《小型水工建筑物设计》课件-2.重力坝

2.1小型重力坝的特点和类型

课程导入工程中最常用的三种坝型：重力坝土石坝拱坝

1.重力坝的概念

3.重力坝的分类主要内容

2.重力坝的特点

一小型重力坝的概念由混凝土或浆砌石修筑的、依靠自身重力维持稳定的大坝，为重力坝。

工作原理：在水压力及其他荷载的作用下，主要依靠坝体自身重量在滑动面上产生的抗滑力来抵消坝前水压力，以满足稳定的要求；同时，也依靠坝体自重在水平截面上产生的压应力来抵消由于水压力所引起的拉应力，以满足强度的要求。P

一小型重力坝的概念

一小型重力坝的概念

一小型重力坝的概念

1.对地形、地质适应性强。二重力坝的特点3.需要温控散热设施。2.枢纽泄洪及导流问题容易解决。4.受扬压力影响大。5.材料强度不能充分发挥。

三重力坝的类型按大坝高度分高坝坝高大于70m

低坝坝高小于30m中坝坝高在70和30之间按坝顶能否溢流溢流坝非溢流坝按筑坝材料分混凝土重力坝浆砌石重力坝常态混凝土重力坝碾压式混凝土重力坝三重力坝的类型

三重力坝的类型

三重力坝的类型按结构形式分实体重力坝空腹重力坝宽缝重力坝预应力重力坝装配式重力坝

三重力坝的类型三重力坝的类型

小结与作业重点：重力坝的类型。2.2小型重力坝抗滑稳定分析

1.重力坝的失稳形式

3.提高重力坝抗滑稳定的措施主要内容

2.抗滑稳定计算一、重力坝滑动失稳型式滑动倾斜（1）滑动破坏：是坝体沿抗剪能力不足的薄弱层面产生滑动。表面滑动浅层滑动深层滑动 一、重力坝滑动失稳型式沿坝基面滑动：坝基面往往是抗剪强度的一个弱面；另一方面作用在坝基面上的荷载一般最大。建基面沿坝基岩体内连续软弱结构面的深层滑动。软弱结构面

我国修建的大型重力坝，其中有1/3存在深层滑动问题。（2）倾倒破坏：是在荷载作用下，上游坝踵下岩体受拉产生倾斜裂缝，下游坝趾岩体受压发生压碎而引起倾倒滑移破坏。☞倾倒失稳情况很少发生（因为重力坝设计要求坝踵不出现拉应力）。《混凝土重力坝设计规范》DL5108—1999规定，重力坝的抗滑稳定承载能力极限状态进行计算，认为滑动面为胶结面，滑动体为刚体。

可取一个坝段或取单位宽度进行计算二、抗滑稳定分析的方法单一的安全系数法抗剪强度公式抗剪断强度公式分项系数极限状态设计法1.抗剪强度公式（摩擦公式）——认为坝体与坝基为接触状态。把滑动面看成是一种接触面，而不是胶结面。所以阻滑力只计摩擦力，不计凝聚力。坝基面上的抗滑安全系数（抗剪强度稳定安全系数）K。二、抗滑稳定分析的方法式中：∑W——作用于坝基面以上的合力在垂直方向投影的代数和。∑P——作用于坝基面以上的合力在水平方向投影的代数和。U——作用于坝基面上的扬压力。f——坝基面上的摩擦系数（查表）。（1）当坝基面为水平时：二、抗滑稳定分析的方法抗剪强度公式式中：α——滑动面与水平面的夹角。☞由上式看出，滑动面倾向上游时，对坝体抗滑稳定有利；（微倾向上游对K有利）（2）当坝基面为倾斜时：抗剪强度公式二、抗滑稳定分析的方法2.抗剪断强度公式——认为坝体与坝基为胶结状态。此法认为坝体与基岩胶结良好，滑动面上的阻滑力包括摩擦力和凝聚力。并直接通过胶结面的抗剪断试验确定建基面抗剪断强度的参数f′和c′。坝基面上的抗滑安全系数（抗剪断稳定安全系数）K′。二、抗滑稳定分析的方法式中：

f′——坝基面上的抗剪断摩擦系数；c′——坝基面上的抗剪断凝聚力；A——坝基面上的面积；——按抗剪断公式计算的抗滑稳定安全系数。二、抗滑稳定分析的方法3.设计抗滑安全系数：与建筑物级别、荷载组合有关，见下表：4.摩擦公式和抗剪断公式的选用摩擦公式忽略了凝聚力，不合乎实际，而抗剪断公式则考虑，物理概念明确，比较符合坝体的实际情况，逐渐采用较多。我国规范规定中建议：当坝基内不存在可能导致深层滑动的软弱面时，应按抗剪断强度公式计算；对中型工程的中、低坝，为安全计，也可按抗剪公式（摩擦公式）计算。设置倾斜的上游坝面，利用坝面上水重以增加稳定。采用有利的开挖轮廓线。提高抗滑稳定性的工程措施三、提高重力坝抗滑稳定性的工程措施设深齿墙坝踵坝趾三、提高重力坝抗滑稳定性的工程措施抽水降压措施。加固地基。三、提高重力坝抗滑稳定性的工程措施钢筋混凝土抗滑桩。在坝基软弱夹层的下游坝趾、抗力体部位，布置钢筋混凝土抗滑桩，深入到滑动面以下完整岩体中，增加抗力。三、提高重力坝抗滑稳定性的工程措施预应力锚索。在坝顶钻孔至基岩深部，孔内放置钢索，其下端锚固在夹层以下的完整岩石中，另一端施加拉力，使坝体受压，提高坝体的抗滑稳定性。三、提高重力坝抗滑稳定性的工程措施1.整理练习任务后上交【纸质上交】2.提高重力坝抗滑稳定的工程措施有哪些？（纸质整理后提交优慕课）四、作业2.3溢流重力坝

课程导入回忆：重力坝的分类？坝顶能否溢流非溢流坝溢流坝

0.溢流重力坝的基本问题

2.溢流坝断面设计主要内容

1.溢流孔口设计

3.溢流重力坝的消能方式

4.作业

0溢流重力坝的基本问题重力坝排水的路径有哪些？只有溢流坝一条路吗？溢流坝溢流孔排沙孔电站……

0溢流重力坝的基本问题溢流坝的建筑物性质

溢流坝既是挡水建筑物，又是泄水建筑物。泄洪保坝输水供水排沙放空水库施工导流主要功能……溢流坝主要功能

0溢流重力坝的基本问题溢流坝的要求（1）有足够的泄洪能力，满足泄洪要求；稳定、强度要求泄流要求（2）水流平顺，尽量减小冲刷，负压和空蚀等；（3）防止下游产生不利流态，折冲水流及波状水跃等；（4）防止下游河床冲刷及冲坑安全;（5）不影响其他建筑物的正常使用。

溢流坝是枢纽中最主要的泄水建筑物。一般布置在主流对应的河床位置,并根据河床的性质，考虑溢流坝的长度。一溢流孔口设计坝顶溢流式

大孔口溢流式

不设闸门时，堰顶高程等于水库的正常蓄水位，当堰顶设闸门时，堰顶高程较低，当闸门全开时，下泄流量与堰上水头H03/2成正比，超泄能力较大。闸墩上部设固定胸墙或活动胸墙，可利用胸墙挡水，减少闸门的高度，降低堰顶高程。它可提前放水，腾出库容，提高调洪能力。遇特大洪水时可将活动胸墙吊起，加大泄洪能力，排放漂浮物。一溢流孔口设计堰顶高程不设闸门，正常蓄水位设闸门，略低于正常蓄水位检修闸门工作闸门WES堰胸墙一溢流孔口设计2.孔口尺寸主要内容：过水前缘总宽度、堰顶高程、孔口的数量、尺寸等。a——系数，一般取0.75—0.9（1）前缘总净宽确定q——单宽流量（m3/sm）。软弱岩石q=20~50m3/(s·m)；中等坚硬岩石q=50~70m3/(s·m)；特别坚硬岩石q=100~150m3/(s·m)；地质条件好、消能效果好,可取最大值。安康水电站达282.7m3/(s·m)

前缘总宽度一溢流孔口设计（2）分孔总净宽：孔数少时取单数孔数多时可单双大、中型8—12m加大可到8—20m闸门宽高比1.5—2总宽度：式中：d为中墩厚度；t为边墩厚度孔数单孔净宽一溢流孔口设计随堂练习1：Q总=2230m3/s，Q0=424m3/s，坝基岩石较好，坝基高程407.0m，试设计堰顶孔数和宽度（中墩取1m，边墩取1.5m）同学设计结果分享【可在优慕课：项目二：任务五—我来答题】（3）堰顶高程计算——堰顶溢流式HV0设计洪水位堰顶高程=设计洪水位—H参考随堂练习1，取侧收缩系数0.9，流量系数0.5，设计洪水位457m，计算堰顶高程。随堂练习2：（3）堰顶高程计算——堰顶溢流式（3）堰顶高程计算——大孔口溢流式孔口面积孔口流量系数自由出流时为库水位于孔口中心高程之差，淹没出流时为上下游水位差二溢流坝断面设计1.认识溢流曲线负压关于堰面泄流，老师有话说……看《规范》怎么说二溢流坝断面设计1.认识溢流曲线上游曲面下游曲面堰面曲线段中间直线段下游反弧段三段WES面（1）上游曲线二溢流坝断面设计Hd定型设计水头，一般取Hmax的75%—95%二溢流坝断面设计（2）下游曲线二溢流坝断面设计二溢流坝断面设计（3）上游直线段WESⅠWESⅡWESⅢWESⅣWESⅤ二溢流坝断面设计（4）下游直线段斜率1:0.6——1:0.8二溢流坝断面设计对于带有胸墙的大孔口溢流坝Hd定型设计水头ψ孔口收缩断面的流速系数由实验确定宣泄洪水时，堰面不超过负压值6m二溢流坝断面设计（5）反弧段挑流消能二溢流坝断面设计（5）反弧段戽流消能二溢流坝断面设计浏览二溢流坝断面设计（5）反弧段底流消能二溢流坝断面设计2.断面设计结合P43-44三溢流坝消能方式

因为挡水坝雍高来水，形成水库，水流从堰顶以上落下，下泄能力很大，因此溢流坝必须采取妥善的消能措施，以免影响大坝的安全。

消能设计的原则：尽量使下泄水流的大部分能量尽量消耗在水流内部的紊动中及与空气的摩擦上，且不产生危及坝体及下游河床、岸坡安全的局部冲刷，使下泄水流平稳，结构简单，工作可靠且工程量少。

工程事故案例：西班牙的里拜约坝冲刷坑深度达70m，冲走岩体100万m3，当冲刷扩展到坝基时，就会危及大坝的安全。三溢流坝消能方式常见的消能方式有哪些？挑流消能底流消能面流消能戽流消能2134

利用溢流坝下游及反弧段的鼻坎，将下泄的高速水流挑射到空中，然后扩散掺气，水流跃落到坝下游河道内，在尾水水深中发生旋涡、冲击、掺搅、紊动、扩散，消除能量。跌落的水流将冲刷河床，形成冲刷坑，随着冲坑达到一定深度，将大量能量消耗在水流旋滚的摩擦之中，冲坑也趋于稳定。摩阻消能、空中消能、水中消能。原理：消能过程：当坝基有向下游延伸的缓倾角软弱夹层时，被冲坑切断，会危及大坝的安全和稳定。适用条件：基石比较坚固的中高溢流坝。不适用条件：挑流消能三溢流坝消能方式设计内容：挑坎形式，挑角，高程，反弧半径，挑距，冲刷坑深度。三溢流坝消能方式挑流鼻坎的型式连续式差动式三溢流坝消能方式二溢流坝断面设计二溢流坝断面设计二溢流坝断面设计底流消能设置消力池、消力坎等辅助消能工，使下泄汇流产生水跃，达到消能目的。适用于低水头、大流量、地质条件较差的溢流重力坝。三溢流坝消能方式面流消能三溢流坝消能方式戽流消能“三滚一浪”三溢流坝消能方式1.WES堰的断面特征；2.常见的消能方式。四、作业2.4重力坝的材料及构造

课程导入回忆：重力坝的分类？坝身材料混凝土重力坝浆砌石重力坝碾压混凝土重力坝常态混凝土重力坝

1.混凝土重力坝的材料

3.坝体排水主要内容

2.坝体混凝土的分区

4.坝体廊道及排水孔

5.坝体分缝与止水

6.作业

一混凝土重力坝的材料关于材料的问题强度耐久性抗渗性抗冻性抗磨性抗侵蚀性

一混凝土重力坝的材料

（一）强度混凝土重力坝的强度等级表示方法：C混凝土强度共分为14级，常采用90d龄期和保证率为80%的轴心抗压强度（MPa），养护条件为边长150mm的立方体试件。（混凝土强度等级）

一混凝土重力坝的材料

（一）强度

一般重力坝的的混凝土抗压强度等级常采用C10，C15，C20，C25。

一混凝土重力坝的材料

（二）耐久性抗渗性是指混凝土抵抗水压力渗透作用的能力。抗渗性用抗渗等级表示，按28d龄期的标准试件所测得到，共分为W2、W4、W6、W8、W10、W12。

抗渗性

一混凝土重力坝的材料

（二）耐久性

抗渗性

一混凝土重力坝的材料

（二）耐久性抗冻性是指混凝土在饱和状态下，经过多次冻融而不被破坏，同时也不严重见底强度的性能。抗冻性是按28d龄期的试件采用快冻实验测定的。抗冻性用抗冻等级表示，分为F50，F100，F150，F200，F300。应根据建筑物所在地区的气候分区、冻融循环次数、表面局部小气候条件、水分饱和程度、结构重要性和检修难以程度等因素选用抗冻等级。

抗冻性

一混凝土重力坝的材料

（二）耐久性

抗冻性

一混凝土重力坝的材料

（二）耐久性

抗磨性抗磨性是指混凝土抗高速水流或挟沙水流冲刷、磨损的性能。目前，对于抗磨性仍未有明确的技术标准，根据经验，使用高等硅酸盐水泥或硅酸盐大坝水泥拌制而成的高等混凝土，其抗磨性较强。同时，一般有抗磨要求的部位混凝土等级不小于C20，要求高时不小于C30。

一混凝土重力坝的材料

（二）耐久性

抗侵蚀性抗侵蚀性是指混凝土抵抗环境侵蚀的性能。当环境中有侵蚀情况时，应选择抗侵蚀性较好的水泥。外部水位变化区及水下混凝土的水灰比，可比常态混凝土的水灰比减少0.05。

一混凝土重力坝的材料

（三）重力坝的材料分区为了减少造价，合理利用水泥，通常将坝体混凝土按照不同部位、不同工作条件对混凝土的不同需求进行分区，采用不同强度的等级。

一混凝土重力坝的材料

二混凝土重力坝的构造

（一）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1/15—1/25，且不小于2m，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）。

二混凝土重力坝的构造为满足施工和适用要求（如灌浆、排水、观测、检查、交通的需要），须在坝体内设置各种廊道。这些廊道相互连通，构成廊道系统。

（二）坝身廊道

二混凝土重力坝的构造

（二）坝身廊道体验廊道

二混凝土重力坝的构造

（二）坝身廊道横向廊道纵向廊道竖向廊道按方向分灌浆廊道检查廊道交通廊道按作用分排水廊道……

二混凝土重力坝的构造（1）基础灌浆廊道设在坝踵部位。利用混凝土压重、提高灌浆压力、保证灌浆质量。一般采用城门洞形。断面尺寸应满足灌浆作业的要求。一般底宽2.5～3.0m，高3.0～

4.0m，距上游面可取0.05～

0.1倍水头，且不小于4～

5m（渗透坡降问题）。廊道底面距基岩布小于1.5倍廊道宽度。廊道上游侧设排水沟，下游侧设排水孔及扬压力观测孔。

二混凝土重力坝的构造（2）检查和坝体排水廊道常在靠近坝体上游面沿高度方向隔15—20m设检查廊道，最小宽度为1.2m，最小高度为2.2m。距上游面不小于0.05—0.07倍水头，且不小于3m（寒冷地区适当加厚）。上游侧设排水沟。

（三）坝身泄水孔1.作用：预泄水库、排沙、导流、发电供水。2.工作条件：孔内流速高，易引起空蚀、闸门振动，孔道体形设计重要；深水闸门水压力大、启闭力大，门体结构、止水、启闭设备复杂，检修不便。3.类型：1）按所处高度分：中孔、底孔2）按流态分：有压、无压

二混凝土重力坝的构造

（三）坝身泄水孔

二混凝土重力坝的构造

二混凝土重力坝的构造

（四）分缝按位置分类：纵缝分缝的原因：地基的不均匀沉降；施工时期的温度应力；施工期间的浇筑。沉降缝温度缝工作缝作用

（五）止水上游坝面溢流面下游最高水位以下添加止水的地方廊道和孔洞穿过分缝处金属止水橡胶止水塑料止水止水材料沥青止水

二混凝土重力坝的构造铜片止水沥青止水

二混凝土重力坝的构造沥青井

二混凝土重力坝的构造

作业作业：请描述重力坝的材料分区。【纸质版自己留存，拍照提交优慕课】2.5重力坝地基处理

1.地基的加固处理

3.坝基排水主要内容

2.地基的防渗处理

4.两岸处理

5.小结与作业

课程导入重力坝地基处理的问题渗流控制强度控制稳定控制

一地基的加固处理1.开挖清理

目的：使坝体坐落在稳定坚固的地基上。

规范规定：

>100m的高坝，必须建在新鲜、微风化或弱风化上部的岩石上。

50—100m的坝，建在新鲜、微风化或弱风化中部的岩石上。 同一工程中，两岸较高部位的坝段，可比河床段适当放宽。顺河流方向的基岩尽可能略向上游倾斜，以增加稳定性；必要时可挖成分段平台。开挖时应使轮廓报纸平顺，避免有大的突变。

一地基的加固处理开挖后，在浇筑混凝土前，需进行彻底的清洗，包括清除的岩块、打掉凸出的尖角；冲洗基岩面上残留的泥土、油渍和杂物；排出基岩面上全部的积水；基坑内原有的勘探钻孔、井、洞等均应回填封堵。

一地基的加固处理2.固结灌浆目的：提高基岩的强度和整体性，降低地基的透水性。固结灌浆设计内容：１．决定灌浆范围：高坝或岩基裂隙发育，全坝基灌浆；一般情况下在坝踵坝趾处灌浆。２．灌浆孔的深度：一般5—8m；帷幕上游区8—15m３．灌浆孔的间距：孔距、排距3—6m４．灌浆孔的排列形式：平面上作梅花形或方格形。

一地基的加固处理５．灌浆孔的钻孔方向：与主要裂隙面正交。６．灌浆的压力：在不扰动基岩的前提下尽量大。无混凝土盖重时为0.2—0.4MPa有混凝土盖重时为0.4—0.7MPa

一地基的加固处理3.对软弱破碎带的处理对于侧角较大或与地基接近垂直的的断层破碎带，需采用开挖回填的方法处理，做成混凝土塞或混凝土拱。对于软弱夹层，若埋浅的则采用明挖换基的方法，将夹层挖除，对于埋藏较深的，可做深齿墙将夹层切断。

二地基的防渗处理1.帷幕灌浆

1）防渗帷幕的深度：根据水头大小，透水层的深度和降低坝基渗透压力的要求来确定当坝基下相对隔水层且较浅时，其应伸入