水工建筑物2重力坝课件

1、第二章重力坝学习要求目的：1.掌握混凝土重力坝的特点和类型，国内外发展概况和趋势。2.掌握重力坝的荷载及其计算方法，荷载组合。3.理解重力坝稳定的概念及影响因素，掌握重力坝的稳定分析方法、安全系数指标的选用及评价，提高稳定性的工程措施。4.掌握重力坝应力分析的目的和内容，应力分析方法，材料力学法及其应力控制标准，了解影响坝体应力分布的主要因素，（地基变形和施工方法等）及影响范围和程度。5.理解拟定重力坝剖面的基本原理，掌握非溢流重力坝的基本剖面及实用剖面的拟定和溢流重力坝的剖面的拟定方法；溢流重力坝的下游消能方式的选择；四种泄水消能方式的特点，运用条件。6.了解重力坝对材料的要求，建筑材料的种

2、类特性及使用条件；坝体断面混凝土标号的分区。掌握重力坝的细部构造要求，坝缝、止水；坝身排水、廊道的布置及溢流重力坝坝顶的构造等。7.了解重力坝对地基的要求；掌握坝基处理的开挖、灌浆（固结灌浆、帷幕灌浆、接触灌浆）及排水设计要求；坝基软弱破碎带的处理。l 重点：1.混凝土重力坝的工作原理和特点，设计要求，分类。2.重力坝的荷载及其计算方法。3.重力坝的稳定分析方法。4.重力坝应力分析的材料力学法及其应力控制标准。5.非溢流重力坝的基本剖面及实用剖面的拟定；溢流重力坝的剖面的拟定。6.重力坝的细部构造要求，重力坝对材料的要求，溢流重力坝坝顶的构造。7.固结灌浆、帷幕灌浆、坝基排水。l 难点：1.混

3、凝土重力坝的设计要求和类型。2.扬压力的计算，重力坝的荷载组合。3.重力坝稳定的概念及影响因素，安全系数指标的选用及评价。4.坝体边缘应力的计算。5.拟定重力坝剖面的基本原理，溢流重力坝的剖面的拟定。6.重力坝的细部构造要求，溢流重力坝坝顶的构造。7.固结灌浆、帷幕灌浆。学习要点l 章节学习内容：1.混凝土坝的类型，国内外发展概况和趋势。2.重力坝的工作原理和特点，以及其优缺点。3.重力坝的荷载及其计算方法（包括自重、水压力、扬压力、浪压力、冰压力、土压力、泥沙压力、地震荷载等），荷载组合的概念及确定。4.重力坝的稳定分析。稳定的概念及影响因素，稳定分析方法、安全系数指标的选用及评价，提高稳定

4、性的工程措施。5.重力坝应力分析的目的和内容。应力分析方法综述，材料力学法及其应力控制标准，影响坝体应力分布的主要因素，（地基变形和施工方法等）及影响范围和程度。6.拟定重力坝剖面的基本原理，重力坝的基本剖面及实用剖面，剖面优化的概念。7.泄水重力坝的剖面及布置，泄水重力坝的工作特点及泄水方式（坝顶溢流式，大孔口溢流式，深式泄水孔）；溢流重力坝的剖面设计；泄水孔的布置；设计洪水标准的确定；单宽流量的选择；堰顶高程，溢流前缘长度；孔口尺寸及其位置的确定；溢流坝段结构简介；泄水重力坝的下游消能；四种泄水消能方式的特点，运用条件。8.重力坝对材料的要求，材料的种类特性及使用条件及坝体断面混凝土标号的

5、分区。9.重力坝的细部构造。坝缝（横缝、纵缝、水平施工缝）、止水；坝身排水、廊道的布置及构造等。10.重力坝的地基处理。重力坝对地基的要求；坝基处理的开挖、灌浆（固结灌浆、帷幕灌浆、接触灌浆）及排水设计；坝基软弱破碎带的处理。l 学习要点：1.重力坝的工作原理和特点2.重力坝的荷载及组合3.重力坝的稳定分析4.用材料力学法进行重力坝的应力分析5.重力坝的剖面设计6.重力坝的构造要求及坝体材料7.重力坝对地基的要求及地基处理第一节概述一、混凝土重力坝的概述在水利水电工程建设中，混凝土重力坝是最广泛采用的一种形式，在高坝枢纽中仍占有显著的优势。我国坝高100M以上的典型混凝土重力坝如下表所示。坝高

6、100M以上的典型混凝土重力坝序号大坝名称地点河流坝高(m) 坝型建设年代1 新安江浙江新安江105.0 宽缝重力坝195719602 刘家峡甘肃黄河147.0 重力坝196419743 黄龙滩湖北汉江107.0 重力坝196919754 三门峡河南黄河106.0 重力坝195719735 水丰辽宁鸭绿江106.0 重力坝193719436 宝珠寺四川白龙江132.0 重力坝19807 安康陕西128.0 重力坝八十年代8 漫湾云南澜呛江132.0 重力坝八十年代9 万家寨内蒙山西交界黄河105.0 重力坝八十年代10 沙牌四川132.0 重力坝八十年代11 龙滩广西红水河192216.5 碾

7、压混凝土重力坝九十年代12 江垭湖南128.0 重力坝九十年代13 三峡湖北长江175.0 重力坝200314 向家坝四川金沙江163.0 重力坝拟建二、砼重力坝的特点1.2.1坝体材料抗冲性能好，泄洪和施工导流问题容易解决坝体材料抗冲性能好，泄洪和施工导流问题容易解决泄洪：可从坝顶、坝身泄洪导流：可通过较低的坝块、底孔和预留的底孔导流1.2.2断面形状简单，结构作用明确，施工方便，安全可靠垂直坝轴线方向的横缝将重力坝分为若干个独立的坝段，各坝段独立工作，受力明确。1.2.3适合于在各种气候条件下修建可以在各种气候条件下修建，但在：冬季：当温度低于-3，混凝土中水会结冰，需采用加热、保温、防冻

8、措施等；夏季：当温度高于30，需采用低热水泥、低温水、加冰屑、预冷骨料，掺外加剂延长初凝时间。1.2.4对地基的要求比拱坝低，但比土石坝高1.2.5有丰富的建设，设计经验工作可靠，使用年限长，施工放样、扩建，维护简单：便于机械化施工，可采用定型模板，重复作用。1.2.6坝体工程较大，材料的强度不能充分发挥边缘应力是控制条件，故内部应力：1.2.7水泥用量大，施工时，水化热不易消散，易产温度裂缝。水化热:水泥的水化是放热反应,水泥在凝结硬化过程中放出大量热。危害:使内外混凝土产生较大的温差,而产生温度应力,引起表面开裂。措施：设置温度伸缩缝。1.2.8受扬压力影响大扬压力：在上下游水位差的作用下

9、，水渗入坝体的孔隙内，形成孔隙水压力。所取截面上向上的孔隙水压力为扬压力。危害：抵消了部分坝体的重量，对坝体的稳定不利减少了上游坝踵的压应力，对坝的压应力不利。三、重力坝的设计内容（1）剖面设计参照已建工程经验，拟定剖面尺寸。（2）稳定计算验算坝体沿建基面或地基中软弱结构面的稳定安全度。（3）应力计算使应力条件满足设计要求，保证大坝和坝基有足够的强度。（4）溢流重力坝和泄水孔的孔口尺寸的设计孔口尺寸的设计，包括泄水建筑物体型、堰顶或泄水孔进口的高程、溢流重力坝前沿的宽度和泄水孔口的宽度。（5）构造设计根据施工和运行要求，确定坝体的细部构造，如廊道系统、排水系统等；（6）地基处理根据地质条件，进

10、行地基的防渗、排水、断层等地质结构面的处理。（7）监测设计包括坝体内部和外部的观测设计。四、重力坝的分类1、按坝顶是否溢流的条件分类溢流坝即可挡水，又可泄水的水工建筑物非溢流坝挡水建筑物2、按结构型式分类实体重力坝宽缝重力坝特点：减少扬压力改善砼浇筑时的散热条件施工复杂，模板用量多支墩坝空腹重力坝特点：减少扬压力，节约砼方量改善坝体应力施工复杂古田四级空腹重力坝预应力重力坝特点：利用受拉钢筋或钢杆对重力坝施加预应力，改善坝体应力；加大抗滑稳定性；施工复杂，钢筋用量多。第二节重力坝的荷载及组合一、荷载计算2.1.1自重:坝体及其上永久性设施重W=（iVi）2.1.2上、下游坝面的静水压力2.1.

11、3溢流坝反弧段上的动水压力溢流坝反弧段上的动水压力（离心力）合力的水平及垂直分力可按下式计算：作用点：反弧段最低点；方向：图示为正。2.1.4扬压力渗透压力：在下、下游水位差的作用下，库水经过坝体和坝基的孔隙向下游渗透而形成渗透水流，渗透水流对计算截面产生的垂直指向该截面的水压力为渗透压力。浮压力：若计算截面在下游水位之下，由下游水深对该截面产生的垂直指向该截面的水压力为浮压力。1）坝基面上的扬压力不设防渗排水设施的实体重力坝设有防渗帷幕和排水设施的实体重力坝防渗帷幕：在坝基土岩中钻孔灌桨而形成一道连续的地下墙。排水幕：在坝基土岩中钻孔灌渠而形成一排水孔。作用：阻止渗透水流，降低渗透压力，延长

12、渗径；渗透水流能自由逸出。设有抽排降压设施的实体重力坝。抽排降压：在基础灌浆廊道下游设置，一道排水廊道、钻设排水孔，由抽水设备定时抽排。1扬压力折减系数2残余物压力系数2）坝体内部的扬压力坝体内有排水管坝体内无排水管讨论：扬压力是一种孔隙水压力，始终垂直作用于计算截面。扬压力的作用面积，近似作用在100%的面积上。当坝基条件复杂，需经专门研究确定扬压力分布。2.1.5冰压力2.1.6泥沙压力坝前的淤砂高程应按河流的特性和工程的具体情况计算确定，一般计算年限可采用年。对于多泥砂河流应经研究确定；当有可靠的排砂措施时，应考虑其作用。水平泥砂压力强度：式中:Pn：计算点上的水平泥砂压力强度；：泥砂的

13、浮容重，：泥砂的干容重；：水的容重；：泥砂的内摩擦角，粗砂=1820细砂=1214；极细颗粒=0hn：计算点以上的淤砂厚度。水平泥砂压力的合力：垂直泥沙压力的合力：=2.1.7浪压力说明：（1）水对波浪的阻力大于空气对波浪的阻力，所以波浪的中心线高于静水位。（2）坝前自由波与反射被的叠加形成驻波。1）使波浪破碎的临界水深：Hk=（35)h1H1L1:波浪的运动不受库底的约束，深水波；HkH1L1:波浪的运动受库底的影响，浅水波；H0yd（计入或不计入扬压力）R2施工期yd允许有不大于0.1Mpa的拉应力4.3.2坝体应力的控制标准1运用期u（计入扬压力）0u（不计入扬压力）0.25rHH：计算

14、点的静水头2施工期坝的任何截面上的主压应力不得大于砼的容许压应力值，坝的下游面允许有不大于0.2Mpa的主拉应力。第五节重力坝的剖面设计重力坝枢纽一般有非溢流坝段和溢流坝段组成一、非溢流重力坝剖面设计5.1.1基本剖面重力坝的主要荷载，静水压力p与H2成正比；为维持坝体自身的稳定，重力坝的主要荷载自重W也应与H2成正比。重力坝的基本剖面为三角形。其中H为最高静水头。三角形的基本参数有：H、T、n、m根据工程经验，一般上游坝坡n取00.3，下游坝坡m取0.60.85，底宽取T（0.70.9）H（坝高）。5.1.2实用剖面1）坝顶的宽度由施工、交通、设备安装等条件确定：式Bmin=(810)%H由

15、漂浮场，冰压力的冲击力确定2）坝顶高程坝顶超高静水位的高度：h=2h1+h0+hc2h1：波浪高度h0：波浪的中心线超过静水位的高度hc：安全加高3）实用剖面的型式地基条件较好,f较大，坝体剖面由强度条件控制。地基条件较差,f较小，坝体剖面由稳定条件控制。坝体剖面由稳定条件控制，同时有利于利用水重和布置坝体泄水孔。二、溢流重力坝剖面设计1、泄水方式E:精品课程湖北水利水电职业技术学院水工建筑物资料课件chap02swf5.2.swf（1）坝顶式溢流特点：，超过能力大；闸门承受水压力小，孔口尺寸可大些；工作可靠，操作、检修方便；排泄冰凌和其它漂浮物；不能提前预泄；（2）大孔口式溢流采用活动的胸墙

16、：同坝顶溢流（3）深式泄水孔：作用：预泄洪水、排放泥砂、向下游供水、导流2、洪水标准洪水标准包括：洪峰流量和洪水总量。洪水标准是确定孔口尺寸进行水库调洪演算的重要依据。洪水标准有：3、孔口尺寸的选定通过水库调洪演算确定，其步骤为：收集计算基本资料：洪水过程线、水库水位容积曲线、上游最高限制水位、下游最大允许下泄流量、其调水位等。拟定几组的若为导流建筑物尺寸设计，拟定几组拟定的孔口尺寸及基本资料，绘制下泄流量与水库水位的关系曲线：Q下泄H；采用试算法或单辅助线法，求解不同孔口尺寸条件下的：4、溢流坝剖面溢流坝剖面组成：bc直线段：坡比与非溢流坝一致；cd反弧段：使水流平顺进入下游消能段de挑流消

17、能段：由溢流坝下游消能形式确定。5、溢流重力坝的下游消能消能方式优点缺点适用条件挑流消能工程量小冲刷大、雾气大基岩好、H大底流消能消能稳定Fr=4.59工程量大基岩条件差，H下变幅大面流消能工程量小出流态不易控制尾水变幅不大消力戽消能工程量小消能效率高出流态不易控制尾水变幅不大第六节重力坝的构造及坝体材料一、重力坝的构造及坝体材料1、重力坝的分缝在水工建筑物中，为适应施工期和运行期的温度变化、地基不均匀沉降、施工时混凝土的浇筑能力及散热要求以及结构布置要求等设置的接缝构造。缝的类型按作用可分为温度缝（又称伸缩缝）、沉陷缝和施工缝，按使用期限可分为永久缝和临时缝。温度缝和沉陷缝多为永久缝，施工缝

18、多为临时缝。1）横缝设置：垂直于坝轴线，将坝体分成若干坝段作用：减少坝体的纵向约束，以适应运用期地基的不均沉降及温度变化。缝的特性：永久性缝。间距：12m20m。缝面的处理：必须有可靠的止水设备，为适应缝的变形，缝中填冲沥青油毡，沥青麻片或其它填料。2）纵缝：设置：平行于坝轴线方向，将坝段分成坝块作用：适应砼的浇筑能力，满足散热要求缝的形式：错缝：浇筑块尺寸小，适用于低坝纵缝：缝面设置键槽灌浆斜缝：沿主应力轨迹布置通仓浇筑：浇筑能力大，温度应力大，是发展方向，整体性好间距：一般为1530m，取决于混凝土浇筑能力及温度控制要求。缝面的处理：待坝体温度降到稳定温度时，接缝灌浆。3）水平施工缝下、上

19、层浇筑块之间的新老砼的结合面，间歇：37天处理：凿毛、冲洗；在已清理的干燥表面上敷一层23cm的富水泥砂浆，用钢丝刷抹后，立即浇上层砼；上层砼需防止振捣过度，水泥砂浆泌出。2、坝体排水作用：减少渗水对坝体的危害间距：沿坝轴线方向，23m布置一根排水管。离上游坝面距离：（1/101/20）坝前水深防止渗水溶滤作用3、廊道系统作用：用于基础灌浆、排水、观测、检查、交通1）基础灌浆廊道：用于防渗帷幕及排水幕的施工。离上游坝面距离：（1/101/20）坝前水深。在基岩面以上应有1.5倍廊道宽度的距离。廊道的断面形式：城门洞型。2）检查、观测、交通、排水廊道布置：沿坝高每隔15m20m高程设置一层。二、

20、溢流坝坝顶的结构布置1）闸门：工作闸门：调节下泄流量，在动水中启闭，启闭力要求较大；闸门的形式为弧形闸门或平板闸门图（录象）检修闸门：用于短期挡水，以便对工作闸门及机械设备检修。在静水中启闭，启闭力较小；闸门的形式一般采用平板闸门，各闸孔可交替使用平板检修闸门。当库水位在检修期低于坝顶高程时，可不设检修闸门。2）闸墩作用：分隔闸孔。承受传递水压力。支承闸墩上部结构重量。平面形式:高度、长度：满足闸门、工作桥、交通桥、启闭设备的布置和运行要求。厚度：强度、稳定条件决定3）边墩和导墙边墩分隔溢流坝段，非溢流坝段导墙边墩向下游的延续、分隔下泄水流与坝后电站的出水水流。高度：高出掺气后的溢流水面1.0

21、1.5m4）胸墙结构型式：板式、板梁式与闸墩连接：简支、固结三、重力坝的材料建筑重力坝的材料一般为：混凝土、浆砌石重力坝材料分区1区：上下游水位以上坝体表层混凝土；2区：上下游水位变化区的坝体表层混凝土；3区：上、下游最低水位以下坝体表层混凝土；4区：坝基部位混凝土；5区：坝体内部混凝土；6区：有抗冲刷要求部位的混凝土。各区对混凝土性能的有不同的要求。第七节重力坝对地基的要求及地基处理7.1力坝要求建坝地基具有1强度：具有一定的承载能力，不发生显著的变形。2抗渗性：不发生管涌等渗透破坏。（管涌：坝基中的细土壤颗粒被渗流带走形成渗流通道的现象）天然地基经过长期的地质作用，一般都有风化、节理、裂隙

22、等缺陷以及断层、软弱夹层等结构面。重力坝的地基处理的任务：提高地基的强度、稳定性和抗渗能力。7.2坝基的开挖和清理开挖：挖出覆盖层，风化破碎的岩石。开挖深度应根据大坝的工程等级、高度和基岩条件确定：70m以上的高坝，应建在新鲜、微风化基岩上；70m30m的中坝，可建在微风化至弱风化上部基岩上。清理：在浇筑混凝土之前，需进行彻底地清理、冲洗。封堵勘探的钻孔、井洞。7.3坝基的固结灌浆a固结灌浆：在坝基受力较大范围内，钻孔进行浅层低压灌浆，用坝整体加固地基目的：1）改善地基的强度、整体性、提高基岩的不透水性；2）坝实在溶洞、断层中充当的砼与基岩间的裂隙；3）有利于提高帷幕灌浆的压力。范围：坝趾、坝基钻孔布置：梅花形、方格形孔距：排距3m、2m4m孔深：515m灌浆压力；以不掀动基岩为限。7.4帷幕灌浆帷幕灌浆：在坝踵附近钻孔，进行深层高压灌浆，充填地基中的裂隙和渗水通道，形成一道连续的砼地下墙。作用：减少坝