第四章支墩壩

1、第四章 支墩壩(CHAPTER 4 BUTTRESS DAM)n4-1 概述n一、支墩壩的工作原理n 1、問題的提出n 重力壩的二個主要缺點(diǎn)：n 材料強(qiáng)度不能充分利用；n 底部揚(yáng)壓力大；n寬縫重力壩在一定程度上克服了這兩個缺點(diǎn)，我們設(shè)想：能否最大限度地利用材料強(qiáng)度；n 能否最大限度地減小揚(yáng)壓力；n 能否充分利用水重來節(jié)省砼方量；2.工作原理n組成 支墩壩由一系列獨(dú)立的支墩和擋水n 面板組成，支墩順壩軸線排列，上游n 面設(shè)擋水面板，遮斷河谷，形成擋水n 面。n傳力方式 庫水壓力由面板支墩地基n工作原理n 利用水重和自重在壩基面產(chǎn)生的摩擦力來抵抗水平水壓力維持穩(wěn)定 二、支墩壩的型式n 根據(jù)擋水面板

2、的形狀可將支墩壩分為如下三種型式：n1、平板壩n這是支墩壩的最早型式，常用的是簡支式平板壩。它的面板是一個平面，平板與支墩在結(jié)構(gòu)上互不相連。n優(yōu)點(diǎn)： 平板的迎水面上不產(chǎn)生拉應(yīng)力；n 對溫度變化的敏感性差；n 地基變形對壩身應(yīng)力分布影響不大n 對地基要求不十分嚴(yán)格；適用場合：地基不均勻變化較大時； 適用于壩高40m以下的壩；這是由于面板受力 n條件的限制(跨中彎矩大1/8ql2)n 2、連拱壩n 一方面由于平板壩的面板受力條件不好，需將面板的形式加以改進(jìn)，砼的抗壓性能好，所以可以把平面的面板改為圓弧面板(拱)，即連拱壩；n 另一方面在河谷較寬時，若采用拱壩，拱作用得不到充分發(fā)揮，且砼方量多(中心

3、角越大，弧長越長)；n 將面板做成拱型的，其受力條件較好能較好地利用材料強(qiáng)度。 如我國的梅山連拱壩1956年建成，壩高88.24m是當(dāng)時世界上最高的，它比美國1938年建造的巴特勒(Bartlett)壩(87.19m)高1.05m；佛子嶺n連拱壩高74.4m，現(xiàn)在世界上最高的是六十年代初期開始建造的加拿大旦尼爾約翰遜(Daniel Johnson)連拱壩，高214m。它的混凝土體積僅為同等高度重力壩的一半。n適用場合：n連拱壩是空間超靜定結(jié)構(gòu)，對地基變形、溫度變化較敏感，故對地基要求相對要高。n3、大頭壩n這是一種較為優(yōu)越的壩型，它既能充分利用材料的強(qiáng)度，鋼筋用量又少。已建的大頭壩有 國內(nèi)：廣

4、東新豐江單支墩大頭壩，壩高105m 湖南柘溪單支墩大頭壩，壩高104mn國外：巴西-巴拉圭80年代修建的伊太普n (Itaipa)雙支墩大頭壩，壩高185m。n 日本火田薙笫一單雙支墩大頭壩，高n 125m。n三、支墩壩的特點(diǎn)n 1、穩(wěn)定性特點(diǎn)n 抗滑穩(wěn)定 n a、因支墩間有空隙滲水易排，揚(yáng)壓力減?。籲 b、上游邊坡加緩(0.40.9)，可利用水重，n 節(jié)省砼； 側(cè)向穩(wěn)定 支墩因本身單薄，又相互分立，側(cè)向剛度比 縱向(上下游方向)剛度低，地震時順壩軸線n 方向抗震能力明顯低于重力壩。n彈性穩(wěn)定n 因支墩壩是一塊單薄的受壓板，當(dāng)作用力超n過臨界值時，盡管應(yīng)力分析所求得的支墩內(nèi)應(yīng)n力未超過材料的破

5、壞強(qiáng)度，但支墩卻因喪失縱n向彎曲穩(wěn)定而失穩(wěn)。所以對支墩壩還應(yīng)進(jìn)行彈n性穩(wěn)定計算。n2、應(yīng)力特點(diǎn)n 支墩可以隨受力情況調(diào)整厚度，以充分利用砼的容許抗壓強(qiáng)度，連拱壩把蓋板做成壓力結(jié)構(gòu)。3、施工特點(diǎn) 地基開挖 支墩壩的基礎(chǔ)一般不需全部開挖，只需開挖支墩部分，特別是在新鮮巖面埋n藏較深的情況下，可節(jié)省大量的開挖工作量。n 散熱條件及模板用量 因與外界接觸面增加，施工散熱相對容易，故溫度收縮應(yīng)力較小，溫控措施簡單，可加快壩塊上升速度，但模板用量大且復(fù)雜(尤以連拱壩為甚)砼標(biāo)號較重力壩高，單方造價也高。n施工導(dǎo)流 大頭壩、平板壩可利用支墩間隔布置導(dǎo)流底孔或采用梳齒法施工，但遇到意外洪水而未完建之壩體被迫過

6、水時，n存在壩體震動，基礎(chǔ)沖刷，支墩側(cè)n向穩(wěn)定等方面的問題。4、溢流特點(diǎn) 大頭壩接近于寬縫重力壩，單寬流量可以較大，隨基巖條件而定，如湖南柘溪單支墩大頭壩n為136方/sec，平板頂也可以溢流，但因結(jié)構(gòu)簡單，單寬流量較大易引起壩身振動，連拱壩一般不溢流。n連拱壩漫頂 1969.7.14淮河上游發(fā)生大洪水，佛子嶺水庫溢洪道全部開啟，仍不能泄走上游來水，將庫水位逼至130.64m，超過壩頂1.08m，時間長達(dá)25小時15分鐘，測得壩頂最大位移12.1mm。大壩安然無恙。n5、鋼筋用量n平板壩、連拱壩鋼筋用量較多，達(dá)3040kg/方砼；大頭壩不用鋼筋，僅在大頭局部和洞周邊布置23kg/(方砼)的鋼筋

7、 ，與寬縫重力壩相近。6、砼方量節(jié)省n與實體重力壩相比，大頭壩可節(jié)省2040，連拱壩可節(jié)省3060。n 4-2 大頭壩n一、大頭壩的工作特點(diǎn)n 大頭壩介于寬縫重力壩和輕型支墩壩(平板壩和連拱壩)之間，屬于大體積砼結(jié)構(gòu)，它具有寬縫重力壩和輕型支墩壩兩者的優(yōu)點(diǎn)，表現(xiàn)在：鋼筋用量少 (23kg/方砼)，平、連30 40kg/方砼；砼體積小 砼體積隨壩高變化，H V砼n H=40m 節(jié)省30n H=100m 節(jié)省40n壩頂可以溢流 單寬流量q可達(dá)100方/sec，如湖南柘溪單寬流量為136方/sec 。n二、大頭型式n 1平頭式 施工方便，但應(yīng)力條件不好，擋水面常有抗應(yīng)力，近代較少采用；n 2圓頭式

8、水壓力環(huán)向輻射，應(yīng)力情況好，但模板復(fù)雜；n 3折線式(或叫鉆石式)兼有以上兩者優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)力情況接近圓頭式，施工也較方便，我國己建的大頭壩都采用這種型式； n三、支墩型式n開敞式單支墩n 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，施工方便，便于觀察檢修；結(jié)構(gòu)簡單，施工方便，便于觀察檢修； n 缺點(diǎn)：側(cè)向剛度較低，寒冷地區(qū)保溫條件差；側(cè)向剛度較低，寒冷地區(qū)保溫條件差； n封閉式單支墩 n 這種型式是將支墩下游面擴(kuò)大后互相緊貼而成，較為多用。n 優(yōu)點(diǎn)：側(cè)向剛度較高，墩間空腔封閉保溫條件好，側(cè)向剛度較高，墩間空腔封閉保溫條件好，n 適用于地震地區(qū)和寒冷地區(qū)，溢流布置方便適用于地震地區(qū)和寒冷地區(qū)，溢流布置方便n 采用最廣泛。開敞式

9、雙支墩 優(yōu)點(diǎn)：側(cè)向剛度高，可改變頭部應(yīng)力狀態(tài)，導(dǎo) 流底孔、壩身引水管可以從兩墩之間的n 空腔穿過，多用于高壩。n 缺點(diǎn)：施工復(fù)雜；n封閉式雙支墩n 側(cè)向剛度最高；施工最復(fù)雜，目前采用不多；n四、大頭壩的剖面設(shè)計n 分兩步進(jìn)行：n第一步將壩體看成厚度均一的三角形剖面，定n 出壩的基本尺寸，如大頭跨度(擋水面n 寬度)L、支墩平均厚度B、上下游邊坡n、n m-以解決穩(wěn)定和強(qiáng)度問題。第二步擬定大頭形狀和尺寸將等厚的三角形剖面 轉(zhuǎn)化為實用剖面再進(jìn)行靜力校核。n1、大頭跨度n影響因素：地形、地質(zhì)、施工、經(jīng)濟(jì)n一般來說，跨度大，支墩數(shù)目就少，支墩相對要加厚，側(cè)向剛度大，便于砼施工。n存在缺點(diǎn)是大頭面積加大

10、，對支墩應(yīng)力不利，頭部澆筑倉面也增大，要求砼的澆筑能力高，壩塊散熱困難，導(dǎo)致溫度應(yīng)力大。n根據(jù)經(jīng)驗：壩高45m， 大頭跨度L=912mn 壩高4560m 大頭跨度L=1216mn 壩高60m 大頭跨度L=1618m甚者單支墩壩L=1418m 雙支墩壩L=1825m 如巴西巴拉圭的伊太 普雙支墩大頭壩L=34m。 n特殊壩段：溢流壩段n 廠房壩段n2、支墩的平均厚度Bn 用S表示大頭跨度與平均厚度之比S=L/Bn當(dāng)L一定時，nSB過于單薄，側(cè)向剛度不 足；nSB對側(cè)向剛度有利，揚(yáng)壓力加大砼方量增n 加，支墩壩 的優(yōu)點(diǎn)不顯著。n根據(jù)經(jīng)驗：壩高H=40m S=1.41.6n 壩高H=60m S=1.

11、61.8 壩高H=60100m S=1.82.0n3、上下游邊坡n、m(即確定基本剖面)n 在初定L、B的條件下，上下游的邊坡由穩(wěn)定和強(qiáng)度兩個條件來確定n穩(wěn)定條件n強(qiáng)度條件 20n說明：1Smin=？n 2假定假定s1n1、m1、v1n s2n2、m2、v2n n snnn、mn、vnn 取取minV1、V2、Vnn 3n、m的變化范圍的變化范圍1：0.41：0.6 壩高H100m S=2.02.4 4、擬定大頭頭部尺寸 原則：上游面不出現(xiàn)拉應(yīng)力0 步驟：初步擬定大頭尺寸a、b、c、d、en 按偏心受壓公式計算應(yīng)力，以保n 證上游面不出現(xiàn)拉應(yīng)力；n 計算上游面的抗應(yīng)力，當(dāng)0時，n 初擬尺寸有效

12、。否則重新假定尺n 寸，直至滿足要求為止 。n說明：1以上尺寸都是用不等號或以上尺寸都是用不等號或來表示的，來表示的，n 它們只能用于初估，具體設(shè)計時還得參它們只能用于初估，具體設(shè)計時還得參n 考同類工程的經(jīng)驗。尺寸擬定后，要用有考同類工程的經(jīng)驗。尺寸擬定后，要用有n 限元法或光彈性試驗來較準(zhǔn)確地分析頭部限元法或光彈性試驗來較準(zhǔn)確地分析頭部n 應(yīng)力，并反復(fù)修改，直至滿足要求為止。應(yīng)力，并反復(fù)修改，直至滿足要求為止。 2從圖中可看出：不出現(xiàn)拉應(yīng)力的有利因 素是Q Q，所以使b b盡量大，不利因素是W W， 為了減小W W，可采取設(shè)排水管和在大頭和在大頭n 內(nèi)部開孔的措施，防止由于滲流引起n “劈

13、頭縫”。n 3“劈頭縫”是當(dāng)時大頭壩難以推廣的n 原因之一。引起劈頭縫的主要原因有n 二：滲流力；n 溫度作用；n五、實用剖面設(shè)計(同重力壩)n六、靜力校核n 1、穩(wěn)定校核n 2、強(qiáng)度校核 計算內(nèi)容：a、頭部應(yīng)力計算 b、支墩應(yīng)力計算 c、支墩縱向穩(wěn)定計算n d、抗震計算n 計算方法：初步設(shè)計階段用材力法n 技術(shù)設(shè)計階段用三維有限元法或n 結(jié)構(gòu)模型試驗n縱向彎曲的概念：在材料力學(xué)中，某些受壓桿件，它的破壞并非強(qiáng)度不足而引起，而是由于縱向彎曲的原因而失穩(wěn)。支墩壩的支墩，水壓力經(jīng)擋水面板傳給支墩，支墩實際上成為一中面受壓的板，它也會因縱向彎曲而失穩(wěn)。因此需要進(jìn)行縱向彎曲的穩(wěn)定分析。 4-3 平板壩n一、組成n 平板壩由支墩和面板組成，平(面)板支承于支墩。n二、連接方式n 簡支式n 連續(xù)式n三、面板的厚度 n 頂部滿足構(gòu)造和施工要求，一般不小于0.2n 0