水工建筑物重力坝Word格式文档下载.docx
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重力坝应力分析的目的、过程与方法：
目的：
检验大坝在施工期与运用期是否满足强度要求；
同时也是为了解决设计与施工中的某些问题。
如为混凝土标号分区和某些部位的配筋等提供依据。
过程：
A、先进行荷载计算和荷载组合；
B、选择适当的方法进行应力计算；
C、检验坝体各部位的应力是否满足强度要求。
方法：
A、应力模拟试验法；
B、材料力学法；
C、弹性理论解析法；
D、弹性理论差分法；
E、弹性理论有限元法。
目前常用的试验方法有光测方法和脆性材料电测方法。
光测方法有偏光弹性试验和激光全息试验，主要解决弹性应力分析问题。
脆性材料电测方法除能进行弹性应力分析外，还能进行破坏试验。
近年来发展起来的地质力学模型试验方法，可以进行复杂地基的试验。
此外，利用模型试验还可进行坝体温度场和动力分析等方面的研究。
有限元法是20世纪50年代中期随着电子计算机的出现而产生的一种计算方法。
可以处理复杂的边界，包括：
几何形状、材料特性和静力条件。
60年代以后，经数学工作者的努力，其应用从求解应力场扩大到求解磁场、温度场和渗流场等。
能解决弹性问题、塑性问题；
能解决静力问题、动力问题；
能计算单一结构、复杂的组合结构，是一种综合能力很强的计算方法。
差分法在力学模型上是严格的，在数学解法上采用差分格式，是近似的。
由于差分法要求方形网格，对复杂边界的适应性差，所以在应用上远不如有限元法普遍。
这种方法在力学模型和数学解法上都是严格的，但目前只有少数边界条件简单的典型结构才有解答，所以在工程设计中较少采用。
通过对典型构件的计算，是可以检验其它方法的精确性。
二、用材料力学法推导重力坝的应力计算公式
（一）材料力学法的假定
1）坝体混凝土为均质、连续、各向同性的弹性材料。
2）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，横缝不传力。
3）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。
进行边缘应力计算的原因：
一般情况下，坝体的最大和最小应力都出现在坝面，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。
（二）边缘应力计算
１．水平截面上的正应力σyu，σyd
∑W--作用于计算截面上全部荷载的垂直分离的总和,KN.
∑M--作用于计算截面上全部荷载对截面垂直水流流向形心距的力矩总和,KN-m;
B----计算截面的长度
２．剪应力
３．水平正应力σxu，σxd
４．主应力
（三）内部应力
微分体平衡方程
（1）．坝内水平截面上的正应力σy．假定σｙ在水平截面上按直线分布即
坐标原点取在下游坝面,由偏心受压公式可以得出系数a,b.
（2）．坝内剪应力．利用边界条件可得出
（3）．坝内水平正应力σｘ．利用边界条件可得出
对中小型工程可近似假定
上式中的系数可利用平衡方程及边界条件直接求得
三、重力坝的基本剖面
重力坝的基本剖面是指坝体自重、静水压力（水位与坝顶齐并平）和扬压力三项主要荷载作用下，满足稳定和强度要求，并使工程量最小的三角形剖面.
非溢流重力坝的实用剖面
上游坝面铅直:
适用于混凝土与基岩接触面间的f、c值较大或坝体内设有泄水孔或引水管道，有进口控制设备的情况
上游坝面上部铅直,下部倾斜:
既便于布既便于布置进口控制设备,又可利用一部分水重帮助坝体维持稳定.置进口控制设备,又可利用一部分水重帮助坝体维持稳定.
上游坝面略向上游倾斜:
适用于混凝土与基岩面间的f、c值较低的情
四、重力坝失稳破坏的机理
首先（坝踵处基岩）和（胶面）出现局部区域的剪切屈服范围逐渐增大并向（上游）延伸，最后形成滑动通道，导致大坝的整体失稳.
1．抗剪强度公式
当接触面呈水平时，其抗滑稳定安全系数K:
K1=f（∑W-U）/P
当接触面倾向上游时，其抗滑稳定安全系数K:
2．抗剪断公式
利用此公式时，认为坝体混凝土与岩基接触良好，直接材用抗剪断参数f`和C`计算抗滑
稳定安全系数。
此处f`为抗剪断摩擦系数，C`为抗剪断凝聚力。
3．深层抗滑稳定
深层滑移━当坝基内存在不利的缓倾角软弱结构面时，在水荷载的作用下，坝体连同部分岩基沿软弱结构面产生滑移。
地基深层滑动情况十分复杂，失稳机理和计算方法还在探索中。
设计时，首先查明地基中的主要缺陷，确定失稳边界，测定失稳边界面上的抗剪强度参数；
其次是选择合理的计算方法并规定相应的安全系数法；
最后：
选择提高深层抗滑稳定性措施，满足安全要求。
一）单斜面深层抗滑稳定计算：
如图将软弱面以上的坝体和地基视作刚体，按下式计算：
双斜面深层抗滑稳定计算：
很多实际工程中地基内往往存在多条相互切割交错的断层或软弱夹层，构成复杂的滑动面。
在作深层抗滑稳定分析时，应验算几个可能的滑动通道，从中找出最不利的滑动面组合，进而计算其抗滑稳定安全系数。
1）如图所示：
剩余推力法:
先令左边极限平衡,AB面的抗滑稳定安全系数为1；
得:
Pcosα+W1sinα=f1[W1cosα-Psinα-Rsin（Ψ-α）-U1]+c1A+Rcos（Ψ-α）
由此式解出R，将R加在右边求得右边抗滑稳定系数K2．
二）被动抗力法：
与剩余推力法相反，先令②区处于极限平衡状态（抗滑稳定安全系数为1）,求得抗力R:
再计算①区沿AB面的抗滑稳定安全系数K1，作为整个坝段的抗滑稳定安全系数。
三）等安全系数法：
令①区和②区同时处于极限平衡状态分别列出两个区抗滑稳定安全系数K1、K2的计算式，然后令K1=K2，解出抗力R，再将其代回原式，即求得整个滑移体的抗滑稳定安全系数。
整体深层抗滑稳定计算．
整体深层抗滑稳定计算：
令O点为瞬时滑动中心，受力如图，则所有外荷载对O点的力矩M0为：
M0=Fd=Q1r1+Q2r2
滑动面上所能拱的最大抗滑力矩：
最大抗滑力矩M1与滑动力矩M0之比，得出整体深层抗滑稳定的安全系数K：
4.岸坡坝段的抗滑稳定分析：
当靠近两岸岸坡坝段的坝基面是倾向河床的斜面或折面时，该坝段在上游水压力及坝体自重作用下，有向下游及河床滑动的趋势，在三向荷载作用下，使其抗滑稳定性不如河床坝段。
如图：
是靠近岸坡的一个坝段设岸坡倾角为θ，坝块总重为W，坝基面上的扬压力为U，上游坝面水压力为P，坝基面的抗剪强度参数为f′或f′和c′，滑动面面积为A。
将自重分解为对滑动面的法向分力N=Wcosθ和切向分力T=sinθ，并将切向分力和水压力合成为S，则岸坡坝段的抗滑稳定安全系数为：
5.提高坝体抗滑稳定系数的工程措施：
（1）利用水重：
当坝底面与基岩间的抗剪强度参数较小时，将坝的上游面做成倾向上游，利用水重来提高坝的抗滑稳定性。
但上游面的坡度不宜过缓，否则上游坝面容易产生拉应力，对强度不利。
（2）采用有利的开挖轮廓线图
开挖坝基时，利用岩面的自然坡度，使坝基面倾向上游。
将坝踵高程降低，使坝基面倾向上游，但这将加大上游水压力，增加开挖量和混凝土浇筑量
当基岩比较坚固时，可开挖成锯齿状，形成局部的倾向上游的斜面，但能否开挖成锯齿状，取决于基岩节理裂隙的构造
（3）当基岩内有倾向下游的软弱面时，可在坝踵部位设齿墙，切断较浅的软弱面，迫使可能滑动面由abc成为a′b′c′，这样既增大了滑动体的重量，同时也增大了抗滑体的抗力
（4）当下游水位较高，坝体承受的浮托力较大时，可考虑在坝基面设置排水系统，定时抽水以减少坝底浮托力．
（5）帷幕灌浆、固结灌浆以及断层、软弱夹层的处理等将部分坝段或整个坝体的横缝进局部或全部灌浆，以增强坝的整体性和稳定性。
（6）在靠近坝体上游面，采用深孔锚固高强度钢索，并施加预应力措施，既增加坝体的抗滑稳定，又可消除坝踵处的拉应力。
二、在坝趾处采用施加预应力的措施，改变合力R的方向，合∑V/∑H增大，从而提高了坝体的抗滑稳定性。
五、重力坝的渗流分析
（一）．稳定渗流场的计算
符合达西定律的平面问题稳定渗流基本方程为:
式中H-势头函数
x,y-坐标系
Kx,Ky-沿x,y轴方向的渗透系数
势头函数还应该满足一定的边界条件，如下图
第一边界B（势头值已知）,如上,下游的入渗面,出渗面即下游自由渗出段,启示透视已知的.
H=HB
第二类边界C（已知流量边界条件）,入渗流稳定的浸润面和不渗水边界,没有流量流入,和流出.
由此二边界条件,可解出势头函数H根据变分原理,可得
用有限元法求解势头函数H
有限元法是用有限个单元的集合体替代连续的渗流场,以三角形单元威力,假定单元内势头函数H为线性函数.
设三角形单元三个节点的势头值分别为Hi,Hj,Hm,式中的三个常数可用三个节点i,j,的坐标及其相应的势头值Hi,Hj,Hm表示,于是,势头函数
单元内势头函数Ｈ的导数
求单元泛函的H的导数
离散化为ｍ各单元的渗流场，其泛函数J为各个单元泛函J之和
对所有单元的泛函数求得微分后迭加，使其等于０（求极小值），可得到泛函对节点势头的微分方程组．
写成矩阵形式，的稳定渗流的有限元计算公式为
[K]{H}={F}
求解上述总体方程组,即可得出各个节点的势头值.
渗流体积力的计算
渗流在稳定渗流场各点产生的渗透压力,就像结构物的自重,地震惯性力一样,也是一种体积力.当一求出渗流场各点的势头值后,在H中减去该点的纵坐标y在乘以水的容重r,即可求出各点的渗透压力p.
对三角形单元,设三个节点上的渗透压力分别为Pi,Pj,Pm,则渗透压力的分力分量为:
将此合力三等分后,移至到三个节点上,即可得到作用于每个节点上的渗流体积力为:
六、温度变化曲线
水利工程中，由于大量使用水泥，所以水化问题一直是大家所关注的。
如果每立方米混凝土中有200kg水泥，则一百万方混凝土因水泥水化热所产生的热量相当于燃烧2000吨煤所释放的能量。
坝体的温度变化过程可分为三个阶段。
第一阶段为上升期。
主要温升发生在3--7天内，水化热温升的值一般为15--25度，最高可达36度。
第二阶段为降温期。
达到最高温度以后，温度开始回降。
接近坝体表面由于散热快，该部位温度较早达到稳定温度。
而内部由于散热慢，需较长时间达到稳定温度。
第三阶段为稳定期。
靠近坝体表面的温度随外界温度变化而波动，坝体内部一般接近坝址的年平均气温。
温度裂缝
当坝体内某部位的拉应力超过混凝土的抗拉强度时，就会出现裂缝。
重力坝的裂缝多是由于温度应力而引起的。
裂缝可分为：
贯穿性裂缝和表面裂缝两类。
其中贯穿性裂缝又分为横向、纵向和水平向三个方向的裂缝。
表面裂缝对大坝的影响不大。
各种裂缝图示
横向贯穿性裂缝会导致漏水和渗透侵蚀破坏。
纵向贯穿性裂缝会降低坝体的整体性能。
水平向贯穿性裂缝会降低大坝的抗剪强度。
1--横向贯穿性裂缝2--纵向贯穿性裂缝3--水平贯穿性裂缝4--坝表面裂缝
为防止大坝裂缝，除适当分缝、分块和提高混凝土质量外，还应对进行温度控制。
七、重力坝剖面设计原则：
１）满足稳定和强度要求，以保证大坝安全；
２）工程量要尽可能小；
３）运用方便，便于施工。
1.重力坝的基本剖面
指重力坝在坝体自重、静水压力和扬压力三项主要荷载作用下，满足稳定
和强度的要求，并使工程量最小的三角形剖面。
如图所示，在已知坝高Ｈ、水压力Ｐ、抗剪强度参数f,c和扬压力U的条件下,根据抗滑稳定和强度要求,可以求得工程量最小的三角形剖面尺寸
对于完整、坚硬的岩基，f,c值较大，剖面尺寸主要由上游不出现拉应力的条件控制，上游坝坡较陡，甚至可做成倒角（n<
0）,但倒角对施工不利，且在库空时，坝址库空时，坝址易出现拉应力。
反之，对于完整性较差、较软弱的岩基，f,c值较小，需要将上游坝坡放缓，以便借助上的水重帮助坝体维持稳定，但当n太大时，在满库情况下，合力可能超过底边三分点，坝踵易出现拉应力。
根据工程经验，一般情况下，上游坝坡坡率n=0--0.2,常做成铅直或上部铅直下部倾向上游的；
下游坝坡坡率m=0.6--0.8；
底宽约为坝高的0.7--0.9倍。
2.重力坝的实用剖面
根据交通和运行管理的需要，坝顶应有足够的宽度。
为防波浪漫过坝顶，在静水位以上还应留有一定的超高。
１）坝顶宽度。
一般取坝高的8％～10％,且不小于２m。
当在坝顶布置移动式启闭机时，坝顶宽度要满足安装门机轨道的要求。
２）坝顶高程。
即坝顶高于静水位的超高值＋洪水位，取设计和校核两者的最大值。
八、重力坝消能防冲设计原则
由于溢流坝下泄的水流具有很大的动能，常高达几百万甚至几千万kw，如潘家口和丹江口坝的最大泄洪功率均接近3000万kw。
如此巨大的能量，若不妥善进行处理，势必导致下游河床被严重冲刷，甚至造成岸坡坍塌和大坝失事。
消能的工作原理是将急流变成缓流。
消能工消能是通过局部水力现象，把一部分水流的动能转换成热能，随水流散去。
实现这种能量转换的途径有：
水流内部的紊动、掺混、剪切、及旋滚；
水股的扩散及水股之间的碰撞；
水流与固体边界的剧烈摩擦和撞击；
水流与周围气体的摩擦和掺混等。
消能形式的选择，要根据枢纽布置、地形、地质、水文、施工和运行条件确定。
消能工的设计原则是：
１）尽量将下泄水流的大部分动能消耗在水流内部的紊动中，以及水流与空气的摩擦上（２）不产生危及坝体安全的河床和岸坡的局部的冲刷（３）下泄水流平稳，不影响枢纽中其他建筑物的正常运行（４）结构简单，工作可靠（５）工程量小。
常见的消能工形式有：
挑流消能、底流消能、面流消能和消力戽消能等。
其中，挑流消能方式应用最广，底流消能方式次之，而戽流和面流消能方式一般应用较少。
1．挑流消能
１）挑流消能的特点：
挑流消能是利用泄水建筑物出口处的挑流鼻坎，将下泄的急流抛向空中，然后落入离建筑物较远的河床，与下游水流相衔接的消能方式。
能量耗散大致分三部分：
急流沿固体边界的摩擦消能；
射流在空中与空气摩擦、掺气、扩散消能；
射流落入下游尾水中淹没紊动扩散消能。
挑流消能通过鼻坎可以有效地控制射流落入下游河床的位置、范围和流量分布，对尾水变幅适应性强，结构简单，施工、维修方便，耗资省。
但其下游冲刷较严重，堆积物较多，尾水波动与雾化都较大。
挑流消能适用于基岩比较坚固的中、高水头各类泄水建筑物，是应用非常广泛的一种消能工。
２）挑坎体形:
主要有连续坎、扩散坎、差动坎、斜挑坎、扭曲坎、高低坎、窄缝坎、分流墩和宽尾墩等。
2．底流消能
１）底流消能的特点及措施。
底流消能是通过水跃，将泄水建筑物泄出的急流转变为缓流，以消除多余动能的消能方式。
消能主要靠水跃产生的表面旋滚与底部主流间的强烈紊动、剪切和掺混作用。
底流消能具有流态稳定、消能效果较好，对地质条件和尾水变幅适应性较强以及水流雾化很小等优点，可适应高、中、低水头。
但护坦较长，土石方开挖量和混凝土方量较大，工程造价较高。
根据尾水深度小于、等于或大于水跃跃后水深，下泄水流将出现远驱、临界和淹没水跃三种衔接流态。
在工程中，要设计成能产生具有一定淹没度的水跃，此时水跃消能的可靠性大，流态稳定；
但淹没度不能过大，否则将使消能效率降低，护坦长度加长。
临界水跃消能效果最好，但流态不稳定，有时会产生远驱水跃，河床需要保护的范围反而加长，应设法避免。
实际工程中，常采用以下三种措施：
（１）在护坦末端设置消力坎，在坎前形成消力池；
（２）降低护坦高程形成消力池；
（３）既降低护坦高程，又建造消力坎形成综合消力池。
２）护坦构造。
护坦用来保护河床免受高速水流的冲刷。
对底流消能，护坦长度应延伸至水跃跃尾；
对其他形式的消能工，当可能产生临近坝址的冲刷时，也需在坝址下游设置护坦。
护坦厚度应满足稳定的要求，即在扬压力和脉动压力等荷载作用下不被浮起。
当护坦上的水流流速很高时，应采用抗蚀耐磨混凝土，以防止空蚀及磨损破坏。
需要强调指出的是：
在护坦分块之间必须做好止水。
经研究认为，护坦分块在高速水流作用下所产生的振动位移，与混凝土护坦上及分块间缝中的脉动压力有关。
缝中的脉动压力随溢流坝工作时间增长而加大，混凝土块的振动逐渐加剧，引起“混凝土块－地基”连接面的疲劳破坏，造成了护坦混凝土块的振动加大而失稳。
实践证明，缝间无止水设施的护坦是不能持久的，必须加强各分块之间的机械联系和止水设施，阻止脉动压力穿透分块之间的缝隙，以保证护坦运行的安全。
3．面流消能
面流消能是利用鼻坎将主流挑至水面，在主流下面形成水滚，旋滚流速较低，而且系沿河床流向坝址，河床一般不需加固。
但需注意防止水滚裹夹石块，磨蚀坝脚地基。
面流消能适用于下游尾水较深，流量变化范围较小，水位变幅不大，或有排冰、漂木要求的情况。
我国富春江、西津、龚嘴等工程都采用这种消能形式。
面流消能虽不需要做护坦，但因为高速水流在表面，并伴随着强烈的波动，使下游在很长的距离内（有的可绵延数里）水流不够平稳，可能影响电站的运行和下游的航运，而且易冲刷两岸，因此也须采取一定的防护措施。
4．消力戽消能
消力戽的挑流鼻坎潜没在在水下，形不成自由水舌，水流在戽内产生旋滚，经鼻坎将高速水流挑至表面，其流态如动画所示，戽内的旋滚可以消耗大量的能量，因高速水流在表面，也减轻了对河床的冲刷。
消力戽适用于尾水较深（大于跃后水深）且变幅较小，无航运要求且下游河床和两岸抗冲能力的情况。
高速水流在表面，不需做护坦，但水面波动教大，其缺点与面流消能工相同。
消力戽设计的主要内容是：
确定反弧半径、戽坦高度和挑射角度。
要求做到：
既要防止在下游水位过低时出现自由挑流，造成严重冲刷，也要避免下游水位过高，淹没度太大时，急流潜入河底淘刷坝脚。
后一种情况可能更为不利。
消力戽的优点是：
工程量较消力池小，冲刷坑比挑流式的浅，不存在雾化问题。
消力戽的缺点是：
下游水面波动大，绵延范围长，易冲刷岸坡，对航运不利，底部旋滚将泥沙带入戽内时，摩损戽面，增加了维修费用。
九、重力坝的材料和构造
（一）混凝土的性能
重力坝的建筑材料主要是混凝土，中、小型工程有的也用浆砌石（参见本第十四节），对水工混凝土，除强度外，还应按其所处部位和工作条件，在抗渗、抗冻、抗冲刷、抗侵蚀、低热、抗裂等性能方面提出不同的要求。
（1）混凝土的强度标号。
按抗压强度标号，水工混凝土分为：
R75、R100、R200、R300及R400等数种，其中，常用的是R100、R150、R200和R250四种。
R75只能在某些不重要的、应力很小的部位或仅作回填及压重用。
高于R300的混凝土应尽量少用，或用仅在局部范围。
混凝土强度随龄期增长，因此，在选用设计标号规定设计龄期。
坝体混凝土的抗压设计龄期一般可取90d，对施工期较长的高、中坝，可以考虑采用更长的龄期强度如180d。
（2）抗渗性。
通常用抗渗樯号赤表示。
坝体混凝土的抗渗标号，可根据建筑物承受的水头、渗透坡降、下游排水条件以及水质情况等因素参照表3-15选定。
（3）抗冻性。
系指混凝土在饱和状态下，经过多次冻融循环而不破坏，也不严重降低强度的性能，通常以抗冻标号表示。
水工建筑物的抗冻标号可根据建筑物所在地区的气候条件、建筑物的结构类别和工作条件等因素参照表3-16选定。
（4）抗冲刷性。
是指抗高速水流或挟沙水流冲刷、磨损的性能。
目前，对抗冲刷性能要求尚未制订明确的技术标准。
根据经验，使用高标号硅酸盐水泥或硅酸盐大坝水泥和由质地坚硬的骨料拌制成的高标号混凝土，其抗冲刷能力较强。
一般情况下，抗冲刷混凝土的抗压强度应不低于R200。
对抗冲刷要求较高的混凝土，其强度应不于R300。
（5）抗侵蚀性。
是指混凝土抵抗环境水侵蚀的性能。
当环境水具有侵蚀性时，就选用适宜的水泥及骨料。
（6）抗裂性。
为防止大体积混凝土结构产生温度裂缝，除合理分缝、分块和采取必要的温控措施外，还应选用发热量较低的水泥，减少水泥用量和提高混凝土的抗裂性能。
对高坝，近坝基部位28d龄期的混凝土标号，不宜低于R150~R200；
（相应极限拉伸值为0.75*10~0.85*10），坝体内部90D龄期的混凝土标号不应低于R100；
对中、低坝，上述各部位的混凝土标号及极限拉伸值，可适当降低，但标号不得低
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