第三章重力坝.ppt

第 3 章 岩基上的重力坝,3.1 概述 重力坝： 用混凝土或石料等材料修筑， 主要依靠坝体自重产生的抗 滑力抵抗水推力、保持稳定 的坝不同时期各种剖面型式的重力坝,重力坝类型： 按结构形式分： （1）实体重力坝；（2）宽缝重力坝；（3）空腹重力坝 按坝顶是否溢流分： （1）溢流重力坝；（2）非溢流重力坝 按筑坝材料分： （1）混凝土重力坝；（2）浆砌石重力坝,3.1.1 重力坝的特点 现代重力坝构造特点： （1）基本剖面为三角形 （2）坝轴线一般为直线，也可为折线或曲率不大的拱形（向 上游） （3）一般分成若干独立坝段 （4）坝体内设置排水管幕，设置各种廊道；坝基内设置防渗帷幕、排水孔幕坝轴线一般为直线,重力坝基本剖面为三角形,坝轴线也可为折线,坝轴线也可为曲率不大的拱形,重力坝一般分成若干独立坝段,坝体内设置排水管幕，设置各种廊道； 坝基内设置防渗帷幕、排水孔幕重力坝的优点： （1）结构作用明确，设计方法简便，安全可靠 （2）对地形、地质条件适应性强 （3）枢纽泄洪问题容易解决 （4）便于施工导流 （5）施工方便重力坝缺点： （1）坝体剖面尺寸大、材料用量多 （2）坝体应力较低 ，混凝土抗压强度没有充分发挥。

（3）坝体与地基接触面积大，坝底扬压力大，对稳定不利 （4）大体积混凝土，存在温度应力问题、温控措施严格3.1.2 重力坝的设计内容 （1）剖面设计 （2）稳定分析 （3）应力分析 （4）构造设计 （5）地基处理设计 （6）溢流重力坝和泄水孔设计 （7）监测设计,3.1.3 重力坝的建设情况 人类修建堰坝的历史已有数千年，重力坝是一种较早的坝型 早期的重力坝都是用浆砌石（或干砌石）建造的1850年前后混凝土发明19世纪后期开始，混凝土重力坝开始建造首先是块石混凝土重力坝，后来出现全部混凝土的重力坝 现代大型重力坝都采用混凝土建造，中小型工程还经常采用浆砌石重力坝设计理论、筑坝技术也是一个不断提高的过程： 19世纪下半叶，提出了一些重力坝应力控制标准1895年法国工程师Levy分析了几座重力坝失事的原因，证实了扬压力的重要性，而在此之前重力坝设计中，扬压力是被忽略的20世纪80年代，碾压混凝土技术应用建筑重力坝国外以及我们国家建成了一大批重力坝： 瑞士大狄克桑斯混凝土重力坝，高度285米，是目前最高的重力坝 我国1949—1985年，建成坝高30米以上的混凝土重力坝58座 1990年代及以后建成的有故县、铜街子、岩滩、水口、宝珠寺、漫湾、五强溪、万家寨、三峡等重力坝。

本章建议参考资料： 1.《重力坝设计》.潘家铮，水利电力出版社，1987年. 2. 重力坝设计规范.,瑞士大狄克桑斯混凝土重力坝（285米）,三峡混凝土重力坝（181米）,安康重力坝（128m）,池潭水电站混凝土重力坝（78米）,丹江口混凝土宽缝重力坝（97m）,新安江宽缝重力坝 （105m）,枫树坝水电站宽缝重力坝（95.4m）,3.2 重力坝的荷载及荷载组合,3.2.1 作用与荷载 作用：外界环境对水工建筑物的影响，也就是使结构产生内力 和变形的各种原因 直接作用：直接作用于结构上的各种集中力、分布力（又称为 荷载） 间接作用：引起结构内力和变形的其他原因，有温度作用、地 震作用等 本节参考文献：水工建筑物荷载设计规范（DL5077-1997）,作用可分为三类： （1）永久作用 量值不随时间变化的作用如结构重量、土压力等 （2）可变作用 量值随时间变化的作用如水荷载、温度荷载等 （3）偶然作用 出现几率很小，一旦出现量值大、持续时间短的作用如地震作用、校核洪水等重力坝承受的荷载与作用有： （1）自重；（2）静水压力；（3）扬压力； （4）动水压力；（5）波浪压力；（6）泥沙压力； （7）冰压力； （8）土压力；（9）温度作用； （10）风压力；（11）地震作用等。

3.2.1.1 自重 建筑物、机电设备等的重量 建筑物各部分的重量，可以根据其体积和材料容重，比较准确计算 机电设备重量，可由厂家提供的设备重量（或质量）参数获得3.2.1.2 静水压力 可由水力学公式比较准确确定 静水压强 作用于各种平面或曲面上的静水压力都较容易确定3.2.1.3 扬压力 作用于坝底面或坝体内部某一水平面上，方向向上的一种静水压力扬压力是由渗流产生的 为了便于计算，扬压力通常分解为两部分： 浮托力：下游水深产生的上浮力 渗流压力：上下游水位差作用下 渗流产生的静水压力◇ 托浮力 由坝基面(或计算面)在下游水位以下的深度确定 ◇ 渗流压力 渗流压力比较难准确确定 重力坝设计中根据经验值 近似确定，其分布按图所示 河床坝段 岸坡坝段,,（经实测和分析研究,岸坡坝段扬压力折减 系数 一般高于河床坝段）,坝体内部截面上的渗流压力分布按图所示3.2.1.4 动水压力 水流流经曲面由于方向改变对曲面产生的压力 圆弧曲面动水压力公式: （可以由动量方程 或离心力公式得到） [当反弧段上水深较大时水体重量不能忽略],质量为m、半径为R、速度为V的圆周运动： 离心力 水体沿曲面运动的离心力产生动水压力。

3.2.1.5 波浪压力 波浪压力作为静水压力之外的一种附加水压力计算 波浪三要素：波高 、波长 、雍高 确定波浪要素，是为了计算波浪压力；也用于计算坝顶超高（防浪墙顶高程）波浪要素计算公式国内外有多种上世纪60年代我国开始观测研究并且提出了自己的公式主要有官厅水库公式、莆田海浪试验站公式、鹤地水库公式，分别适合于不同情况 混凝土重力坝设计规范（SL319-2005）关于波浪要素计算的规定：,波浪要素计算官厅水库公式: （波浪壅高公式(3-6)是 G.Sainflou 于1928年提出，为我国规范采用 波浪系列具有随机性，计算出的或用到的波高都是指一定累计频率的波高波浪压力计算 分深水波、浅水波、破碎波按有关公式计算 临界水深（浅水波与破碎波分界） （1）深水波 （2）浅水波 破碎波浪压力、斜坡式挡水建筑物浪压力计算，参考其他资料3.2.1.6 土压力及泥沙压力 土压力 ◇ 建筑物前（或背后）有填土时，产生土压力 ◇ 视不同情况可以按主动土压力、被动土压力、静止土压力计算 ◇ 土压力计算公式有：库伦公式、朗肯公式等泥沙压力 ◇ 可按主动土压力公式计算： ◇ 泥沙淤积高程（厚度 ）： 通过研究论证确定。

◇ 泥沙力学指标: 浮容重 、内摩擦角 ： 通过试验和经验确定3.2.1.7 冰压力和冰冻作用 1.静冰压力 在寒冷地区冬季水库表面结冰当气温回升时，冰层膨胀，对建筑物产生压力称为静冰压力 我国根据对东北和华北若干水库的冰压力调查研究，提出静冰压力建议取值：按表3-1参考：水工建筑物抗冰冻设计规范 SL211-2006 水工建筑物抗冰冻设计规范 DL/T5082-1998,2.动冰压力 冰块破裂后，受风、水流作用而漂流，撞击坝面或其他建筑物产生动冰压力 （1）冰块垂直撞击坝面动冰压力（可按有关公式计算） [前苏联规范公式] （2）冰块撞击闸墩动冰压力（可按有关公式计算） ◇ 低坝、闸墩或胸墙等结构，冰压力有可能成为重要荷载 ◇ 工程中不宜承受冰压力的部位应采取防护措施（防冻或破冰）铁路桥墩的打冰人 北京门头沟落坡岭水库铁路桥：丰沙线的必经之路，春运期间平均十多分钟就有一趟列车经过寒冬水库冰层挤压可能造成桥墩位移变形，威胁行车安全每个桥墩要求打出一圈1米宽的活水区班组一天要处理完17个桥墩的冰层3.冰冻作用 ◇ 地基土中的水份结冰时土体膨胀，对建筑物或其保护层产生冻胀力（推力）可以导致变位、甚至失稳、破坏。

◇ 冻融作用可使材料强度降低，导致建筑物破坏 ◇ 寒冷地区建筑物设计要注意冰冻作用3.2.1.8 温度作用 温度应力： 水工结构温度变化产生膨胀或收缩，当变形受到约束时产生温度应力 温度作用效应： 结构由于温度变化产生的应力、变形、位移等，称为温度作用效应 水利水电工程中，混凝土结构和钢结构的温度作用效应比较显著，需要考虑 结构温度变化之热量来源： 气温、日照、水温、水泥水化热等坝址气温、水库水温的年周期变化过程（近似按余弦函数变化）： ◇ 气温多年平均年周期变化公式： ◇ 水库水温多年平均年周期变化公式：,3.2.1.9 风作用 风吹在建筑物表面产生风压力（迎风面为正压，背风面可能产生负压） 一般情况可不计风压力坝顶上的闸墩、排架、闸门、启闭机房等高耸孤立结构可能需要考虑风压力 风压力计算可按有关方法 基本风压公式（由流体力学伯努利方程得到的理论公式）：,,流体力学贝努力方程：,,↓,,↓,大气压,,↓,,（常温常压下空气密度近似取 ）,3.2.1.10 地震作用 地震作用计算方法选择： ◇ 抗震等级为甲类的重力坝，采用动力法 ◇ 乙、丙类重力坝，采用动力法或拟静力法 ◇ 丁类重力坝，采用拟静力法或不计算地震作用。

◇ 设计烈度小于8度且高度小于等于70m的重力坝，可采用拟静力法 一般只考虑水平向地震作用，设计烈度为8、9度的1、2级重力坝，应同时计入竖向地震作用拟静力法： 拟静力法是地震作用分析的一种常用近似方法它是把地震惯性力、地震动土压力、地震动水压力施加于结构上，与其他静荷载组合，分析结构的强度和稳定性1.地震惯性力 ◇ 水平向地震惯性力公式：,◇ 竖向地震惯性力计算方法： 采用竖向地震系数 ，并考虑遇合系数0.52.地震动水压力 地震动水压力作为静水压力之外的一种附加水压力考虑 ◇ 铅直坝面上地震动水压力强度公式：,◇ 单位宽度坝面上总地震动水压力公式： ◇ 水深为y的截面 以上地震动水压力,◇ 倾斜坝面上地震动水压力： 按铅直坝面地震动水压力乘以折减系数 近似计算 为建筑物迎水面与水平面的夹角 ◇ 地震动水压力方向：垂直于坝面，其指向与地震加速度指向相反3.地震动土压力 ◇ 地震主动动土压力公式：,◇ 地震主动动土压力示意图,◇ 地震被动土压力： 尚无较准确的计算方法，需要专门研究确定3.2.2 荷载组合 作用于重力坝上的荷载分为两类： ◇ 基本荷载（包括永久荷载、可变荷载） ◇ 特殊荷载（偶然荷载）,1.重力坝的基本荷载 （1）坝体及固定设备自重； （2）正常蓄水位或设计洪水位时的静水压力； （3）正常蓄水位或设计洪水位时的扬压力； （4）泥沙压力； （5）正常蓄水位或设计洪水位时的浪压力； （6）冰压力； （7）土压力； （8）设计洪水位的动水压力； （9）其它出现几率较大的荷载。

2.特殊荷载 （1）校核洪水位时的静水压力； （2）校核洪水位时的扬压力； （3）校核洪水位时的浪压力； （4）校核洪水位的动水压力； （5）地震作用； （6）其它出现几率较小的荷载重力坝力学分析的荷载组合分为两类： ◇ 基本组合：由同时出现的基本荷载组成 ◇ 特殊组合：由同时出现的基本荷载和一种或几种特殊荷载组成重力坝力学分析荷载组合情况：见表3-33.3 重力坝的抗滑稳定分析,重力坝抗滑稳定分析目的： 重力坝抗滑稳定分析是重力坝设计的重要内容之一，其目的是核算坝体沿坝基面，或坝基内软弱结构面抗滑稳定的安全度3.3.1 沿坝基面的抗滑稳定分析 ◇ 取一个坝段或单位宽度作为计算单元，计算公式有抗剪强度公式和抗剪断公式两个 1.抗剪强度公式（摩擦公式） ◇ 将坝体与基岩间看成一个接触面而不是胶结面，坝体依靠摩擦力维持稳定 ◇ 抗剪强度公式：,,◇ 坝基面倾斜时计算公式： ◇ 可以看出，坝基面向上游倾斜时对坝体抗滑稳定有利，坝基面向下游倾斜时对坝体抗滑稳定不利摩擦系数f的确定： ◇ 摩擦系数 f 取值关系到重力坝的稳定安全和坝体混凝土用量需要通过试验研究、工程经验综合确定 ◇ 摩擦系数一般取值：,坝基面抗滑安全系数Ks标准： ◇ 由于抗剪强度公式偏安全。