水工建筑物课件

静冰压力表
比如，-25oC开始以2.5oC/h升温时，静冰 压力为（20～28）×104Pa
冰压力对于重力坝并不重要，而对于低坝、 闸墩、胸墙等结构物，往往成为比较重要的荷 载。
为避免过大的冰压力，可采用防冰、破冰 措施。
冰压力—动冰压力
冰块破碎后，受风或者流水 的作用而漂移，撞击在坝面或闸 墩上时，产生冲击压力，称为动 冰压力。
g2(45 on)
2
back
浪压力
(hydrodynamic wave pressure)
水库水面在风吹下生成波浪，并对 坝面产生浪压力。如图所示：
波浪三要素
波高2hl —从波峰到波谷的高差 波长2Ll —从波峰到波峰的距离 波浪中心线高度h0—波浪中心线距静水面的高度
水面波的分类
根据坝前水深与波长的关系可以分为以下三类：
上的113座混凝土坝中，重力坝达58座，占总 数的51％
50年代: 新安江 、古田一级 60年代: 丹江口、 刘家峡、三门峡 70年代: 黄龙滩、龚嘴重力坝 80年代: 乌江渡、潘家口 90年代: 万家寨、三峡
重力坝设计规范(Design Criteria)
1、中华人民共和国水利电力部，《混凝土重 力坝设计规范》（SDJ21-78), 1978年；
back
冰压力--静冰压力
(static ice pressure)
寒冷地区，水库表面在冬季会结成冰 盖，当气温回升时，冰盖发生膨胀，因而对 挡水建筑物表面产生压力，称为静冰压力。
静冰压力值与冰盖厚度、长度、气温 上升率以及开始升温时冰盖的温度等有关。 目前，尚无合理的公式用来计算静冰压力， 一般参照下表采用。
18
重力坝的荷载
（挡水坝段的主要荷载）
Seismic load
重力坝的荷载
➢坝体及其上永久设备的自重 ➢上下游面上的静水压力 ➢溢流坝反弧段上的动水压力 ➢扬压力 ➢泥沙压力 ➢浪压力 ➢冰压力 ➢地震荷载 ➢温度荷载
坝体及其上永久设备的自重
(Self-weight)
➢ 混凝土的容重，在初设可采用 2.35～2.4 T/m3（23.5～24 KN/m3）。
20.2~0.4
不考虑 1 ，以直线代替 即可。
坝体扬压力
上游为 h
下游为零（无 下游水头时），
3＝ 0.1～ 50.3
back
泥沙压力(sediment pressure)
淤沙的容重和内摩擦角随时间而变化，
且各层不同，准确计算泥沙压力比较困难，
只能参照经验数据，按土压力公式计算。
pn
nhnt
1962年瑞士建成了世界上最高的大狄克桑斯重力 坝，坝高达284m
从20世纪60年代开始，由于土石坝建设的迅速发 展，使重力坝在坝工建设中所占的比重有所下降。
进入20世纪80年代，碾压混凝土技术开始运用于 重力坝建设，使重力坝所占比重又有所回升。
重力坝的建设情况(续3)
• 我国的发展 从1949～1985年，在已建成的坝高30m以
坝工设计理论是在筑坝实践中不断发 展起来的:
➢1853年到1890年
法国工程师提出了坝体应力分析的材料 力学方法和弹性理论方法。
➢19世纪末期
认为作用于坝体的扬压力对坝体有不利 影响，便在靠近上游面的坝体内设置排水管幕 ，以消减扬压力 。
重力坝的建设情况(续2)
➢ 20世纪的发展:
进入20世纪后，筑坝材料由浆砌毛石、块石发 展到混凝土
矩形ABCD部分 是下游水深H2形成 的上举力，称为浮 托力；三角形CDE 部分是由上下游水 位差形成的渗透水 流产生的上举力， 称为渗透压力。坝 底的扬压力则是两 者之和。
当下游无水时， 扬压力＝渗透压力。
有防渗排水情况
1 0.45 ~ 0.6 2 0.2 ~ 0.4
其中大值适用于岸坡坝段 （因绕流）。修订规范建 议只采用:
重力坝的特点—缺点
剖面尺寸大，材料用量多。因为稳定靠 重力。
中低型重力坝的应力较低，混凝土材料 的强度不能充分发挥。
坝体与地基的接触面大，扬压力大，对 稳定不利。
坝体体积大，温度应力严重，需采取温 控措施。
返回
三、重力坝的设计内容
剖面(profile)设计—— 先设后计、确定断面。 稳定(sliding stability)分析——坝、基面、地基 中软弱面抗滑稳定。
水工建筑物(1)
第二讲 主讲教授： 李庆斌
2003年春
第二章 重力坝
Chapter 2 Concrete Gravity Dams
❖ 重力坝的荷载及其组合 ❖ 重力坝的断面设计 ❖ 重力坝的抗滑稳定分析 ❖ 重力坝的应力分析 ❖ 重力坝的材料、分区、分缝及构造 ❖ 重力坝的基础处理 ❖ 泄水重力坝 ❖ 其它型式重力坝
2hl＝0.0166V1.25D0.33 —— 单位：m 2Ll＝10.4（2hl）0.8 —— 单位：m 式中，V——计算风速，m/s
D——吹程，Km，通常为在库水面高程，沿着 风向，从坝到对岸的最大直线距离。当库面特 别狭窄时，则不超过水面平均宽度的5倍。
波浪要素的计算(续)
关于风速：
对于正常蓄水位和设计洪水时，采取相应 洪水期多年平均最大风速的1.5～2.0倍；对于校 核水位，采用相应洪水期多年平均最大风速。
监测(monitoring)设计——坝体内部和外 部的观测设计。
返回
四、重力坝的建设情况
➢ 历史上最早的重力坝—公元前 2900年古埃及在尼罗河上建造的 一座高15m、顶长240m的挡水坝
➢ 19世纪以前建造的重力坝，基本 上都采用浆砌毛石，19世纪后期 才逐渐采用混凝土
重力坝的建设情况(续1)
h0
4
h
2 l
2 Ll
×（与水深有关的函数）
波浪水压力计算
深水波情况
如图所示，H>Ll，分布见图，用下式 计算
Pi (Ll h2 02hl)L 22 l （两个三角形面积差 ）
波浪水压力计算(续)
浅水波情况，如图所示，H0<H<Ll 。
坝基面的浪压力剩余强度pl为 ：
pl
2hl
sechH1
Ll
则总压力为（两个三角形面积差）：
§2.1 重力坝的特点
重力坝的工作原理 重力坝的特点 重力坝的设计内容 重力坝的建设概况
一、重力坝的工作原理
重 力 坝 是 用 浆 砌 石 (grouted rubble)或者混凝土(concrete)材料建 筑而成的挡水建筑物，其剖面一般 做成上游面近于垂直的三角形断面， 主要依靠坝体的重量，在坝体和地 基的接触面产生抗剪强度或者摩擦 力，来抵抗水库的水平推力，以达 到稳定的要求；同时，也依靠坝体 的自重产生的压应力，来抵消由于 水压力所引起的坝体上游侧的拉应 力，以满足坝身强度的要求。
上也能够修建高度不大的重力坝。
枢纽泄洪(flood-releasing)问题容易 解决。重力坝可以做成溢流，坝内不同
高度的泄水孔，不需另设溢洪洞或泄水隧 洞。
重力坝的特点—优点（续）
便于施工导流(construction diversion)。 在施工期可以利用坝体导流，不需另 设导流洞 。
安全可靠。剖面大且应力低，筑坝 材料强度高、耐久性好，抵抗洪水漫 顶、渗漏、地震和战争破坏的能力都 比较强。根据统计，在各种坝型中， 重力坝的失事率是较低的。
2、中华人民共和国水利电力部，《混凝土重 力坝设计规范SDJ21-78的补充规定》, （84）水电水规字第131号，1984年；
3、中华人民共和国国家经济贸易委员会，电 力行业标准《混凝土重力坝设计规范》 （DL5108-1999), 1999年。
本节完
§2.2 荷载及其组合
重力坝的荷载(Loads) 荷载组合(Load Combination)
地震烈度
(earthquake intensity)
地震荷载的大小，主要决定于建筑物所在 地区的地震烈度。一般用最大加速度来作为地 震烈度标准，烈度指标用地震系数K 来表示， K是地面最大加速度和重力加速度的比值。
基本烈度——在一定期限内一个地区 可能普遍遭遇的最大烈度
设计烈度——设计时用的烈度，一般 为基本烈度。对于特别重要的挡水建筑 物，失事后果严重时，可将基本烈度提 高1度。
重力坝的特点—优点（续）
施工方便。大体积混凝土，可采用机械化施 工，放样、立模、浇筑都比较方便，补强、维 护和扩建也比较方便。
结构作用明确。重力坝沿坝沿坝轴线用横缝 分成若干坝段，各坝段独立工作，结构作用明 确，稳定和应力计算都比较简单。
可采用块石筑坝。用浆砌石本身做材料筑坝， 也可在混凝土加入块石，以节省水泥。
世界上最高的重力坝
世界上最高的重力坝是1962年瑞士的大狄 克桑斯(The Grande Dixence)重力坝，高284m。
返回
二、重力坝的特点--优点
对地形(topography)、地质(Geology) 条件的适应性强。任何形状的河谷都可
以修建重力坝，中低坝的地应力不高，对
地质条件要求较拱坝低，甚至沙砾石地基
db——冰块厚度（m）；
Ab——冰块面积（m2）
back
地震荷载(seismic load)
在震区建坝，必须考虑地震荷载。
地震荷载主要包括：
建筑物质量引起的地震惯性力 (seismic inertia force)
地震动水压力(hydrodynamic inertia pressure)
动土压力 (soil dynamic pressure)
深水波——坝前水深大于半波长，H>Ll，波长
运动不受库底约束。
浅水波——坝前水深小于半波长而大于临界水
深H0，即Ll>H>H0，这时波浪运动受库底影响。