水利建筑物重力坝.ppt

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1、水工建筑物,第三章 重 力 坝,一、对坝的认识,第一节 概 述,1-非溢流重力坝；2-溢流重力坝 3-横缝；4-导墙 5-闸门；6-坝内排水管；7-检修、排水廊道；8-基础灌浆廊道；9-防渗帷幕；10-坝基排水孔,第一节 概 述,坝的剖面详图,坝的平面布置,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,坝的纵剖面,二、重力坝的主要内容,确定水利枢纽工程和水工建筑物的 等级、洪水标准。挡水坝段剖面尺寸拟定 溢流坝剖面的设计重力坝的应力校核计算 重力坝的稳定校核计算 大坝的构造（分缝、止水、廊道系统）坝基处理（坝基处理的技术）,第一节 概 述,

2、重力坝定义：依靠自身的重量产生的抗滑 力维持其稳定性的坝。重力坝的基本剖面：呈三角形，上游面通 常是垂直的或稍倾向上游的三角形断面。受力特点：主要依靠坝体的重量，在坝 体和地基的接触面上产生抗滑力来 抵抗库水推力，以达到稳定的要求。受力简图：可视作倒置的悬臂梁,三、重力坝的工作原理,第一节 概 述,优点：1.安全可靠。剖面尺寸较大，抵抗水渗漏、洪水漫顶，地震、战争破坏的能力比较强，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.枢纽泄洪容易解决，便于枢纽布置；施工导流方便，便于机械化施工。4.结构作用明确，应力、

3、稳定计算比较简单。,四、重力坝的优点及缺点（特点）,第一节 概 述,缺点：1.剖面尺寸大，水泥石料等用量多。2.坝体应力低，材料强度不能充分发挥。坝体不同区域应采用不同强度等级和耐久性的材料.3.扬压力影响大，对稳定不利。会减轻 坝体的有效重量，对坝体的稳定不利，因此要采取有效措施减小扬压力。4.砼体积大，温控要求较高。易产生温度裂缝,第一节 概 述,五、重力坝的荷载及组合,作用于得力坝的主要荷载有：自重；静水压力；扬压力；动水压力；冰压力；泥沙压力；浪压力；地震力；土压力等。,第一节 概 述,1.重力坝的荷载,第一节 概 述,2.重力坝的荷载组合,(1)基本荷载组合：1）坝体及设备自重2）正

4、常蓄水位或设计洪水位时的静水压力3）对应于（2）的扬压力4）於沙压力5）相应的浪压力（50年一遇风速）6）土压力7）冰压力（不能和浪压力重和）,(2)特殊荷载组合特殊一（校核洪水情况）：1）坝体及设备自重 2）校核洪水位时的静水压力 3）对应于 2）的扬压力 4）相应的浪压力（多年最大平均风速）5）动水压力 6）土压力、淤沙压力,第一节 概 述,特殊二（地震情况）：1）坝体及设备自重 2）正常蓄水位时的静水压力 3）对应于2）的扬压力 4）相应2）的浪压力（50一遇风速）5）地震作用力 6）土压力、淤沙压力,第一节 概 述,第一节 概 述,六、重力坝的类型按坝高来分：高坝：大于70m 中坝：3

5、0m70m 低坝：低于70m按材料分：混凝土重力坝 浆砌石重力坝按施工方法：浇筑常态混凝土 碾压干硬性混凝土,第一节 概 述,按坝的内部结构分：实体重力坝：三峡、龙滩宽缝重力坝：新安江、丹江口空腹重力坝：湖南凤滩、枫树,重力坝可能沿坝基平面滑动，也可能沿地在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。,第二节 重力坝的稳定分析,重力坝滑动失稳模式,表面滑动 浅层滑动 深层滑动 我国修建了大中型重力坝100余座，其中有1/3存在深层滑动问题。,第二节 重力坝的稳定分析,一、抗滑稳定

6、计算截面选取及计算方法,1、计算截面：坝基面 或者坝体薄弱面 选择受力大，抗剪强度较低，最容易产生滑动的截面作为计算截面。重力坝抗滑稳定计算主要是核算坝基面及碾压混凝土层面上的滑动稳定性。另外坝基内有软弱夹层、缓倾角结构面时，也应核算其深层滑动性,破坏机理：重力坝岩基的破坏开始于坝踵附近的拉裂缝和扩张松弛，而后坝趾出现剪切屈服区且逐渐向上游发展，最后在坝下浅层岩基中上下游贯通，形成滑动通道，导致大坝的整体失稳破坏。,第二节 重力坝的稳定分析,2、抗滑稳定分析方法 单一的安全系数法：计算公式有抗剪强度 公式和抗剪断公式 分项系数法极限状态设计方法：混凝土重力坝设计规范DL 51081999规定，

7、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。,分析时，以一个坝段或取单宽米计算。,（一）抗剪公式a、滑动面水平时：Ks=f(W-U)/P b、滑动面倾向上游：Ks=f(WCos-U+PSin)/(PSin+WCos),第二节 重力坝的稳定分析,二、单一的安全系数计算法,第二节 重力坝的稳定分析,公式评价：本公式不考虑凝聚力，偏于安全，凝聚力作为安全储备，所以规定的安全系数较低。,c、摩擦系数 f 的选取问题,一般由若干组试验确定。但由于试验岩体自身的非均匀性质和每次试验条件不可能完全相同，导致试验成果具有较大的离散性。如何选用试验值，还值得研究。,原规范规定，

8、f的最后选取应以野外和室内试验成果为基础，结合现场实际情况，参照地质条件类似的已建工程的经验等，由地质、试验和设计人员研究确定。根据国内外已建工程的统计资料，混凝土与基岩的f值常取在0.50.8之间。摩擦系数的选定直接关系到大坝的造价与安全，f值愈小，要求坝体剖面愈大。以新安江为例，若f值减小0.01，坝体混凝土方量增加2万m3。,第二节 重力坝的稳定分析,d、安全系数Ks的确定：,（二）抗剪断公式 1.假定：认为砼与基岩接触良好，直接 采用接触面上的抗剪断参数f和c。2.公式：Ksf(W-U)+CA/P 3.安全系数Ks,设计规范规定：不分等级 基本荷载组合：采用3.0 特殊荷载组合：（1）

9、采用2.5；（2）采用不小于2.3。,第二节 重力坝的稳定分析,4.抗剪断参数的选定,对于大型工程，在设计阶段，f,c应由野外及室内试验成果决定。在规划阶段，可以参考规范给定的数值选用：类基岩很好的岩石，f 1.21.5,c1.31.5Mpa类基岩好的岩石，f 1.01.3,c1.11.3Mpa类基岩中等的岩石，f 0.91.2,c0.71.1Mpa 类基岩较差的岩石，f 0.70.9,c0.30.7Mpa胶结面的f,c值不能高于混凝土的f,c；对于、类基岩，如果建基面的起伏差较大，可用混凝土的抗剪断参数。,第二节 重力坝的稳定分析,三、分项系数法,1.分项系数法特点：公式来源：新发布的电力行

10、业标准DL5108-1999混凝土重力坝设计规范于2000年7月起开始实施，它是按国家标准GB50199-94水利水电工程结构可靠度设计统一标 准规定的原则进行全面编制修订的。,特点：与原设计规范相比，用概率极限状态设计法代替了定值设计法，用分项系数极限状态表达式代替单一安全系数表达式。即以结构重要性系数、设计状况系数、作用分项系数、材料性能分项系数和结构系数来代替设计的安全系数。,第二节 重力坝的稳定分析,2、分项系数法基本公式,第二节 重力坝的稳定分析,对承载能力验算表达式为：,G永久作用分项系数；G结构重要性系数;Q可变作用分项系数；设计状况系数;GK永久作用标准值；QK可变作用标准值；

11、K几何参数标准值；fK材料性能标准值；m材料性能分项系数；d1基本组合结构系数。,核算坝基面抗滑稳定极限状态时，应按材料的标准值和荷载的标准值或代表值分别计算基本组合和偶然组合两种情况。S()为作用效应函数，此处取S()PR为作用于滑动面之上的全部切向（包括滑动面之上的岩体）作用之和；R()为抗力函数，此处取R()fRWR+cR AR（WR滑动面上全部法向作用之和,fR坝基面抗剪断摩擦系数，cR坝基面抗剪断黏聚力）；,3、分项系数法具体计算,第二节 重力坝的稳定分析,（1）坝基面抗滑稳定水平滑动面计算式：,倾向上游滑动面计算式：,（3）深层抗滑稳定分析 深层滑动：地基内往往存在着较弱夹层或缓倾

12、角断层，坝体档水后，有可能沿这些薄弱面产生滑动，就叫做深层滑动,第二节 重力坝的稳定分析,（2）坝体混凝土层面抗滑稳定计算同上，但计算参数的选择不同,当坝基存在着不利的软弱夹层或缓倾角断层时，坝体有可能沿软弱面产生深层滑动。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,第二节 重力坝的稳定分析,四、提高坝体抗滑稳定性的工程措施,（1）利用水重（2）将坝基开挖成倾向上游的斜面（3）在坝踵下设齿墙（4）抽水措施（5）加固地基（6）利用预应力,第二节 重力坝的稳定分析,第二节 重力坝的稳定分析,常用的几种抗滑加固措施

13、,第二节 重力坝的稳定分析,五、稳定分析设计理论的历史沿革,重力坝是人类最早使用的一种水坝坝型，重力坝问世3000年之后才出现其他坝型；重力坝从5000年前就开始建造，一直使用至今（丹江口、高坝洲、葛洲坝、三峡、向家坝、龙滩等）。重力坝仍是当今世界水坝中的主要组成部分；早期重力坝凭经验建造，19世纪中期法国工程师塞兹利提出悬臂梁理论是重力坝设计理论诞生的标志，随后，德娄克、朗肯、利维等人为重力坝经典设计理论形成作出了突出贡献；从16世纪到19世纪中期，重力坝断面形状已发展到“块体形”，人们开始注意经济问题，并已认识到坝体的安全要满足两个外部稳定条件（但尚未认识到还要满足应力条件），即抗倾稳定与

14、抗滑稳定（提出摩擦公式）；,第二节 重力坝的稳定分析,19世纪中叶后，随着应力条件的引入坝工设计，促进了坝体稳定分析的发展，朗肯在19世纪世纪80年代提出无拉应力准则后，抗倾问题实际上已不对坝体断面设计起控制作用，人们实际关心的是抗滑稳定问题；抗滑稳定问题实际上是一个抗剪强度问题（抗剪强度概念1773年由库仑与莫尔提出，1887年克拉夫拉德提出了阻止剪切破坏的力包括剪切破坏面上的摩擦力与抗剪力）；20世纪初，凯恩首次提出，重力坝抗滑稳定计算应计入摩擦力与抗剪力，但当时认为抗剪力不可靠，且难以精确确定，仅将抗剪力作为安全储备加以忽略，抗滑稳定计算仍应用摩擦公式，这一公式实际提供了大于2的安全系数

15、，至今仍被广泛采用；,第二节 重力坝的稳定分析,目的：1、为了检验大坝在施工期和运用期是否满足强度要求；2、为解决设计和施工中的某些问题，如砼分区，某些部位的配筋等提供依据。,第三节 重力坝的应力分析,一、概 述,第三节 重力坝的应力分析,应力分析的过程：1、进行荷载计算及荷载组合2、选择合适的方法进行应力计算3、检验大坝各部位的应力是否满 足强度要求,应力分析方法,理论计算和模型试验法 理论计算方法主要有：材料力学法和有限元法 对于中、低坝，当地质条件较简单时，可按材料力学方法计算坝体的应力，有时可只计算坝体的边缘应力。,第三节 重力坝的应力分析,应力分析内容 确定计算工况；选择计算方法；确

16、定计算截面；计算选定截面上的应力：削弱部位（孔洞、泄水管道）的局部应力、个别部位（如宽缝重力坝的头部、闸墩、导墙）的应力等步骤，必要时分析坝基的上、下游局部应力及内部应力。,（一）基本假定1、坝体砼为均质，连续各向同性的弹性材料。2、取单宽坝体作为固结在地基上的悬臂梁计算，且不受两侧坝体的影响。3、水平断面上的垂直正应力y是直线分布。,第三节 重力坝的应力分析,二、材料力学法,（二）边缘应力的计算：各应力的表示符号：1、水平截面上的正应力yu、yd。2、剪应力u和d。3、水平正应力xu和xd。4、主应力1u，2u和1d，2d。,1、水平截面上的正应力yu、yd。,根据偏心受压公式，坝体上下游边

17、缘垂直正应力：,2、剪应力,剪应力,由上游微分体的平衡条件得：,3、水平正应力,由上游微分体的平衡条件得：,4、边缘主应力,由于两个主应力面互相正交，由微分体的平衡条件：,（三）内部应力的计算 1.坝内水平截面上的正应力y假定和y在水平截面上直线分布。2.坝体内剪应力。3.坝内水平正应力x。4.坝内主应力1和2。5.考虑扬压力时的计算方法。,第三节 重力坝的应力分析,坝体内部应力计算图,第三节 重力坝的应力分析,用材料力学分析坝体应力时，规范规定:1、坝基面的y应符合下列要求（1）运用期：在各种荷载组合下（地震除外）fR（下游）y0（上游）（2）施工期:fR y-100 KPa2、坝体应力要求

18、（1）运用期:Fc y0（2）施工期:Fc y-100 KPa,第三节 重力坝的应力分析,（四）坝体和坝基的应力控制,混凝土重力坝应按承载能力极限状态验算坝趾和坝体选定截面下游端点的抗压强度，按正常使用极限状态验算满库时坝体上游面拉应力和空库时的下游面拉应力,承载能力极限状态验算表达式 基本组合表达式：偶然组合表达式：正常使用极限状态验算表达式 作用效应短期组合：作用效应长期组合：,（1）坝趾及坝体选定截面下游端点抗压强度验算,分别计算基本组合和偶然组合两种情况。其中，作用效应函数S（*）和R（*）分别为,第三节 重力坝的应力分析,对于实体重力坝，若T为坝基面宽度 验算坝体选定截面下游端点的抗

19、压强度时，式中的各种作用、材料性能参数及几何参数均应按所选截面上的相应值取用,（2）坝体上、下游面拉应力按正常使用极限状态计算,运用期坝踵垂直应力不应出现拉应力（计扬压力），可按下式计算：,1)运用期（长期组合）坝体上游面垂直拉应力核算,2)短期组合下游坝面的垂直拉应力核算,规范要求，坝踵和坝体上游面的垂直应力的核算应按作用的标准值分别计算作用的短期组合和长期组合。,施工期属短暂状况，坝体下游面的垂直拉应力应不大于100kPa，其计算式为,第三节 重力坝的应力分析,其他：坝体内一般不容许出现主拉应力，但以下情况例外：宽缝重力坝离上游面较远的局部区域，可出现拉应力，但不得超过混凝土的容许拉应力；

20、当溢流坝堰顶部位出现拉应力时，可考虑配置钢筋；廊道及其它孔洞周边的拉应力区域，宜配置钢筋，以承受拉应力。坝基的容许压应力是根据坝基岩石的室内试验，结合地基的具体情况而定。对于强度高，而节理、裂隙发育的基岩，其最大容许压应力可取试块（通常为555cm3）的极限抗压强度的1/201/15；对于中等强度的基岩可取1/101/20；对于均质且裂缝甚少的弱基岩及半岩石地基可取1/51/10；对于风化基岩，可按基岩风化程度，将其容许压应力值降低25%50%。,第三节 重力坝的应力分析,四.例题 例题 3-1：见课本,第三节 重力坝的应力分析,例题2,坝体应力的实际分布情况比较复杂，受很多因素影响。1、地基

21、变形模量对坝体应力的影响,第三节 重力坝的应力分析,五、各种因素对坝体应力的影响,2、地基变形弹模对坝体应力的影响 3、坝体异弹模对坝体应力的影响 4、纵缝对坝体应力的影响 5、分期施工对坝体应力的影响(见下图)6、坝踵断裂对坝体应力的影响,第三节 重力坝的应力分析,坝体主应力分布示意图,第四节 非溢流重力坝剖面设计,一、设计原则1、满足稳定和强度要求2、工程量少3、便于施工4、运用方便,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。,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a90时，即

22、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a90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。,第四节 非溢流重力坝剖面设计,规律：1）施工运用方便多做成a=90 2）f较低时，为满足稳定，减小a角，利用水重 3）工程经验m=0.60.8（下游坡）n=00.2（上游坡）,第四节 非溢流重力坝剖面设计,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，T主要由强度条件控制。反之，摩擦系数和粘结强度越小，

23、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。,三、实用剖面,根据运用和交通要求，坝顶应有足够的宽度，无特殊要求，坝顶宽=8-10%坝高，但不得小于2米，如有运用和交通要求，应满足这些要求。坝顶高于水库水位的高度h计算：坝顶高度=设计洪水位+h,第四节 非溢流重力坝剖面设计,坝顶高程或防浪墙顶高程，按设计洪水位、校核洪水位两种情况分别计算，并选用较大值。,第四节 非溢流重力坝剖面设计,剖面选择：对中、低重力坝可以采用工程类比法，参照类似的已建工程，拟定坝体剖面尺寸，然后对坝体控制截面进行强度和稳定验算，并根据计算结果进行调整，直到满足设计要求为止,第四节 溢流重力坝设计,还要满足

24、泄水要求。在溢流坝段位置确定以后，应合理选择泄水方式，并根据洪水标准和运用要求确定孔口尺寸。,溢流重力坝既能挡水又能通过坝顶溢流。因此，坝体设计除要满足稳定和强度要求外，,一、溢流重力坝的剖面设计,第四节 溢流重力坝设计,溢流重力坝的孔口型式有开敞式坝顶溢流和大孔口溢流式两种。其中大孔口溢流式可降低溢流堰顶高程，增大单宽流量，减小溢流坝段长度。溢流面由顶部溢流面曲线段、中间直线段和下部反弧段组成。一）、溢流堰面曲线 常采用非真空剖面曲线。,1)开敞式溢流堰面曲线2)大孔口堰面曲线 上述两种堰面曲线是根据定型设计水头确定的当宣泄校核洪水时，堰面出现负压值应不超过36m水柱高。,第四节 溢流重力坝

25、设计,堰顶附近允许出现的负压值为：在常遇洪水位闸门全开时不得出现负压；校核洪水位闸门全开时出现的负压值不得超过3m6m水柱；正常蓄水位或常遇洪水位闸门局部开启时（以运用中较常出现的开度为准），可允许有不大的负压值，其值应经论证后确定。常遇洪水位，系指频率为20年一遇以下洪水时的水库水位，在常遇水位下，溢流堰运用机会较多，容易遭受空蚀，特别在门槽部位，应引起注意。,第四节 溢流重力坝设计,二）、溢流面中间直线段,上端与堰顶曲线相切，下端与反弧段相切，公切线构成的直线段坝面坡度可以和非溢流坝下游坝面坡度一致 三、溢流坝下游反弧段半径 1)对挑流消能，可按下式求得反孤半径R2)对于底流式消能，反弧段

26、半径可按下式求得3)对消力戽消能,二、溢流坝剖面布置,溢流坝的实用剖面，是由基本剖面修改而成，一般情况下，中间直线段采用非溢流坝的下游坝面直线，要与溢流面曲线段和下游反弧段相切，如图（a），如果地质条件好，溢流面曲线上游超出基本剖面部分可做成挑出的悬臂，如图（b）所示；如果地质条件差，基本剖上部去掉的体积较多，影响了坝段的稳定性，可将直线段的下游坝坡放缓,如图（c）；对挑流鼻坝超出基本剖面，且L/h0.5时，可考虑在aa处设置结构缝与坝体分开。如图（d）,三、溢流坝孔口设计,孔口设计涉及因素：洪水设计标准、下游防洪要求、库水位雍高有无限制、是否利用洪水预报、过水方式以及枢纽地形、地质条件等。设

27、计步骤：选定泄水方式，拟定若干种泄水布置方案。初步确定空口高程、尺寸，按工程等级相应的洪水设计标准进行洪水调节演算。求出各方案的防洪库容，设计和校核洪水位及相应的下泄洪量等。然后估算淹没损失和枢纽造价，进行技术经济比较，选出最优方案。,（一）洪水标准 洪水标准，包括洪峰流量和洪水总量。是确定孔口尺寸进行凋洪演算的重要依据。（二）孔口型式 1、坝顶溢流式优点：闸门承受的水头较小，孔口尺寸可以较大。闸门全开时，下泄流量与堰顶水头H03/2成正比，超泄能力强。闸门在顶部，操作方便，易于维修，安全可靠。能排水及其他漂浮物。堰头设闸门大中型调节库水位和下泄流量 堰头不设闸门小型结构简单，管理方便,2、大

28、孔口溢流式上部设胸墙，降低堰顶高程。胸墙：固接胸墙，活动胸墙优点：可根据洪水预报提前放水，提高了调洪能力。3.孔口尺寸确定孔口尺寸时应考虑的因素:满足泄洪要求孔口宽度越大,闸门尺寸越大,启门力越大,启门和启闭机的构造就较复杂.孔口高度越大,q大,溢流坝段越短;孔口宽度越小,孔数多、闸门多，溢流段总长也相应加大。q大，消能困难，为了对称均衡开启闸门，以控制下游河床流态，孔口数目最好采用奇数。,装设闸门的溢流坝,常用闸门将溢流坝段分割成若干个等宽的溢流孔口.堰流孔口的总宽度决定于总泄量和单宽流量（q）。1单宽流量q的确定。通过调洪演算，可得出枢纽的总下泄流量Q总。溢流孔口下泄量为：Q溢=Q总-aQ

29、0 Q0电站和泄水孔下泄得流量 a系数，正常取0.750.9，校核取 1.0,四、溢流重力坝的消能防冲设施,下泄不同流量产生的跃后水深h”与下游实际水深t的关系，有以下五种情况：Qh”和Qt重合。表明任何情况下均产生临界水跃，无须修消力池，只须在水跃范围内修护坦即可。这是最理想情况，实际很少见。,选择消能工的依据：地形、地质、枢纽布置、水头、流量、下游水深及其变幅等进行技术经济比较。重要工程应作模型试验。底流消能（一）水流条件及消能措施。在坝趾下游设消力池，消力坎等。底流消能工作可靠，但是工程量大。,何情况他th”,均产生淹没水跃。淹没度大时，产生高速潜流，水跃长度加大。消能采用消力戽或斜坡式

30、（逆坡式）护坦，（计算方法不成熟）小Q时，QQk时，th”,下游水深大，产生淹没水跃。这时采用斜坡式护坦与消力池相结合得方式（并称消力护）。与相反。也用消力戽消能，消力池按最大流量设计。护坦结构 护坦的作用：保护河床不受高速水流的冲刷。长度：底流式消能延伸致水跃末端，其他型式，也需在坝趾下游设置护坦。厚度：满足稳定要求。上游厚，下游薄（流速小，压力大）。为防止护坦受基岩约束产生温度裂缝、在护坦内设置温度伸缩缝，顺河向的缝与闸墩中心线对应，横向的缝间距1015m，护坦底下设排水系统（降低扬压力），护坦末端做成齿墙以防水流淘刷。材料：采用抗蚀耐磨砼。,挑流消能（适用于基岩比较坚固的高、中坝）,消能

31、特点：将下游高速水流抛向空中，使水流扩散、掺气，然后跌入下游河床水垫中，发生旋滚和摩擦，以消耗能量，本消能方式优点：简单、经济、工期短；缺点：尾水活动比较大，雾化大，影响电站工作。设计内容：鼻坎型式、反弧半径、鼻坎高 程、挑射角度。,（一）连续式鼻坎 主要优点是：构造简单，射程远，水流平顺，很少产生空蚀。鼻坎挑射角一般=2025，深水河=1520。(在45以内，角度愈大，挑射距离愈远，但入水角度也大，冲刷坑也愈深)，要求2.55.0 反弧半径R=（810）h，h鼻坎上水深。R大小，水流转向不平顺；过大时，鼻坎向下游延伸太长，增大工程量。鼻坎高程：一般高出下游最高水位12m，现有低鼻坎挑流低于下

32、游最高水位，如浸窝。挑距及冲坑计算公式）,（二）差动式挑流鼻坎 优点：使挑射水舌扩散，分成两段，相互撞击、加大掺气量，加大空中耗能，减小入水的单位面积上的能量，减小冲刷，下游波动也小些。型式：矩形和梯形齿坎；缺点：矩形侧壁易产生较大负压；梯形施工复杂。,面流式消能,适用于中小型工程，水头低，下游水深大且变幅小。消能特点:利用鼻坎将主流挑至水面，在鼻坎附近表面主流与河床之间形成逆向旋滚。使高速水流与河床隔开，避免对坝趾附近河床的冲刷，主流在水面逐渐扩散消能，反向旋滚也可消除一部分能量。,优点:面流消能不需设护坦和其他加固措施。缺点:高速水流在表面、伴有强烈的波浪、绵延数里，影响电站运行及下游通航

33、，易冲刷两岸。,消力戽,适用：尾水深、变幅小、无航运要求，下游河岸有一定抗冲能力。特点：消力戽是以模型试验为基础研究成功的一种消能方式。它是利用一个较大的反弧半径和挑角形成的戽斗、在一定尾水深度的作用下，使从溢流坝下游的高速水流在戽斗内产生激烈的表面旋滚，并使出戽的高速水股在底部及尾水中均产生旋滚，以达到较好的消能效果。30年首先在美国大苦力坝中采用，我国安康采用。,优点：工程量较消力池小，冲刷坑比挑流式浅，不存在雾化问题；缺点：下游水面波动大，易冲刷岸坡，不利航运，戽面磨损率高，增大了维修费用。,下游折冲水流及其防止,发生原因：开启部分泄水孔，下游水流不能迅速在平面上扩散，在主流两侧容易形成

34、回流，主流受到压缩，使水流单宽流量增加，流速在长距离内不能降低，引起河床冲刷。如两侧回流强度不同，水位不同，还可将主流压向一侧，形成折冲水流。,危害：危害：1、冲刷河床和河岸；2、影响航运；3、电站尾水形成回流，抬高尾水，损失电能（落差减小）采取防止措施：布置上，尽量使溢流坝下游水流与原河床主流位置方向一致；运用管理，闸门均可开启，或对称开启；布置导流墙。,第六节 重力坝深式泄水孔,重力坝泄水孔的进口淹没在水位以下较深处，故又称深式泄水孔。泄水孔可用来放空水库；排放泥沙；向下游放水，预泄库水，加大调洪库容；同时可兼做施工导流。在不影响深孔正常运用条件下，应考虑一孔多用，如灌溉与发电结合；放空与

35、排沙、导流结合等。一、作用及工作条件 进口高程常接近死水位或靠近河床。作用：预泄库水，增大水库的调蓄能能力；放空水库，以便检修；排放淤泥，减少淤积；随时放水，以满足航运和灌溉的要求；施工导流。,工作条件：孔内水流流速高，易产生负压，空蚀和振动；闸门在水下，承受的压力大，检修困难。二、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。,第六节 重力坝深式泄水孔,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。为此进口处设置事故检修闸门、平常用来挡

36、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。,第六节 重力坝深式泄水孔,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：双层泄水时对下层泄水孔泄流能力的影响；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，

37、并注意施工质量。,三、进口曲线应满足：减少局部损失，提高泄水能力 控制负压，防止空蚀。进口曲线：顶部、两侧常用四分之一椭圆，底部常用园弧。椭圆方程：X2/A2+Y2/(aA)2=1 断面：矩形：顶面曲线，A为孔高，为1/31/4 两侧曲线，A为孔高，=1/4 园孔：A为直径，=0.30 进口段的孔口中心线，一般布置成水平的。,四、闸门和闸门槽深孔常用的闸门也是平面和弧形闸门。平面闸门槽是最易产生负压和空蚀的地方。为减免门槽空蚀，试验结果表明，矩形收缩型门槽较好。矩形闸门槽适用于流速小于10m/s的情况，其尺寸布置时，闸门槽宽度和深度d应根据闸门尺寸和轨道布置要求确定，其门槽宽深比d1.61.8

38、，错距，下游收缩边墙斜率为1:8 1:12，圆角半径r0.1d。,五、管身有压泄水孔一 般采用圆形断面，圆形过水能力较大，管周应力条件也好，为防渗和满足应力要求：管周需布设钢筋，有时采用钢板衬砌。无压泄水孔的明流段,通常采用矩形泄槽,洞顶应留有足够的空间,以满足掺气和通气的要求,以保证形成稳定的无压流。为了减小出口的单宽流量，有利于下游消能，在管道转入明流段后，两侧在平面上可以适当扩散。,六、渐变段 泄水孔进口一般都做成矩形，以便布置进口曲线和闸门，而重力坝有压泄水孔断面常采用圆形，所以在进口闸门后需设渐变段，以便水流平顺过渡。当主要闸门（由园变方）布置在出口时，出口断面必须做成矩形，七、竖向

39、连接 有压：园弧连接，R5倍孔径。无压：采用抛物线连接。,八、平压管、通气孔 当工作闸门发生故障或检修泄水孔时，要关闭事故检修闸门，这时泄水孔逐渐断流，孔内需要补气；当检修工作完毕后，先关闭工作闸门，用平压管（与水库相通）向工作闸门与事故检修闸门之间充水。设平面管位置:在检修门和工作门之间（与水库连通）；目 的:可使检修门在静力中启门,减小启 门力；通气孔位置:检修门与工作门之间,作用:排气,补气；工作门后,作用:补气。工作门后通气孔尺寸的设计,40m/s,第七节 重力坝的材料及构造,一混凝土水工混凝土除要求有足够的强度以外，还有有一定的 抗渗性、抗侵蚀性、抗冻性、抗磨性和低热性等。（一）混凝

40、土的强度指标按抗压强度，水工混凝土分为C5 C7.5 C10 C15 C20 C25 C30标号，C5混凝土只能用在某些不重要的、应力很小的部位，仅作回填及压重用。坝体混凝土抗压设计强度的龄期一般用90d，最多不超过180d。同时还规定28d龄期的抗压强度不得低于7.5Mpa。设计抗拉强度的龄期采用28d，一般不采用后期强度。,（二）混凝土的耐久性包括抗渗、抗冻、抗磨和抗侵蚀等。1）抗渗性 是指混凝土抵抗压力水渗透作用而不被破坏的能力 2)抗冻性 抗冻性指混凝土在饱和状态下，经多次冻融循环作用而不严重降低强度的性能 3)抗磨性 是指抗高速水流或挟沙水流的冲刷、磨损作用的性能 4)抗侵蚀性 是指

41、混凝土抵抗环境水侵蚀的性能 二、坝体混凝土分区原因：坝体各部分工作条件不同，为了节约和合理使用水泥，通常将坝体按不同部位和不同工作条件分区，采用不同标号。,第七节 重力坝的材料及构造,第七节 重力坝的材料及构造,为了便于施工，应尽量减少标号的类别，相邻区的强度标号不宜超过两极，免引起应力集中或产生温度裂缝。分区的厚度一般不得小于2-3米，以便浇筑。坝体对各区混凝土性能的要求：,三、横缝横缝垂直坝轴线，将坝体分成若干坝段。重力坝横缝作用：1）减小温度应力，2）适应地基不均匀变形，3）满足施工要求（如混凝土浇筑能力及温度控制）间距：12-20米，也有达20米,第七节 重力坝的材料及构造,（一）永久

42、性横缝 常做成平面，不设键槽，不进行灌浆，各坝段独立工作。现在常是温度缝、沉降缝合二为一，故留成-2cm宽的缝。横缝内需设止水。止水材料：紫铜片，橡胶、塑料及沥青等。对于高坝应采两道止水，中间设沥青井，中低坝适当简化。止水片及沥青井需伸入岩基一定深度，约30-50cm，井内填满沥青沙，止水井延伸到最高水位以上，沥青井需延伸到坝顶。沿溢流面，坝体下游最高水位以下和穿越横缝的廊道和孔洞周边均需设止水井。,第七节 重力坝的材料及构造,（二）临时性横缝 主要用于下述情况:（1）河谷狭窄，做成整体重力坝可适当发挥两岸的支撑作用，有利于坝体的强度和稳定。（2）岸坡较陡的各坝段连成整体可以改善岸坡的稳定性。

43、（3在软弱破碎带上的各坝体，连成整体增加坝体刚度。（4）强地震区，如坝段连成整体，可提高坝体的抗震性能。,第七节 重力坝的材料及构造,临时横缝的缝面键槽和灌浆系统:为增加缝面的水平向抗剪能力时,键槽竖向布置。为增加缝面的铅直向抗剪能力时,键槽水平向布置。临时竖缝灌浆高度视坝高和传力的需要而定，可全部灌，也可局部灌。,（三）坝体与基岩面的连接意义：连接必须紧密，以免发生渗漏，影 响坝体稳定。作法：基岩横向坡（对岸方向）缓于1:2时，坝体浇筑后利用帷幕灌浆对接触灌浆封实；当横向坡陡于1:2时，设接触面止水，在基岩中挖槽嵌入止水片；当横向坡陡于1:1时，按临时横缝处理，在接触面上布设灌浆系统，沿周围

44、嵌入止水片，待混凝土冷却后进行接缝灌浆。,第七节 重力坝的材料及构造,四、纵缝,平行于坝轴线方向设的缝。目的：适应混凝土的浇筑能力和减小施工期的温度应力。纵缝是临时缝，待坝体降到稳定温度后 进行接缝灌浆。纵缝布置形式：铅直、错缝、斜缝。不设纵缝通仓浇注,第七节 重力坝的材料及构造,（一）铅直纵缝 间距1530m。为了使缝面更好地传力，设三角形键槽。槽面大致顺主应力方向。,为保证坝面的整体性，铅缝面布设灌浆系统。待坝体温度冷却到稳定温度，坝块收缩，缝的张开度达到0.5mm以上时进行灌浆，缝四周设止水片。灌浆压力太高会使坝块底部产生过大的拉应力，使坝体破坏。太低又不能保证灌浆质量。一般进浆管压力0

45、.350.45Mpa(0.350.45kg/cm2)出浆管压力0.20.25Mpa纵缝两侧的坝块可以单独上升，但高差不宜太大。若高差太大，后浇混凝土的温度和干缩变形，造成灌浆面的挤压和剪切，影响纵缝灌浆，反过来对后浇混凝土块键槽出现剪切裂缝。,第七节 重力坝的材料及构造,（二）错缝 缝面不作灌浆处理。浇注块高度在基岩附近1.52m，在坝体上部不大于34m，错缝间距1015m，缝的错距不超过浇注块的一半。错缝施工简便，在低坝上使用。（三）斜缝 可大段沿主应力方向设置，因缝面剪应力很小，可以不灌浆。斜缝须在离上游面一定距离处终止。为防止斜缝在终止处向上贯穿，须采用并缝措施：布设并缝钢筋、设并缝廊道

46、等。施工最好使上下块均匀上升。施工复杂，较少采用。,第七节 重力坝的材料及构造,（四）通仓浇筑 施工简便，有利于加快施工进度。坝的整体性好，是发展的方向。但是要注意温控。五、施工缝（水平工作缝）浇注块厚度一般为1.54.0m。在基岩表面用0.751.0m的薄层浇注，以利散热、防止开裂。上下浇注块之间常间歇37天。新混凝土浇注前，须清除缝面渣、灰尘和水泥乳膜，用风水枪或压力水冲洗，使表面成为干净麻面。再均匀铺一层23cm的水泥沙浆，然后浇注。,第七节 重力坝的材料及构造,六、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1/101/12，使渗透坡降在允

47、许范围内。管距23m。管径1525cm，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）。,第七节 重力坝的材料及构造,七、廊道系统,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。,（一）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2.53.0m，高3.0 4.0m，距上游面可取0.05 0.1 倍水头，且布小于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

48、孔。灌浆廊道沿地形向两岸逐渐升高。坡度不宜大于40 45度，以便钻孔、灌浆操作和搬运灌浆设备。,第七节 重力坝的材料及构造,（二）检查和坝体排水廊道,常在靠近坝体上游面沿高度方向隔1520m设检查廊道，最小宽度为1.2m，最小高度为2.2m距上游面布小于0.050.07倍水头，且布小于3m（寒冷地区适当加厚）。上游侧设排水沟。,第七节 重力坝的材料及构造,（三）廊道应力计算和配筋 大孔口应力分析比较复杂，须采用有限元法电算求解，或用结构试算求应力。小孔口时，用弹性力学中平面问题（无限平板中孔口的应力计算）求解。,（四）闸门和启闭机,闸门分为：工作、检修。工作门：平面门和弧形门。检修门：平面门、

49、叠梁门。平面门优点：结构简单、闸门受力条件较好，闸门较短，多孔口共用一台活动门机。缺点：启闭力较大，闸墩较厚。弧门优点：启闭力小、闸墩薄、无门槽水流平顺缺点：闸墩较长，受力条件差。弧形门用固定式启闭机。平面门：活动门机（工作、检修平门共用）,第七节 重力坝的材料及构造,（五）闸门和工作桥 闸门的断面形状应使水流平顺。上游端常采用：椭圆形，半圆形或流线 型。上游端：采用：收缩成流线形 现有：方形 宽尾墩（六）横缝的布置 墩中分缝：墩厚、工作可靠、不均匀沉降不影响启闭 孔中分缝：墩薄，受地基不均匀沉降影响启闭，水流过横缝，局部不平顺。,第七节 重力坝的材料及构造,第八节 重力坝的地基处理,天然基岩

50、都有风化层、节理、裂隙、断层破碎带及软弱夹层等方面的缺陷，因此必须进行处理重力坝失事有40%是因为地基问题造成的。地基处理主要包含两个方面的工作：一是防渗，二是提高基岩强度。一坝基的开挖与清理 目的：使坝体坐落在稳定坚固的地基上。规范规定：70m的高坝，必须建在新鲜、微风化或弱风化的岩石上。3070m的中坝，必须建在微风化或弱风化的岩石上。同一工程中，两岸较高部位的坝段，可比河床段适当放宽。,二坝基的固结灌浆,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：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（为什么？）。灌浆孔的深度：一般58m；帷幕上游