重力壩的荷載及其組合

1、第二節(jié) 重力壩的荷載及其組合一、荷載荷載 - 作用不隨時(shí)間變化的-永久作用如自重、土壓力等隨時(shí)間變化的-可變作用如水壓力、揚(yáng)壓力、 溫度、孔隙水壓力等；偶然發(fā)生的-偶然作用如地震、校核水位下的水壓力等.可變作用是指在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)作用的量值隨時(shí)間變化與平均值之比不可忽略的作用。作用在重力壩上的主要荷載有:壩體自重、上下游壩面上的水壓力、揚(yáng)壓力、浪壓力、泥沙壓力、地震荷載及冰壓力等(圖2.3).圖2.3 重力壩上作用力示意圖自重壩體自重是重力壩的主要荷載之一。W=A+ -壩上永久設(shè)備重 沿壩基面滑動(dòng)，僅計(jì)壩體重量； 沿深層滑動(dòng)，需計(jì)入滑體內(nèi)巖體重； 用有限單元法計(jì)算時(shí)，應(yīng)計(jì)入地基初始應(yīng)力的影響；假

2、定：1地基中任一點(diǎn)的垂直應(yīng)力(y)=h 2水平應(yīng)力(x)=h3剪應(yīng)力(xy)=0靜水壓力1上游面垂直 2上游面傾斜 擋水壩段 溢流壩段 3水的容重 清水 渾水(按實(shí)際情況考慮)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(jiàn)圖2.4為減小揚(yáng)壓力需采取工程措施： 設(shè)帷幕.用折減系數(shù)表示巖體構(gòu)造、性質(zhì)、帷幕的深度、厚度、灌漿質(zhì)量、 排水孔直徑、間距、深度等因素。. 設(shè)排水. 見(jiàn)圖2.5.圖2.4 無(wú)防滲排水措施時(shí)壩底揚(yáng)壓力分布 圖2.5有防滲排水時(shí)壩底揚(yáng)壓力分

3、布規(guī)范規(guī)定：河床壩段 ：=0.20.3 岸坡壩段 ：=0.30.4 需要指出：原型觀測(cè)資料表明：揚(yáng)壓力因受泥沙淤積的影響隨時(shí)間延長(zhǎng)而減小，對(duì)穩(wěn)定有利。壩體內(nèi)揚(yáng)壓力:壩體混凝土也具有一定的滲透性,在水頭作用下,庫(kù)水仍然會(huì)從上游壩面滲入壩體,并產(chǎn)生揚(yáng)壓力,見(jiàn)圖2.6.圖2.6 壩體水平截面上揚(yáng)壓力分布4、動(dòng)水壓力溢流壩泄水時(shí)，溢流面上作用有動(dòng)水壓力，其中壩頂曲線段和下游直線段上的動(dòng)水壓力較小，可忽略不計(jì)。在反弧段上需根據(jù)水流動(dòng)力方程求解動(dòng)水壓力。計(jì)算假定：水流為均勻流，動(dòng)水壓力分布亦均勻；水重、側(cè)向水壓力F1、F2不計(jì)；根據(jù)動(dòng)量沖量原理：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)物體動(dòng)量的增量等于該物體所受外力的合力。即 反弧段

4、上總水平分力和垂直分力為： 冰壓力冰壓力包括靜冰壓力和動(dòng)冰壓力靜冰壓力： 寒冷地區(qū)，水庫(kù)表面將結(jié)冰，當(dāng)氣溫升高時(shí)，冰層膨脹，對(duì)建筑物產(chǎn)生的壓力。 大?。?取決于冰層厚度、開(kāi)始升溫時(shí)的氣溫及溫升率。動(dòng)冰壓力： 當(dāng)冰破碎后，受風(fēng)和水流的作用而漂流，當(dāng)冰塊撞擊在壩面或閘墩上時(shí)將產(chǎn)生動(dòng)冰壓力。說(shuō)明:1冰壓力對(duì)高壩可以忽略，因?yàn)橐环矫嫠畮?kù)開(kāi)闊，冰易凸起破碎，另一方面在總荷載中所占比例較??；2對(duì)低壩、閘較為重要，它占總荷載的比重大；3某些部位如閘門進(jìn)水口處及不宜承受大冰壓力的部位，可采取沖氣措施等。泥沙壓力成因: 水庫(kù)蓄水后，入庫(kù)水流流速降低并趨于零，挾帶的泥沙隨流速減小而沉積于壩前，其過(guò)程是先沉積大顆粒

5、，而后沉積細(xì)顆粒。計(jì)算 a、淤積高程壩前淤積逐年增高，可根據(jù)河流的挾沙量進(jìn)行估算，估算年限通常為50-100年。b、指標(biāo) 淤積的泥沙逐年固結(jié)，容重和內(nèi)摩擦角也在逐年變化，很難算準(zhǔn)，設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取定，象黃河這樣的多沙河流應(yīng)由試驗(yàn)定出。C、計(jì)算公式7、浪壓力成因:空氣流動(dòng)，帶動(dòng)水體，形成波浪。波浪三要素:波高, 波長(zhǎng), 波浪中心線距靜水面的距離(圖2.7)圖2.7 風(fēng)成波及立波示意圖波浪涌高2hL 波浪運(yùn)動(dòng)不受庫(kù)底影響-深水波波浪運(yùn)動(dòng)受庫(kù)底影響，且?guī)焖钚∮谂R界深度時(shí)-破碎波水深在上兩者之間時(shí)-淺水波b、波長(zhǎng)2Lc、波浪中心線距靜水面的距離h波浪中心線距靜水面的距離h。 風(fēng)浪壓力計(jì)算影響波浪的

6、因素很多，目前大都采用半經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)確定波長(zhǎng)、波高，我國(guó)混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范推薦官?gòu)d水庫(kù)公式。深水波壓力計(jì)算公式： 淺水波壓力計(jì)算公式：若壩的迎水面傾斜，波浪的反射作用將減弱 當(dāng)45時(shí) 與鉛直面情況相近當(dāng)45時(shí) 按斜坡上的波浪考慮8、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012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(

7、一般指100年左右)內(nèi)可能遭遇的地震最大烈度。設(shè)計(jì)烈度系指抗震設(shè)計(jì)時(shí)實(shí)際采用的烈度。(震級(jí)烈度) 一般情況下：設(shè)計(jì)烈度=基本烈度特殊情況下：設(shè)計(jì)烈度=基本烈度+1(如特別重要的壩、地質(zhì)條件復(fù)雜、失事后影響巨大)地震慣性力用擬靜力法計(jì)算地震作用效應(yīng)式中: -水平向地震系數(shù), 為地面水平最大加速度的統(tǒng)計(jì)平均值與重力加速度的比值.-綜合影響系數(shù), 取0.25F-地震慣性力系數(shù), 反映結(jié)構(gòu)的彈性對(duì)動(dòng)力反映的影響.W-壩體總重量.地震動(dòng)水壓力地震時(shí)，壩前壩后的水隨之震動(dòng)，形成作用在壩面上的激蕩力。在水平地震作用下壩面上的地震動(dòng)水壓力沿高度變化，水深y處的動(dòng)水壓力強(qiáng)度為總的動(dòng)水壓力為其作用點(diǎn)位于水面以下的

8、0.54H處.水深y處以上單位寬度地震動(dòng)水壓力合力及其作用點(diǎn)見(jiàn)圖2.8圖2.8 水深y處以上地震動(dòng)水壓力合力及其作用點(diǎn)位置水深為y的截面以上單寬地震動(dòng)水壓力的合力及其作用點(diǎn)深度可查現(xiàn)成圖表。說(shuō)明：1傾斜的迎水面，用上述公式求得的動(dòng)水壓力應(yīng)乘以折減系數(shù)/90；2迎水面有折坡時(shí)，直立部分等于或大于水深的一半，按直立面計(jì)算，否則用直連接水面與坡腳按傾斜面計(jì)算；3對(duì)寬高比B/H5的梯形河谷或V形河谷，按上述公式求得的地震動(dòng)水壓力偏大，故需乘以折減系數(shù)C1；4作用在壩體上下游的地震動(dòng)水壓力均垂直于壩面，且二者作用方向一致；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

9、時(shí)小、時(shí)有時(shí)無(wú)、此出彼沒(méi)。2、荷載組合定義：將可能作用在建筑物上的所有荷載按出現(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用在所設(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)出現(xiàn)的組合。上述組合都需按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)工況正常使用極限狀態(tài)下分：長(zhǎng)期組合 短期組合 承

10、載能力極限狀態(tài)下分：基本組合(不分長(zhǎng)短期) 偶然組合分項(xiàng)系數(shù):是考慮結(jié)構(gòu)安全級(jí)別( )、設(shè)計(jì)狀態(tài)( )、作用(荷載)( )、材料性能變異性( )以及計(jì)算模式不定性( ). 1.結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)( )用以反映不同結(jié)構(gòu)安全級(jí)別對(duì)結(jié)構(gòu)可靠度的不同要求，安全級(jí)別為一級(jí)時(shí)， =1.1 安全級(jí)別為二級(jí)時(shí)， =1.0 安全級(jí)別為三級(jí)時(shí)， =0.92.設(shè)計(jì)狀況系數(shù)( )用以反映不同設(shè)計(jì)狀況的目標(biāo)可靠指標(biāo)不同， 分別對(duì)應(yīng)持久狀況、短暫狀況、偶然狀況。對(duì)重力壩 ( =1.0)、( =0.95)、( =0.85)3.作用分項(xiàng)系數(shù)( )用以反映作用(荷載)對(duì)其標(biāo)準(zhǔn)值Fk的不利變異，由作用設(shè)計(jì)值Fd與標(biāo)準(zhǔn)值之比來(lái)定義: 隨作用的概率分布不同而不同。4.材料性能分項(xiàng)系數(shù)( )用以反映材料性能對(duì)其標(biāo)堆值fk的不利變異，可由材料性能設(shè)計(jì)值fd與標(biāo)準(zhǔn)值之比的倒數(shù)來(lái)定義:5.結(jié)構(gòu)系數(shù)( )用以反應(yīng)作用效應(yīng)計(jì)算模式不定性和抗力計(jì)算模式不定性，還包括反映前4個(gè)分項(xiàng)系數(shù)未反映的其他不定性-(用計(jì)算得到).rd1-承載能力極限狀態(tài)基本組合的結(jié)構(gòu)系數(shù)r