水工建筑物课件

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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。
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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
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;
应力分析(stress analysis)——应力满足坝体与坝 基的强度要求。
构造设计——细部构造:坝顶、廊道、排水、 分缝等。
重力坝的设计内容(续)
地基(foundation)处理——地基的防渗: 排水、断层软弱带处理等。
溢流(overfolw)重力坝和泄水孔的设计— —堰顶高程、孔口尺寸、体形及消能、防 护设计。
➢ 施工详图阶段应由混凝土试验 决定。
back
水压力--静水压力
(Hydrostatic Pressure)
按水力学原理计算,如图:
back
水压力—泄水动水压力
(hydrodynamic pressure)
如图,溢流 堰ab段,一般 有很小正或者 负水压力,bc 段水压力也很 小,都可以忽 略不计,只计 算反弧段cd上 的动水压力。
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:
动冰压力的计算公式
当冰的运动方向垂直或接近垂直于铅直坝面时, 动冰压力值Pbd(Kn)可按下式计算:
PbdKbVbdb Ab
Kb——系数,决定于流冰的抗碎强度Rb值
Kb =4.3,Rb=1MPa; Kb =3.0,Rb=0.5MPa; Kb =2.36,Rb=0.3MPa
Vb——冰块流速,一般不大于0.6m/s;
P l(H 12 h lh 2 0)(H 1p l)H 2 12 破碎波——水闸适用,到时再讲。
波浪水压力计算(续)
当坝面与水平面的交角大于45o时,波 浪的性质与坝面为铅直时的情况相近; 而当交角小于45o时,则应按斜坡上的 波浪计算。
对于中高坝,浪压力在全部荷载中所 占的比重较小,可以忽略不计。美国垦 务局(Bureau of Reclaimation )规定 的重力坝设计准则中就没有风浪荷载。
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。
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。
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
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)
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ห้องสมุดไป่ตู้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:
坝基扬压力(foundation seepage uplift)
无防渗排水(no relief)情况 有防渗排水情况
坝体扬压力(internal seepage uplift)
坝基扬压力-无防渗排水情况
库水经坝基向下渗透时,渗透水流 沿程受到阻力,造成水头损失。如下图 所示,上游坝踵处的扬压力强度为γH1, 下游坝趾处的扬压力强度为γH2,由于 岩基节理裂隙很不规则,难以求出坝体 扬压力的准确分布,故通常假定扬压力 从坝踵到坝趾呈直线变化。
§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。
监测(monitoring)设计——坝体内部和外 部的观测设计。
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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)
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—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。
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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。
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):
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。
H024L l ln2 2[L Lll 2 22 2h hll] 破碎波——坝前水深小于临界水深,
H<H0,波浪发生破碎。
波浪要素的计算
影响波浪的因素较多,主要是吹程和风速。我 国重力坝规范规定用官厅水库公式计算波浪三要素, 适用于山区峡谷水库,库缘地势高峻,水库吹程1~ 13Km,风速1~16m/s的情况。
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)
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)。
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。
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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
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。
根据动量方程,其压力强度为:pqg vr
总水平力为:PH
q
g
vcos2
cos1
总垂直力为:PV qgvsin1sin2
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扬压力(uplift pressure)
混凝土内存在空隙,坝基岩石本身空隙率 很小,但往往存在着节理缝隙,因此,水库蓄后, 在上下游水位差的作用下,库水会经过坝体及坝 基渗向下游,不但造成水头的损失,而且还产生 渗透压力,使坝体的有效重量减少。
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。
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。
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