力坝体不同材料对坝体应力的影响坝体不同材料对坝体应力的影响 坝体外部材料弹模越高，坝踵越易出现拉应力纵缝对坝体应力的影响纵缝对坝体应力的影响纵缝对坝体应力的影响纵缝对坝体应力的影响分期施工对坝体应力的影响分期施工对坝体应力的影响2-5 2-5 重力坝的剖面及优化设计重力坝的剖面及优化设计一、设计原则一、设计原则 1、满足稳定和强度要求；2、尽可能节省工程量，使剖面尺寸最小；3、外部形状简单，便于施工；4、运行管理方便；二、基本剖面二、基本剖面定义：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。（一）按应力条件确定坝底最小宽度（一）按应力条件确定坝底最小宽度 假定上游库满水位平三角形顶点，荷载只考假定上游库满水位平三角形顶点，荷载只考虑水平水压力虑水平水压力P P（假设下游无水），水重假设下游无水），水重QQ和坝体自重和坝体自重G G以及扬压力以及扬压力U U。在坝轴线方向取在坝轴线方向取单位长度坝体，其上下游面的水平投影长度单位长度坝体，其上下游面的水平投影长度分别为分别为BB，和（和（1-1-）B B。1 1设计工况设计工况 满库和空库两种工况满库和空库两种工况2 2强度标准强度标准 重力坝上下游边缘不出现重力坝上下游边缘不出现拉应力拉应力。3 3方法方法库空：库空：0 0 1 1满库：满库：，当当0 0时，时，-0.20-0.20（二）按稳定条件确定坝底最小宽度（二）按稳定条件确定坝底最小宽度（1）加大，可以利用上游倾斜坝面上的水重增加坝体稳定，减小坝底宽度B；由于应力条件的限制，值不能随意加大。（2）最优的的值，应通过应力和稳定条件联立求解。（3）当f较大时，B/H由应力条件控制；当f较小时，B/H由稳定条件控制。按应力条件按应力条件 按稳定条件按稳定条件（4 4）根据经验，一般）根据经验，一般n=00.2n=00.2，m=0.60.85m=0.60.85，B B约为约为H H的的0.70.90.70.9倍倍从理论上讲，基本剖面虽然经济，但不实用，因为：1坝顶不能是一个尖顶，不便于施工、运行管理和交通。2坝高不能刚好与水位齐平，必须有一定的超高。3厂房坝段需设闸门和拦污栅，希望上部做成垂直的。三、实用剖面三、实用剖面坝顶宽度坝顶宽度（1 1）满足设备布置、运行、交通及施工的要求，非溢流坝的坝顶宽度）满足设备布置、运行、交通及施工的要求，非溢流坝的坝顶宽度一般可取坝高的一般可取坝高的810%810%，并不小于，并不小于2 2米。米。（2 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，）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。求。坝顶高程坝顶高程坝顶或坝顶上游防浪墙顶高出水库静水位高度坝顶或坝顶上游防浪墙顶高出水库静水位高度 h h2h2hl lh h0 0h hc c；式中：式中：2 2h hl l波浪高度，波浪高度，h h0 0 波浪中心线高出静水位高度；波浪中心线高出静水位高度；h hc c 安全超安全超高。高。由于由于设计和校核采用的风速不同设计和校核采用的风速不同，设计和校核情况的，设计和校核情况的2 2h hl l、h h0 0值不同值不同。设计洪水位计算的坝顶高程设计洪水位计算的坝顶高程h h设设=设计洪水位设计洪水位+h h设设校核洪水位计算的坝顶高程校核洪水位计算的坝顶高程h h校校=校核洪水位校核洪水位+h h校校坝顶高程坝顶高程maxmax（h h设，设，h h校校），同时防浪墙高度，同时防浪墙高度 1.21.2mm三、实用剖面三、实用剖面剖面形态剖面形态由基本剖面修改为实用剖面，有三种常用的形态。由基本剖面修改为实用剖面，有三种常用的形态。（1 1）铅直上游坝面）铅直上游坝面适用适用：坝基：坝基f f、c c较大，剖面由应力条件控制。较大，剖面由应力条件控制。优点优点：便于布置和操作坝身过水管道进口控制设备。：便于布置和操作坝身过水管道进口控制设备。缺点缺点：经济性不明显。：经济性不明显。（2 2）上游坝面上部铅直、下部倾斜）上游坝面上部铅直、下部倾斜优点优点：利用部分水重增加坝的稳定性，上部仍能便于管道：利用部分水重增加坝的稳定性，上部仍能便于管道进口布置和操作。进口布置和操作。缺点缺点：上游折坡点要结合应力和管道进口布置高程：上游折坡点要结合应力和管道进口布置高程选定，要验算折坡点截面的强度和稳定。一般在坝选定，要验算折坡点截面的强度和稳定。一般在坝高的高的1/32/31/32/3的范围内。的范围内。（3 3）上游坝面略呈倾斜）上游坝面略呈倾斜优点：优点：增加坝体自重，利用部分水重增加坝的稳定增加坝体自重，利用部分水重增加坝的稳定性，可避免库空时下游产生过大拉应力。性，可避免库空时下游产生过大拉应力。适用：适用：f f、c c较小情况。较小情况。三、实用剖面三、实用剖面四、优化设计四、优化设计1、确定描述坝体体形的设计参数；2、建立目标函数，一般取结构的重量和造价，因重力坝的造价主要取决于坝体砼方量，故取坝体体积作为目标函数；3、确定约束条件，如稳定约束、应力约束、几何约束等；4、优化计算方法，目标函数和约束条件都是设计参数的非线性函数，因此重力坝的优化设计是一个非线性规划问题。2-6 2-6 泄水重力坝设计泄水重力坝设计 坝身设有溢流面、底孔、中孔的重力坝称为泄水重力坝。它既是泄水建筑物，又是挡水建筑物。因此它除了应满足挡水建筑物的稳定强度要求外，还应满足水流条件、解决好下泄水流对建筑物可能产生的空蚀、振动以及对下游的冲刷。一、泄水重力坝的泄水方式 1、坝顶溢流式 从坝顶过水，闸门承受水头较小，孔口 尺寸可以较大；闸门全开时，下泄流量与水头 的二分之三次方成正比；闸门启闭方便，易于检查修理；可以排冰及其他漂浮物，但不能预泄；2、大孔口溢流式 为满足预泄要求将堰顶高程降低；利用胸墙挡水减小闸门高度；低水位时胸墙不影响泄流，和堰顶泄流相同；胸墙可以做成活动式的，当遇特大洪水时，可将胸墙吊起来；库水位较低时，不能供水和放空检修；3、深式泄水孔 按孔内流态可分为 有压泄水孔 无压泄水孔流量与水头的二分之一次方成比例，超泄能力小；闸门承受水头高，操作、检修都比较复杂；可向下游供水、预泄、放空、排沙和施工导流；以上三种方式各有特色，应结合具体情况比较选择，一般可配合使用，但为简化结构、便于施工和运用，类型不宜过多；二、溢流重力坝的剖面设计 1、溢流面1溢流面顶部曲线 视堰顶是否允许出现真空，有真空堰和非真空堰两种堰型，非真空堰曲线稍稍切入相应于薄壁堰的溢流水舌，使其在设计条件下坝面不致发生真空；真空堰较非真空堰瘦，堰面与自由水舌脱开，工程中常用的非真空堰有克奥曲线和幂曲线(WES)要求：堰面压力分布合理，无负压；泄流能力大；这两个要求实际上是矛盾的，为满足这两者，出现了不同的堰曲线定型设计水头Hd 当H(运)Hd时，出现负压，Q，负压需控制；当H(运)Hd时，出现正压，Q，2直线段 直线段的坡度取用非溢流坝下游坡度，并作调整，使其与非溢流坝在同一平面，上部与溢流曲线相切，下部与反弧段相切。3反弧段（结构尺寸）鼻坎高程挑角反弧半径Rl/h0.5时不分开 l/h0.5时分开2、溢流坝的孔口尺寸 1己知设计洪水位和允许下泄流量 先定qLH。(堰顶高程)2未知设计洪水位,己知允许下泄流量 假定堰顶高程(孔口尺寸)，调最大泄量与 q相比影响因素：设计洪水标准；下游防洪要求；地形地质条件(单宽流量)总泄量 a、确定单宽流量 b、孔口尺寸表4-6 永久性建筑物洪水标准 12345正常运用(设计)10005005001001005050303020非常运用(校核)5000200020001000 1000500500200200100运用情况洪水重现期（年）建筑物级别(堰顶高程)=设计洪水位-H0 3 3、溢流坝顶部结构布置 包括闸门、启闭机、闸墩、工作桥、公路桥等4、溢流重力坝的稳定及强度计算 (方法同非溢流重力坝)三、大孔口、深式泄水孔的布置 1、大孔口的布置 为满足预泄洪水、减小闸门高度的要求，在坝顶可布设带胸墙的大孔口泄水建筑物,大孔口泄流视水头与孔口高度情况分为三种：1Hmax/D1.5 堰顶按孔口射流曲线设计 2Hmax/D1.2 堰流 31.2 Hmax/D1.5 通过试验确定曲线型式，最大负压不超过3-6m水柱高 2、深式泄水孔的型式及布置 1深式泄水孔易产生的问题 孔内流速高，易产生负压、空蚀、振动；闸门在水下，承受压力大，检修困难，启门力也相应加大；门体结构、止水和启闭都较复杂；2深式泄水孔的型式按水流条件分 有压：优点：工作闸门布置在出口，门后为大气，可部分开启，出口高程低，利用水头大，Q大可使断面尺寸较小；缺点：闸门关闭时，孔内承受较大的内 水压力，对坝体的应力和防渗不 利，常需钢板衬砌；无压：优点：工作闸门在进口，可以部分开启，关闭后孔道内无水，明流段可不 用钢板衬砌，施工简便，干扰少，有利于加快进度；缺点：断面尺寸大，削弱坝体；按所处高程分：中孔-位于坝高1/3-2/3范围内 底孔-位于坝高底部1/3范围内 按布置的层数分：单层、多层(双层)3深式泄水孔的布置 A、进口曲线 要求：a、水头损失小，泄水能力大；b、控制负压，防止空蚀；进口曲线：(椭圆方程)常采用常采用1/41/4椭圆，长轴与孔轴平行椭圆，长轴与孔轴平行 对圆形孔对圆形孔 A=A=直径直径 =0.30=0.30 孔口两侧孔口两侧 A=A=孔宽孔宽 =1/4 =1/4 对矩形孔对矩形孔 A=A=孔高孔高 =1/3=1/31/41/4B、管身 有压：有压：用圆形，过水能力强，周边应力较好；无压：无压：用矩形，留足够的净空顶部距水面矩离取最大流量不掺气水深的3050 C、渐变段 由方圆(进口段用)由圆方(出口段用)因施工较复杂，不宜太长，为满足水流平顺要求又不宜太短，故常取 L=(1.52.0)D D、竖向连接 由缓变陡时，用抛物线 由陡变缓时，用反弧 E、平压管和 通气孔 四、泄水重力坝的下游消能四、泄水重力坝的下游消能 通过坝体的下泄水流具有很大的能量，当水位差为40m时，单宽流量q=50秒立方米，1米宽河床内的水流动能可达24000匹马力，如此巨大的能量主要消耗于两个方面：1、水流的内部损耗，如摩擦、冲击、紊动、漩涡；2、水流与固体边界作用，如摩擦、冲刷等；当冲刷扩展到坝基时，就会危及坝体安全；消能设计原则：1尽量增加水流的内部紊动 2限制水流对河床的冲刷范围消能方式：(底流消能、挑流消能、面流消能、消力戽消能)1、底流消能 1工作原理 在坝趾下游设消力池、消力坎等，促使水流在限定范围内产生水跃，通过水流的内部摩擦、掺气和撞击消耗能量。2产生底流消能的条件图3-48 水跃类型(a)波状水跃(b)弱水跃(c)振荡水跃(d)稳定水跃(e)强水跃3岩基上护坦的构造 要求：护坦厚度应满足稳定要求，在扬压力和脉动压力作用下不浮起。荷载：水重集度P 平均脉动压强A 动水压力 (比较复杂，由试验确定)扬压力强度U(设排水时，仅有浮托力，不设排水时，除考虑浮托力外还有渗透 压力)增稳措施-锚筋 2、挑流消能 1工作原理 利用鼻坎将水流挑向空中，并使其扩散，掺入大量空气，然后落入下游河床水垫，形成旋滚，消耗能量约20。起初冲刷河床，形成冲坑，达一定深度后，水垫加厚冲坑趋于稳定。2设计内容 选择鼻坎型式 反弧半径 鼻坎高程 挑射角度 3连续式挑坎 R水流转向容易，但鼻坎向下游延伸较长，工程量增加；R水流转向困难，一般取(8-10)hc；挑射距离远，入水角大，冲坑深；挑射距离近，入水角小，冲坑浅；=2035 鼻坎高程一般高出下游最高水位1-2m。4对坝体安全的评估 挑距 冲坑 对陡倾角岩石对陡倾角岩石:对缓倾角岩石对缓倾角岩石:5差动式挑坎 使水流通过高低坎分为两股射出，在垂直方向有较大的扩散，水舌入水宽度增加，减少了单位面积上的冲刷能量，两股水流在空中互相撞击、掺气加剧。因此冲坑较连续式的浅，约减少35，但挑距将有所减小。主要缺点：高坎侧面极易形成负压而产生空蚀。3、面流消能工作原理：利用鼻坎将水流挑至水面(不是空中)，在主流下面形成旋滚，从而达到消能的目 的。结构尺寸：同挑流鼻坎 不同之处：鼻坎低一些(下游水位附近)；小一些(=0)适用场合：下游水位较深，单宽流量变化范 围小，水位变幅不大；有排冰和漂木要求；缺点：消能效率不高；下游水面波动大；影响电站稳定运行和通航。图图3-74 3-74 跌跌坎坎面面流流消消能能基基本流态本流态（a a）自由面流；）自由面流；（b b）混合面流）混合面流（c c）淹没混合面流；）淹没混合面流；（d d）淹没面流，）淹没面流，4、消力戽消能 工作原理：利用戽坎在水下的特点，使水 流分别在戽内和戽后漩滚，形 成“三滚一浪”，进而达到消 能目的。设计内容：确定反弧半径R R坎上水流出流条件好，戽内漩滚水体相应加 大，对消能有利，但R太大，效果不显 著，且戽体工程量加 大。戽坎高度a 戽坎应高于河床，以防泥沙杂物 卷入戽内，一般取尾水深的1/9，a=R(1-COS)挑射角度 大部分工程采用45，也有采 用37-40，易产生戽流，但涌浪高冲坑深戽内漩滚易 超出戽外，最好由试验确定。戽底高程 一般取与河床同高，原则上保证 在各级流量和下游水位条件下均 能发生稳定戽流。优点：工程量比消力池省，冲刷坑比挑流消能 小，不存在雾化问题。缺点：下游水位波动较大，延绵范围较长，易冲 刷河岸，对航运不利，底部漩滚会把河床 砂石带入戽内，磨损戽面，增加维修费用。5、宽尾墩与挑流联合消能6、不利流态-折冲水流的产生及其防止折冲水流：闸坝泄向下游的水流，主流在平面 上不能均匀扩散，两侧形成回流，使主流受挤压，单宽流量增加，当 两侧回流强度不同、水位不同时，可能将主流压向一侧，并沿下游河 道或左或右摆动的现象。参见教材Page441 图10-6。防止措施：1在枢纽布置上尽可能使下泄水流与原河道 主流一致；2规定闸门操作程序，均匀对称开启；3设分水墙，布置消力墩、扩散槛和齿槛等4进行水工水力学模型试验；2-7 重力坝的材料及构造一、重力坝的材料一、重力坝的材料 重力坝的材料主要是混凝土，山区也有用石块砌11水土混凝土的特点水土混凝土的特点 抗压性能好 多用于承受压力的结构；可塑性好 可以制成结构所需要的形状 能抗渗、抗侵蚀 可进行机械化施工，节省劳动力 可进行水下施工，大大改善施工条件 可制成预制件22混凝土的设计强度及龄期混凝土的设计强度及龄期 强度包括抗拉、抗压、抗剪。通常用标号来表示砼强度的高低。砼强度是随着龄期增长的，那么在规定设计标号时应同时规定设计龄期。抗压：规定设计龄期为90天，不超过180 天，28天龄期时的强度不低于75号抗拉：规定设计龄期为28天，一般不采用后 期强度。常用的砼标号有C10、C15、C20、C25、C30、C40等。在试验室里，用砼拌和物做成202020cm的试块，在标准条件(温度203C，相对湿度95以上)下养护28天(90天)作抗压试验。测得其极限抗压强度，以kg/c表示，即为标号。(抗压强度=(75-85)标号)3 3、混凝土的耐久性、混凝土的耐久性 耐久性包括抗渗、抗冻、抗磨、抗侵蚀抗渗：指抵抗压力水渗透的性能，用抗渗标号 表示，可根据作用水头与抗渗砼层厚度 的比值(渗透坡降)选定。抗冻：指砼在饱和状态下，经过多次冻融循环 而不破坏，也不严重降低强度的性能。抗磨：指抵抗高速水流或挟沙水流的冲刷磨损的 性能。目前尚未订出明确的技术标准，通 常有抗磨要求的砼其抗压强度不得低于 200号。抗侵蚀：某些物质的化学作用，需进行水质分析 二、坝体混凝土分区二、坝体混凝土分区理由：因坝体各部位受力条件不同，为节约和 合理使用水泥而为之。分区：-上下游水位以上坝体表层砼 -上下游水位变化区的坝体表层砼 -上下游最低水位以下坝体表层砼 -靠近地基的砼-坝体内部砼-抗冲刷部位砼(如溢流面、泄水孔周边 导墙闸墩等)为便于施工，应尽量减少混凝土标号的类别，相邻区的强度标号不应超过两级，以免引起应力集中或产生温度裂缝。分区厚度不小于2-3m。三、坝顶构造三、坝顶构造四、施工温度控制及裂缝的防止四、施工温度控制及裂缝的防止 混凝土在施工过程中，由于水泥水化热的影响，引起体积变化，如果体积受到外部或内 部的约束，便产生温度应力，当应力值超过初期混凝土的抗拉能力时(砼初期抗拉强度是很低的)便出现裂缝。因此应严格控制温度。1 1、温度变化规律、温度变化规律 为了深入理解混凝土块体内温度裂缝的成因，首先需了解坝体砼温度的变化规律 砼浇筑入仓后，其温度将有一个复杂的变化过程，它与以下三个因素有关：1砼在硬化过程中散发水化热成为内部热源；2流态砼入仓时的温度与当时周围介质的温 度不同，即存在“初始温差”；3周围气温随时间在变化；由于上述三个因素的存在，砼内部各点之间以及砼与周围介质存在温差，热量在其间流动传导，大体上讲，砼入仓后任一点的温度变化过程为:混凝土的温度变化过程混凝土的温度变化过程 大体积混凝土的温度变化过程，可分为3 个阶段：温升期，降温期（冷却期），和稳定期。2 2、温度应力及裂缝成因、温度应力及裂缝成因 温度变化后，砼产生体积变形，当变形不能自由发生而受到约束时即产生温度应力。根据约束的特点，温度应力可分为：基础约束温度应力易导致贯穿性裂缝砼自身约束温度应力易导致表面裂缝等混凝土坝温度裂缝混凝土坝温度裂缝 3 3、温度裂缝的控制与防止、温度裂缝的控制与防止 1注意浇筑块的温度、湿度控制 减少砼水化热温升是降低温度应力防止裂缝的重要方法，包括：减少水泥用量 如分区采用不同标号砼、埋块石、在水泥中加掺合剂 降低砼的入仓温度，如预冷骨料，加冰拌和。采取措施散发热量，包括人工冷却和天然散热2提高砼的浇筑质量和抗裂性能高坝靠近地基部位28天龄期砼不低于C15-C20，坝内90天龄期不低于C10中低坝，上述标号可适当降低，但不低于90天龄期C10提高砼浇筑质量，合格率不低于80，离差系数应尽量小于0.153分缝(横缝和纵缝)目的：a、适应施工能力的要求 b、防止温度应力产生裂缝 c、防止不均匀沉降产生裂缝型式：横缝：垂直于坝轴线，相隔12-20m，有 时顾及溢流孔口尺寸和厂房机组间 距。永久缝-缝面为平面，缝宽1-2cm，缝内设止水，止水材料可用金 属片(如紫铜片)、橡胶、塑料 和沥青等。临时缝-缝面为楔形键槽，为传递力需灌浆。临时缝适合于下列情况a a、河岸狭窄，做成整体以发挥两岸的支撑作用；、河岸狭窄，做成整体以发挥两岸的支撑作用；b b、岸坡较陡，做成整体以改善岸坡坝段的稳定性；、岸坡较陡，做成整体以改善岸坡坝段的稳定性；c c、对软弱破碎带上的坝段，做成整体可增加坝体刚度；、对软弱破碎带上的坝段，做成整体可增加坝体刚度；d d、提高大坝的抗震性能；、提高大坝的抗震性能；横缝键槽的方向可竖向布置也可水平向布置。纵缝：沿坝轴线布置，属于临时缝；待坝体温度 降到稳定温度后，进行接缝灌浆。纵缝型式：铅直纵缝-最常用的一种，间距15-30m，为 更好地传力，需在缝面上设三角形 键槽，缝面主要受正应力，剪应力 较小。错 缝-将将缝错开，不作灌浆处理，基岩附近分缝错开，不作灌浆处理，基岩附近分 块高度高块高度高1.5-2.0m1.5-2.0m，坝体内，坝体内3-4m3-4m，错，错 距不应超过浇筑块厚度的一半，以免垂直距不应超过浇筑块厚度的一半，以免垂直 开裂，适用于低坝。施工简便。开裂，适用于低坝。施工简便。斜 缝-大致沿主应力方向设置，缝面剪应力小，亦 不必灌浆，斜缝不应直通上游面，为防止斜缝在终止处沿缝顶向上贯穿,需采取并缝措施，如布设骑缝钢筋，设并缝廊道等。斜缝 施工复杂，较少采用。通仓浇筑-由于温控和施工技术水平提高，加之施工简 便，可以加快速度，采用薄层通仓浇筑，为防止水泥水化热引起温度应力，故采取降 低水泥用量添加粉煤灰，采用碾压技术提高 容重-碾压混凝土坝。五、坝体排水五、坝体排水 1、作用：降低坝体内的渗透压力。2、布置：坝体排水管的间距，一般2-3m管内径 15-25cm；距上游面距离 要求不小于坝前水深 的1/10-1/12；排水线路 渗入坝体排水管 廊道集水井下游 排水管材料 无砂砼或多孔砼六、廊道六、廊道 1、作用：灌浆、排水、检修、交通、检查等 2、型式 基础廊道：尺 寸：城门洞型2.5m3.5m满足灌浆要求；距上游面：应满足砼渗透坡降要求，取(0.05-0.1)H 距坝基面：满足帷幕灌浆时盖重的要求，一般取4-5m 坝身廊道：尺 寸：满足交通检查等要求，上圆下方 1.2m2.2m 距上游面距离：同排水管，(0.05-0.07)H 且不小于3m沿高程：每隔15-20m设一层。2-8 2-8 重力坝的地基处理重力坝的地基处理 重力坝的失事有40是因为地基问题造成的。实际上，完整无缺的地基也是很难找到的。基岩中存在着节理、裂隙、断层、夹层等软弱结构面，它们都会不同程度地破坏或降低了岩体的稳定性、强度及抗渗能力。所以在具有缺陷的岩基上修建重力坝应对地基进行处理。它包括两方面的工作：一是防渗；二是提高基一是防渗；二是提高基岩强度岩强度(承载力承载力)。其处理措施有：一、开挖和清理一、开挖和清理 将复盖层和风化破碎的岩石挖掉，包括清除松动石块，打掉突出的尖角。(当复盖层很深时，全部清除工作量十分巨大，可考虑其他坝型)。二、固结灌浆二、固结灌浆 目 的：提高基岩的整体性和弹性模量；减少基岩受力后的变形；提高基岩的抗压抗剪强度；降低坝体的渗透性减少渗流量；设计内容：1确定灌浆范围应力较大的上下游部位 局部节理裂隙发育和破 碎带及其附近的范围 2灌浆孔的深度 5-8 m 3灌浆孔的间距3-4m 4 排列型式 梅花形或井字形固结灌浆孔排列型式固结灌浆孔排列型式 梅花形或井字梅花形或井字(棋盘棋盘)形形 三、帷幕灌浆三、帷幕灌浆 目的：降低坝基渗透压力，减少渗流量 深度：相对隔水层浅时，打至隔水层内3-5m；相对隔水层深时，打至(0.3-0.7)倍 坝高；相对不透水层相对不透水层是指单位吸水率0.01升/分米，单位吸水率单位吸水率 即一米长的钻孔在1kg/c压力 下一分钟内的吸水量。厚度：由承受的水力坡降而定 位置：基础灌浆廊道上游沿坝轴线形成阻水 幕 方向：钻孔方向一般垂直向下，必要时有一 定斜度(10以内)与节理方向正交。为帷幕的允许渗透坡降 说明：说明：最大渗透坡降发生在帷幕顶部，当设双排灌浆孔时，只需将一排灌至设计深度，另一排灌至设计深度的1/2-2/3即可。四、坝基排水四、坝基排水 因帷幕不能完全截断渗流，为进一步降低坝底的渗透压力，需设置坝基排水(打排水孔和设置基础排水廊道)。五、断层破碎带处理五、断层破碎带处理 断层破碎带由于强度低，弹性模量小，可能引起坝基产生不均匀沉陷和坝体开裂。破碎带如连通水库将使坝基渗透压力加大，在高压水作用下破碎带内的物质可能产生机械和化学管涌淘刷坝基，危及大坝安全。处理措施：1、破碎带倾角较大或与地面接近垂直时，在坝基面采用砼塞。塞深为(1-1.5)破碎带宽度。图4-51 倾角较缓的断层破碎带处理1平洞回填；2斜井回填；3阻水斜塞；4表面混凝土梁(塞)；5破碎带；6帷幕灌浆孔；7阻水斜塞井壁固结灌浆2、有倾角但不大的破碎带处理除在坝基面做砼塞外，还需在其下部埋深部分进行斜井和平洞回填处理。2-9 2-9 其他型式的重力坝其他型式的重力坝重力坝的主要缺点：1扬压力大；2材料强度不能充分利用；3坝体体积大，水泥用量多，水化热高，散热条件差；一、宽缝重力坝 1、宽缝重力坝的剖面型式及构造特点 它由实体重力坝横缝“加宽”而成，坝基渗水从宽缝处排出，使扬压力减小同时作用面积减小，比实体重力坝可节省10-20。宽缝的存在增加侧向天然散热面，加快散热过程，有利于温度控制；坝段内厚度减薄，有利于充分利用材料强度；坝内有宽缝便于观测检查；根据不同坝段的地质条件，通过改变宽缝尺寸来调节坝体重量，外观保持一致；模板用量增加，倒悬模板拆装麻烦，施工复杂；气温变化剧烈的地区，易产生表面裂缝；2、剖面尺寸 坝段宽度 L=16-24m 考虑：1溢流坝段布置，孔数和尺寸；2发电厂房的机组间距；3施工条件；缝宽 2S=(20-40)L 2S宽缝的优点不明显；2S坝体腹部易产生拉应力；宽缝高 满足施工导流、厂房引水管、稳定等要求。满足施工导流、厂房引水管、稳定等要求。n 可比实体重力坝略缓 n=0.15-0.35m 可比实体重力坝略陡 m=0.5-0.7tu 满足水力坡降和侧向传力要求；tu=(0.08-0.12)H 不小于3mtd 满足应力、施工和保温要求 td=3-5m 不小于2m3、稳定和应力分析 稳定分析-方法同实体重力坝 不同之处：不同之处：1按个坝段进行 2扬压力与实体坝不同应力分析：严格地讲是三维问题，实践经验表明：宽缝坝的应力分布接近平面状态，只 是局部应力分布复杂。分析时按两种 问题处理：1整体作为变厚度的平面问题来处理，整体应力分析用材力法，截面简化为工字形，假定坝体应力沿坝轴线厚度方向均匀分布，y呈直线分布 2局部应力分析-头部三、空腹重力坝 优点：优点：11有效地降低扬压力，节省工程量。有效地降低扬压力，节省工程量。22河谷狭窄，枢纽布置有困难时，厂房可布河谷狭窄，枢纽布置有困难时，厂房可布 置在空腹内，还可节省压力钢管长度。置在空腹内，还可节省压力钢管长度。33上下游坝体上下游坝体(称前后腿称前后腿)，分别浇筑，免设纵缝；，分别浇筑，免设纵缝；缺点：1结构、施工均较复杂，设计难度较大；2模板多，钢筋用量大；剖面设计 先按实体重力坝拟定剖面 设空腹空腹大小空腹大小 所节省的砼与减少的扬压力相当；空腹形状空腹形状 以近似半个椭圆为宜，长轴与水平 面约呈60夹角，大致接近于实体 坝主应力方向；空腹高度空腹高度 小于1/3坝高；空腹宽度空腹宽度 前后腿空腹各占坝底总宽度的1/3；前腿底部剪力较大，故前腿宽度略大 一些有利；当空腹内布置厂房时，形状尺寸应同时满足厂房要求，顶部布置成两心圆弧拱，上游侧做成铅直的，当厂房设底板时，应设可靠的排水系统。应力分析：比较复杂，材力法不再适用，可用有限单元法或结构模型试验法求解坝体应力。三、碾压砼坝 碾压砼坝应满足稳定、强度和防渗要求。设计时应考虑如下几个方面：1、满足稳定、散热要求 1水泥用量减少，容重降低，为稳定计采用 振动碾碾