水工建筑物第3章重力坝

1、3 3 岩基上的重力坝岩基上的重力坝3.3.1 1 概述概述3.3.2 2 重力坝的荷载及其组合重力坝的荷载及其组合3.3.3 3 重力坝的抗滑稳定分析重力坝的抗滑稳定分析3.3.4 4 重力坝的应力分析重力坝的应力分析3.3.5 5 重力坝的渗流分析重力坝的渗流分析3.3.6 6 重力坝的温度应力、温度控制和裂缝防止重力坝的温度应力、温度控制和裂缝防止3.3.7 7 重力坝的剖面设计重力坝的剖面设计3.3.8 8 重力坝的极限状态设计法重力坝的极限状态设计法3.3.9 9 重力坝的抗震设计重力坝的抗震设计3.3.10 10 泄水重力坝泄水重力坝3.3.11 11 重力坝的地基处理重力坝的地基

2、处理3.3.12 12 重力坝的材料及构造重力坝的材料及构造3.3.13 13 碾压混凝土重力坝碾压混凝土重力坝3.3.14 14 其他型式的重力坝其他型式的重力坝3.3.1 1 概述概述 一、重力坝的工作原理及特点一、重力坝的工作原理及特点 重力坝的定义：用砼或石材修筑、主要依靠坝体自重保持稳定的大坝。见图 重力坝的分类：分别按结构型式（实体、宽缝、空腹）、坝体溢流与否（溢流与非溢流）、筑坝材料（砼、浆砌石）进行分类。 岩基上重力坝的基本剖面呈三角形，上游面通常是垂直的或稍倾向上游的三角形断面。 1、工作原理 主要依靠坝体的重量，在坝体和地基的接触面上产生抗滑力来抵抗库水的推力，以达到稳定的

3、要求。go驰名中外的长江三峡工程丰满大坝万家寨大坝江垭大坝石泉大坝新安江大坝3.3.1 1 概述概述2 2、重力坝的优点及缺点：、重力坝的优点及缺点：优点： 1）安全可靠。抵抗水的渗漏、洪水漫顶、地震或战争破坏的能力都比较强，因而失事率较低，但剖面尺寸较大。 2）对地形、地质条件适应性强，坝体作用于地基面上的压应力不高，所以对地质条件的要求也较低，低坝甚至可修建在土基上。 3）枢纽泄洪容易解决，便于枢纽布置。 4）施工方便，便于机械化施工。 5）结构作用明确，应力计算和稳定计 算比较简单。3.3.1 1 概述概述缺点：缺点： 1)剖面尺寸大，水泥石料等用量多。 2)坝体应力较低，材料强不能能充

4、分发挥。 3)扬压力大，对稳定不利。 4)砼体积大，温控要求较高。3.3.1 1 概述概述二、重力坝的设计内容剖面设计：稳定分析：应力分析：构造设计：地基处理：溢流重力坝和泄水孔的孔口设计：监测设计：三、重力坝的建设情况19世纪以前：浆砌石19世纪后期：混凝土20世纪中期后：碾压砼3.2 3.2 重力坝的荷载及组合重力坝的荷载及组合作用：外界环境对水工建筑物的影响；分为永久、可变和偶然三种作用。荷载：进行结构分析时，若开始即可用一个明确的外力来代表外界环境的影响，则此作用（外力）可称为荷载；作用于重力坝的主要荷载有：自重；静水压力；扬压力；动水压力；浪压力；泥沙压力；冰压力；土压力；温度荷载；

5、风荷载；地震力。一、荷载1、自重3.2 3.2 重力坝的荷载及组合重力坝的荷载及组合 坝体自重由坝体体积和材料的容重算出。初步设计时可取砼c=24kN/m3，施工详图阶段由现场砼试验决定，当计算深层滑动时，还应考虑岩体的自重。2、静水压力 作用在坝面上的静水压力可按静水力学原理计算，分为水平及垂直力分别进行计算。 水平力：P1=(1/2)rH12 P4=(1/2)rH22 垂直力：P2=(1/2)rnH12 P3=(1/2)rmH223.2 3.2 重力坝的荷载及组合重力坝的荷载及组合 3、扬压力1）扬压力组成：上浮力+渗流压力；上浮力由坝体下游水深产生的浮托力；渗流压力，即坝底扬压力，形成原

6、因：上下游水位差；砼、岩石都是透水材料砼的孔隙等缺陷、岩石的节理与裂隙等。 由于基岩节理裂隙很不规则，难以求出坝底扬压力的准确分布，故通常假定扬压力从坝踵到坝趾成直线变化。 扬压力折减系数与岩体的性质和构造，帷幕深度和厚度，灌浆的质量，排水孔的直径、间距、深度等有关。 规范规定：河床坝段=0.2-0.3 岸坡坝段=0.3-0.4H1H=h1-h2h2帷幕排水rH1arHrH2浮托力扬压力渗透力rH3帷幕排水rH4h4H3Hhrha3rha3rH3.2 3.2 重力坝的荷载及组合重力坝的荷载及组合2）坝身扬压力（见下右图）。坝身排水管折减系数3=0.15-0.33.2 3.2 重力坝的荷载及组合

7、重力坝的荷载及组合4、动水压力 在溢流面上作用有动水压力，坝顶曲线和下游面直线段上的动水压力很小，可忽略不计。只计算反弧段上的动水压力。 计算时假定水流为匀速流，流速为V，如果忽略水重W，侧面水压力F1和F2，则可以直接由动量议程求出作用于整个反弧上的水压力水平分量。 PH=qV(Cos2-Cos1)/g 垂直分量：取V1V2 Pv=qV（Sin1+ Sin2）/g3.2 3.2 重力坝的荷载及组合重力坝的荷载及组合5、浪压力浪压力与波浪要素、坝前水深等有关；具体说来，浪压力与风速和水库吹程有关。中等高度以上的重力坝，浪压力在荷载中所占比重较小，通常忽略；波浪三要素：波高、波长和壅高；重力坝上

8、游面多为铅直（或接近铅直），当波浪推进到坝前时，由于坝面的反射作用产生驻波，波高为2hl，而波长保持L不变。计算风速V0：指水面以上10m处10min的风速平均值；水库吹程D：风作用于水域的长度，亦即风区长度，为坝前（风向）到对岸的距离，当吹程内水面有局部缩窄，若缩窄处的宽度B小于12波长时，近似地取D=5B（且不小于自坝前到缩窄处的距离）；H为坝前水深。3.2 3.2 重力坝的荷载及组合重力坝的荷载及组合官厅水库公式适用范围：V020m/s及DL/2时，波浪运动不受库底约束；浅水波：L/2HH0时，波浪运动受库底影响；临界波：H90时，即上游面为倒坡。库空时，三角形重心可能超过底边三分点在下

9、游面产生拉应力，而且倒坡不便施工。 当90时，利用水重帮助稳定。但角度太小时，库满时合力可能超过底边三分点（偏下游）在上游面产生拉应力。上游面坡度越缓，第一主应力越易成为拉应力，故角不宜太小。3.7 重力坝的剖面及优化设计规律：1）施工运用方便多做成=90 2）f较低时，为满足稳定，减小角，利用水重 3）工程经验m=0.60.8（下游坡）n=00.2（上游坡） pHW2W1BUarH重力坝基本剖面a3.7 重力坝的剖面及优化设计三、实用剖面 以大坝基本剖面为基础，考虑大坝正常运行管理和交通要求，坝顶设置足够宽度所确定的剖面。 根据运用和交通要求，坝顶应有足够的宽度，无特殊要求，坝顶宽=8-10

10、%坝高，但不得小于2米，如有运用和交通要求，应满足这些要求。 坝顶高于水库水位的高度h计算： h=hl+hz+hc 坝顶高度=设计洪水位+h 坝体剖面拟定：分三种情况确定。3.7 重力坝的剖面及优化设计四、大坝优化设计 即在给定荷载条件下采用最经济、最合理的设计（一）优化设计方法分类 1、传统重复设计法 2、准则法 3、数学法 求解：直接最优法：（试验最优法）直接对目标函数进行比较，以逐步达到最优；间接最优法：（分析最优法）把研究对象用数学方程描述，运用数学解析法求其最优解。 3.7 重力坝的剖面及优化设计（二）结构优化设计包括的内容：、规定描述坝体体形的设计参数、建立目标函数、确定约束条件、

11、选择求解方法 3.8 重力坝的极限状态设计法 一、重力坝剖面设计原则 直接采用结构目标可靠指标进行水工结构设计，可较全面地考虑有关因素变异性对结构可靠性的影响，使设计更趋合理；按国家传统和所有资料，规范明确规定采用概率极限状态设计原则，以分项系数极限状态设计表达式进行结构计算，并按材料和作用的标准值分别计算基本组合和偶然组合。 重力坝剖面设计应遵循的原则：3.8 重力坝的极限状态设计法 1）各基本变量均为随机变量； 2）以现行规范规定的计算方法为基础建立极限状态方程； 3）同时满足抗滑稳定和坝趾抗压强度承载能力的极限状态，以及坝踵应力约束条件的正常使用极限状态； 4）重力坝按其所处的工作状况分

12、为：持久状况、短暂状况和偶然状况。对处于长期使用的持久状况，应考虑承载能力和正常使用两种极限状态，对短暂状况和偶然状况只考虑承载能力极限状态。3.8 重力坝的极限状态设计法 二、极限状态设计表达式 承载能力极限状态：指坝体沿坝基面或地基中软弱结构面滑动和坝趾超过筑坝材料抗压强度而破坏的临界状态； 正常使用极限状态：指坝踵不出现拉应力。 1、承载能力极限状态设计式 2、正常使用极限状态3.8 重力坝的极限状态设计法 承载能力极限状态设计式 计算公式：0S(Fd,ak)R(fd,ak)/d 1)抗滑稳定极限状态作用效应函数S()=P 2)坝趾抗压强度计入扬压力情况下的极限状态作用效应函数S()=(

13、W/B-6M/B2)(1+m2) 3)抗滑稳定极限状态抗力函数R()=fW+cA 4)坝趾抗压强度极限状态抗力函数R()=Ra 5)上述各式中，各基本变量f、c、Ra及扬压力系数均以设计值代入计算。3.8 重力坝的极限状态设计法 正常使用极限状态计算公式：0S(Fd,fd,ak)c/d1)上式中，为标准值，c为结构功能的极限值；设计状况系数、作用分项系数、材料性能分项系数均采用1.0；2)以坝踵铅直应力不出现拉应力作为正常使用极限状态，作用效应函数为S()=(W/B+6M/B2)；3)坝体应力约定压应力为正，拉应力为负；因此，正常使用极限状态设计式为0(W/B+6M/B2)0；4)结构安全级别

14、为级的建筑物=1.0，有W/B+6M/B2 0，与单一安全系数法的表达式完全相同；5)短期组合下游坝面的垂直拉应力，正常使用极限状态设计式为(W/B-6M/B2)100kPa。3.8 重力坝的极限状态设计法 试用分项系数极限状态设计法拟定一座重力坝的剖面尺寸。 已知：重力坝按2级建筑物设计，正常蓄水位为85.0m，相应下游水位为17.0m；校核洪水位为89.0m，下游水位为17.8m；砼容重为24kN/m3；坝前泥沙淤积高程为26.88m，泥沙浮容重为5kN/m3；风速20m/s，吹程5.0km；扬压力系数0.25；坝基属类岩石，其抗剪断摩擦系数为正态分布，均值1.0m，变异系数0.22，抗剪

15、断凝聚力为对数正态分布，均值900kPa，变异系数0.40。 解：1)初选剖面：上游坝坡1：0.05，下游坝坡1：0.7，上下游均从正常蓄水位起坡，坝顶宽度5.0m，坝底宽度63.75m，帷幕中心距坝踵7.2m，超高1.0m，坝顶高程90.0m。3.8 重力坝的极限状态设计法2)确定基本参数：结构重要性系数0=1.0，水压力、浪压力、泥沙压力及砼容重的分项系数均取1.0；抗剪断强度参数取其分布的0.2分位值作为标准值，则摩擦系数f=0.82，凝聚力c=610kPa；摩擦系数f的材料性能分项系数为1.4，则设计值fd=0.82/1.4=0.5857；凝聚力的材料分项系数为2.4，则设计值cd=6

16、10/2.4=254.17kPa；砼抗压强度材料性能分项系数为1.4，选用C10砼，则设计值Ra=10000/1.4=7142.86kPa；扬压力系数的分项系数为1.4，则设计值d=1.40.25=0.35。3)作用组合：坝体抗滑稳定极限状态和坝趾抗压强度极限状态，均属承载能力极限状态。核算时，其作用和材料性能均应以设计值代入。基本组合，以正常蓄水位对应的上下游水位代入；偶然组合，以校核洪水位对应的上下游水位代入。扬压力系数以设计值代入。3.8 重力坝的极限状态设计法4)各项作用的标准值计算结果为：按官厅水库公式计算浪压力Pl=47.4kN/m，水平水压力Pn=1806.3kN；各种工况下的W

17、和M值见下表：5)抗滑稳定极限状态基本组合时，取持久状况对应的设计状况系数=1.0，结构系数d=1.2。工况承载能力极限状态正常使用极限状态持久状况偶然状况持久状况W(kN)48089.9047375.1950257.45M(kN.m)-516214.46-670419.86-498386.513.8 重力坝的极限状态设计法0S()=0(0.5H12-0.5H22+Pl+Pn)=1.01.0(0.51085.02-0.51017.02+47.4+1806.3)=36533.7kNR()/d=(fW+cA)/d=(0.5857 48089.9+254.17 63.75)/1.2=36974.66

18、kN偶然组合，取持久状况对应的设计状况系数=0.85，结构系数d=1.2。0S()=1.00.85(0.51089.02-0.51017.82+47.4+1806.3)=33893.33kNR()/d=36625.82kN6)坝趾抗压强度极限状态基本组合时，设计状况系数=1.0，结构系数d=2.4。3.8 重力坝的极限状态设计法0S()=1.01.0(W/B-6M/B2)(1+0.72)=2.26MPaR()/d=7142.86/2.4=2976.19kPa=2.976MPa偶然组合时，设计状况系数=0.85，结构系数d=2.4。0S()=2.20MPaR()/d=2.976MPa7)上游坝踵

19、不出现拉应力极限状态因上游坝踵不出现拉应力极限状态属正常使用极限状态，故设计状况系数、作用分项系数和材料性能分项系数均采用1.0，扬压力系数直接采用标准值0.25代入计算。此时，结构功能的极限值c=1.0。0S()=1.0(W/B-6M/B2)=53kPa=0.053MPa0由以上计算结果可见，所拟剖面全部满足设计规范要求。3.9 重力坝的抗震设计抗震设计内容：抗震计算和选择安全、经济、合理的抗震结构及工程措施。一、抗震计算1、计算内容：抗震强度计算、抗震稳定计算两部分；2、计算方法：DL5073-2000规范规定：甲类重力坝地震作用效应采用动力法，乙类、丙类重力坝采用动力法或拟静力法；设计烈

20、度小于8度且坝高不足70m的重力坝可采用拟静力法；3、荷载：抗震计算中的地震作用有地震惯性力、水平地震作用下的动水压力和地震动土压力；不计地震对扬压力和泥沙压力的影响，以及竖向地震作用下的动水压力；4、地震组合：重力坝的抗震设计一般只考虑顺河流方向的水平地震作用，对设计烈度为8、9度的1、2级坝，则应同时计入水平和竖向地震作用，但对竖向地震惯性力尚需乘以0.5的耦合系数；3.9 重力坝的抗震设计5、动力法的地震动水压力：折算为与设计地震加速度相应的坝面附加质量，即Pw(y)=7hw(H1y)1/2/8；6、结构系数：拟静力法验算重力坝坝体强度和沿坝基抗滑稳定时，抗压、抗拉强度的结构系数分别取2

21、.8、2.1，抗滑稳定的结构系数取2.7；7、设计假定：砼重力坝的动力分析可采用振型分解反应谱法，特殊重要的重力坝可补充时程分析法；振型分解反应谱法是将坝体视为固接于刚性地基上的悬臂梁，沿高程划分为n个区段，各段质量集中在各自的结点上，并假定一部分库水与坝体一起振动；忽略阻尼影响，令动力方程式右端荷载项为0，可解出n个自振频率和振型，从而求得各振型的地震荷载；因重力坝的地震反应是以低阶振型为主，一般只需考虑35个振型即可满足设计要求。9、计算地震荷载及相应的坝体动应力和地震总惯性力3.9 重力坝的抗震设计10、材料强度和坝体强度、抗滑稳定验算抗震强度计算中，砼容许应力可比静力荷载情况适当提高，

22、但不超过30%；允许出现瞬时拉应力，但从偏于安全角度出发，需要核算仅由地震荷载引起的拉应力，抗拉安全系数不小于2.5；坝体强度和抗滑稳定满足抗震规范，同时要求：1）不同抗震设防等级的水工建筑物，应采用的地震反应计算方法，见3.2；2）作为线弹性结构的砼重力坝，应采用振型分解反应谱法；对特殊重要的重力坝，宜补充时程分析法；3）采用振型分解反应谱法，其地震作用效应可由各振型反应按平方和方根法组合；当两个振型的频率差的绝对值与其中一个较小的频率之比小于0.1时，宜采用完全二次型方根法组合；3.9 重力坝的抗震设计4）抗滑稳定应按抗剪断公式计算；5）强度和抗滑稳定应采用分项系数极限状态设计法，即：0S

23、(G,FGK,Q,FQK, E,FE,ak)R(fK/f,ak)/d6)与地震作用组合的各个静态作用的分项系数及标准值，应按DL5108-1999砼重力坝设计规范选用；凡未作为随机变量的作用和抗力，在抗震计算中，其分项系数均取为1.0。二、抗震措施调查表明：地震时，坝体顶部特别是断面突变处，容易出现裂缝；原有裂缝将扩展延伸；孔口及廊道附近容易开裂；接缝止水易遭破坏。因此，需采取以下措施：1）做好地基处理，加强对地基中断层、破碎带、软弱夹层等薄弱部位的工程处理措施，适当提高底部砼标号，加强砼与基岩的结合，并在坝基一定范围内做好接触灌浆和固结灌浆；2）确保砼的施工质量，加强温控措施和养护，尽量减少

24、表面裂缝；对易出现拉应力的施工缝，要认真加强处理；3.9 重力坝的抗震设计3）在重量、刚度、地形、地质条件沿坝轴线方向有突变的部位，均应设置横缝，并选用能适应较大变形的止水型式和材料；有时横缝可做键槽；对设计烈度为9度的一级坝，可根据具体情况进行横缝灌浆，将全坝或部分坝体连在一起；4）适当增大坝顶部位的刚度，减轻重量，提高砼标号，必要时可在上、下游面布设钢筋。在折坡处宜做成圆弧形，避免突变，以减少应力集中。对溢流坝应做好闸墩与桥面的连接；5）在坝内孔口和廊道附近的拉应力区，要适当增配钢筋，防止受震后裂缝发生和扩展；3.10 泄水重力坝 定义：既挡水又泄水的建筑物，承担泄洪、输水、排沙、放空和施

25、工导流等任务，通过坝顶溢流或坝身孔口泄水。 一、泄水重力坝设计要点 设计泄水重力坝，除应满足稳定、强度要求外，还需要根据洪水特性、水利枢纽布置、地形、地质、工程造价、水库运用方式及下游河道安全泄量等问题，经技术经济比较，研究确定泄水重力坝的位置选择、泄水方式的组合、下泄流量分配、堰顶和泄水孔口高程、溢流坝和泄水 孔体形以及消能防冲设施等。 上述三种主要设计要点的优缺点：3.10 泄水重力坝 1、泄水重力坝的位置选择：应结合枢纽布置全面考虑，避免与其他水工建筑物相互干扰，其下泄水流不致淘刷坝基与其他建筑物的地基与岸坡； 2、泄水方式的组合与下泄流量分配：峰高量大，选择好组成泄水系统的建筑物类别，

26、确定各泄水建筑物的泄流量；泄水方式有表面式+深水式； 3、溢流坝堰顶和泄水孔进口高程的确定：溢流坝堰顶高低与泄水孔进口高低对泄流量、孔口尺寸、闸门尺寸及其启闭的影响。3.10 泄水重力坝二、溢流重力坝1、工作特点： 溢流重力坝是重力坝枢纽中重要的泄水建筑物，用于将规划库容所不能容纳的绝大部分洪水经由坝顶泄向下游，以保证大坝安全。并满足泄洪的要求包括： 1）有足够的孔口尺寸、良好的孔口体型和泄水时具有较高的流量系数； 2）使水流平顺流过坝体，不产生不利的负压和振动，避免发生空蚀现象。 3）保证下游河床不产生危及坝体安全的局部冲刷。 4）溢流坝段在枢纽中的位置，应使下游流态平顺，不产生折冲水流，不

27、影响枢纽中其他建筑物的正常运行。 5）有灵活控制水流下泄的设备。如闸门、启闭机等。 3.10 泄水重力坝2、孔口设计 1）影响因素：洪水设计标准、下游防洪要求、库水位壅高有无限制、是否利用洪水预报、泄水方式以及枢纽地形、地质条件等。 2）设计步骤： 选定泄水方式，拟定若干种泄水布置方案； 初步确定孔口高程、尺寸，按工程等级相应的洪水设计标准进行洪水调节演算；求出各方案的防洪库容，设计和校核洪水位及相应的下泄洪量等； 然后估算淹没损失和枢纽造价，进行技术经济比较，选出最优方案。 3.10 泄水重力坝3）洪水标准 洪水标准，包括洪峰流量和洪水总量。是确定孔口尺寸进行凋洪演算的重要依据。选用标准见P

28、85表312。4）孔口型式坝顶溢流式优点：不仅能宣泄洪水，还能排除冰凌及其他漂浮物；闸门在顶部，操作方便，易于维修，安全可靠； 堰头设闸门大中型调节库水位和下泄流量； 堰头不设闸门小型结构简单，管理方便；3.10 泄水重力坝闸门承受的水头较小，孔口尺寸可以较大；闸门全开时，下泄流量与堰顶水头H03/2成正比，超泄能力强。大孔口溢流式：上部设胸墙，降低堰顶高程 胸墙类型：固接胸墙，活动胸墙； 优点：可根据洪水预报提前放水，加大蓄洪库容，提高了调洪能力； 泄流能力：当库水位低于胸墙时，下泄水流与开敞式相同；当库水位高于孔口一定高度后，为大孔口泄流，超泄能力不如开敞式。 5 5）孔口尺寸）孔口尺寸单

29、宽流量确定：通过调洪演算，可得Q溢=Q总-Q0，并q=Q溢/L，以大体确定溢流坝段的净宽和堰顶高程，单宽流量越大，下泄水流动能越大，消能问题越突出，下游局部冲刷越严重，但溢流前沿短，利于枢纽布置，必须结合地质条件、下游河道水深、枢纽布置和消能工设计，通过技术经济比较选定。孔口尺寸：L0=nb+(n-1)d，由调洪演算推出设计洪水位及相应的下泄流量Q溢，当用开敞式溢流时，Q溢=nbm(2g)1/2H03/2；当采用胸墙大孔口时，Q溢=nbam2g(H0-a)1/2；3.10 泄水重力坝3.10 泄水重力坝确定孔口尺寸时应考虑的因素: 满足泄洪要求； 枢纽布置：孔口高度越大,q大,溢流坝段越短;孔

30、口宽度越小,孔数多、闸门多，溢流段总长也相应加大；通常选用宽扁形孔口；狭窄河道上，溢流前沿宽度受限，从枢纽布置考虑，闸门孔口宽高比小于1较经济合理； 孔口宽度越大,闸门尺寸越大,启门力越大,启门和启闭机的构造就较复杂；为方便闸门制造，尽量采用规范推荐的孔口尺寸； 下游水流条件：q大，消能困难，为了对称均衡开启闸门，以控制下游河床流态，孔口数目最好采用奇数; 当校核洪水和设计洪水相差较大时，应考虑非常泄洪设施； 如适当加长溢流前沿长度；当地形、地质条件适宜时，还可象土坝枢纽一样设置岸边非常溢洪道。3.10 泄水重力坝6）闸门和启闭机闸门分为：工作、检修。工作门：平面门和弧形门。检修门：平面门、叠

31、梁门。平面门优点：结构简单、闸门受力条件较好，闸门较短，多孔口共用一台活动门机。缺点：启闭力较大，闸墩较厚。弧门优点：启闭力小、闸墩薄、无门槽水流平顺缺点：闸墩较长，受力条件差。弧形门用固定式启闭机。平面门：活动门机（工作、检修平门共用）7）闸门和工作桥 闸门的断面形状应使水流平顺； 上游端常采用：椭圆形，半圆形或流线型； 上游端：采用：收缩成流线形 现有：方形 宽尾墩8）横缝的布置 墩中分缝：墩厚、工作可靠、不均匀沉降不影响启闭； 孔中分缝：墩薄，受地基不均匀沉降影响启闭，水流过横缝，局部不平顺。 3.10 泄水重力坝3、泄水重力坝设计中有关高速水流的几个问题空化和空蚀。 1）基本概念：空化

32、（空穴化）：由于边界突变造成水流和壁面分离等各种原因，在边界处产生负压使水流中某一点的压力降低到水的蒸汽压力时，水流内部开始出现蒸汽空泡，称为“空穴”即“空化”。空蚀：当空化水流运动到压力较高处，由于汽泡的溃破，伴随着声响和巨大的冲击作用，当这种作用力超过结构表面材料颗粒的内聚力时，便产生剥离状的破坏，这种现象称为“空蚀”。3.10 泄水重力坝3.10 泄水重力坝防蚀、抗腐的措施：控制过水表面的不平整度。掺气减蚀,:当流速超过36m/s时,即使采取表面平整度处理,仍可能产生空蚀,故应考虑其它安全措施。采用抗蚀抗磨性强的材料。2）掺气 水自由表面产生掺气现象使水深增大。在确定溢流坝边墙高度时，应

33、予考虑。3）脉动泄水建筑物中的水流属于高度紊动水流，其基本特征是流速和压力随时间在不断变化，即所谓脉动；在设计中，表征脉动压力的主要参数是频率和振幅；紊动水流均产生掺气边界条急剧变化处尤为严重，脉动对建筑物的影响：增大作用在建筑物上的瞬时荷载。其双倍振幅为2%10%的流速水头；脉动压力变化有一定的周期性。引起结构振动甚至共振增加空蚀破坏的可能性。4）冲击波 在高速水流边界发生变化处：断面扩大、收缩、转弯等，将产生冲击波。3.10 泄水重力坝3.10 泄水重力坝4、溢流面曲线及剖面设计溢流面组成：顶部曲线段、中间直线段和反弧段；设计要求：有较高的流量系数，泄流能力大；水流平顺，不产生负压和空蚀；

34、体型简单、造价低，便于施工。1）顶部曲线：开敞式堰顶常用曲线：WES曲线；克奥曲线；三段圆弧；胸墙堰顶曲线：y=x2/42Hd。2）反弧段：圆弧，其半径结合下游消能设施确定：挑流消能R=(410)h，流速0.5，经核算B-B截面的拉应力较大时，可设缝将鼻坎与坝体分开。3.10 泄水重力坝5、消能工的设计原则及型式1）消能工消能：通过局部水力现象，把水流中的一部分动能转换成热能，随水流散逸；2）消能工程能量转换途径：水流内部紊动、掺混、剪切及漩滚；水股的扩散及水股之间的碰撞；水流与固体边界的剧烈摩擦和撞击；水流与周围气体的摩擦和掺混；3）设计原则：根据枢纽布置、地形、地质、水文、施工和运用等条件

35、确定。 尽量使下泄水流的动能消耗于水流内部的紊动中，以及水流与空气的摩擦上； 不产生危及坝体安全的河床或岸坡的局部冲刷；3.10 泄水重力坝 下泄水流平稳，不影响其他建筑物的运行。 结构简单，工作可靠。 工程量小，经济。4）消能工的型式：底流式、挑流式、面流式、消力戽等。5）选择消能工的依据：地形、地质、枢纽布置、水头、流量、下游水深及其变幅等进行技术经济比较。重要工程应作模型试验。6）泄洪消能技术新进展：常见的底流和挑流方式有了很大改进与发展，增强了适应性和消能，出现了一些新型高效的消能工宽尾墩、台阶式溢流坝面和T形墩等；因地制宜，采用多种消能工联合消能；常见底流和挑流能、增强了适应性和消能

36、效果。3.10 泄水重力坝7）多种联合消能工消能：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，主要是溢流坝和岸边溢洪道；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。乌江渡水电站大坝：中部4个溢流表孔，左右侧各设1条滑雪式溢洪道，并设2个中孔和2条泄洪洞进行联合泄洪；潘家口水电站大坝：宽尾敦与挑流联合消能；因重力和离心力的影响、相邻孔之间水流扩散彼此交汇并碰撞，激起很高的水冠向下游挑射，增强了空中扩散与掺气，提高了效果；五强溪水电站采用宽尾墩底孔消力池新型联合消能，较原设计的消力池缩短了50m，利用宽尾墩形成的

37、坝面无水区，沿闸墩轴线在坝内设置7个泄洪底孔，取消了1个溢流表孔，获得了很好的经济效益。3.10 泄水重力坝8）底流消能水流条件及消能措施。 在坝趾下游设消力池，消力坎等。底流消能工作可靠，但是工程量大。 下泄不同流量产生的跃后水深h”与下游实际水深t的关系，有以下五种情况： Qh”和Qt重合。 表明任何情况下均产生临界水跃，无须修消力池，只须在水跃范围内修护坦即可。 这是最理想情况，实际很少见。 3.10 泄水重力坝hchth tQh-Qt-Qt-Qh th-QQt-Qh th-QQt-Qh th-QQQQkQQkh tt-QQ3.10 泄水重力坝 何情况他th”,均产生淹没水跃。淹没度大时

38、，产生高速潜流，水跃长度加大。消能采用消力戽或斜坡式（逆坡式）护坦，（计算方法不成熟） 小Q时，QQk时tQk时，th”,下游水深大，产生淹没水跃。这时采用斜坡式护坦与消力池相结合得方式（并称消力护）。3.10 泄水重力坝 与相反。也用消力戽消能，消力池按最大流量设计。护坦结构 护坦的作用：保护河床不受高速水流的冲刷。 长度：底流式消能延伸致水跃末端，其他型式，也需在坝趾下游设置护坦。 厚度：满足稳定要求。上游厚，下游薄（流速小，压力大）。 为防止护坦受基岩约束产生温度裂缝、在护坦内设置温度伸缩缝，顺河向的缝与闸墩中心线对应，横向的缝间距1015m，护坦底下设排水系统（降低扬压力），护坦末端做

39、成齿墙以防水流淘刷。 材料：采用抗蚀耐磨砼。 3.10 泄水重力坝9）挑流消能（适用于基岩比较坚固的高、中坝） 消能特点：将下游高速水流抛向空中，使水流扩散、掺气，然后跌入下游河床水垫中，发生旋滚和摩擦，以消耗能量，本消能方式优点：简单、经济、工期短；缺点：尾水活动比较大，雾化大，影响电站工作。 设计内容：鼻坎型式、反弧半径、鼻坎高程、挑射角度。 3.10 泄水重力坝连续式鼻坎 主要优点是：构造简单，射程远，水流平顺，很少产生空蚀。 鼻坎挑射角一般=2025，深水河槽=1520。 (在45以内，角度愈大，挑射距离愈远，但入水角度也大，冲刷坑也愈深)，要求2.55.0 反弧半径R=（810）h，

40、h鼻坎上水深。R大小，水流转向不平顺；过大时，鼻坎向下游延伸太长，增大工程量。 鼻坎高程：一般高出下游最高水位12m，现有低鼻坎挑流低于下游最高水位，如浸窝。 挑距及冲坑计算公式见教材。 3.10 泄水重力坝差动式挑流鼻坎 优点：使挑射水舌扩散，分成两段，相互撞击、加大掺气量，加大空中耗能，减小入水的单位面积上的能量，减小冲刷，下游波动也小些。 型式：矩形和梯形齿坎； 缺点：矩形侧壁易产生较大负压；梯形施工复杂。3.10 泄水重力坝 10）面流式消能 适用于中小型工程，水头低，下游水深大且变幅小。 消能特点:利用鼻坎将主流挑至水面，在鼻坎附近表面主流与河床之间形成逆向旋滚。使高速水流与河床隔开

41、，避免对坝趾附近河床的冲刷，主流在水面逐渐扩散消能，反向旋滚也可消除一部分能量。 优点:面流消能不需设护坦和其他加固措施。 缺点:高速水流在表面、伴有强烈的波浪、绵延数里，影响电站运行及下游通航，易冲刷两岸。 3.10 泄水重力坝11）消力戽消能 适用：尾水深、变幅小、无航运要求，下游河岸有一定抗冲能力。 特点：消力戽是以模型试验为基础研究成功的一种消能方式。它是利用一个较大的反弧半径和挑角形成的戽斗、在一定尾水深度的作用下，使从溢流坝下游的高速水流在戽斗内产生激烈的表面旋滚，并使出戽的高速水股在底部及尾水中均产生旋滚，以达到较好的消能效果。30年首先在美国大苦力坝中采用，我国安康采用。 优点

42、：工程量较消力池小，冲刷坑比挑流式浅，不存在雾化问题； 缺点：下游水面波动大，易冲刷岸坡，不利航运，戽面磨损率高，增大了维修费用。 3.10 泄水重力坝12）下游折冲水流及其防止 发生原因：开启部分泄水孔，下游水流不能迅速在平面上扩散，在主流两侧容易形成回流，主流受到压缩，使水流单宽流量增加，流速在长距离内不能降低，引起河床冲刷。如两侧回流强度不同，水位不同，还可将主流压向一侧，形成折冲水流。 危害：冲刷河床和河岸；影响航运；3.10 泄水重力坝电站尾水形成回流，抬高尾水，损失电能（落差减小）；下游折冲水流及防止措施： 在枢纽布置上，尽量使下泄水流与原河床主流位置和方向一致； 规定闸门操作程序

43、，使各孔闸门同时使各孔闸门同时均匀，或程序对称开启； 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。3.10 泄水重力坝三、坝身泄水孔1、坝身泄水孔的作用作用：宣泄部分洪水；预泄库水，增大水库的调蓄能力；放空水库以便检修；排放泥沙，减少水库淤积；随时向下游放水，满足航运或灌溉等要求；施工导流；缺点：孔内流速较高，容易产生负压、空蚀和振动；闸门在水下检修较困难；闸门承受的水压力大，启门力加大；门体结构、止水和启闭设备都较复杂，造价增高；水头愈高，孔口面积愈大，技术问题愈复杂；一般不用坝身泄水孔作为主要泄洪建筑物，其过水能力主要根据预泄库容、放空水库、排沙或下游用水要求来

44、确定；在洪水期可作为辅助泄洪；在枢纽中设置坝身泄水孔、泄洪隧洞或泄水管道，用以放空水库；我国早期工程未设，后来运用和检修都很困难。3.10 泄水重力坝 2、坝身泄水孔的型式及布置 型式：按水流条件，分有压和无压；按孔口所处高程分中孔和底孔；按布置的层数分为单层和多层。1）有压泄水孔工作闸门布置在出口，可以部分开启，出口低，利用的水头大，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。为此进口处设置事故检修闸门、平常用来挡水。2）无压泄水孔工作闸门布置在进口，为形成无压水流，需在闸门后将断面顶部升高。（工作闸门前仍为有压段）3.10 泄水重力坝优点：闸

45、门可以部分开启，明流段不用钢板衬砌，施工简便，干扰少，有利于加快速度进度。缺点：断面尺寸较大，削弱坝体。国内重力坝多采用无压泄水孔。3）双层泄水孔受闸门结构及启闭机的限制，深式泄水孔的断面面积不能太大，为了增大泄流量，可将泄水孔做成双层的（或将泄水孔布置在溢流坝段）。 注意的问题：双层泄水时对下层泄水孔泄流能力的影响；在尾部上、下层水流交汇处可能产生空蚀。深式泄水孔：水流流速高，边界条件复杂，应十分重视体形设计，如进口曲线，闸门槽的型式，渐变段、竖向连接等，并注意施工质量。3.10 泄水重力坝3、进口曲线应满足：减少局部损失，提高泄水能力 控制负压，防止空蚀。进口曲线：顶部、两侧常用四分之一椭

46、圆，底部常用园弧。椭圆方程：X2/A2+Y2/(aA)2=1 断面：矩形：顶面曲线，A为孔高，为1/31/4 两侧曲线，A为孔高，=1/4 园孔： A为直径，=0.30 进口段的孔口中心线，一般布置成水平的。 3.10 泄水重力坝 4 4、闸门和闸门槽、闸门和闸门槽深孔常用的闸门也是平面和弧形闸门。深孔常用的闸门也是平面和弧形闸门。平面闸门槽是最易产生负压和空蚀的地方。平面闸门槽是最易产生负压和空蚀的地方。为减免门槽空蚀，试验结果表明，矩形收缩型门槽较好。为减免门槽空蚀，试验结果表明，矩形收缩型门槽较好。5 5、孔身、孔身有压泄水孔，一般采用圆形断面，圆形过水能力较大，有压泄水孔，一般采用圆形

47、断面，圆形过水能力较大，管周应力条件也好，为防渗和满足应力要求：管周需管周应力条件也好，为防渗和满足应力要求：管周需布设钢筋，有时采用钢板衬砌。布设钢筋，有时采用钢板衬砌。无压泄水孔的明流段无压泄水孔的明流段, ,通常采用矩形泄槽通常采用矩形泄槽, ,洞顶应留有足洞顶应留有足够的空间够的空间, ,以满足掺气和通气的要求以满足掺气和通气的要求, ,以保证形成稳定以保证形成稳定的无压流。的无压流。为了减小出口的单宽流量，有利于下游消能，在管道转为了减小出口的单宽流量，有利于下游消能，在管道转入明流段后，两侧在平面上可以适当扩散。入明流段后，两侧在平面上可以适当扩散。3.10 泄水重力坝6、渐变段 泄水孔进口一般都做成矩形，以便布置进口曲线和闸门，而重力坝有压泄水孔断面常采用圆形，所以在进口闸门后需设渐变段，以便水流平顺过渡。 当主要闸门（由园变方）布置在出口时，出口断面必须做成矩形，7、竖向连接 有压：园弧连接，R5倍孔径。 无压：采用抛物线连接。 3.10 泄水重力坝8、平压管、通气孔1）平压管位置:在检修门和工作门之间（与水库连通）2）平压管目的:可使检修门在静力中启门,减小启门力；充水量不大时，在闸门上设充水阀。3）通气孔