水工重力坝工作原理.docx

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水工重力坝工作原理

水利枢纽:

由几种不同类型与功能的水工建筑物聚合一起组成的建筑物群，以控制水流并便于协调运行与管理

水工建筑物:

凡实现某一水利、水电功能为防洪、发电、灌溉、的建筑物，如控制水位，调节水流，兴利除害。

水工建筑物分类：

（按功能分）挡水、泄水、输水、取水、整治、专门性不工建筑物

水工建筑物的特点：

1、工作条件复杂；2、受自然条件制约，施工难度大；3、效益大，对环境影响大；4、失事后果严重。

水利枢纽及水工建筑物等级划分：

水利枢纽主要依据：

①工程规模；②效益；③重要性。

共分五等；水工建筑物依据所属工程类别及其在工程中的作用和重要性分级：

共五级。

水利技术工作：

勘测、规划、工程设计、工程施工、工程管理、科技开发。

抗震设计的基本要求：

能抗御设计烈度的地震，如有轻微损坏，经一般处理扔可正常运用。

重力坝的工作原理：

①依靠坝体自重在坝基面上产生摩阻力来抵抗水平水压力以达到稳定要求：

②利用坝体自重在水平截面上产生的压应力来抵消由于水压力引起的拉应力以满足强度要求。

重力坝与其他坝型相比具有的显著特点表现在：

1.材料抗冲能力强，施工期可用坝体缺口或底孔导流；2.结构简单，施工技术易掌握，便于机械化施工；3.对地形地质条件适应性好，几乎任何形状的河谷均可修建；4.坝体与地基接触面大，受扬压力的影响也大；5.材料强度不能充分发挥；6.坝体体积大，水泥用量多，混凝土凝固时水化热高，散热条件差，施工期应有严格的温度控制和散热措施。

重力坝的类型：

1、实体重力坝2、宽缝重力坝3、空腹重力坝

重力坝主要荷载：

①自重；②上、下游坝面水压力；③扬压力；④浪压力；⑤泥沙压力；⑥地震荷载；⑦冰压力；⑧土压力；⑨风压力；⑩温度作用等。

坝体自重–––维持大坝稳定的主要荷载

坡面上的水压力

1、静水压力：

水平水压力＋垂直水压力2、动水压力：

溢流坝段溢流，反弧段动水压力

扬压力（下游水深产生上浮力；上下游水差的渗透压力）

1、坝基面的扬压力①无防渗排水措施②有防渗帷幕和排水α–扬压力折减系数

2、坝体内部扬压力分下游水位以上、以下两种情况：

1）下游水位以上2）下游水位以下

浪压力：

三要素波长、波高、雍高

地震作用:

地震惯性力；地震动水压力；地震冻土压力

双斜面深层滑移稳定计算方法（重点）：

剩余推力法；被动抗力法；等安全系数法

重力坝稳定分析的主要目的：

验算重力坝在各种可能荷载组合下的稳定安全度。

基岩上重力坝失稳的类型：

（a）坝体沿抗剪能力不足的薄弱层面产生滑动，包括沿基岩接触面的滑动以及沿坝基岩体内连续软弱结构面产生的深层滑动；

（b）在荷载作用下，上游坝踵以下岩体受拉产生倾斜裂缝以及下游坝趾岩体受压发生压碎区而引起倾倒滑移破坏。

提高抗滑稳定性的工程措施①利用水重，上游面倾向上游（上游面不宜过缓，容易产生拉应力）；②采用有利的开挖轮廓线，开挖斜向上游；③设置齿墙；④抽排水措施；⑤预应力锚固措施；⑥横缝灌浆；⑦加固地基。

重力坝应力分析的目的：

检验大坝在施工期间和运用期是否满足强度要求；根据应力分布情况进行坝体砼标号分区；为研究坝体某些部位应力集中和配筋等提供依据。

分析方法：

理论计算和模型试验两大类。

材料力学法基本假定：

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影响，并认为各坝段之间独立工作，横缝不传力。

假定坝体水平截面上的正应力按直线分布。

概念：

屈服点：

试样在拉伸时，当应力超过弹性极限，即使应力不再增加，而钢材或试样仍继续发生明显的塑性变形，称此现象为屈服，而产生屈服现象时的最小应力值即为屈服点

屈服面:

连接初次屈服应力点构成的面

屈服准则：

判别材料是否进入塑性状态的准则

基本剖面：

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，满足稳定和强度要求，并使工程量最小的三角形剖面。

温度控制措施：

1、降低混凝土的浇筑温度；2、减少混凝土水化热温升；3、加强对混凝土表面的养护和保护

重力坝剖面设计原则：

1、各基本变量均应作随机变量；2、以现行规范规定的计算方法为

基础建立极限状态方程；3、要同时满足抗滑稳定和坝址抗压强度承载力的极限状态，以及坝踵应力约束条件的正常使用极限状态；4、重力坝按其所处的工作状态分为：

持久状况、短暂状况和偶然状况。

抗震措施：

1、做好地基；2、确保施工质量；3、设置横缝；4、增大坝顶部的刚度；5、在孔口、廊道附近配钢筋；6、设坝后桥

泄水重力坝泄水方式：

表面溢流、深水溢流式

空口设计因素：

泄洪要求、枢纽布置（泄洪单宽流量）、下游水流条件

空化：

在自然条件下，水体中含有许多很小的气核，当过坝水流中某点的压强降至饱和蒸汽压强时，气核快速膨胀为小空泡的现象

空蚀：

若空泡溃灭发生在靠近过水坝面，局部的冲击力大于材料的内聚力时，可使坝面遭到破坏的现象

水流脉动对水工建筑物的影响：

1、增大作用在建筑物上的瞬时荷载；2、脉动压力变化有一定的周期性；3、增加空蚀破坏的可能性

重力坝消能形式及适用条件

挑流消能：

利用泄水建筑物出口处的挑流鼻坎，将下泄急流抛向空中，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。

适用于基岩比较坚固的高坝或中坝。

底流消能：

通过水跃，将下泄急流转变为缓流，以消除动能的消能方式。

适用于中、低坝或基岩较软弱的河道。

面流消能：

利用鼻坎将主流挑至水面，在主流下面形成反向旋滚，使主流与河床隔开的消能方式。

适用于水头较小的中、低坝，要求下游水位稳定，尾水较深，河道顺直，河床和河岸在一定范围内有较高抗冲能力，可排漂和排冰。

消力戽适用于尾水较深，变幅较小，无航运要求且下游河床和两岸有一定抗冲能力的情况。

联合消能适用于泄洪量大，河床相对狭窄、下游地质条件差的高、中坝或单一消能形式经济合理性差的情况。

改善下游流态措施：

1、尽量使坝的下泻水流与原河床主流的位置和方向一致；2、闸门同时均匀对称开启；3、布置导流墙，使主流充分扩散；4、进行水工模型试验，研究下游流态及改善措施。

重力坝对地基的要求：

①具有足够的强度承受压力；②整体性均匀性抗滑稳定，不均匀沉降小；③抗渗性坝基渗透稳定，渗漏量Q小；④耐久性适应长期浸泡；若不满足，需对基岩进行处理。

重力坝地基处理主要任务：

防渗、提高基岩强度。

固结灌浆的目的：

提高基岩的整体性和强度，降低地基的透水性。

帷幕灌浆的目的：

降低坝底渗透压力，防止坝基内产生机械或化学管涌，减少坝基和绕坝渗透流量。

（注：

帷幕灌浆需在坝体浇筑到一定的高度后进行，以便利用混凝土压重提高灌浆压力）

帷幕灌浆作用减小坝基渗流量；排水孔幕作用是降低扬压力。

混凝土的性能：

强度等级、抗渗性、抗冻性、抗冲刷性、抗侵蚀性、抗裂性

坝体分缝：

按其作用可把缝分为沉降缝、伸缩缝、工作缝；按其位置分为横缝、纵缝及水平缝。

横缝作用：

减小温度应力，适应地基不均匀变形和满足施工要求

纵缝：

为了适应混凝土的浇筑能力和减少施工期的温度应力，常在平行坝轴线方向设纵缝，将一个坝段分为几个坝块，待坝体降到稳定温度后再进行接缝灌浆。

纵缝是平行于坝轴线设置的温度缝和施工缝。

廊道分类：

灌浆、排水、观测、检查、交通廊道

碾压混凝土重力坝是用水泥含量比较低的超干硬性混凝土经碾压而成的混凝土坝。

（特点：

工艺简单；节省胶凝材料；水化热少，简化温控措施；不设纵缝，水管冷却；机械化程度高；降低工程造价）

宽缝重力坝：

将相邻坝段间的横缝部分地拓宽的重力坝。

空腹重力坝：

在实体重力坝坝底沿坝轴线方向设置大尺寸的空腔，即为空腹重力坝。

支墩坝按其过水面板的形式分为：

平板坝、连拱坝和大头坝。

拱坝2010-12-2823:

29:

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拱坝的工作原理与重力坝的不同：

1、拱坝是一种推力结构，在外荷载作用下，只要设计得当，拱圈截面上主要承受轴向压应力，弯矩较小，有利于充分发挥坝体砼或浆砌石材料抗压强度。

拱作用发挥得愈大，材料的抗压强度愈充分利用，坝体的厚度也愈可减薄。

而重力坝受弯曲为主，无法充分发挥材料的抗压强度。

2、与重力坝利用自重维持稳定的特点不同，拱坝将外荷载大部分通过拱作用传至两岸岩体，主要依靠两岸岩体维持稳定，坝体自重对拱坝的稳定性影响不大。

3、自重与扬压力等荷载降为次要荷载，而温度和地基变形将对拱应力产生较大影响。

拱坝中心角对应力、稳定的影响：

中心角愈大，拱圈厚度愈小，材料强度可得到充分利用，对应力有利。

但对拱坝坝肩稳定不利。

拱坝的类型：

薄拱坝、一般拱坝、厚拱坝（重力拱坝）、单曲拱坝、双曲拱坝。

双曲拱坝：

水平和竖直向都有曲率的拱坝。

拱坝的布置原则：

根据坝趾处地形、地质等自然条件以及枢纽综合利用要求统筹布置。

在满足稳定和建筑物运用要求条件下，通过调整拱坝的外形尺寸，使坝体材料的强度得到充分发挥，将拉应力控制在允许范围内，使坝体的总工程量最省。

温度荷载:

是指拱坝在运行过程中，坝体温度相对于封拱温度的变化值。

封拱温度的高低对温度荷载的影响很大。

封拱温度越低，建成后愈有利于降低坝体拉应力。

一般情况下，温降对坝体应力不利，温升对坝肩稳定不利。

拱坝温控措施：

避免高温季节施工，分块浇注，待温度趋于稳定后，再灌浆封拱，坝下游面使用保温涂层。

温度荷载包括：

均匀温度变化tm、沿坝厚温度梯度变化td、非线性温度变化tn；

拱坝应力分析方法有：

圆筒法、纯拱法、拱梁分载法（包括拱梁法和拱冠梁法）、有限单元法和模型试验法等。

纯拱法假定拱坝由一系列各自独立互不影响的水平拱圈叠全而成，每层拱圈简化为两端固结的平面拱，用结构力学方法求解拱的应力。

拱冠梁法基本原理:

拱冠梁法是拱梁分载法最基本的一种，

（1）它按照拱冠部位的中央悬臂梁和若干水平拱在交点处径向变位一致的原则进行拱梁荷载分配。

（2）求得各层拱圈的拱冠梁各自承担的荷载后，拱圈各截面的应力，拱冠梁按悬臂梁结构计算应力。

改善拱坝稳定的措施：

加强地基处理，提高抗剪强度；加强坝肩岩体的灌浆和排水措施，减少渗流压力；将拱端向岸壁深挖嵌进；改善拱圈设计；局部扩大拱端或设置重力墩。

拱坝坝身泄水方式：

自由跌落式、鼻坎挑流式、滑雪道式、坝身泄水孔式。

拱坝的效能方式：

跌流效能、挑流消能、底流消能

土石坝2010-12-2823:

30:

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土石坝设计的基本要求：

1、具有足够的断面以保持坝的稳定；2、设置良好的防渗和排水设施用以控制渗流；3、根据现场条件选择筑坝土石料的种类、坝的结构形式以及各种土石料在坝体内的配置；4、坝基足够稳定；5、泄洪建筑物具有足够的泄洪能力，坝顶在洪水以上要有足够的安全超高，以防洪水漫顶造成事故；6、采用适当的结构措施，使坝运用可靠和耐久。

土石坝的类型：

按其施工方法分碾压式土石坝、冲填式石坝、水中填土坝和定向爆破土石坝。

碾压式土石坝分为均质坝、土质防渗体分区坝、非土质材料防渗体坝。

影响坝坡破率的因素：

坝高、筑坝材料、运用情况、地基条件、施工方法、坝型等

一般均质坝上游坝坡比下游缓（原因）由于上游坝坡长期浸泡于水中，土的抗剪强度下降，会降低坝体的稳定性。

渗流在坝体内的自由水面称为浸润面。

浸润面与坝体横坡面的交线为浸润线

渗流计算的目的（水力学法）

1）确定坝体浸润线及下游出逸点的位置。

为坝体稳定计算提供依据。

2）计算坝体和坝基渗流量，以便估算水库的渗漏损失。

3）求出坝体和坝基局部地区的渗透坡降，验算该处是否会发生渗透破坏。

防渗体的作用是防渗，降低坝体浸润线、降低渗透坡降和控制渗流量。

渗流变形形式：

管涌、流土、接触冲刷、接触流土、化学管涌

排水体的作用是

（1）降低坝体浸润线及孔隙压力、改变渗流方向，增加坝体稳定

（2）防止渗流逸出处的渗透变形、保护坝坡和坝基；（3）防止下游波浪对坝坡的冲刷及冻胀破坏，起到保护下游坝坡的作用。

防渗体的作用是防渗，降低坝