水工建筑物讲义

重力坝一、重力坝的工作原理及其特点1、工作原理①利用自重在坝基面产生的摩擦力以及坝与地基间的凝聚力来抵抗水平水压力而维持稳定②利用自重引起的压应力来抵消由水压力产生的拉应力2、工作特点①断面尺寸大，抵抗渗漏、漫顶破坏的能力强，在各种坝型中失事率最低②对地形地质条件适应性强③泄流问题容易解决④施工导流容易解决⑤体积大便于机械化施工⑥结构作用明确⑦由于体积大，材料强度不能充分利用⑧底部扬压力大，对稳定不利⑨由于体积大，水化热不易散发，温控要求高二、重力坝的型式按作用分非溢流重力坝溢流重力坝按建筑材料分混凝土重力坝碾压混凝土重力坝浆砌石重力坝按内部结构分实体重力坝宽缝重力坝空腹重力坝三、重力坝设计的主要内容1、总体布置:坝轴线组成建筑物的位置2、剖面设计3、稳定分析4、应力分析5、构造设计6、地基处理7、溢流坝或泄水孔设计8、监测设计扬压力(含坝基和坝体内扬压力)*坝基扬压力:坝基扬压力包括两部分①下游水深引起的浮托力；②由水头差引起的渗透压力.渗透压力从上游向下游逐渐消减，其变化呈抛物线分布。扬压力对坝体稳定不利.见图2.4为减小扬压力需采取工程措施：设帷幕.设排水.地震荷载地震荷载包括:地震惯性力地震动水压力(激荡力)地震动土压力(地震对扬压力、泥沙压力的影响一般不考虑)计算方法：动力法一般用拟静力法计算:F=ma,a为坝址处的地震加速度.地震烈度：(表示地震时在一定地点的地面震动的强烈程度，分0～12度)地震荷载的大小与建筑物所在地区的烈度有关，烈度又分基本烈度和设计烈度两种.基本烈度系指建筑物所在地区今后一定时期(一般指100年左右)内可能遭遇的地震最大烈度。设计烈度二、荷载(作用)组合1、基本概念除自重外，作用在重力坝上的荷载和如下特点：时大时小、时有时无、此出彼没。2、荷载组合定义：将可能作用在建筑物上的所有荷载按出现的时间(机率)是否相同进行分组，然后将各组荷载分别作用在所设计的建筑物上，研究建筑物的稳定和强度，并给以不同的安全系数。这种分组的方法即为荷载组合。荷载(作用)组合分类结构设计时需对不同的作用进行组合即分基本组合和偶然组合基本组合：可能同时出现永久作用和可变作用的组合。分长期组合:持久发生(持久状态)如正常挡水位短期组合:短暂发生(短暂状态)如设计洪水位偶然组合：基本组合与一种偶然作用同时出现的组合。第三节重力坝的稳定分析重力坝主要是依靠自重维持稳定，其可能出现的破坏型式(见图2.9)：滑动：坝体沿抗剪能力不足的薄弱而产生滑动。倾复：抗倾力矩小于倾复力矩.下游地基差易出现.计算假定1、河床坝段作为平面问题处理，岸坡坝段按空间问题处理；2、略去横缝作用，以单宽计；3、假定为一根固结于基础上的变截面悬臂梁稳定分析目的:验算重力坝在各种可能荷载组合下的稳定安全度.一)沿坝基面的抗滑稳定分析假定坝体与坝基的连接有三种物理模式:“触接”、“粘接”、“咬接”.简单接触----摩擦公式认为坝底光滑，坝基光滑，坝直接放置在基岩上----“触接”故当滑动面为水平面时,抗滑稳定计算公式：2、抗剪断公式假定坝体与坝基之间涂有一层砂浆----“粘接”计算时考虑粘结力的作用，故抗剪断公式为:计算时考虑粘结力的作用，故抗剪断公式为:3、剪摩公式假定坝体坝基之间凸凹不平，相互咬合在一起，计算时考虑纯剪强度说明:1、上述三个抗滑稳定计算公式是在不同的假定前提下得到的摩擦公式：形式简单，概念明确，计算方便，多年来积累了丰富的经验，公式中不考虑粘结力与实际不符，(安全裕度含在假定中，k=1.0并不意味着处于临界状态；)剪摩公式：考虑抗滑力时，人为地把阻滑力看作为摩擦力与抗剪能力之和，己挖掘了维持稳定的所有潜力。因而要求的安全系数较大，在美、日等国家用得较多。抗剪断公式：物理概念明确，也较符合实际，是近年来发展的趋势，《规范》也推荐采用，应注意抗剪断参数的选用。2、对摩擦公式和抗剪断公式的讨论摩擦公式忽略了坝体与基岩的胶结作用，不能完全反映实际工作状态，由于不考虑C的作用，因此K取的较小。抗剪断强度公式考虑了坝体与基岩的胶结作用，计算了全部抗滑潜力，比较符合坝的实际工作状态，物理概念明确。但C‘现场测值不稳，因此K’取值较大.(四)、增稳措施1°利用水重；2°将坝基开挖成向上游倾斜的斜面(一般不这样做)；3°当节理面倾向下游时，在坝踵下设齿墙，增加滑动体重量也增大抗力；4°设排水系统减小扬压力；5°加固地基(如进行固结灌浆提高强度参数)；6°予应力锚固；第四节重力坝的应力分析一、应力分析的目的和方法1、目的1°了解坝体内的应力分布情况，检验大坝在施工期和运行期是否满足强度要求；2°为布置坝身材料(如混凝土分区)提供依据；3°为特殊部位的配筋提供依据，如孔口、廊道等部位的配筋；4°为改进结构型式和科学研究提供依据；2、分析方法:模型试验法和理论计算法①模型试验法光测方法如：偏振光弹性试验,激光全息试验,脆性材料电测法②理论计算法1°材料力学法(重力法)这是一种历史悠久、应用最广、最简便的方法。它不考虑地基变形的影响，假定：σy呈直线分布；σx呈三次抛物线分布；τ呈二次抛物线分布；评价：该法有长期的实践经验，目前我国重力坝设计规范中的强度标准就是以该法为基础的。2°弹性理论解析法该法的力学模型和数学解法均很严密，但前只有少数边界条件简单的典型结构才有解答。评价：可用于验证其他方法的精确性，有重要价值。3°弹性理论差分法该法力学模型严密，在数学解法上采用差分格式，是一种近似的方法。评价：要求方形网格，对复杂边界适应性差。4°弹性理论的有限单元法与差分法相反，该法力学模型是近似的，数学解法是精确的，网格可采用三角形单元、四边形单元或两者的组合。见图2.14评价：可处理复杂的边界条件，随着计算机的发展，单元可划分得很细以模拟各种边界。目前大型或重要的工程都需用该法计算，以了解坝体各部位的应力状态。二、材料力学法,1、基本假定①坝体混凝土为均质、连续、各向同性的弹性体②将坝体简化为固结在地基上的变截面悬臂梁；③不考虑地基变形对坝体应力的影响，并认为各坝段独立工作，横缝不传力；④σy呈直线分布；第五节重力坝的剖面设计一、设计原则1、满足稳定和强度要求；2、尽可能节省工程量，使剖面尺寸最小；3、外部形状简单，便于施工；4、运行管理方便；二、基本剖面定义：基本剖面是指坝体在自重、库水压力和扬压力三个主要荷载作用下，满足稳定和应力要求并使其剖面最小的三角形剖面。见图2.24.三、实用剖面从理论上讲，基本剖面虽然经济的，但不实用.因为：1°坝顶不能是一个尖顶，不便于施工、运行管理和交通。2°坝高不能刚好与水位齐平，必须有一定的超高。3°厂房坝段需设闸门和拦污栅，希望上部做成垂直的。四、优化设计1、确定描述坝体体形的设计参数；2、建立目标函数，一般取结构的重量和造价，因重力坝的造价主要取决于坝体砼方量，故取坝体体积作为目标函数；3、确定约束条件，如稳定约束、应力约束、几何约束等；4、优化计算方法，目标函数和约束条件都是设计参数的非线性函数，因此重力坝的优化设计是一个非线性规划问题。（一）坝顶宽度（1）满足设备布置、运行、交通及施工的要求，非溢流坝的坝顶宽度一般可取坝高的8–10%，并不小于2米。（2）若作交通要道或有移动式启闭机设施时，应根据实际需要确定，当有较大的冰压力或漂浮物撞击力时，坝顶最小宽度还应满足强度的要求。•（二）坝顶高程顶高程=设计洪水位+h设高程=校核洪水位+h校二者取较大值（三）剖面形态•由基本剖面修改为实用剖面，有三种常用的形态，如图2.25•图（a）采用铅直的上游坝面，适用于坝基摩擦系数较大，由应力条件控制坝体剖面的情况。•优点：便于布置和操作坝身过水管道进口控制设备。•缺点：由于在上游面为铅直的基本三角形剖面上增加坝顶重量，空库时下游坝面可能产生拉应力第六节重力坝的材料和构造一、砼重力坝的材料（一）水工砼的特性指标1、强度标准立方体极限强度分为12种强度等级，重力坝常用C10、C15、C20、C25等级别，砼的强度随龄期增加，对坝体提出强度要求时，应指出其对应的龄期，坝体砼抗压设计龄期一般采用90天，最多不宜超过180天，同时规定相应28天龄期的强度，作为早期强计的控制。2、抗渗性大坝防渗部位如上游面、基础层和下游水位以下的坝面，其砼应具有抵抗压力水渗透的能力。抗渗性的指标通常用抗渗标号表示,抗渗标号也随砼的龄期增长，一般取与强度的设计龄期相同。3、抗冻性抗冻性是指饱和状态下能经受多次冻融循环而不破坏不来重降低强度的能力。4、抗磨性抗磨性是指砼抵抗高速水流或挟沙水流的冲刷和磨损的性能。根据我国的经验，对于有抗磨要求的砼，采用高标号硅酸盐水泥或硅酸盐大坝水泥所控制的砼，其抗压强度等级不应低于C20号，且要求骨料质地坚硬，施工振摇密实以提高其耐磨性。5、抗侵蚀性大坝砼可能遭受环境水中某些物质的化学作用，引起侵蚀破坏。如有抗侵蚀性要求时，应选择恰当的水泥品种，并尽量提高砼的密实性。(二)坝体砼的分区坝体各部位的工作条件不同，对砼材料性能指标的要求不同。在选用各区砼时，应注意：（1）尽量减小整个枢纽中不同砼标号的类别，便于施工。（2）为避免产生应力集中或产生温度裂缝，相邻区的强度等级相差不宜超过两级；同一浇筑块中砼的标号也不得超过两种。分区厚度一般不小于2-3米。二、施工期温度应力及防裂措施（一）坝体砼的温度变化1、坝体砼的温度变化规律（图2.26）①开始浇筑砼的温度为入仓温度②水泥硬化，产生水化热，使温度增高③热量不断散失，温度呈下降趋势热，这一段时间为冷却期，这段时间较长。④冷却达到稳定温度，仅随外界气温而变化，称为稳定期。（二）温度应力和温度裂缝的成因:1、温度应力及温度裂缝的成因砼温度发生变化，其体积也随着胀缩，由于砼坝体不能自由伸缩，从而产生温度应力，而当拉应力超过砼的抗拉能力时，出现裂缝。三、砼重力坝的构造构造包括：坝顶结构、坝体分缝、止水、排水、廊道布置等内容。（一）坝顶结构一般用实体结构（图2.28a），顶面按路面设计，在坝顶上布置排水系统和栏杆或防浪墙等以及照明设备。也可采用轻型结构,如图2.28b所示.(二)坝体分缝为适应施工期砼的浇筑能力和温度控制以及防止地基可能产生不均匀沉陷而引起裂缝，因而要分缝。常设垂直于坝轴线的横缝和平行于坝轴线的纵缝、横缝是永久缝，纵缝则属于临时缝；有时砼分层浇筑的层面也是一种临时性水平施工缝，见图2.29。1、横缝及止水永久性横缝将坝体沿坝轴线分成若干坝段，其缝面常为平面2、纵缝和水平缝•纵缝是为适应砼的浇筑能力和减小施工期温度应力而设置的临时缝。•纵缝的布置型式有三种：垂直纵缝、斜缝和错缝(三）坝体排水为了减小渗水对坝体和坝基的有害影响，降低坝体和坝基的渗透压力，在靠近上游面处设置排水管，将渗水通过排水管排入廊道，汇集于集水井内，用水泵或自流排向下游。坝内排水管布置在距上游坝面约为水头1/15-1/25处，且不小于2米，排水管间距米，用各孔砼做成。（见图2.32）。排水管施工时必须防止水泥浆漏入，防止堵塞。四）坝内廊道1、基础灌浆廊道2、基础排水廊道3、坝体检查和排水廊道4、廊道周边应力第七节重力坝的地基处理为了保证大坝的稳定、强度以及防渗性，对地基的各种地质构造要进行处理。重力坝的失事有40％是因为地基问题造成的。实际上，完整无缺的地基也是很难找到的。基岩中存在着节理、裂隙、断层、夹层等软弱结构面，它们都会不同程度地破坏或降低了岩体的稳定性、强度及抗渗能力。所以在具有缺陷的岩基上修建重力坝应对地基进行处理。它包括两方面的工作：一是防渗；二是提高基岩强度(承载力)。其处理措施有：一、开挖和清理将复盖层和风化破碎的岩石挖掉，包括清除松动石块，打掉突出的尖角。(当复盖层很深时，全部清除工作量十分巨大，可考虑其他坝型)。二、固结灌浆目的：①提高基岩的整体性和弹性模量；②减少基岩受力后的变形；③提高基岩的抗压抗剪强度；④降低坝体的渗透性减少渗流量；设计内容：1°确定灌浆范围(1)应力较大的上下游部位(2)局部节理裂隙发育和破碎带及其附近的范围(3)灌浆孔的深度→5～8m(4)灌浆孔的间