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三峡大学水工建筑物课件

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三峡大学水工建筑物课件

§4 拱 坝,§4.1 概述 §4. 2拱坝的荷载和设计标准 §4.3 拱坝的布置 §4.4 拱坝的应力分析 §4.5坝肩岩体稳定 §4.6 拱坝的坝身泄水 §4.7 拱坝的构造和地基处理,§4.1 概述,一、拱坝的工作特点(板书) 1、拱与梁的共同作用; 2、稳定性主要依靠两岸拱端的反力作用,因而对地基的要求很高; 3、拱是一种推力结构,承受轴向压力,有利于发挥砼及浆砌石材料的抗压强度; 4、拱梁所承受的荷载可相互调整, 因此可以承受超载; 5、拱坝坝身可以泄水; 6 、不设永久性伸缩缝; 7、抗震性能好; 8、几何形状复杂,施工难度大。,§4.1 概述,拱坝平面、剖面示意图,§4.1 概述,二拱坝的分类 1、按高度分: 高(H70m)、中、低(H30m) 2、按厚高比分: TB/H0.2 薄拱坝; 0.20.35中厚拱坝; 0.35 厚拱坝或重力拱坝 3、按结构分:周边固定拱坝、周边缝拱坝、有重力墩的拱坝、空腹拱坝、铰拱坝、预应力拱坝、拱上拱拱坝、上重下拱拱坝 4、按坝体曲率分:单曲拱坝、双曲拱坝 5、 按水平拱的形式分:(板书) 圆弧拱坝,二心圆拱坝;三心圆拱坝;抛物线拱坝;椭圆拱坝;对数螺旋线拱坝;双曲线拱坝。,§4.1 概述,§4.1 概述,§4.1 概述,§4.1 概述,三、对地形的要求(板书) 拱坝对地形的要求主要从四个方面考虑: 1、河谷狭窄:用来描述河谷宽窄的参数是河谷的宽高比 n=L/H=坝顶处河谷的宽度/最大坝高 当n小时,河谷狭窄,拱的作用大,因此坝可以修的很薄 根据一般经验有: n1.5时,适于修建薄拱坝T/H0.2 n=1.53时,中厚拱坝 T/H0.2-0.35 n34.5时,厚拱坝 T/H 0.35 n4.5时,重力坝或拱形重力坝,§4.1 概述,2、 河谷的断面形状 V形河谷:上宽下窄,在下部虽然水压力较大,但拱的跨度较小,拱承担的荷载较大,拱作用发挥较充分,因此坝可以修的较薄、经济。 U形河谷:梁承担的荷载较大,因此坝较厚 梯形河谷介于二者之间 图4-5 河谷形状对荷载分配和坝体剖面的影响 (a)V形河谷 (b)U形河谷,§4.1 概述,3、 河谷顺河流方向的形状以平顺河流或呈收缩形河流交好,要避免河道的出口和转弯处。 4、 河谷对称性。河谷对称,拱坝的应力、稳定比较均匀平顺,局部不对称的河谷,往往造成应力集中,因此拱坝一般比较适合于对称河谷,当河谷不对称时,可以经过一定的处理使之对称。 四、拱坝对地质的要求 由于拱坝的安全的关键是拱座的稳定问题,而且拱座的位移将引起坝内较大的应力。特别是不对称位移会产生较为不利的应力,因此,拱坝从一开始就对两岸的地质条件提出了严格的要求,较理想的地质条件是:,§4.1 概述,基岩比较均匀、坚硬完整、有足够的强度、透水性小,抗风化。二岸拱座附近河岸边坡稳定,整体性好,没有大的断裂构造和软弱夹层,在荷载作用下不产生大的变形。 随着拱坝建设的不断发展,拱坝的地形、地质条件越来越复杂。搞清各种地形、地质条件对拱坝应力、稳定及变形的影响以及相应的处理措施,是我们拱坝设计人员的首要任务,在这方面国内外已经积累了大量的经验,应在实践中不断学习。 1、变形参数E、u:均匀 2、强度参数Rc、C、f:有足够的强度 3、抗渗性K、J:渗透性小 4、耐久性:抗侵蚀、抗风化 以上四方面均要求无地质缺陷:没有大断裂构造和软弱夹层等。,§4.1 概述,五、拱坝的建设情况 1、拱坝发展阶段 1.1 拱坝建设的萌芽阶段(1854年以前) 在年以前,所有修建的拱坝水平截面虽为拱形,但由于缺乏理论指导,并没有真正认识到利用拱结构的优点,只能说是一种似拱坝结构。但该阶段的拱坝实践为后期拱坝的发展积累了经验,可以称之为拱坝的萌芽阶段。 1.2 拱坝建设的起步阶段(18541917年) 1854年,法国工程师左拉(Zola)在普罗旺斯地区艾克斯设计建成米高的左拉拱坝。该拱坝以圆筒公式为指导,主要利用水平拱的作用来保证大坝的安全。这是拱坝建设起步的标志。,§4.1 概述,1.3 拱坝建设的成熟阶段(19171960年) 美国的维切尔(H.Vischer)和瓦格纳(L.wagener),在年校核熊谷拱坝及甜水(Sweetwater )拱坝时引入了拱冠梁的概念,并利用拱冠梁与水平拱在共轭点上的径向变位一致的条件,将径向压力分配到拱和梁上,从而初步形成了拱梁分载的概念。1917年瑞士坝工专家格伦纳(H.E.Gruner)和两位助手史图基(A.Stucky)和济科(H.Gicot )在设计瑞士第一座拱坝蒙特萨耳文斯(Montsalvens)拱坝时(H=55m),正式提出多拱梁分载的概念。并采用拱梁径向变位一致的多拱梁法进行了该坝的应力计算。该坝的设计及建造,标志着拱坝的建设已从起步阶段进入了成熟阶段,§4.1 概述,1.4 拱坝建设的熟练阶段(1960年至今) 经过拱坝建设成熟阶段的发展,人们无论在拱坝的安全准则、还是在应力稳定分析方法上均已成熟,已达到建设200米以上拱坝的水平。1960年完成的意大利瓦依昂(Vaiont)拱坝(H=262m)标志着拱坝建设已进入熟练阶段。 1、 世界拱坝建设的时空分布(板书) 在空间上,自从1854年止1986年底:全世界已建1608座高度大于15米的拱坝。主要分布在中国、美国及西欧的阿尔卑斯山地区的法国、意大利及瑞士等国。 拱坝在各类大坝中所占的比例随坝高的增加而增加,如在100-150米大坝中拱坝约占30% ;对150-200米的大坝约占45%;对200米以上的大坝约占。,§4.1 概述,在时间上,拱坝建设有三个高峰期: 第一个高峰期为1920-1930年,10年时间共建成200余座拱坝,建设的地点主要集中在美国,特别是集中在加利福尼亚州; 第二个高峰期为1950-1960年,10年时间共建成150余座拱坝, 建设的地点主要集中在西欧的阿尔卑斯山地区的法国、意大利及瑞士等国; 第三个高峰期为1970-1980年,10年时间共建成500余座拱坝,建设的地点主要集中在中国。 3、世界拱坝之最 已建国外最高拱坝:英古力拱坝H=272m,n=2.8,T/H=0.15; 已建中国最高拱坝:小湾拱坝H=292m,n=2.83,T/H=0.238; 在建的最高拱坝:锦屏拱坝H=305m,n=1.6,T/H=0.19。,§4. 2拱坝的荷载和设计标准,一、荷载 1、所受荷载 作用在拱坝上的荷载主要有:水压力(静水压力和动水压力)、温度荷载、自重、扬压力、泥沙压力、浪压力、冰压力和地震荷载(地震惯性力和地震动水压力)等。一般荷载的计算的方法与重力坝基本相同,这里只强调作用在拱坝上荷载的不同特点。 2、 荷载的分配 在横缝灌浆之前,只有梁的作用,此时所受的荷载全部由梁承担 在横缝灌浆之后,拱坝形成整体,具有拱梁作用,此时所受的荷载由拱和梁共同承担,§4. 2拱坝的荷载和设计标准,2、 荷载计算(板书) (1)自重荷载:(板书) 根据施工程序的不同分两种情况: 先浇注后一次封拱,由梁单独承担 有下列情况之一者,由拱梁共同承担: 需提前蓄水,要求坝体浇注到某一高程后提前封拱 对具有显著竖向曲率的双曲拱坝,为保持坝块稳定,需要在其冷却后先行灌浆封拱 为了度汛,要求分期灌浆 不分缝的浆砌石拱坝 截面A1、A2间的坝体自重G可按辛普森公式进行计算:,§4. 2拱坝的荷载和设计标准,图4-6坝块自重计算图,§4. 2拱坝的荷载和设计标准,(2)温度荷载(板书) 这是拱坝设计中的主要荷载之一,在水压力和温度荷载共同引起的径向变位中,温度荷载约占1/31/2,在靠近坝顶部分,温度变化的影响就更大。 拱坝分块浇注并充分冷却后,施工期混凝土所产生的热量已基本上散发完毕,坝体温度已趋于相对稳定,然后在缝中灌浆封拱,形成整体。封拱温度即为坝体温升和温降的计算基准,一般沿不同高程进行灌浆分区,根据坝体温度场定出各区的封拱温度,封拱温度低,有利于降低坝的拉应力。封拱温度一般为年平均气温或略低。 运行期温度荷载运行期坝体温度场封拱温度场,§4. 2拱坝的荷载和设计标准,特点:随时间在变,计算时选取最不利的温度荷载。运行期温度荷载是可以人为改变的:选择合适的封拱时机;通过人工冷却方法改变封拱温度场,使之对拱坝的应力及稳定最为有利,封拱温度一般取为多年平均温度或约低。,§4. 2拱坝的荷载和设计标准,运行期温度荷载的分解: 均匀温度变化 等效线性温差 非线性温度变化 拱坝温度荷载计算通常只考虑Tm 和Td,图4-9 坝体温度变形图(a:温降, b:温升) “+”压应力 “-”拉应力,§4. 2拱坝的荷载和设计标准,* 温升:温度高于封拱温度。温升对坝肩稳定不利,对应力有利; * 温降:温度低于封拱温度。温降对坝肩稳定有利,对应力不利。 (3)地震荷载(板书) 地震荷载包括:惯性力、地震动水压力 地震荷载方向:顺河向,垂直河流向,铅直方向 (4)扬压力(板书) 在拱坝的应力计算中,坝体混凝土中的扬压力一般不起控制作用,基础面上的扬压力对薄拱坝来说数值不大,对整体应力和变形影响较小,一般可不予考虑。,§4. 2拱坝的荷载和设计标准,在拱坝的稳定分析中,扬压力是一个重要的因素,在抗滑稳定计算中,必须考虑扬压力的作用,扬压力分布在任意滑动面的全部面积上,并垂直于滑动面,坝体内部和坝基面上的扬压力分布同重力坝相似。 2、 荷载组合(板书) 与重力坝相比,关键是注意温度荷载 正常蓄水时,一般与温降组合(从可能最不利原则出发) 校核洪水时,一般与温升组合,因为汛期不可能出现温降 计算应力时,一般取“正常蓄水+温降” 计算稳定时,一般应计算 (a)“正常蓄水+温降”(在坝较高,且正常蓄水位与校核洪水位相差不大时) (b)“校核洪水+温升”(在坝较低,且正常蓄水位与校核洪水位相差较大时),§4.3 拱坝的布置,一、概述(板书) ) 拱坝布置的任务:根据拱坝的自然条件,施工条件和运用要求选择拱坝的坝型,拟定坝体的基本尺寸,并进行平面布置,然后经过应力、稳定分析,反复修改,最后确定一个既安全、施工方便,又经济、美观的设计方案。 由于拱坝的类型很多,不同的类型,其基本尺寸和平面布置均有一定的差别,但布置的方法及考虑问题的出发点是一致的。因此,本课课程主要讲授圆弧拱坝的布置。对其他类型的拱坝布置同学们以后找有关资料自学。,§4.3 拱坝的布置,) 重要性:直接关系大坝的安全、造价、施工及美观。 ) 影响因素:自然条件,施工、运用 ) 具体方法:a、拱坝CAD,利用编制好的计算机软件自动进行。 b、半自动化方法。c、人工方法。 二、圆弧拱坝的几种典型布置方式: 1、等外半径拱坝又叫圆筒形拱坝 适于:U型或接近U型的梯形河谷, 做法:各层拱圈的外半径相同,中心角2A基本接近或变化较小,为了适应水压力的增长,坝厚从上到下逐渐加厚,因此内半径从上到下逐渐减小。即:内外、圆心同线;外半径不变;内半径逐渐缩小。,§4.3 拱坝的布置,如:我国新修建的风滩,响洪甸等拱坝 优点:形式简单、施工方便、直立的上游面有利于布置进水口,或泄水建筑物的控制设备。 缺点:下部拱中心角必然减小,拱的应力分布不均匀,因此所需断面较大,极不经济。 改进:采用定外圆心,定外半径,而变内圆心,变内半径的变厚拱形式。 2、等中心角拱坝:(板书) 对V型山谷,若采用等外半径形式拱坝,势必使底部A太小,而不能满足应力要求,为此需要加厚坝体,不经济、不利于发挥拱坝的优点,这时可将各层拱圈的外半径从上到下逐渐减小,而使各层拱圈的A基本相等,布置成定角式拱坝。,§4.3 拱坝的布置,适于:V型河谷。 优点:应力较好,经济。可以比等外半径式节约30%的工程量。 缺点:两岸倒悬,对施工不利,空库时坝体应力和稳定有问题。 改进:梁向弯曲,布置成双曲拱坝;改用变半径,变中心角拱坝。 解释:倒悬及倒悬度,n=y/x ,y:x

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