挡水建筑物和泄水建筑物.ppt

第四章 挡水建筑物和泄水建筑物,本章重点介绍： 工程中常用坝型，各种挡水建筑物和泄水建筑物的作用、特点、类型、结构形式、安全工作条件和要求，相关的水力现象。 挡水建筑物的作用： 拦截阻挡水流、抬高上游水位。形成水库。 主要有：拦河坝（砼重力坝、拱坝、土石坝、支墩坝等）、拦河闸等。 泄水建筑物的作用：宣泄多余洪水，确保大坝安全以及为完成枢纽运行而设的其它任务（预泄、冲砂、漂木、放空等）。,泄水建筑物可布置在河床中央河床式（重力坝溢流坝、坝身泄水孔），也可布置在河岸某处合适的地方（隧洞、岸边溢洪道，适于土石坝、轻型坝） 泄水建筑物按其进水口在水库中的位置可分为溢流表孔和泄水深孔，表孔泄水建筑物有溢流坝、正槽溢洪道等。深式泄水建筑物有深式泄水孔、隧洞等。,第一节 重力坝,重力坝定义：在水压力及其他外荷载作用下，主要依靠坝体自重来维持稳定的坝。重力坝的断面基本呈三角形，筑坝材料为混凝土或浆砌石。 一、重力坝的特点和类型 靠自身重力及与坝基间的凝聚力抵抗水推力维持坝稳定。 坝基一般为岩基。具有以下特点： （1）安全可靠 （2）易解决泄水问题 （3）对地质地形条件适应性强 （4）便于施工 （5）适于各种气候条件,主要缺点： （1）水泥用量大，材料强度不能充分发挥。 （2）坝体扬压力大，扬压力抵消部份坝体重量，对坝体稳定不利。 （3）温度应力对坝体质量影响大，必须采取设计及施工方法消除不利影响。 世界上最高的重力坝： 大迪克桑斯坝。 位于瑞士罗讷河支流迪克桑斯河上，控制流域面积357平方千米，水库总库容4亿米。坝址处河谷呈V形，同时也是欧洲最高的水坝，最大坝高285米，坝顶长695米。于1962年建成。（见图）,我国最高的重力坝：三峡，181m。 重力坝常用形式： 实体重力坝、宽缝重力坝、空腹重力坝 （一）实体重力坝 （大多数砼坝均属实体重力坝）,上游坝面略向上游倾斜，适用于混凝土与基岩面间的f、c值较低的情况。,（二）宽缝重力坝 将重力坝坝段间横缝的中间部分拓宽形成宽缝的重力坝。 在两个坝段之间具有空腔的重力坝。 其优点是： 由于宽缝的存在，坝底面积小，扬压力显著降低，加之上游坡较缓，可利用上游水重来增加稳定，因此使坝体混凝土量可较实体重力坝节省约1020；,宽缝增加了散热面，有利于施工期混凝土温度控制； 坝内留设宽缝后，可以方便坝体观察和检查，必要时还可以在宽缝内进行维护修补和地基处理工作。 缺点是：模板工作量大，提高了混凝土的单价；施工导流稍感不便在严寒地区，必须采取保温措施。 中国在50年代修建了新安江宽缝重力坝，坝高105m，缝宽比0.4;以后又修建了丹江口、云峰、故县和潘家口等宽缝重力坝，坝高依次为 97m、113.8m、121m和107.5m。,新安江水库,新安江,丹江口,（三）空腹重力坝,在重力坝坝体内沿坝轴线方向布置大型纵向空腹的坝。这是近数十年发展起来的一种新坝型（见图）。,空腹重力坝的优点是： 坝体空腔对减少坝基扬压力及改善坝基应力有利，因而坝体混凝土量可较实体重力坝节省2030； 节省了坝基开挖量； 便于散热； 有的坝体空腔内可以布置水电站厂房,特别是当河谷狭窄，洪水流量大，下游水位变幅大，布置地面厂房困难时，有其优越性。,缺点是: 施工复杂,有倒悬模板； 空腔周围易出现拉应力，为摸清和改善应力状态，需作大量计算和模型试验： 钢筋用量较实体重力坝多； 坝内厂房运行条件不如地面厂房好。 广东枫树坝水库装机16.0万千瓦。 主坝坝型为混疑土宽缝、空腹重力坝，最大坝高95.1 米，坝顶长度418米， 主要泄洪方式为坝顶溢流，大坝特点是空腹坝坝内电站。（见下图 ）,二、重力坝的组成材料 砼，及浆砌石（中小工程） （一）砼的组成 主要由四种材料组成：水、水泥、砂、石 （二）砼的强度和强度等级,材料在静载荷外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力，称为材料的强度。 砼强度单位面积砼试件承受的极限外荷载。有抗压强度、抗弯强度和抗拉强度的标准。 混凝土强度等级表达了砼极限抗压强度 ：如C20、C30等。 （注：过去我国采用公制计量单位，混凝土强度的单位为kgf/cm2。现按国务院已公布的有关法令，推行以国际单位制为基础的法定计量单位制，在该单位体系中，力的基本单位是N（牛顿），因此，强度的基本单位为1 N/m2，也可写作1Pa。标号改为强度等级后，混凝土强度计量单位改以国际单位制表达。由于N/m2（Pa），数值太小， 一般以1N/mm2=106N/m2(MPa)作为混凝土强度的,实际使用的计量单位，读作“牛顿每平方毫米”或“兆帕”。 新标准中强度计量单位均采用MPa（兆帕）表达。 ） （三）重力坝对材料的要求 除强度外，还要求具的 （1）抗渗性 （2）低热性 （3）抗冲耐磨性 （4）抗冻性 （5）抗侵蚀性 （6）耐久性,（四）重力坝的材料分区,三、重力坝构造,（一）坝体分缝：分横缝及纵缝 1.横缝 作用: 适应温变、适应地基、适应地基 间距：一般为1220m。 分类： 永久性横缝 临时性横缝 2.纵缝 铅直纵缝是最常采用的一种纵缝形式。缝的间距根据混凝土浇筑能力和温度控制要求确定，一般为1530m。,(二)止水,横缝止水构造示意 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,(三)坝体排水,排水管体型图,为减小渗水对坝体的不利影响，在靠近坝体上游面需要设置排水管幕。排水管幕至上游面的距离，一般要求不小于坝前水深的110112，且不小于2m，以便将渗透坡降控制在许可范围以内。排水管常用预制多孔混凝土管，间距23m，内径1525cm。管径不宜过小，否则，易被堵塞。渗水由排水管进入廊道，然后汇入集水井，经由横向排水管自流或用水泵抽水排向下游。,(四)坝内廊道系统,为了满足灌浆、排水、观测、检查和交通等的要求，需要在坝体内设置各种不同用途的廊道，这些廊道互相连通，构成廊道系统 。,四、重力坝的安全运行条件及剖面形状,（一）重力坝可能的破坏形式 1、滑动 2、倾复 3、坝趾压碎 抗滑稳定、上游面无拉应力和下游面压应力不超过材料或（坝基）的充许压应力是重力坝安全运行的三个基本条件。 （二）坝体基本剖面和实用剖面 重力坝的基本剖面是指坝体在自重、静水压力(水位与坝顶齐平)和扬压力三项主要荷载作用下，满足稳定和强度要求，并使工程量最小的三角形剖面。（实用剖面有顶宽的坝）,实用剖面,（三）重力坝的荷载 作用在坝上的力，也称作用。 自重、水压力、泥沙压力、扬压力、土压力等。 五、重力坝的泄水、消能和防冲 1、溢流坝 溢流坝既是挡水建筑物又是泄水建筑物，除应满足稳定和强度要求外，还需要满足泄水的要求。 （1）溢流坝剖面曲线 （2）溢流坝的孔口尺寸和泄流能力 （3）溢流坝构造（闸门、闸墩、工作桥、启闭机）,分堰顶设闸门和不设闸门两种。,2、深式泄水孔 作用：泄洪、预泄、放空、导流。 分为有压泄水孔和无压泄水孔 （二）泄水重力坝的消能方式 坝体消能：宽尾墩、阶梯消能工 坝下消能：底流消能、挑流消能、面流消能和戽流消能。 六、重力坝的地基处理 （一）开挖和清理：钻孔爆破法，自上而下分层开挖 （二）基础灌浆：固结灌浆和帷幕灌浆 七、砼坝施工 （一）骨料生产 （二）砼拌和物生产 （三）砼运输 （四）砼浇筑 （五）砼养护 八、碾压砼重力坝,用振动碾压实超干硬性混凝土修建建筑物的施工技术（见图）。采用这种方法所筑的坝，称碾压混凝土坝。,碾压混凝土的特点是:低胶凝材料用量，包括水泥与掺和料共120160kg/m3；超干硬性，以维勃仪加压测定，拌和物的稠度值在20s左右；大量使用掺和料，如用粉煤灰或天然火山灰，掺量为胶凝材料总量的3060；不设纵横缝,但有的坝在一层碾压完毕进行横缝切缝，在切缝上游设置止水设施；混凝土拌和可用自落式或强制式拌和机,但用自落式拌和机时，受大掺量掺和料的影响，需根据具体情况适当延长拌和时间，相应产量有所下降；混凝土运输过程中，需尽量减少倒运次数，以免产生分离；混凝土的平仓与摊铺，有的用推土机，有的用摊铺机,摊铺层厚度大体为1525cm，铺料过程尽量控制水平,混凝土的碾压，根据层厚不同采用不同性能的振动碾(见彩图)，一般铺料两层或三层后进行一次碾压，碾压遍数通过试验确定。碾压混凝土施工较之常规混凝土，具有造价低，施工速度快、节省水泥、模板和劳动力等优点,技术经济效益显著。据美国威洛克里克坝的经验，碾压混凝土的单价约为常规混凝土的1/3，在短短4个月时间内,全部30万m3混凝土的工程，即告竣工。日本各坝的经验，亦较常规浇筑方法缩短工期。岛地川坝节省水泥7000t、模板减少44。中国坑口坝，缩短工期一半，节省水泥44， 综合造价降低16。但碾压混凝土也还存在一些问题有待研究解决。如层面结合处容易成为渗水的薄弱层面；混凝土运输与摊铺过程易产生骨料分离等。,第二节 拱坝,拱坝是固接于基岩的空间壳体结构，在平面上呈凸向上游的拱形，拱冠剖面呈竖直的或向上游弯曲。 一、拱坝的工作特点 （一）拱坝的结构特点 （1）拱作用的结构特点 拱坝的水平外荷载主要是通过拱的作用传递到两岸坝肩，拱是一种主要承受轴向压力的推力结构。,（2）空间整体作用的特点： 拱坝四周嵌固于基岩，属于高次超静定结构。 （3）拱坝具有较高的抗震能力。 拱坝是一个整体的空间壳体结构，坝体轻韧而富有弹性，依靠岩体对地震动能的吸收，会引起有利的坝体应力重分布。 （4）荷载特点： 温度荷载是主要荷载之一,而且是作用在坝体结构的一种基本荷载。 （5）坝身泄流及施工技术较为复杂。,也即： 1、拱与梁的共同作用； 2、稳定性主要依靠两岸拱端的反力作用，因而对地基的要求很高； 3、拱是一种推力结构，承受轴向压力，有利于发挥砼及浆砌石材料的抗压强度； 4、拱梁所承受的荷载可相互调整, 因此可以承受超载； 5、拱坝坝身可以泄水； 6、不设永久性伸缩缝； 7、抗震性能好； 8、几何形状复杂，施工难度大。 二、拱坝的平面布置和剖面形状 包括确定拱圈的形式、拱冠梁的体型心各层之间的相对关系， 以保证拱坝成为一个受力条件好，安全稳定的整体结构。,（一）拱圈的形式,建筑结构上，据受力特点有拱、梁之类的构件。 梁构件分为简支梁、悬臂梁、连续梁等结构形式。梁受到垂直于梁杆的外力时发生弯曲变形，产生拉应力（外侧）及压应力（内侧）。 拱构件在受到拱形凸出面的外力时，能将垂直作用在拱面上的力变为沿拱轴线方向的力使拱受到压力。 拱轴线可以是圆弧形、抛物线、双曲线、三圆心拱等（河床中央部位的弯曲半径小，拱的作用大） 拱圈可等厚也可在两坝肩处变厚 （二）拱坝的梁剖面 是典形的直立悬臂梁，有铅直和弯曲两种。位于河床最深处的铅直剖面称为拱冠梁，拱冠梁的形状及厚度取决于坝河高、坝型、河谷形状系数（L/H）,（三）拱坝的布置（P79） 基本原则是：坝体轮廓简单，坝底、坝面力求变化平顺，避免有局部突变，坝体在结构上是连续的整体。 主要形式有定外半径定圆心、定中心角和变中心角几种，应用更广泛的是变半径变中心角拱坝。 三、拱坝的安全运行条件 （一）拱坝的受力特点及其计算 稳定及应力分析时，常采用拱梁分载法计算。 将拱坝看作是由无数根梁和无数千条拱组成的。一般取57层拱圈，2n-1根梁计算。简化计算时取拱冠梁及若干层拱计算，称拱冠梁法、拱梁分载法。,（二）拱坝的安全工作条件,拱坝安全工作条件之一是：使拱坝砼不被压碎，即坝砼承受的压应力不超过砼的抗压强度。 另一安全工作条件是：两岸坝肩能够提供足够的支撑力，以保证坝的稳定。 （三）拱坝对地形条件的要求 1、地形条件 河谷狭窄，左右对称，向下游收缩的“V”或“U”形地形。 河谷形状系数宽高比 （a）宽高比：河谷宽度L（坝顶高程处的河床宽度）与最大坝高H的比值较小，则刚度较高，不易使其变形。坝可修得越薄，越适合修建拱坝,（b）厚高比：坝厚T与坝高H的比值。 L/H1.5, T/H 0.2 为薄拱坝； L/H=1.53.0, T/H =0.2 0.35 为一般拱坝； L/H=3.04.5, T/H =0.35 0.60 为重力拱坝。,向下游收缩:B-B坝址虽然河谷狭窄,地但位于向下游扩散的喇叭口处,两岸拱座单薄,对稳定不利. 而A-A处坝址两岸拱座厚实, 拱轴线与等高线接近垂直, 因此应将A-A处选为坝址, 见图3.3. 2、地质条件 基岩均匀，坚固完整，有足够的强度、透水性小而能抗风化。 上述条件不能满足时，需进行固结灌浆以增加地基的整体性和牢固程度。 3、发展趋势 对地形地质条件的限制有所放宽，坝更高，坝体薄，坝型多样化，双曲居多，坝顶泄流的单宽流量加大，最优化设计处于实用阶段。,等外半径变中心角拱坝,定外半径定中心角拱坝,双曲拱坝,三、拱坝的安全运行条件,（一）拱坝的受力特点及其计算 拱坝是一个整体结构，对其稳定和应力有分析时，常采用拱梁分载法计算。 （二）拱坝安全工作条件 1、坝身砼材料不被压碎，即坝体承受的压应力不超过砼的抗压强度，设计时要求较高安全系数。 2、两岸坝肩能提供足够的支撑力，以保证坝的稳定，因此，拱坝对地基的要求比重力坝和其它坝型高。,（三）拱坝对地形条件的要求 河俗形状系数L/H：越小越窄。 厚高比T/H： 四、拱坝的泄水消能 与重力坝类似。 （一）自由跌落式（清江隔河岩） （二）鼻坎挑流式（二滩） （三）坝身泄水孔 （四）滑雪道式溢洪道 消能发展趋势分层布置进水口，分散水舌落水点，利用空中碰撞消能（四川雅砻江） 五、拱坝的构造 横缝为临时缝，地基处理要求高，拱座要求更高，可只设灌浆廓道，,清江隔河岩自由跌落式,二滩鼻坎挑流式,小湾,第三节 支墩坝,由一系列倾斜的面板和支承面板的支墩(扶壁)组成的坝。面板直接承受上游水压力和泥沙压力等荷载，通过支墩将荷载传给地基。面板和支墩连成整体，或用缝分开。可分为平板式、大头坝、连拱坝。,平板坝 由平板面板和支墩组成的支墩坝 。,面板与支墩的连接有以下三种形式: 简支式：面板简支在支墩托肩（牛腿）上，接缝涂沥青玛蹄脂等柔性材料，并设置止水。简支式能适应地基和温度变形，采用最多。 连续板式：面板跨过支墩，每隔两三跨设一道伸缩缝。连续式可以减小板的跨中弯矩，但在跨过支墩处产生负弯矩，易在迎水面产生裂缝，所以较少采用。 悬臂式：面板与支墩刚性连接，在跨中设缝，要求变形小，以防接缝漏水，只能用于低坝。平板坝支墩有单支墩和双支墩两种形式，双支墩用于高坝。,连拱式,拱形面板和支墩组成的支墩坝。 与其他形式的支墩坝比较，连拱坝有下列特点： 拱形面板为受压构件，承载能力强，可以做得较薄。支墩间距可以增大。混凝土用量最少，但钢筋用量较多。混凝土平均含钢筋量可达3040kg/m3。施工模板也较复杂。混凝土单位体积的造价高。 面板与支墩整体连接，对地基变形和温度变化的反应比较灵敏，要求修建在气候温和地区，且地基比较坚固。 上游拱形面板与溢流面板的连接比较复杂，因此很少用作溢流坝。,大头坝 面板由支墩上游部分扩宽形成，称为头部。相邻支墩的头部用伸缩缝分开，为大体积混凝土结构。对于高度不大的支墩坝，除平板坝的面板外，也可用浆砌石建造。 支墩坝 大头坝与宽缝重力坝结构体型相似，其区别为 大头坝支墩间的空距一般大于支墩厚度，而宽缝重力坝则相反； 大头坝上游面的倾斜度一般较宽缝重力坝大； 大头坝支墩下游部分可以不扩宽，坝腔是开敞的，而宽缝重力坝则是封闭的。 支墩坝-特点,大头坝头部有以下三种形式： 平板式：上游面为平面,施工简单。但在水压力作用下，上游面易产生拉应力，引起裂缝。 圆弧式:上游面为圆弧。作用于弧面上的水压力向头部中心辐集，应力条件好，但施工模板较复杂。 钻石式（折线式）:上游面由三个折面组成，兼有平板式和圆弧式的优点，最常采用。大头坝支墩有单支墩和双支墩两种形式，高坝多采用双支墩以增强其侧向稳定性。为了提高支墩的侧向劲度或为了防寒，也可将下游部分扩宽，使坝腔封闭，这时在结构体形上接近宽缝重力坝。,与其他坝型比较，支墩坝特点是 面板是倾斜的，可利用其上的水重帮助坝体稳定； 通过地基的渗流可以从支墩两侧敞开裸露的岩面逸出，作用于支墩底面的扬压力较小，有利于坝体稳定； 地基中绕过面板底面的渗流，渗透途径短，水力坡降大，单位岩体承受的渗流体积力也大，要求面板与地基的连接以及防渗帷幕都必须做得十分可靠; 面板和支墩的厚度小,内部应力大，可以充分利用材料的强度； 施工期混凝土散热条件好，温度控制较重力坝简单； 要求混凝土的标号高，施工模板复杂，平板坝和连拱坝的钢筋用量大，因而提高了混凝土单位体积的造价； 支墩的侧向稳定性较差；在上游水压作用下，对于高支墩，还存在纵向弯曲稳定问题；,平板坝和大头坝都设有伸缩缝，可适应地基变形，对地基条件的要求不是很高；连拱坝为整体结构，对地基变形的反应比较灵敏，要求修建在均匀坚固的岩基上； 坝体比较单薄，受外界温度变化的影响较大,特别是作为整体结构的连拱坝,对温度变化的反应更为灵敏，所以支墩坝宜于修建在气候温和地区； 可做成溢流坝，也可设置坝身式泄水管或输水管。 支墩坝是一种轻型坝，可较重力坝节省2060的混凝土，宜于修建在气候温和、河谷较宽、地质条件较好、运输条件差、天然建筑材料缺乏的地区。平板坝适用于中、低坝，连拱坝和大头坝适用于中、高坝。,4.4土石坝,以土石等当地材料填筑的坝。 土石坝泛指由当地土料、石料或混合料，经过抛填、辗压等方法堆筑成的挡水坝。当坝体材料以土和砂砾为主时，称土坝、以石渣、卵石、爆破石料为主时，称堆石坝；当两类当地材料均占相当比例时，称土石混合坝。土石坝是历史最为悠久的一种坝型。近代的土石坝筑坝技术自世纪年以后得到发展，并促成了一批高坝的建设。目前，土石坝是世界坝工建设中应用最为广泛和发展最快的一种坝型。 土石坝是一种最古老的坝型，在已建坝型中，土石坝所占比重最大，占90%以上。,本世纪年代以来，土石坝的建设由于科研、设计和施工技术的发展，无论在高度和数量上都已超过了混凝土坝。 但我国至20世纪90年代，100米以上的土石坝仅的三座。 90年代以后，高土石坝日益增多，特别是砼面板堆石坝的兴起，高土石坝的发展具有了广阔的前景，促进高土石坝发展关键技术有： 大型振动碾广泛应用； 土力学和土坝设计理论的发展； 对防渗土的要求放宽； 砼面板堆石坝的推广应用 病险水库的的除险加固处理技术的发展,目前世界最高的土石坝（俄罗斯罗贡坝）。 目前我国最高的心墙土石坝是黄河小浪底最大坝高154米，总填筑量5185万立方米，是我国迄今为止最大的土石坝。 最高的面板堆石坝是清江水布垭，最大坝高233米，这无疑是一个石破天惊的数字！因为当时世界上还没有超过200米的堆石坝，200米以上甚至被部分专家认为是面板坝的禁区。,一、土及土力学基本要求（略） 二、土石坝的工作特点和设计要求 （一）工程特点 优点： （1）就地取材，节省钢材水泥木材等重要建筑 材料，从而减少了建坝过程中的远途运输。 （2）结构简单，便于维修和加高扩建。 （3）坝身是土石散粒体结构，有适应变形的良好性 能，因此对地基的要求低。 （4）施工技术简单，工序少，便于组织机械快速施工。 缺点: 坝身一般不能溢流，施工导流不如混凝土坝方便，粘性土料的填筑受气候条件影响较大等。,（二）土石坝的设计要求 （1）选择合理的上下游坡坡比； （2）不允许水流漫顶； （3）控制坝体和坝基渗流，以控制坝体坝基渗透变形； （4）避免坝身产生有害的裂缝； （5）能抵御自然现象的破坏。 三、土石坝的组成和分类 （一）组成 （1）坝体： （2）防渗体： （3）排水设备 （4）上下游护坡,（二）分类 1、按施工方法分 干填碾压式土石坝，抛填式、定向爆破坝、水力冲填、水中倒土等。 2、按坝体材料与防渗体的相对位置分： 均质、心墙、斜墙，多种土质坝。（P95） 四、土石坝的剖面形状和构造 （一）坝顶 （二）坝坡 （三）防渗体 （四）排水设施,五、土石坝的渗透和坝坡稳定 六、地基处理 处理的目的：防渗，提高坝基渗透稳定性。 （一）清理 （二）砂卵石（砂砾石）地基处理 截水槽、防渗墙、灌浆帷幕、粘土铺盖等 七、土石坝施工 四大作业：准备作业、基本作业、辅助作业、附加作业。 八、堆石坝 抛填堆石、定向爆破法和碾压法,清江水布垭面板堆石坝，最大坝高233m，世界最高坝,4.5 水闸 一、概述 平原地区的取排水，需低水头的挡水泄水建筑物。水闸和滚水坝为常用水工建筑物，称闸坝工程。 二、水闸的类型 水闸按规模有大（Q1000m3/s），中（Q=1000100、m3/s）； 小（Q100m3/s）。 （一）水闸按其功用分 1、拦河闸（节制闸） 2、进水闸（渠首） 3、泄水闸 4、排水闸 5、分洪闸 6、挡潮闸 7、冲沙闸,（二）按闸室结构分类 1、开敞式 2、胸墙式 3、涵洞式,三、水闸的组成及构造 （一）上游连接段 （二）闸室段 （三）下游连接段,四、水闸的孔口尺寸 孔口净宽度、孔数、闸墩厚度，主要应满足过流量要求。 五、闸室安全和地基处理 抗滑稳定、地基承载力和不均匀沉陷。 软基处理方法： 1