重力坝设计-.ppt

第一章 重力坝(二)1 1第五第五节节 重力重力坝坝的的应应力分析力分析一、重力一、重力坝应坝应力分析的目的力分析的目的 1.检查坝检查坝体和体和坝坝基在基在设计设计情况下能否情况下能否满满足足强强度的要求度的要求；2.根据根据应应力力 分布情况分布情况进进行行坝坝体混凝土体混凝土标标号的分区号的分区；3.研究研究坝坝体某些部位的局部体某些部位的局部应应力集中和某些特殊力集中和某些特殊结结构构(如如坝坝内孔道、溢流内孔道、溢流坝闸坝闸墩和挑流鼻坎等墩和挑流鼻坎等)的的应应力状力状态态，以便采，以便采取加取加强强措施。措施。二、重力二、重力坝应坝应力分析方法力分析方法 应应力分析的方法可力分析的方法可归纳为归纳为理理论计论计算算和和模型模型试验试验两大两大类类。理理论计论计算又分算又分为为材料力学法材料力学法和和弹弹性理性理论论法法等等。国内外广。国内外广泛采用泛采用弹弹性理性理论论的有限的有限单单元法元法来来计计算算坝坝体体应应力力。2 2DL5108-1999规规定：定：混凝土重力混凝土重力混凝土重力混凝土重力坝坝坝坝一般以一般以材料力学法材料力学法和和刚刚体极限平衡法体极限平衡法计计算成果作算成果作为为确定确定坝坝体断面的依据。体断面的依据。高高高高坝坝坝坝除用除用材料力学法材料力学法计计算算坝坝体体应应力外，尚宜采用力外，尚宜采用有限有限元法元法进进行行计计算分析，必要算分析，必要时时可采用可采用结结构模型、地构模型、地质质力学模力学模型型等等试验验证试验验证。修建在复修建在复杂杂地基上的地基上的中中中中坝坝坝坝，必要，必要时时，可，可进进行行有限元分有限元分析。析。三、材料力学法三、材料力学法计计算重力算重力坝边缘应坝边缘应力力(一一)基本假定基本假定 1.坝坝体混凝土体混凝土为为均均质质、连续连续、各向同性的、各向同性的弹弹性材料。性材料。2.视坝视坝段段为为固接于地基上的固接于地基上的悬悬臂梁，不考臂梁，不考虑虑地基地基变变形形对坝对坝体体应应力的影响，并力的影响，并认为认为各各坝坝段独立工作，横段独立工作，横缝缝不不传传力。力。3 3 3.假定假定坝坝体水平截面上的正体水平截面上的正应应力力 y按直按直线线分布，分布，不考不考虑虑廊道等廊道等对坝对坝体体应应力的影响。力的影响。(二二)重力重力重力重力坝边缘应坝边缘应坝边缘应坝边缘应力的力的力的力的计计计计算算算算 计计算算图图形及形及应应力与荷力与荷载载的正方向的正方向见图见图1-5-1。材料力学法通常材料力学法通常沿沿坝轴线坝轴线取取单单位位宽宽度度(1m)的的坝坝段作段作为计为计算算对对象。象。在一般情况下，在一般情况下，坝坝体的最大和最小体的最大和最小应应力都出力都出现现在在坝坝面面，所以，在重力所以，在重力坝设计规坝设计规范中范中规规定，定，首先首先应应校核校核坝坝体体边缘应边缘应力是否力是否满满足足强强度要求。度要求。计计算算坝坝体内部体内部应应力需要以力需要以边缘应边缘应力力为边为边界界条件。条件。沿沿坝坝高方向高方向每隔一定高度每隔一定高度(或断面或断面轮轮廓有突廓有突变处变处)切取水平截面作切取水平截面作为计为计算截面。算截面。4 4 图图1-5-1 坝坝体体应应力力计计算算图图5 5 图图1-5-2 坝坝体体边缘应边缘应力力计计算算图图6 6 1.1.水平截面上的水平截面上的水平截面上的水平截面上的边缘边缘边缘边缘正正正正应应应应力力力力 y y 和和和和 y y 据材料力学偏心受据材料力学偏心受压压公式：公式：y +=ABOOT2T2B面积：A=TB=T抗弯截面模量：WZ=y y y y y 7 7 2.2.边缘边缘边缘边缘剪剪剪剪应应应应力力力力 和和和和 (1)对对于上游于上游A点微元体点微元体 取取可得：可得：化化简简得：得：(2)对对下游下游坝坝面面B点微元体点微元体 同理可得同理可得：8 83.3.铅铅铅铅直截面上的直截面上的直截面上的直截面上的边缘边缘边缘边缘正正正正应应应应力力力力 x x 利利利利 x x (1)对对于上游于上游坝坝面面A点微元体点微元体 取取得得：化简得：(2)对对下游下游坝坝面面B点微元体点微元体 同理可得：同理可得：9 9 4、边缘边缘主主应应力力 和和（1）第一主）第一主应应力力 1和和 1 上下游上下游坝坝面面仅仅受垂直于受垂直于坝坝面的水面的水压压力，没有剪力，没有剪应应力。力。因此，上下游因此，上下游坝坝面即面即为为主主应应力面之一，而另一主力面之一，而另一主应应力面必力面必然与然与坝坝面垂直。面垂直。1）对对于上游于上游坝坝面面A点三角形微元体点三角形微元体 取取得：得：化化简简得：得：2）对对于下游于下游坝坝面面A点三角形微元体点三角形微元体 取取可得：可得：1010（2）第二主）第二主应应力力 2和和 2 由于另一主由于另一主应应力即力即为为作用在作用在坝坝面上的面上的压压力力强强度，故有：度，故有：2=p 2=p 5.有有扬压扬压力力时边缘应时边缘应力的力的计计算算 (1)水平截面上的水平截面上的边缘边缘正正应应力力 y和和 y 将将扬压扬压力作力作为为一种荷一种荷载计载计入入 和和 中，再中，再应应用前用前述公式。述公式。(2)其佘其佘边缘应边缘应力力 仍根据仍根据坝坝面微元体的平衡条件求得。但此微元体上需面微元体的平衡条件求得。但此微元体上需计计入入扬压扬压力。力。1111 1)上游上游边缘应边缘应力力2)下游下游边缘应边缘应力力1212 (3)当无泥沙当无泥沙压压力和地震力和地震动动水水压压力情况力情况时时 p=pu p=pu1)上游上游边缘应边缘应力力 =yn x=yn2 1=(1+n2)y 2=0 2)下游下游边缘应边缘应力力 =ym x=ym2 1=(1+m2)y 2=01313四、四、强强度校核度校核(一一)承承载载能力极限状能力极限状态态强强度度验验算算 强强度度验验算算时时，应应考考虑虑基本基本组组合和偶然合和偶然组组合两种情况。合两种情况。规规范范规规定，重力定，重力坝坝承承载载能力极限状能力极限状态态抗抗压压强强度的核算点度的核算点有：有：坝坝基面的基面的坝坝趾；趾；坝坝体体选选定截面的下游端点。定截面的下游端点。1.作用效作用效应应函数函数 2.抗力函数抗力函数R()=fc或或R()=fR 3.强强度要求度要求1414(二二)正常使用极限状正常使用极限状态态强强度度验验算算 1.DL5108-1999规规定：定：(1)核算核算坝坝踵垂直踵垂直应应力，按作用的力，按作用的标标准准值值分分别计别计算作用的短期算作用的短期组组合和合和长长期期组组合；合；(2)核算核算坝坝体体上游面的垂直上游面的垂直应应力，按作用的力，按作用的标标准准值计值计算作用的算作用的长长期期组组合；合；(3)核算短期核算短期组组合下游合下游坝坝面的垂直拉面的垂直拉应应力。力。2.坝坝踵和踵和坝坝体上游面的垂直体上游面的垂直应应力力计计算公式算公式(计扬压计扬压力力)S()=0 3.短期短期组组合下游合下游坝坝面的垂直拉面的垂直拉应应力力计计算公式算公式 S()=1515荷荷载计载计算步算步骤骤：分析分析 画画图图列表列表计计算算校核校核161617171818坝坝体体应应力力的的实实际际分分布布情情况况比比较较复复杂杂，受很多因素影响。，受很多因素影响。1 1、地基、地基变变形模量形模量对坝对坝体体应应力的影响力的影响五、各种因素五、各种因素对坝对坝体体应应力的影响力的影响1919 2 2、地地基基变变形形弹弹模模对对坝坝体体应应力力的的影影响响 3 3、坝坝体体异异弹弹模模对对坝坝体体应应力的影响力的影响 4 4、纵纵缝缝对对坝坝体体应应力的影响力的影响 5 5、分分期期施施工工对对坝坝体体应应力力的的影影响响(见见下下图图)6 6、坝坝踵踵断断裂裂对对坝坝体体应应力的影响力的影响2020坝体主应力分布示意图2121第五第五节节 重力重力坝坝的剖面的剖面设计设计一、剖面一、剖面设计设计原原则则1.满满足足稳稳定和定和强强度要求，保度要求，保证证大大坝坝安全；安全；2.工程量小；工程量小；3.运用方便；运用方便；4.便于施工。便于施工。二、基本剖面二、基本剖面 重力重力坝坝的基本剖面是指的基本剖面是指坝坝体在自重、静水体在自重、静水压压力力(水位与水位与坝顶齐坝顶齐平平)和和扬压扬压力三力三项项主要荷主要荷载载作用下，作用下，满满足足稳稳定和定和强强度要求，并使工程量最小的三角形度要求，并使工程量最小的三角形剖面。剖面。22222323 对对于于完整、完整、坚坚硬的岩基硬的岩基，f、c值较值较大，剖面大，剖面尺寸主要由上游面不出尺寸主要由上游面不出现现拉拉应应力的条件控制，上力的条件控制，上游游坝坝坡坡较较陡，甚至可做成倒坡陡，甚至可做成倒坡(n05时时，应验应验算算B-B截面的截面的应应力，如力，如应应力力较较大，可大，可在在坝坝体与鼻坎之体与鼻坎之间间用用缝缝分开。分开。1021:mBCA (二二)溢流溢流坝实坝实用剖面用剖面 溢流溢流坝实坝实用剖面是将溢流面曲用剖面是将溢流面曲线线与与坝坝体基本剖面体基本剖面拟拟合合修改而成。修改而成。A4949四、消能防冲四、消能防冲设计设计(一一)消能工的消能工的设计设计原原则则(1)尽量使下泄水流的大部分尽量使下泄水流的大部分动动能消耗在水流内能消耗在水流内部的紊部的紊动动中，以及水流与空气的摩擦中，以及水流与空气的摩擦 上；上；(2)不不产产生危及生危及坝坝体安全的河床或岸坡的局部冲体安全的河床或岸坡的局部冲刷；刷；(3)下泄水流平下泄水流平稳稳，不影响枢，不影响枢纽纽中其他建筑物的中其他建筑物的正常运行；正常运行；(4)结结构构简单简单，工作可靠；，工作可靠；(5)工程量小。工程量小。5050(二二)消能工型式消能工型式 消能工型式消能工型式消能工型式消能工型式 优优优优点点点点缺点缺点缺点缺点适用适用适用适用挑流消能挑流消能挑流消能挑流消能 坚坚坚坚硬岩石上的中、硬岩石上的中、硬岩石上的中、硬岩石上的中、高高高高坝坝坝坝。底流消能底流消能底流消能底流消能 中、低中、低中、低中、低坝坝坝坝或基岩或基岩或基岩或基岩较较较较差的河道。差的河道。差的河道。差的河道。面流消能面流消能面流消能面流消能 水水水水头较头较头较头较小的中、小的中、小的中、小的中、低低低低坝坝坝坝，尾水，尾水，尾水，尾水较较较较深，深，深，深，下游水位下游水位下游水位下游水位稳稳稳稳定。定。定。定。消力戽消能消力戽消能消力戽消能消力戽消能 尾水尾水尾水尾水较较较较深。深。深。深。新新新新型型型型高高高高效效效效的的的的消消消消能工能工能工能工 中、高中、高中、高中、高坝坝坝坝，单宽单宽单宽单宽流量大。流量大。流量大。流量大。5151底流式消能底流式消能5252面流式消能面流式消能5353消力戽消能消力戽消能5454挑流消能挑流消能 5555 鼻鼻坎坎挑挑流流消消能能设设计计主主要要包包括括：选选择择合合适适的的鼻鼻坎坎型型式式、鼻鼻坎坎高高程程、挑挑射射角角度度、反反弧弧半半径径、计计算算挑挑射射距距离离和和最最大大冲冲坑坑深深度度。挑挑射射水水流流形形成成的的冲冲坑坑应应保保证证不影响不影响坝坝体及其它建筑物的安全。体及其它建筑物的安全。1.鼻坎型式鼻坎型式 (1)连续连续式式 (2)差差动动式式 2.鼻坎高程鼻坎高程 鼻坎最低高程，宜鼻坎最低高程，宜高出宣泄高出宣泄设计设计消能防冲消能防冲建筑物的洪水建筑物的洪水标标准准时时的的下游水位，但可略低于下游水位，但可略低于下游最高水位。下游最高水位。5656 3.挑流鼻坎的挑角挑流鼻坎的挑角 挑流鼻坎的挑角，可采用挑流鼻坎的挑角，可采用150350，应应通通过过比比较选较选定。定。4.计计算挑射距离算挑射距离LL=L+LL=Ttan L=V12sin cos+V1 cos V12sin2+2g（h1+h2）0.5g 5.最大冲坑深度最大冲坑深度 T T=tkH2 tk=kq0.5H0.25 安全挑距：安全挑距：冲坑最低点距冲坑最低点距坝坝趾的距离趾的距离应应大于大于2.5倍坑深，即要求倍坑深，即要求L 2.5T。5757五、溢流五、溢流坝坝的上部的上部结结构构(一一)闸门闸门和启和启闭闭机机工作工作闸门闸门 事故事故闸门闸门检检修修闸门闸门1.闸门闸门平面平面闸门闸门弧形弧形闸门闸门平面平面闸门闸门 浮箱浮箱闸门闸门叠叠 梁梁2.启启闭闭机机活活动动式：式：门门机机固定式：卷固定式：卷扬扬式启式启闭闭机机(二二)闸闸墩、工作墩、工作桥桥和交通和交通桥桥 闸闸墩用来分孔，承受墩用来分孔，承受闸门传闸门传来的水来的水压压力，支承力，支承工作工作桥桥和交通和交通桥桥5858 1.闸闸墩的平面形状墩的平面形状5959 2.闸闸墩厚度墩厚度 闸闸墩厚度与墩厚度与闸门闸门形式有关。采用平面形式有关。采用平面闸门时闸门时需需设闸门设闸门槽，工作槽，工作闸门闸门槽深槽深052om，宽宽14m，门门槽槽处处的的闸闸墩厚度不得小于墩厚度不得小于115m，以保，以保证证有有足足够够的的强强度。弧形度。弧形闸门闸闸门闸墩的最小厚度墩的最小厚度为为1520m。如果是。如果是缝缝墩，墩厚要增加墩，墩厚要增加o510m。由。由于于闸闸墩墩较较薄，需要配置受力薄，需要配置受力 钢钢筋和温度筋和温度钢钢筋。筋。3.闸闸墩的墩的长长度和高度度和高度 闸闸墩的墩的长长度和高度，度和高度，应满应满足布置足布置闸门闸门、工作、工作桥桥、交通交通桥桥和启和启闭闭机械的要求机械的要求。4.边边墩和墩和导墙导墙 溢流溢流坝坝两两侧设边侧设边墩也称墩也称边墙边墙，一方面起，一方面起闸闸墩的墩的作用，同作用，同时时也起分隔溢流段和非溢流段的作用。也起分隔溢流段和非溢流段的作用。60606161第八第八节节 重力重力坝坝的材料及构造的材料及构造 一、混凝土重力一、混凝土重力坝坝的材料的材料 (一一)水工混凝土的特性指水工混凝土的特性指标标 1.强强度度 2.耐久性耐久性 混凝土的耐久性包括抗渗、抗混凝土的耐久性包括抗渗、抗冻冻、抗冲耐磨、抗冲耐磨、抗侵抗侵蚀蚀等。等。(1)抗渗性：抗渗性：是指混凝土抵抗水是指混凝土抵抗水压压力渗透作用的力渗透作用的能力。抗渗性指能力。抗渗性指标标可用抗渗等可用抗渗等级级表示表示。水力坡降水力坡降=水水头损头损失失渗径渗径Ly6262 (2)抗抗冻冻性：性：是表示混凝土在是表示混凝土在饱饱和状和状态态下能下能经经受受多次多次冻冻融循融循环环而不破坏，不而不破坏，不严严重降低重降低强强度的性能。度的性能。混凝土的抗混凝土的抗冻冻性用抗性用抗冻冻等等级级表示。表示。(3)抗冲耐磨性抗冲耐磨性 (4)抗侵抗侵蚀蚀性性 (二二)常常态态混凝土重力混凝土重力坝坝分区分区 坝坝体各部位的工作条件不同，体各部位的工作条件不同，对对混凝土材料混凝土材料性能指性能指标标的要求也不同。的要求也不同。为满为满足各部分的要求，足各部分的要求，节节省水泥用量及工程造价，通常将省水泥用量及工程造价，通常将坝坝体混凝土按体混凝土按不同部位、不同工作条件分区不同部位、不同工作条件分区 (5)抗裂性抗裂性6363坝坝体混凝土分区体混凝土分区图图6464二、二、坝坝体构造体构造(一一)坝顶坝顶构造构造6565(二二)坝坝体分体分缝缝 1.横横缝缝作用作用:适适应应温温变变、适、适应应地基、适地基、适应应地基地基 间间距：一般距：一般为为1220m。永久性横永久性横缝缝临时临时性横性横缝缝分分类类6666横横缝缝止水构造示意止水构造示意 l一第一道止水铜片；2一沥青井；3一第二道止水片；4一廊道止水；5一横缝；6一沥青麻片；7一电加热器；8一预制混凝土块 6767 2.纵缝纵缝 铅铅直直纵缝纵缝是最常采用的一种是最常采用的一种纵缝纵缝形式。形式。缝缝的的间间距距根据混凝土根据混凝土浇浇筑能力和温度控制要求确定，一般筑能力和温度控制要求确定，一般为为1530m。6868重力重力坝坝的横的横缝缝及及纵缝纵缝(a)横缝及纵缝布置；(b)竖直纵缝；(c)斜缝 69693.水平施工水平施工缝缝 水平施工水平施工缝缝是上、下是上、下层浇层浇筑筑块块之之间间的接合面的接合面。(三三)坝坝体排水体排水 为为减小渗水减小渗水对坝对坝体的不利影响，在靠近体的不利影响，在靠近坝坝体上体上游面需要游面需要设设置置排水管幕排水管幕。排水管幕至上游面的距。排水管幕至上游面的距离，一般要求不小于离，一般要求不小于坝坝前水深的前水深的110112，且不小于且不小于2m，以便将渗透坡降控制在，以便将渗透坡降控制在许许可范可范围围以以内。排水管常用内。排水管常用预预制多孔混凝土管，制多孔混凝土管，间间距距23m，内径，内径1525cm。管径不宜。管径不宜过过小，否小，否则则，易被堵，易被堵塞。渗水由排水管塞。渗水由排水管进进入廊道，然后入廊道，然后汇汇入集水井，入集水井，经经由横向排水管自流或用水由横向排水管自流或用水泵泵抽水排向下游。抽水排向下游。7070坝坝体排水管体排水管7171(四四)坝坝内廊道系内廊道系统统 为为了了满满足灌足灌浆浆、排水、排水、观观测测、检查检查和交和交通等的要求，通等的要求，需要在需要在坝坝体内体内设设置各种不同置各种不同用途的廊道，用途的廊道，这这些廊道互相些廊道互相连连通，构成廊通，构成廊道系道系统统。7272三、三、坝坝身泄水孔身泄水孔 1.坝坝身泄水孔的作用身泄水孔的作用 预预泄泄库库水，增大水水，增大水库库的的调调蓄能力。蓄能力。放空水放空水库库以便以便检检修。修。排放泥沙，减少水排放泥沙，减少水库库淤淤积积。向下游放水，向下游放水，满满足航运或灌足航运或灌溉溉等要求。等要求。施工施工导导流。流。2.坝坝身泄水孔的形式身泄水孔的形式 按水流条件分按水流条件分为为有有压压泄水孔泄水孔和和无无压压泄水孔。泄水孔。按泄水孔所按泄水孔所处处的高程分的高程分为为中孔中孔和和底孔。底孔。按布置的按布置的层层数分数分为为单层单层泄水孔泄水孔和和多多层层泄水孔泄水孔。7373坝坝坝坝身泄水孔身泄水孔身泄水孔身泄水孔(单单单单位：位：位：位：m)m)l一泄洪孔：2一弧形门；3一检修门槽；4一通气管；5一锥形阀；6一排水管;7一拦污栅；8一廊道；9一检查井；10一导流底孔74743.3.坝坝坝坝身泄水孔的布置身泄水孔的布置身泄水孔的布置身泄水孔的布置 进进口曲口曲线线闸门闸门槽槽渐变渐变段段孔身孔身竖竖向向连连接接7575第九第九节节 重力重力坝坝的地基的地基处处理理一、一、砼砼重力重力坝对坝对基基础础的要求的要求强度和稳定性整体性和均匀性抗渗性耐久性7676二、二、坝坝基基处处理理设计设计内容内容 坝坝基的开挖与清理基的开挖与清理 坝坝基固基固结结灌灌浆浆 坝坝基防渗帷幕和排水基防渗帷幕和排水 断断层层破碎破碎带带和和软软弱弱结结构面的构面的处处理理 岩溶地区的防渗岩溶地区的防渗处处理理7777重力重力坝坝地基的灌地基的灌浆浆示意示意图图 78781一破碎带；2一混凝土梁或混凝土塞；3一混凝土拱；4一回填混凝土；5一坝体荷载 破碎破碎带处带处理示意理示意图图7979软软弱弱夹层夹层的的处处理示意理示意图图(高程：高程：m)m)8080