大学课程《水利工程概论》教学PPT课件：第3章 挡水建筑物

水利工程概论 水利工程概论 主讲人：XXX 教 授 专业带头人 高级工程师 一级建造师 土木工程师向家坝溪洛渡三 峡共169页 第1页 第二章 水利工程的基础知识 第五章 取水建筑物 第六章 灌溉排水工程v本教材共有9个教学章：第四章 泄水建筑物 第七章 治河防洪工程 第三章 挡水建筑物 第一章 绪 论 第八章 水利工程施工 第九章 水利工程管理水利工程概论第三章 挡水建筑物第三章 挡水建筑物学习单元知识目标能力目标素质目标3.1 理解重力坝的工作原理、特点和分类；了解作用在重力坝上的荷载及组合；了解重力坝的设计计算内容和方法；了解重力坝剖面拟定方法；掌握重力坝的工作原理、特点，掌握重力坝的筑坝材料要求、构造组成和设计要点，掌握重力坝地基的处理措施；具备独立思考、有效沟通与团队合作的能力；了解与本课程有关的时事议题，了解工程技术对环境、社会及全球的影响，了解本行业技术革新的信息；按时到课，遵守纪律，回答问题；认真完成练习布置任务，按时上交作业；养成科学严谨、实事求是的学习精神，具备一定的国际观及服务社会的信念与态度。3.2 理解土石坝的工作原理、特点和分类；了解作用在土石坝上的荷载及组合；了解土石坝的设计计算内容和方法；了解土石坝剖面拟定方法；掌握土石坝的工作原理、特点，掌握土石坝的筑坝材料要求、构造组成和设计要点，掌握土石坝地基的处理措施；3.3 理解拱坝的工作原理、特点和分类；了解作用在拱坝上的荷载及组合；了解拱坝的设计计算内容和方法；了解拱坝剖面拟定方法；掌握拱坝的工作原理、特点，掌握拱坝的构造组成和设计要点，掌握拱坝地基的处理措施；3.4 了解堆石坝、碾压混凝土坝、砌石坝的类型、特点和主要构造内容；熟悉橡胶坝的工作原理、组成及构造。共169页 第2页水利工程概论第一节 重力坝第一节 重力坝共169页 第3页水利工程概论 重力坝是一种应用广泛的坝型，通常修建在岩基上，用混凝土或浆砌石筑成。坝轴线一般为直线，垂直坝轴线方向设有永久性横缝，将坝体分为若干个独立坝段，以适应温度变化和地基不均匀沉陷，坝的横剖面是上游近于铅直的三角形。如图3-1所示。图3-1 混凝土重力坝示意图第一节 重力坝共169页 第4页水利工程概论 重力坝工作原理：主要依靠坝体自身重量在滑动面上产生的抗滑力、坝与地基之间的“咬合力”来满足稳定要求；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，以满足强度要求。重力坝工作原理图如下：图1 重力坝在水平和倾斜坝基上的工作原理图一、重力坝的工作原理及特点第一节 重力坝共169页 第5页水利工程概论 重力坝重力坝的特点的特点优点优点 1.工作安全，运行可靠 2.对地形、地质条件适应性强 3.泄洪方便，导流容易 4.施工方便，维护简单 5.受力明确，结构简单缺点缺点1.尺寸大，材料用量多，材料的强度不能得到充分发挥 2.坝体与坝基接触面积大，坝底扬压力大，对稳定不利 3.坝体体积大，水泥用量多，水化热大，对砼温控不利 第一节 重力坝共169页 第6页水利工程概论二、二、重力坝分类重力坝分类1.按坝高分：低坝70m2.按泄水条件分：溢流重力坝、非溢流重力坝3.按筑坝材料分：混凝土重力坝、浆砌石重力坝实体重力坝、宽缝重力坝4.按结构形式分：空腹重力坝、预应力锚固重力坝装配式重力坝、支墩坝 5.按施工方法分：浇筑混凝土重力坝、碾压混凝土重力坝 分分 类类第一节 重力坝共469页 第7页水利工程概论三门峡实体重力坝实体重力坝剖面图典型重力坝示意图：实体宽缝空腹预应力装配式支墩坝第一节 重力坝共169页 第8页水利工程概论宽缝重力坝剖面图典型重力坝示意图：实体宽缝空腹预应力装配式支墩坝潘家口宽缝重力坝第一节 重力坝共169页 第9页水利工程概论空腹重力坝剖面图典型重力坝示意图：实体宽缝空腹预应力装配式支墩坝凤滩空腹重力坝第一节 重力坝共169页 第10页水利工程概论典型重力坝示意图：实体宽缝空腹预应力装配式支墩坝坝工中多用于坝的加固或加高，兴建时即按预应力设计的很少。苏丹罗塞雷斯大坝加高工程10439kN级超大吨位的预应力，加高10m第一节 重力坝共169页 第11页水利工程概论典型重力坝示意图：支墩坝支墩坝的型式实体宽缝支墩坝空腹预应力装配式第一节 重力坝共169页 第12页水利工程概论典型重力坝示意图：实体宽缝空腹预应力装配式支墩坝装配式重力坝装配式坝除坝基部分需少量现浇混凝土外，坝体均采用预制装配结构，具有如下优点：不需现场建混凝土拌和站；避免了立模、拆模工作和冷却、散热、保温、防冻措施，从而简化施工程序；施工技术简单。一般适用10m以下小型重力坝。第一节 重力坝共169页 第13页水利工程概论 应用案例应用案例 新安江水电站全景图 新安江水电站是中国第一座自行设计、自制设备、自己施工建造的大型水利发电站。该工程为国家建设大型水电站积累了宝贵经验，也为我国水利事业培养了大量人才。第一节 重力坝共169页 第14页水利工程概论千岛湖旅游区 新安江水电站控制流域面积10442平方公里，占新安江流域面的89.4%，水库总库容220亿立方米，装机容量662.5 MW（9台），工程以发电为主，兼有防洪、灌溉。第一节 重力坝共169页 第15页水利工程概论拦河坝下游立面图 主要建筑物有：拦河坝：砼宽缝重力坝，最大坝高105m，坝顶长465.4米，最大底宽93.7m，挡水段坝顶宽8.5m，溢流段顶宽38.7m；溢流坝：为坝后厂顶溢流式，设9个表孔，堰顶高程99米，孔口宽13米，高10.5米，最大泄流量13200m3/s，闸门为平面定轮闸门，厂房顶末端设有差动式挑流鼻坎；发电厂房：在溢流坝段内安装有直径5.2m压力钢管9条，有钢管的坝段，用斜缝浇筑；升压变电站。第一节 重力坝共169页 第16页水利工程概论观音阁重力坝 剖面设计的基本原则1.满足稳定和强度要求，保证大坝安全；2.工程量小，造价低；3.结构合理，运用方便；4.利于施工，方便维修。三、重力坝的剖面设计第一节 重力坝共169页 第17页水利工程概论剖面要素剖面形状上游近视为铅直的三角形高程（Z坝顶、Z坝基）坝高H=Z坝顶-Z坝基折坡点位置：1/3-2/3坝高处，利用水重增加稳定性边坡系数：n=0-0.2 m=0.6-0.8坝底宽约为 B=（0.7-0.9）HH（H为坝高或最大挡水深度）关键是确定坝顶高程 重力坝的基本剖面第一节 重力坝共169页 第18页水利工程概论2.坝顶高程：坝顶或上游防浪墙顶高程坝顶高于水库静水位的高度：非非溢流重力坝的实用剖面溢流重力坝的实用剖面1.坝顶宽度 一般要求不小于3m，碾压混凝土坝坝顶宽不小于5m；当坝顶布置移动式启闭机时，坝顶宽度要满足安装门机轨道的要求。式中 h坝顶高于水库静水位的高度，m；h1%累积频率为1%时的波浪高度，m；hz 波浪中心线至静水面的高度，m；hc 安全超高，m，按表3-1选用。第一节 重力坝共169页 第19页水利工程概论表表3-1 3-1 安全超高安全超高h hc c 必须注意，在计算h1%和hz时，由于正常蓄水位和校核洪水位时采用不同的计算风速值。正常蓄水位时，采用重现期为50年的最大风速；校核洪水位时，采用多年平均最大风速。故坝顶高程或坝顶上游防浪墙顶高程应按下列两式计算，并取大值：Z坝顶（坝顶高程）=Z正（正常蓄水位）+h正正 （3-2）Z坝顶（坝顶高程）=Z校（校核洪水位）+h校 （3-3）式中 h正正计算的坝顶（或防浪墙顶）距正常蓄水位的高度，m；h校计算的坝顶（或防浪墙顶）距校核洪水位的高度，m。第一节 重力坝共169页 第20页水利工程概论图3-4 重力坝常用剖面型式重力坝常用的剖面如图3-4所示。第一节 重力坝共169页 第21页水利工程概论四、重力坝的荷载及组合四、重力坝的荷载及组合 重力坝的荷载 作用在重力坝上的主要荷载有：坝体自重、上下游坝面上的水压力、扬压力、浪压力或冰压力、泥沙压力以及地震荷载等。荷载分布见图3-5，按其性质可分为基本荷载和特殊荷载两种。图3-5 重力坝的荷载分布图第一节 重力坝共169页 第22页水利工程概论1.基本荷载包括：坝体及其上永久设备的自重；正常蓄水位或设计洪水位时的静水压力；相应于正常蓄水位或设计洪水位时的扬压力、浪压力；泥沙压力；冰压力；土压力；相应于设计洪水位时的动水压力；其他出现机会较多的荷载。2.特殊荷载包括：校核洪水位时的静水压力；相应于校核洪水位时的扬压力、浪压力、动水压力；地震荷载；其他出现机会很少的荷载。第一节 重力坝共169页 第23页水利工程概论 荷载组合 作用在重力坝上的各种荷载，除坝体自重外，都有一定的变化范围。因此，在进行坝的设计时，应按“可能性和最不利”的原则把各种荷载组合成不同的设计情况，然后用不同的安全系数对坝体的稳定和强度进行验算，以妥善解决安全和经济的矛盾。荷载组合情况分为两大类：一类是基本组合，指水库处于正常运用情况下可能发生的荷载组合，又称设计情况，由基本荷载组合而成；另一类是特殊组合，指水库处于非常运用情况下的荷载组合，又称校核情况，由基本荷载和一种或几种特殊荷载组合而成。第一节 重力坝共169页 第24页水利工程概论 五、重力坝的稳定应力分析五、重力坝的稳定应力分析 1稳定计算 重力坝的稳定分析一般选择坝基面为计算截面，当坝基内有软弱夹层、缓倾角结构面时，也核算其深层滑动稳定性。当把坝体与基岩间看成一个接触面，而不是胶结面，可按抗剪强度公式计算坝基面的抗滑稳定安全系数Ks。（3-4）若认为坝体与基岩胶结良好，滑动面上的阻滑力包括抗剪断摩擦力和抗剪断凝聚力，则采用抗剪断强度公式计算坝基面的抗滑稳定安全系数Ks。（3-5）式中：Ks，Ks按抗剪强度公式、抗剪断强度公式计算的抗滑稳定安全系数；W 作用在坝体上全部荷载对滑动平面法向分力的代数和，kN；P 作用在坝体上全部荷载对滑动平面切向分力的代数和，kN；f，f 坝体混凝土与坝基接触面间的抗剪摩擦系数及抗剪断摩擦系数；c坝体混凝土与坝基接触面间的抗剪断凝聚力，kPa；A坝体与坝基接触面的面积，m2。第一节 重力坝共42页 第3页水利工程概论 当坝体的抗滑稳定安全系数不能满足要求时，除改变坝体的剖面尺寸外，还可以采取以下的工程措施提高坝体的稳定性。利用水重。将坝体的上游面做成倾向上游的斜面或折坡面，利用坝面上的水重增加坝的抗滑力，以达到提高坝体稳定的目的。减小扬压力。通过结构措施或工程措施加强防渗排水，以达到减小扬压力的目的。第一节 重力坝共169页 第26页水利工程概论 提高坝基面的抗剪断参数f、c值。措施有：将坝基开挖成“大平小不平”等形式；对整体性较差的地基进行固结灌浆；设置齿墙或抗剪键槽等。预应力锚固措施。一般是在靠近坝体上游面采用深孔锚固预应力钢索，既增加了坝体稳定性，又可消除坝踵处的拉应力。增大筑坝材料重度（在坝体混凝土中埋置重度大的块石），或将坝基面开挖成倾向上游的斜面，借以增加抗滑力，提高稳定性。第一节 重力坝共169页 第27页水利工程概论2.应力分析 坝体的最大和最小应力一般发生在上、下游坝面，对于较低重力坝的强度，只需用上、下游坝面垂直正应力控制即可，所以，应首先计算坝体边缘应力。计算简图及荷载、应力的正方向，如图3-6所示。其材料力学法的计算公式为：（3-6）式中 uy上游面垂直正应力，kpa；dy下游面垂直正应力，kpa；T 坝体计算截面沿上下游方向的水平宽度，m；W计算截面以上所有垂直分力的代数和(包括 扬压力，下同)，以向下为正，kN；M计算截面以上所有作用力对计算截面形心的 力矩代数和（以逆时针方向为正），kNm；第一节 重力坝共169页 第28页水利工程概论 【例3-1】某混凝土重力坝为3级建筑物，剖面尺寸如图3-7所示。设计洪水位177.2m，相应下游水位154.3m；淤沙高程160.4m；水的重度取10.0kNm3，淤沙的浮重度为8.0kNm3，内摩擦角=18；混凝土强度等级为C10，允许压应力为2.5Mpa，混凝土重度取24kNm3；坝基为较完整的微风化花岗片麻岩，允许压应力为20Mpa，摩擦系