河海大水利水电工程概论讲义03重力坝

第三章重力坝第一节概述用混凝土或浆砌石筑成，坝轴线一般为直线，并有垂直于坝轴线方向的横缝将坝体分成若干段.1、重力坝的基本剖面：做成上游面接近铅直的呈三角形断面，或稍倾向上游的三角形断面。2、受力简图可以视作倒置的悬臂梁重力坝的优点：1、重力坝结构简单、体积大，有利于机械化施工。而且由于断面尺寸较大，材料强度高耐久性能好，抵抗水的渗漏，洪水漫顶，地震或战争破坏的能力都比较强，安全可靠。因而失事率较低。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、导流问题容易解决。由于筑坝材料的抗冲能力强，施工期可以利用较低坝块或预留底孔导流，坝体可以做成溢流式，也可以在坝内不同高程设置排水孔，一般不设溢洪道或泄洪洞，易于解决永久性泄洪及施工导流，便于机械化施工。4、传力系统明确，便于分析与设计，运行期间的维护及检修工作量较少。但需采用防渗排水设施及温控措施。缺点：1、剖面尺寸大，水泥石料等用量多。2、坝体应力较低，材料强度能充分发挥。3、坝底扬压力较大，对稳定不利。重力坝坝体与地基的接触面积大，相应的坝底扬压力也大，它会减轻坝体的有效重量，对坝体的稳定不利，因此要采取有效防渗排水措施，减小扬压力，节省工程量。4、水泥水化热较大，可能导致坝体裂缝。砼体积大，水泥用量大，在施工期，水泥水化热引起的温度也很大，并将引起坝体内温度和收缩应力，可能引起坝体产生裂缝，所以要采取温控措施。分类:1、按坝的高度分类:坝高低于30m的为低坝，高于70m的为高坝，介于30m～70m之间的为中坝。坝高是指坝基最低面（不含局部有深槽或井、洞部位）至坝顶路面的高度。2、按泄水条件分类:有溢流重力坝和非溢流重力坝。溢流坝段和坝内设有泄水孔的坝段统称为泄水坝段，非溢流坝段也叫挡水坝段。3、按筑坝材料分类:有混凝土重力坝和浆砌石重力坝。4、按坝体结构型式分类:实体重力坝宽缝重力坝；空腹（腹孔）重力坝；预应力锚固重力坝；装配式重力坝；支墩坝（大头坝、连拱坝、平板坝）。5、按施工方法分类:有浇筑混凝土重力坝和碾压混凝土重力坝。碾压混凝土重力坝剖面与实体重力坝剖面类似。第二节重力坝上的作用及作用效应组合作用：指外界环境对水工建筑物的影响。１、按时间的变异分永久作用、可变作用、偶然作用。２、按建筑物对外界作用的效应的原因分：直接作用和间接作用。所谓直接作用是指直接施加在结构上的分布力或集中力，亦可称“荷载”；间接作用则指因外部环境（改变）的原因使结构产生附加变形或约束变形，如温度地震作用等。结构上的各种作用，按其随时间的变异分三种：（1）永久作用：是指在设计基准期内，其量值不随时间变化或其变化与平均值相比可忽略不计的作用。包括：结构自重；土压力淤沙压力；围岩压力预应力等。（2）可变作用：指在设计基准期内量值随时间变化，且变化与平均值相比不可忽略的作用；包括:静水压力、扬压力、动水压力、浪压力、外水压力、风雪荷载、冰压力、温度作用、灌浆压力等。（3）偶然作用：指在设计基准期内出现概率很小，一旦出现量值很大且持续时间很短的作用，包括：地震作用、校核洪水位时的静水压力等。采用分项系数设计方法时，设计表达式中作用变量所采用的值，称为设计代表值。对永久作用和可变作用的代表值应采用作用的标准值，偶然作用的代表值按有关规范确定。第三节重力坝的可靠度设计原理简介水工结构设计的目是保证结构设计满足安全性、适用性、耐久性的要求，而结构的安全性、适用性、耐久性则构成了结构的可靠性，也称为结构的基本功能要求。分项系数承载能力极限状态的基本组合设计表达式一、重力坝滑动失稳模式重力坝主要依靠自身重力维持稳定。因此抗滑稳定分析是设计中的重要课题。重力坝可能沿坝基平面滑动，也可能沿地基中缓倾角断层或软弱夹层滑动。按照目前的设计方法，高度H小于100m的重力坝，控制剖面尺寸常常是稳定而不是应力。目前的计算公式大都是半径验性的，因为影响因素很多。(一)坝基面抗滑稳定极限状态重力坝依靠自重等作用在坝体与基岩胶结面上产生的摩擦力与粘聚力来维持滑移稳定,当水平力足够大时,摩擦力与粘聚力就达到其抗剪断强度,此时,该平衡将达到极限状态.(二)坝体层面的抗滑稳定极限状态重力坝的施工是分层浇筑，水平施工缝也是抗滑(抗剪断)相对薄弱面.因此，重力坝设计中也要对层面进行抗滑稳定计算.(三)坝基深层抗滑稳定极限状态在很多情况下，重力坝的最危险滑动面往往不在坝身与地基的接触面，而是在地基内部。因为基岩内经常有各种形式的软弱面存在,坝体将带动一部分基岩沿这些软弱面滑动,即所谓的深层滑动.（三）深层抗滑稳定分析计算时选择几个比较危险的滑动面进行试算，然后做出比较分析判断。目前尚无成熟的方法：（1）单斜面深层滑动的计算（2）双斜面深层滑动第四节重力坝断面设计重力坝的基本断面一般是指在水压力(水位与坝顶齐平)、自重和扬压力等主要荷载作用下，满足稳定、强度要求的最小三角形断面。一、设计原则1、满足稳定和强度要求2、工程量少、外形轮廓3、便于施工4、运用方便二、基本剖面因为作用于上游面的水压力呈三角形分布,所以重力坝面是三角形。当a>90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游面产生拉应力，而且倒坡不便施工。当a<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a角不宜太小。基本剖面设计规律：1）施工运用方便多做成a=9002）f较低时，为满足稳定，减小a角，利用水重3）工程经验 m=0.6～0.8（下游坡）n=0～0.2（上游坡）一般情况,坝体与坝基接触面之间摩擦系数及粘结强度越大、渗压折减系数越大，基本剖面底宽就越小，断面主要由强度条件控制。反之，摩擦系数和粘结强度越小，渗压折减系数越小，坝底宽度就越大，且主要由抗滑稳定条件控制。(二)常态混凝土重力坝分区坝体各部位的工作条件不同，对混凝土材料性能指标的要求也不同。为满足各部分的要求，节省水泥用量及工程造价，通常将坝体混凝土按不同部位、不同工作条件分区坝身泄水孔1.坝身泄水孔的作用：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。；向下游放水，满足航运或灌溉等要求。；施工导流。2.坝身泄水孔的形式●按水流条件分为有压泄水孔和无压泄水孔●按泄水孔所处的高程分为中孔和底孔。●按布置的层数分为单层泄水孔和多层泄水孔。工作条件：①孔内水流流速高，易产生负压，空蚀和振动；②闸门在水下，承受的压力大，检修困难。型式及布置：按水流条件分：有压的、无压的；按高程分：中孔、底孔；按布置层数分：单层、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。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）优点：闸门可以部分开启，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：①双层泄水时对下层泄水孔泄流能力的影响；②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。七、坝体排水：为减小渗水对坝体的不利影响，在靠近上游面处布设排水管。距上游面要求小于坝前水深的1/10—1/12，使渗透坡降在允许范围内。管距2—3m。管径15—25cm，太小易堵塞。排水管与廊道连接多采用直通式，且多在上游侧（使廊道干燥）。1．施工工艺简单，施工速度快通仓薄层浇筑，施工工作面大，可交错薄层连续上升，无需间歇养护；最大日上升高度1.2m；巴基斯坦的塔贝拉水电站采用碾压混凝土坝，浇筑强度达18000m3/d2．大量节约水泥，降低工程造价普通混凝土坝中的单方水泥用量约为180—280kg/m3，如新安江大坝为180kg/m3，丹江口大坝高达270kg/m3。碾压混凝土坝中单方水泥用量仅为90—50kg/m33．简化温控措施，减少坝体纵缝水泥用量较少，坝体采用薄层交替浇筑，表面散热条件良好，使坝体内部混凝土温度升幅大大降低。日本岛地川坝的实测资料表明，坝内最大温升仅8~10℃。可以不采取专门的降温散热措施4．简化施工导流设施，节约临时工程费用施工强度高、速度快；省略了施工围堰等设施。我国岩滩工程中的碾压混凝土围堰，曾多次通过洪水，堰顶最大过水深达2.2米。但仍能正常运用，对施工基本无不利影响。十、浆砌石重力坝是用胶结材料和块石砌筑而成的。其特点如下：①就地取材；②水泥用量少（比混凝土重力坝可节省50%左右），因而发热量低，可不采取温控措施，不设纵缝，可增加坝段宽度；③不需立模，施工干扰少；④施工技术易为群众掌握，便于组织人工进行施工。⑤人工砌筑，施工质量难于控制；⑥砌体孔隙率较大，需另设防渗设备。十一、宽缝重力坝（1）宽缝重力坝的特点①扬压力减小，抗滑稳定性相好②工程量节省约10%～20%；③坝体混凝土的散热快；④宽缝部位的模板用量大和宽缝倒坡部位的立模复杂；⑤分期导流不便。（2）宽缝尺寸布置：坝体上游坡通常取n=0.15～0.35，下游坡取m=0.5～0.7，在强度容许条件下，可适当加大缝宽比，放缓上游坡。十二、空腹重力坝在坝内沿坝轴线方向开设连续的大尺寸空腔时称空腹重力坝；较实体重力坝可节省20%～30%空腔部位不用清基，可减少坝基开挖量；空腔有利于坝体混凝土散热；腔内可布置水电站厂房，这时空腔底部需设置底板。空