水工建筑物講義.doc

1、重力壩一、重力壩的工作原理及其特點(diǎn)1、工作原理 利用自重在壩基面產(chǎn)生的摩擦力以及壩與地基間的凝聚力來抵抗水平水壓力而維持穩(wěn)定利用自重引起 的壓應(yīng)力來抵消由水壓力產(chǎn)生的拉應(yīng)力2、工作特點(diǎn) 斷面尺寸大，抵抗?jié)B漏、漫頂破壞的能力強(qiáng)，在各種壩型中失事率最低對(duì)地形地質(zhì)條件適應(yīng)性強(qiáng)泄 流問題容易解決施工導(dǎo)流容易解決體積大便于機(jī)械化施工結(jié)構(gòu)作用明確由于體積大，材料強(qiáng)度不 能充分利用底部揚(yáng)壓力大，對(duì)穩(wěn)定不利由于體積大，水化熱不易散發(fā)，溫控要求高二、重力壩的型式按作用分非溢流重力壩溢流重力壩按建筑材料分混凝土重力壩碾壓混凝土重力壩漿砌石重力壩按內(nèi)部結(jié)構(gòu)分 實(shí)體重力壩寬縫重力壩空腹重力壩三、重力壩設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容1

2、、總體布置：壩軸線組成建筑物的位置2、剖面設(shè)計(jì)3、穩(wěn)定分析4、應(yīng)力分析5、構(gòu)造設(shè)計(jì)6、地基處理7、溢流壩或泄水孔設(shè)計(jì)8、監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)揚(yáng)壓力（含壩基和壩體內(nèi)揚(yáng)壓力）*壩基揚(yáng)壓力：壩基揚(yáng)壓力包括兩部分下游水深引起的浮托力；由水頭差引起的滲透壓力滲透壓力從上游向下游逐漸消減，其變化呈拋物線分布。揚(yáng)壓力對(duì)壩體穩(wěn)定不利.見圖2.4為減小揚(yáng)壓力需米取工程措施：設(shè)帷幕.設(shè)排水.地震荷載地震荷載包括：地震慣性力地震動(dòng)水壓力（激蕩力）地震動(dòng)土壓力（地震對(duì)揚(yáng)壓力、泥沙壓力的影響一般不考慮）計(jì)算方法：動(dòng)力法一般用擬靜力法計(jì)算:F=ma, a為壩址處的地震加速度.地震烈度：（表示地震時(shí)在一定地點(diǎn)的地面震動(dòng)的強(qiáng)烈程度，分0

3、12度）地震荷載的大小與建筑物所在地區(qū)的烈度有關(guān)，烈度又分基本烈度和設(shè)計(jì)烈度兩種.基本烈度系指建筑物所在地區(qū)今后一定時(shí)期（一般指100年左右）內(nèi)可能遭遇的地震最大烈度。設(shè)計(jì)烈度二、荷載（作用）組合1、基本概念除自重外，作用在重力壩上的荷載和如下特點(diǎn)：時(shí)大時(shí)小、時(shí)有時(shí)無、此出彼沒。2、荷載組合定義：將可能作用在建筑物上的所有荷載按岀現(xiàn)的時(shí)間（機(jī)率）是否相同進(jìn)行分組，然后將各組荷載分別作噴所設(shè)計(jì)的建筑物上，研究建筑物的穩(wěn)定和強(qiáng)度，并給以不同的安全系數(shù)。這種分組的方法即為荷載組 合。荷載（作用）組合分類結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需對(duì)不同的作用進(jìn)行組合即分基本組合和偶然組合基本組合：可能同時(shí)出現(xiàn)永久作用和可變作用的組

4、合。分 長(zhǎng)期組合：持久發(fā)生（持久狀態(tài)）如正常擋水位 短期組合:短暫發(fā)生（短暫狀態(tài)）如設(shè)計(jì)洪水位 偶然組合：基本組合與一種偶然作用同時(shí)岀現(xiàn)的組合。第三節(jié)重力壩的穩(wěn)定分析重力壩主要是依靠自重維持穩(wěn)定，其可能岀現(xiàn)的破壞型式（見圖2.9）:滑動(dòng)：壩體沿抗剪能力不足的薄弱而產(chǎn)生滑動(dòng)。傾復(fù)：抗傾力矩小于傾復(fù)力矩.下游地基差易岀現(xiàn).計(jì)算假定1、河床壩段作為平面問題處理，岸坡壩段按空間問題處理；2、略去橫縫作用，以單寬計(jì)；3、假定為一根固結(jié)于基礎(chǔ)上的變截面懸臂梁穩(wěn)定分析目的：驗(yàn)算重力壩在各種可能荷載組合下的穩(wěn)定安全度一）沿壩基面的抗滑穩(wěn)定分析假定壩體與壩基的連接有三種物理模式：“觸接”、“粘接”、“咬接”簡(jiǎn)單

5、接觸-摩擦公式-“觸接”認(rèn)為壩底光滑，壩基光滑，壩直接放置在基巖上 故當(dāng)滑動(dòng)面為水平面時(shí)，抗滑穩(wěn)定計(jì)算公式：K 一“妝+另用in 2、抗剪斷公式假定壩體與壩基之間涂有一層砂漿-“粘接” 計(jì)算時(shí)考慮粘結(jié)力的作用，故抗剪斷公式為：計(jì)算時(shí)考慮粘結(jié)力的作用，故抗剪斷公式為：3、剪摩公式假定壩體壩基之間凸凹不平，相互咬合在一起，計(jì)算時(shí)考慮純剪強(qiáng)度說明：1、上述三個(gè)抗滑穩(wěn)定計(jì)算公式是在不同的假定前提下得到的摩擦公式：形式簡(jiǎn)單，概念明確，計(jì)算方便，多年來積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，公式中不考慮粘結(jié)力與實(shí)際不符, （安全裕度含在假定中，k=1.0并不意味著處于臨界狀態(tài)；）剪摩公式：考慮抗滑力時(shí)，人為地把阻滑力看作為摩擦

6、力與抗剪能力之和，己挖掘了維持穩(wěn)定的所有潛力。因而要求的安全系數(shù)較大，在美、日等國家用得較多?？辜魯喙剑何锢砀拍蠲鞔_，也較符合實(shí)際，是近年來發(fā)展的趨勢(shì)，規(guī)范也推薦采用，應(yīng)注意抗剪斷 參數(shù)的選用。2、對(duì)摩擦公式和抗剪斷公式的討論 摩擦公式忽略了壩體與基巖的膠結(jié)作用，不能完全反映實(shí)際工作狀態(tài)，由于不考慮 C 的作用，因此 K 取的較小?？辜魯鄰?qiáng)度公式考慮了壩體與基巖的膠結(jié)作用，計(jì)算了全部抗滑潛力，比較符合壩的實(shí)際工作狀態(tài)，物理 概念明確。但C 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)值不穩(wěn)，因此 K 取值較大.（四）、增穩(wěn)措施1利用水重； 2將壩基開挖成向上游傾斜的斜面 （一般不這樣做 ）； 3當(dāng)節(jié)理面傾向下游時(shí)，在壩踵下設(shè)齒墻

7、，增加滑動(dòng)體重量也增大抗力； 4設(shè)排水系統(tǒng)減小揚(yáng)壓力；5加固地基 （如進(jìn)行固結(jié)灌漿提高強(qiáng)度參數(shù) ）；6予應(yīng)力錨固；第四節(jié) 重力壩的應(yīng)力分析一、應(yīng)力分析的目的和方法1、目的1 了解壩體內(nèi)的應(yīng)力分布情況，檢驗(yàn)大壩在施工期和運(yùn)行期是否滿足強(qiáng)度要求；2 為布置壩身材料 （如混凝土分區(qū) ）提供依據(jù)；3 為特殊部位的配筋提供依據(jù)，如孔口、廊道等部位的配筋；4 為改進(jìn)結(jié)構(gòu)型式和科學(xué)研究提供依據(jù)；2、分析方法 : 模型試驗(yàn)法和理論計(jì)算法 模型試驗(yàn)法 光測(cè)方法如：偏振光彈性試驗(yàn) , 激光全息試驗(yàn) , 脆性材料電測(cè)法 理論計(jì)算法1材料力學(xué)法 （重力法 ） 這是一種歷史悠久、應(yīng)用最廣、最簡(jiǎn)便的方法。它不考慮地基變形

8、的影響，假定：b y呈直線分布；b x呈三次拋物線分布； T呈二次拋物線分布； 評(píng)價(jià)：該法有長(zhǎng)期的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，目前我國重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范中的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)就是以該法為基礎(chǔ)的。 2彈性理論解析法該法的力學(xué)模型和數(shù)學(xué)解法均很嚴(yán)密， 但前只有少數(shù)邊界條件簡(jiǎn)單的典型結(jié)構(gòu)才有解答。評(píng)價(jià)：可用于驗(yàn)證其他方法的精確性，有重要價(jià)值。3彈性理論差分法 該法力學(xué)模型嚴(yán)密，在數(shù)學(xué)解法上采用差分格式，是一種近似的方法。 評(píng)價(jià)：要求方形網(wǎng)格，對(duì)復(fù)雜邊界適應(yīng)性差。4彈性理論的有限單元法 與差分法相反，該法力學(xué)模型是近似的，數(shù)學(xué)解法是精確的，網(wǎng)格可采用三角形單元、四邊形 單元或兩者的組合。見圖 2.14 評(píng)價(jià)：可處理復(fù)雜的邊界條件，隨

9、著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，單元可劃分得很細(xì)以模擬各種邊界。目前大型或重要 的工程都需用該法計(jì)算，以了解壩體各部位的應(yīng)力狀態(tài) 。二、材料力學(xué)法 ,1、基本假定壩體混凝土為均質(zhì)、連續(xù)、各向同性的彈性體 將壩體簡(jiǎn)化為固結(jié)在地基上的變截面懸臂梁； 不考慮地基變形對(duì)壩體應(yīng)力的影響，并認(rèn)為各壩段獨(dú)立工作，橫縫不傳力； by呈直線分布；第五節(jié) 重力壩的剖面設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)原則1、滿足穩(wěn)定和強(qiáng)度要求；2、盡可能節(jié)省工程量，使剖面尺寸最??；3、外部形狀簡(jiǎn)單，便于施工；4、運(yùn)行管理方便；二、基本剖面 定義：基本剖面是指壩體在自重、庫水壓力和揚(yáng)壓力三個(gè)主要荷載作用下，滿足穩(wěn)定和應(yīng)力要求并使其剖 面最小的三角形剖面。見圖 2.24

10、.三、實(shí)用剖面 從理論上講，基本剖面雖然經(jīng)濟(jì)的，但不實(shí)用 . 因?yàn)?： 1壩頂不能是一個(gè)尖頂，不便于施工、運(yùn)行管理和交通。2壩高不能剛好與水位齊平，必須有一定的超高。 3廠房壩段需設(shè)閘門和攔污柵，希望上部做成垂直的。四、優(yōu)化設(shè)計(jì)1、確定描述壩體體形的設(shè)計(jì)參數(shù)；2、建立目標(biāo)函數(shù)，一般取結(jié)構(gòu)的重量和造價(jià)，因重力壩的造價(jià)主要取決于壩體砼方量，故取壩體體積作為 目標(biāo)函數(shù)；3、確定約束條件，如穩(wěn)定約束、應(yīng)力約束、幾何約束等；4、優(yōu)化計(jì)算方法， 目標(biāo)函數(shù)和約束條件都是設(shè)計(jì)參數(shù)的非線性函數(shù)，因此重力壩的優(yōu)化設(shè)計(jì)是一個(gè)非線性規(guī)劃問題。（一）壩頂寬度（1 ）滿足設(shè)備布置、運(yùn)行、交通及施工的要求，非溢流壩的壩頂寬

11、度一般可取壩高的8 - 10%，并不小于2 米。（2）若作交通要道或有移動(dòng)式啟閉機(jī)設(shè)施時(shí)， 應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要確定， 當(dāng)有較大的冰壓力或漂浮物撞擊力時(shí)， 壩頂最小寬度還應(yīng)滿足強(qiáng)度的要求。?（二）壩頂高程頂高程 =設(shè)計(jì)洪水位 + h 設(shè) 高程=校核洪水位 + h 校 二者取較大值（三）剖面形態(tài)?由基本剖面修改為實(shí)用剖面，有三種常用的形態(tài)，如圖2.25?圖（a）采用鉛直的上游壩面，適用于壩基摩擦系數(shù)較大，由應(yīng)力條件控制壩體剖面的情況。 ?優(yōu)點(diǎn)：便于布置和操作壩身過水管道進(jìn)口控制設(shè)備。?缺點(diǎn)：由于在上游面為鉛直的基本三角形剖面上增加壩頂重量，空庫時(shí)下游壩面可能產(chǎn)生拉應(yīng)力第六節(jié) 重力壩的材料和構(gòu)造一、砼重

12、力壩的材料（一）水工砼的特性指標(biāo)1 、強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)立方體極限強(qiáng)度分為 12 種強(qiáng)度等級(jí)，重力壩常用 C10、 C15、 C20、 C25 等級(jí)別，砼的強(qiáng)度隨齡期增 加，對(duì)壩體提出強(qiáng)度要求時(shí)，應(yīng)指出其對(duì)應(yīng)的齡期，壩體砼抗壓設(shè)計(jì)齡期一般采用90 天，最多不宜超過180 天，同時(shí)規(guī)定相應(yīng) 28 天齡期的強(qiáng)度，作為早期強(qiáng)計(jì)的控制。2、抗?jié)B性 大壩防滲部位如上游面、基礎(chǔ)層和下游水位以下的壩面，其砼應(yīng)具有抵抗壓力水滲透的能力?？?jié)B性的指 標(biāo)通常用抗?jié)B標(biāo)號(hào)表示 , 抗?jié)B標(biāo)號(hào)也隨砼的齡期增長(zhǎng)，一般取與強(qiáng)度的設(shè)計(jì)齡期相同。3、抗凍性 抗凍性是指飽和狀態(tài)下能經(jīng)受多次凍融循環(huán)而不破壞不來重降低強(qiáng)度的能力。4、抗磨性 抗

13、磨性是指砼抵抗高速水流或挾沙水流的沖刷和磨損的性能。 根據(jù)我國的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于有抗磨要求的砼，采用高標(biāo)號(hào)硅酸鹽水泥或硅酸鹽大壩水泥所控制的砼，其抗壓強(qiáng) 度等級(jí)不應(yīng)低于 C20 號(hào)，且要求骨料質(zhì)地堅(jiān)硬，施工振搖密實(shí)以提高其耐磨性。5、抗侵蝕性 大壩砼可能遭受環(huán)境水中某些物質(zhì)的化學(xué)作用，引起侵蝕破壞。如有抗侵蝕性要求時(shí)，應(yīng)選擇恰當(dāng)?shù)乃?品種，并盡量提高砼的密實(shí)性。（二）壩體砼的分區(qū) 壩體各部位的工作條件不同，對(duì)砼材料性能指標(biāo)的要求不同。在選用各區(qū)砼時(shí)，應(yīng)注意： （1 ）盡量減小整個(gè)樞紐中不同砼標(biāo)號(hào)的類別，便于施工。（2）為避免產(chǎn)生應(yīng)力集中或產(chǎn)生溫度裂縫， 相鄰區(qū)的強(qiáng)度等級(jí)相差不宜超過兩級(jí)； 同一澆筑

14、塊中砼的標(biāo)號(hào) 也不得超過兩種。分區(qū)厚度一般不小于 2-3 米。二、施工期溫度應(yīng)力及防裂措施（一）壩體砼的溫度變化1、壩體砼的溫度變化規(guī)律（圖 2.26 ） 開始澆筑砼的溫度為入倉溫度 水泥硬化，產(chǎn)生水化熱，使溫度增高 熱量不斷散失，溫度呈下降趨勢(shì)熱，這一段時(shí)間為冷卻期，這段時(shí)間較長(zhǎng)。冷卻達(dá)到穩(wěn)定溫度，僅隨 外界氣溫而變化，稱為穩(wěn)定期。（二）溫度應(yīng)力和溫度裂縫的成因 :1 、溫度應(yīng)力及溫度裂縫的成因 砼溫度發(fā)生變化，其體積也隨著脹縮，由于砼壩體不能自由伸縮，從而產(chǎn)生溫度應(yīng)力，而當(dāng)拉應(yīng)力超過砼 的抗拉能力時(shí)，出現(xiàn)裂縫。三、砼重力壩的構(gòu)造構(gòu)造包括：壩頂結(jié)構(gòu)、壩體分縫、止水、排水、廊道布置等內(nèi)容。（一

15、）壩頂結(jié)構(gòu)一般用實(shí)體結(jié)構(gòu)（圖 2.28a ），頂面按路面設(shè)計(jì)，在壩頂上布置排水系統(tǒng)和欄桿或防浪墻等以及照明設(shè)備。 也可采用輕型結(jié)構(gòu) ,如圖 2.28b 所示 .（二 ）壩體分縫 為適應(yīng)施工期砼的澆筑能力和溫度控制以及防止地基可能產(chǎn)生不均勻沉陷而引起裂縫，因而要分縫。常 設(shè)垂直于壩軸線的橫縫和平行于壩軸線的縱縫、橫縫是永久縫，縱縫則屬于臨時(shí)縫；有時(shí)砼分層澆筑的層 面也是一種臨時(shí)性水平施工縫，見圖 2.29 。1、橫縫及止水 永久性橫縫將壩體沿壩軸線分成若干壩段，其縫面常為平面2、縱縫和水平縫 ?縱縫是為適應(yīng)砼的澆筑能力和減小施工期溫度應(yīng)力而設(shè)置的臨時(shí)縫。?縱縫的布置型式有三種：垂直縱縫、斜縫和錯(cuò)

16、縫（三）壩體排水 為了減小滲水對(duì)壩體和壩基的有害影響，降低壩體和壩基的滲透壓力，在靠近上游面處設(shè)置排水管，將滲 水通過排水管排入廊道，匯集于集水井內(nèi)，用水泵或自流排向下游。壩內(nèi)排水管布置在距上游壩面約為水頭 1/15-1/25 處，且不小于 2 米，排水管間距米， 用各孔砼做成。 （見 圖 2.32 ）。排水管施工時(shí)必須防止水泥漿漏入，防止堵塞。四）壩內(nèi)廊道1、基礎(chǔ)灌漿廊道2、基礎(chǔ)排水廊道3、壩體檢查和排水廊道4、廊道周邊應(yīng)力第七節(jié) 重力壩的地基處理為了保證大壩的穩(wěn)定、強(qiáng)度以及防滲性，對(duì)地基的各種地質(zhì)構(gòu)造要進(jìn)行處理。重力壩的失事有 40是因?yàn)榈鼗鶈栴}造成的。實(shí)際上，完整無缺的地基也是很難找到的

17、。基巖中存在著節(jié) 理、裂隙、斷層、 夾層等軟弱結(jié)構(gòu)面， 它們都會(huì)不同程度地破壞或降低了巖體的穩(wěn)定性、 強(qiáng)度及抗?jié)B能力 。 所以在具有缺陷的巖基上修建重力壩應(yīng)對(duì)地基進(jìn)行處理。它包括兩方面的工作：一是防滲；二是提高基巖 強(qiáng)度（承載力 ）。其處理措施有：一、開挖和清理 將復(fù)蓋層和風(fēng)化破碎的巖石挖掉，包括清除松動(dòng)石塊，打掉突出的尖角。（ 當(dāng)復(fù)蓋層很深時(shí)，全部清除工作量十分巨大，可考慮其他壩型 ） 。二、固結(jié)灌漿 目 的：提高基巖的整體性和彈性模量； 減少基巖受力后的變形；提高基巖的抗壓抗剪強(qiáng)度； 降低壩體的滲透性減少滲流量； 設(shè)計(jì)內(nèi)容：1確定灌漿范圍（1） 應(yīng)力較大的上下游部位（2） 局部節(jié)理裂隙發(fā)育和破碎帶及其附近的范圍（3）灌漿孔的深度 T 58 m（4）灌漿孔的間距t 34m（5）排列型式 : 梅花形或井字形 , 見圖 2.33 。三、帷幕灌漿目的：降低壩基滲透壓力，減少滲流量。深度：相對(duì)隔水層淺時(shí)，打至隔水層內(nèi)35m相對(duì)隔水層深時(shí)，打至（0.30.7）倍壩高；相對(duì)不透水層 是指單位吸水率3V 0.01升/分米， 單位吸水率即一米長(zhǎng)的鉆孔在1kg/c壓力下一分鐘內(nèi)的吸水量。厚度：由承受的水力坡降而定。 位置：基礎(chǔ)灌漿廊道上游沿壩軸線形成阻水幕。方向：鉆孔方向一般垂直向下，必要時(shí)有一定斜度 （10以內(nèi) ）與節(jié)理方向正交。 說明：最大滲透坡降發(fā)生在帷幕頂部，當(dāng)設(shè)雙排灌漿孔時(shí)，只需將一排