第四章水工建筑物

;
d2
1 3
c1 y
4）坝内主坝应内力应力计算
求得任意点的三个应力分量б 、б 和
x
y
以后，
即可计算该点的主应力和第一主应力的方向
1
x
2
y
wk.baidu.com
y
2
x
2
2
2
x
2
y
y
2
x
2
2
1
1 arctg 2
2 y
x
坝内应力计算
在坝体内部， 其实应力分布 还是比较复杂 的，右图给出 了各种应力的 分布情况：
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三、 应力控制标准
(permissible stress)
混凝土容许压应力，等于其极限强度除以相应的安全系 数。
《规范》规定：混凝土的抗压安全系数在基本组合情况下 不小于4.0，在特殊组合情况下(地震情况除外)不小于3.5。 当坝体个别部位有抗拉强度要求时，可提高混凝土的抗拉标 号，抗拉安全系数不小于4.0。
流流向形心轴的力矩总和(kN.m)；
B―计算截面的长度(m)
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边缘应力计算（续）
2）剪应力(Shear stress)： 已知бyu和бyd 以后，可以根据边缘微分体的平衡条件 解出上、下游边缘剪应力τu和τd 。由上游坝面的微分体
，根据ΣFy=0得
u = ( p u - y ) n u
式中 pu―上游面水压力强度； n―上游坝坡坡率，n=tgφu，
同样：
d = ( y - p d ) m d
式中 pd―下游面水压力强度； m―下游坝坡坡率，m= tgφd
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边缘应力计算（续）
3）水平正应力(Horizontal normal stress)：
已知τu和τd 以后，可 以根据平衡条件ΣFx=0求
3、地基变形模量对坝体应力的影响——空库
各种因素对坝体应力的影响
3、地基变形模量对坝体应力的影响——满库
各种因素对坝体应力的影响
4、坝体混凝土分区对坝体应力的影响
本节完
§1.6 泄水重力坝
一、溢流重力坝的孔口形式与设计
•形式：1）开敞式坝顶溢流；2）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
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。
τ =a1+b1x+c1x2
其中：
a
1
d
b 1 bm
a y
c
1 b
c1
2
y
坝内应力计算
3） 水平应力бx
同样利用平衡方程，经积分并利用边界条 件可以得出 ：
x = a 2 + b 2 x + c 2 x 2 d 2 x 3
其中：
a2 xd;
b2
b1m
a1 y
c2
c1m
1 2
b1 y
边缘应力计算（续）
1 ） 垂 直 正 应 力 (vertical normal stress):
可因按为偏假心定受б压y按公直式线计分算布上，、所下游以 边缘应力бyu和бyd 。
yuydBWBW ((kk6PPBaaM 62B))M 2
式中：
ΣW―作用于计算截面以上全部荷载的铅直分力的
总和(kN); ΣM―作用于计算截面以上全部荷载对截面垂直水
材料力学法（续）
3. 边缘应力(Stresses on faces)计算
在一般情况下，坝体的最大和最小应力都出现在 坝面，所以，在重力坝设计规范中规定，首先应校核 坝体边缘应力是否满足强度要求。
一般说来，我们要校核以下几种应力： ❖垂直正应力 ❖剪应力 ❖水平正应力 ❖主应力 ❖有扬压力的边缘应力计算
2u pu
2d pd
各符号意义见图 返回
边缘应力计算（续）
5）有扬压力的边缘应力计算：
❖思考： 上面的计算显然都没
有涉及扬压力，但很显然， 对于重力坝来说扬压力是 一个非常重要的荷载，请 思考如果考虑扬压力，边 缘应力应该怎么计算？
材料力学法（续）
4. 坝内应力(internal stress)计算
消能特点：将下游高速水流抛向
2）挑流消能
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
（适用于基岩比较坚固的高、中坝量）。
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。
3）面流消能
适用于中小型工程，水头低，下游水深大且变幅小。
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四、各种因素对坝体应力的影响
1、纵缝对坝体应力的影响
不讲 由于坝体往 往很大，不可能 统舱浇注，所以 往往设有纵缝。 但在每一个坝块 上，应力仍可假 定为直线分布， 这样应力分布图 就由若干段直线 组成，如图所示。
各种因素对坝体应力的影响
2、分期施工对坝体应力的影响
各种因素对坝体应力的影响
四、溢流重力坝的消能防冲设施
•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。
1）底流消能
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。工程造价较高。可适应高、中、低水头的溢流 坝，但多用于地质条件较差的泄水建筑物。
在各种荷载组合下(地震荷载除外)，坝基
面的最大竖向正应力бymax应小于坝基容许压
应力(计算时分别计入和不计入扬压力)；最
小竖向正应力бymin应大于零(计算时应计入
扬压力)。
应力控制标准
1. 坝基面的正应力
（2）施工期：
下游坝面允许有不大于O.1MPa的拉应力。 地基容许压应力取岩石试块(通常为 5cm×5cm×5cm) 极 限 抗 压 强 度 的 1/25 ～ 1/5，视岩体的具体情况而定。对于强度高， 但 节 理 、 裂 隙 发 育 的 基 岩 ， 采 用 1/25 ～ 1/20 ； 对 于 中 等 强 度 的 基 岩 采 用 1/20 ～ 1/10；对于均质且裂缝甚少的软弱基岩及 半岩石地基采用1/10～1/5；对于风化岩基， 按 其 风 化 程 度 ， 应 将 其 容 许 压 应 力 降 低 25 ％～50％。
y x2
4 2 H d
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R
R(4~10)h
2)对于底流式消能，反弧段半径可按下式求得
R 10 x
3)对消力戽消能
3.28
重力坝的应力状态与很多因素有关.
如：坝体轮廓尺寸、静力荷载、地基性质、 施工过程、温度变化以及地震特性等。
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二、材料力学法
(gravity method)
1. 基本假定：
坝体混凝土为均质、连续、各向同性的弹性 材料； 视坝段为固接于地基上的悬臂梁，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，永久横缝不传力； 假定坝体水平截面上的正应力按直线分布， 不考虑廊道等对坝体应力的影响。
如图所示，显然微分体
的平衡方程(equilibrium)为
x 0
x y
y
y
x
c
0
下面，我们分别来计算 其中的各个应力分量
坝内应力计算
1）垂直应力бy
对于垂直应力，我们假定бy在水平截面上按
直线分布，即
бy ＝a+bx
其中：
a W6M B B2
b 12M B3
坝内应力计算
2）剪应力τ
利用平衡方程，经积分并利用边界条件 可以得出
（一）洪水标准（p48 表1-11） 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： ①闸门承受的水头较小，孔口尺寸可以较大。 ②闸门全开时，下泄流量与堰顶水头H03/2成正比，超
泄能力强。 ③闸门在顶部，操作方便，易于维修，安全可靠。 ④能排水及其他漂浮物。
地震作用
地震作用是一种发生概率极小的荷载，由于在动荷载作用 下材料强度有所提高，所以，在抗震计算中，混凝土坝的动 态抗压强度和动态弹性模量的标准值可较其静态标准值提高 30％，动态抗拉强度的标准值可取为动态抗压强度标准值的 8％，故容许拉、压应力也可作相应的提高。
应力控制标准
1. 坝基面的正应力
（1）运用期：
应力控制标准
2. 坝体应力
（1）运用期 ❖ 坝体上游面的最小主应力要考虑两
种控制标准：
➢ 在作用力中计入扬压力时，要求б≥0，即б 为压应力；
➢当作用力中不计入扬压力时，要求б ≥0.25h 。
❖ 坝体下游面的最大主压应力，不得 大于混凝土的容许压应力。
应力控制标准
2. 坝体应力 （2）施工期
坝内主压应力不得大于混 凝土的容许压应力，在坝的下游面可 以有不大于O.2MPa的主拉应力。
坝段长度）
缺点
呢？
• 组成：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
xn KH d(n1)y
• 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3—6m水柱高。
得上、下游边缘的水平正
应力бxu和бxd 。
x upuun
x dpddm
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边缘应力计算（续）
4）主应力(principal stress)：
由上下游坝面微分体的平衡条件ΣFy=0， 可解出 ：
1 dy dm d (1 m 2 )y dm 2 p d
1 uy unu (1 n 2 )y un 2p u
材料力学法（续）
2. 荷 载 与 应 力 的 正 方 向 规 定 (Sign
convention diagram: forces,moments and shears):
y 水平力
重 力矩 力 方 向
顺河向
垂 直 力
x
荷应载力正正方方向向的的规规定定
如图所示，水如平果 力一以个逆面河的向外为法正线， 垂方直向力平以行沿于着坐重标 力轴放，心则为该正面。上正 应力规定为逆坐 标轴方向，剪应 力规定为顺坐标 轴方向。
优优点点::面流消能不需设护 坦坦和和其其他他加加固固措措施施。。 缺缺点点::高速水流在表面、 伴伴有有强强烈烈的的波波浪浪、、绵绵延延数数 里里，，影影响响电电站站运运行行及及下下游游 通通航航，，易易冲冲刷刷两两岸岸。。
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;孔口高度 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。
水工建筑物
§1.5 重力坝的应力分析
(stress analysis)
概述 应力分析方法
模型实验法（不讲） 理论分析法
➢ 材料力学法 ➢ 弹性力学理论法（不讲） ➢ 有限差分法（不讲） ➢ 有限单元法（不讲）
应力控制标准 各种因素对坝体应力的影响
一、概述
应力分析的目的：
➢检验大坝在施工期和运行期是否满足强度 要求。 ➢为研究解决设计和施工中的某些问题提供 依据。（如：大坝断面的设计、混凝土标号 分区和某些部位的配筋等）
x3.28v2H 1 16 11.8H64
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 （c）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 （b）；对挑流鼻坝超出基本 剖面，且L/h>0.5时，可考虑 在a—a′处设置结构缝与坝体 分开。如图（d）
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-aQ0 Q0——电站和泄水孔下泄流量 a——系数，正常取0.75——0.9 ， 校 核取 1.0