項目一 重力壩講解

佛子嶺水庫溢洪道

黃溧樹水庫上游護(hù)坡（沙河集水庫）響洪甸港口灣磨子潭水庫花涼亭水庫土石壩龍河口土石壩

巖基上的重力壩

第一節(jié)概述一、重力壩的工作原理及特點重力壩的工作原理:主要依靠壩體自身重量在滑動面上產(chǎn)生的抗滑力來抵消壩前水壓力以滿足穩(wěn)定的要求；同時也依靠壩體自重在水平截面上產(chǎn)生的壓應(yīng)力來抵消由于水壓力所引起的拉應(yīng)力以滿足強(qiáng)度的要求。簡之：依靠自重滿足抗滑穩(wěn)定及無拉應(yīng)力的強(qiáng)度要求。重力壩壩軸線一般為直線，垂直壩軸線方向設(shè)橫縫，將壩體分成若干個獨立工作的壩段，以免因壩基發(fā)生不均勻沉陷和溫度變化而引起壩體開裂。為了防止漏水，縫內(nèi)設(shè)止水。

重力壩的工作特點:

優(yōu)點和缺點

重力壩的類型

按壩的高度分類為：高壩、中壩、低壩三類。按筑壩材料分類可分為：混凝土重力壩和漿砌石重力壩。按壩體的結(jié)構(gòu)型式分類可分為：實體重力壩、寬縫重力壩、空腹重力壩。重力壩的設(shè)計內(nèi)容

1、剖面設(shè)計2、穩(wěn)定分析3、應(yīng)力分析4、構(gòu)造設(shè)計5、地基處理6、溢流重力壩和泄水孔的孔口設(shè)計7、監(jiān)測設(shè)計

第二節(jié)重力壩的荷載

分

析

作用（荷載）包括：

壩體自重、水壓力、揚(yáng)壓力、浪壓力、冰壓力、土壓力、泥沙壓力、地震荷載等。

ho

式中2hL—

當(dāng)=20∽250時，為累積頻率5%的波高；當(dāng)=250∽1000時，為累計頻率10%的波高。在計算浪壓力時，規(guī)范規(guī)定采用累計頻率為1%時的波高，對應(yīng)于5%的波高，應(yīng)乘以1.24；對應(yīng)于10%的波高，應(yīng)乘以1.41。

2LL—

平均波長m。

—計算風(fēng)速，m/s。設(shè)計情況采用校核50年一遇最大風(fēng)速，校核情況采用多年平均風(fēng)速。

D——吹程，m。可取壩前沿水庫到對岸水面的最大直線距離，當(dāng)水庫水面特別狹長時，以5倍平均水面寬為限。

吹程D波浪中心至靜水位的高差

式中：H1——壩前水庫水深，m;cth——雙曲線余切；當(dāng)H1>Ll時，上式可簡化為：

作用效應(yīng)（荷載）組合荷載按其隨時間的變異性可分為永久作用、可變作用和偶然作用；按其作用狀況又可分為持久狀況、短暫狀況和偶然狀況。

設(shè)計狀況荷載組合

持久狀況基本組合短暫狀況基本組合

偶然狀況偶然組合

第三節(jié)

重力壩剖面形式擬定

第四節(jié)

重力壩的穩(wěn)定分析、應(yīng)力分析穩(wěn)定分析是重力壩設(shè)計中的一項重要內(nèi)容，其目的是核算壩體沿壩基面或沿地基深層軟弱結(jié)構(gòu)面抗滑穩(wěn)定的安全性能。

穩(wěn)定分析方法單一安全系數(shù)法和分項系數(shù)極限狀態(tài)法1.單一安全系數(shù)法K=

阻滑力滑動力

=

f(∑w-u)

∑p

K=阻滑力阻滑力=f(∑w-u)∑p+c′A2.分項系數(shù)極限狀態(tài)法

作用函數(shù)≤抗力函數(shù)

分項系數(shù)極限狀態(tài)法重力壩按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計時，考慮以以下兩種作用效用組合：（1）

基本組合——持久狀況（或短暫狀況下），永久作用與可變作用組合。（2）

偶然組合——偶然狀況下，永久作用、可變作用與一種偶然作用的效應(yīng)組合。對基本組合，采用以下極限狀態(tài)設(shè)計表達(dá)式：

對基本組合，采用以下極限狀態(tài)設(shè)計表達(dá)式：作用函數(shù)抗力函數(shù)

式中：γ0——結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)；

ψ——設(shè)計狀況系數(shù)；

S（·）——作用效應(yīng)函數(shù)；

R（·）——結(jié)構(gòu)及構(gòu)件抗力函數(shù)；

γG——永久作用分項系數(shù)；

γQ——可變作用分項系數(shù)；

Gk——永久作用標(biāo)準(zhǔn)值；

Qk——可變作用標(biāo)準(zhǔn)值；

αk——幾何參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值；

fk——材料性能標(biāo)準(zhǔn)值；

γm——材料性能分項系數(shù)；

γd——基本組合結(jié)構(gòu)系數(shù)。

對基本組合，采用以下極限狀態(tài)設(shè)計表達(dá)式：作用函數(shù)抗力函數(shù)

式中：Ak——偶然作用的代表值；

γd——偶然組合結(jié)構(gòu)系數(shù)；結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0是用來考慮水利水電工程結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的重要性和失事后果。計算作用效應(yīng)函數(shù)S（·）時，作用取設(shè)計值，是考慮作用（荷載）對標(biāo)準(zhǔn)值的不利變異。設(shè)計值等于標(biāo)準(zhǔn)值乘以分項系數(shù)γG即Qd=Qk·γG

提高壩體抗滑穩(wěn)定性的工程措施

(1)

利用水重(4)抽水措施

(2)將壩基面開挖成(5)加固地基

傾向上游的斜面(6)橫縫灌漿

(3)設(shè)置齒墻(7)預(yù)應(yīng)力錨固措施重力壩的應(yīng)力分析

1.重力壩應(yīng)力分析的目的與方法應(yīng)力分析的目的：為了檢驗大壩在施工期和運用期是否滿足強(qiáng)度要求；并根據(jù)應(yīng)力分布情況進(jìn)行壩體混凝土標(biāo)號分區(qū)；也為研究壩體某些部位的應(yīng)力集中和配筋等提供依據(jù)。

應(yīng)力分析的方法：

1、模型試驗法

2、材料力學(xué)法

3、彈性理論的解析法

4、彈性理論的有限元法材料力學(xué)法符號規(guī)定

因為假定按直線分布，所以可按偏心受壓公式計算上、下游邊緣應(yīng)力σyu和σyd。

式中：∑W——作用于計算截面以上全部荷載的鉛直分力的總和，kN（包括壩體自重、水重、淤沙重及計算的揚(yáng)壓力等），以向下為正，對于實體重力壩，均切取單位寬度壩體為準(zhǔn)（下同）

∑M——作用于計算截面以上全部荷載對截面形心的力矩總和，kN·m，以使上游面產(chǎn)生壓應(yīng)力者為正。

B——計算截面的長度，m

邊緣應(yīng)力計算

由上游壩面的微分體，根據(jù)平衡條件∑Fy=0

得τu=(Pu-σyu)n式中：Pu——上游面水壓力強(qiáng)度，kPa（如有泥沙壓力和地震動水壓力也應(yīng)記在內(nèi)）；

Puu——上游邊緣應(yīng)力的揚(yáng)壓力強(qiáng)度；

σyu——壩體上游邊緣應(yīng)力；

n——上游壩坡坡率，

由下游壩面微分體，根據(jù)平衡條件∑Fy=0

得

τd=(σyd-Pd)m

Pd——下游面水壓力強(qiáng)度，kPaPud——下游邊緣應(yīng)力的揚(yáng)壓力強(qiáng)度σyd——下游壩面邊緣應(yīng)力，kPam——下游壩坡坡率

由上游壩面微分體，根據(jù)∑Fx=0

可得：

σxu=Pu-(Pu-σyu)

n2σxu=Pu-τun2

同樣，由下游壩面微分體，可得：

σxd=Pd+(σyd-Pd)m2σxd=Pd+τdm2邊緣主應(yīng)力計算

σ1u=(1+n2)σyu-Pun2

σ1d=(1+m2)σyd-Pdm2

σ2u=Pu

σ2d=Pd

根據(jù)平衡條件∑Fy=0計入揚(yáng)壓力邊緣應(yīng)力計算極限狀態(tài)法

采用概率極限狀態(tài)設(shè)計時，對重力壩應(yīng)分別按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行強(qiáng)度驗算。1.壩趾抗壓強(qiáng)度極限狀態(tài)

2.上游壩踵不出現(xiàn)拉應(yīng)力極限狀態(tài)因為上游壩踵不出現(xiàn)拉應(yīng)力極限狀態(tài)屬于正常使用極限狀態(tài)第五節(jié)

重力壩的剖面優(yōu)化設(shè)計與下游消能措施設(shè)計

1.基本剖面形狀

2.實用剖面設(shè)計

泄水重力壩一、溢流重力壩

按功能可分為以下三類：（1）泄洪建筑物（2）泄水孔（放水孔）（3）施工泄水道

溢流壩的工作特點

溢流壩既是擋水建筑物又是泄水建筑物，除應(yīng)滿足穩(wěn)定和強(qiáng)度要求外，還需要滿足泄水的要求。

孔口設(shè)計溢流壩孔口尺寸的擬定包括泄水前緣總寬度、堰頂高程以及孔口數(shù)目和尺寸。

1.確定洪水標(biāo)準(zhǔn)

2.確定溢流壩的下泄流量Q=QZ-αQ0

(1)壩頂溢流式3.孔口形式的選擇(2)大孔口溢流式三峽工程

4.溢流孔口尺寸的確定(1)單寬流量的確定

設(shè)L為溢流段凈寬（不包括閘墩的寬度），則通過溢流孔口的單寬流量為：q=

QL

1)溢流前緣總長L0應(yīng)為：(2)孔口尺寸

當(dāng)采用大孔口泄洪時，可用下式計算出堰頂水頭H0

當(dāng)采用開敞式溢流時，可利用下式，計算出堰頂水頭H0

2）溢流壩的堰頂高程

5.閘門的類型與作用

水工閘門按其功用可分為工作閘門、事故閘門和檢修閘門。

6.閘墩的作用

閘墩的作用是將溢流壩前緣分隔為若干個孔口，并承受閘門傳來的水壓力（支承閘門），也是壩頂橋梁和啟閉設(shè)備的支承結(jié)構(gòu)。

7.橫縫的布置①縫設(shè)在閘墩中間②縫設(shè)在溢流孔跨中

溢流曲線和剖面設(shè)計1.溢流面曲線溢流面曲線由頂部曲線段、中間直線段和下部反弧段三部分組成。堰面曲線方程如下：式中：Hd—定型設(shè)計水頭，按堰頂最大作用水頭Hmax的75%～95%計算XY對于設(shè)有胸墻溢流堰的堰面曲線：

Hd

——定型設(shè)計水頭，一般取孔口中心至校核洪水位的75%～95%；φ

——孔口收縮斷面上的流速系數(shù)，一般取φ=0.95。

2.反弧段溢流壩下游反弧段的作用是使溢流壩面下泄的水流平順地與下游消能設(shè)施相銜接。

3.直線段中間的直線段與壩頂曲線和下部反弧段相切，坡度一般與非溢流壩段的下游坡相同。具體應(yīng)由穩(wěn)定和強(qiáng)度分析及剖面設(shè)計確定。

溢流重力壩剖面設(shè)計

消能工的形式與設(shè)計

1.消能工設(shè)計原則與形式

(1)消能工的設(shè)計原則

(2)消能工的形式

5.消力戽消能2.挑流消能3.底流式消能4.面流消能6.聯(lián)合消能底流式消能挑流式面流式消能

溢流壩設(shè)計中有關(guān)高速水流空化和空蝕、摻氣、脈動、沖擊波

二、壩身泄水孔

1.壩身泄水孔的作用

2.壩身泄水孔的形式

按水流條件，壩身泄水孔可分為有壓泄水孔和無壓泄水孔；按泄水孔所處的高程可分為中孔和底孔；按布置的層數(shù)又可分為單層和多層的。

3.進(jìn)口段4.閘門段5.孔身段6.漸變段

平壓管為了減小檢修閘門的啟門力，應(yīng)當(dāng)在檢修閘門和工作閘門之間設(shè)置與水庫連通的平壓管。第六節(jié)重力壩的材料及構(gòu)造一、混凝土強(qiáng)度、抗?jié)B性、抗凍性、抗沖刷性、抗侵蝕性、抗裂性。二、壩體混凝土分區(qū)

三、壩體分縫與止水

1)橫縫:

橫縫垂直壩軸線，將壩體分為若干壩段。其作用是減小溫度應(yīng)力、適應(yīng)地基不均勻變形滿足施工要求。

2)縱縫

為了適應(yīng)混凝土的澆筑能力和減少施工期的溫度應(yīng)力，常在平行壩軸線方向設(shè)縱縫，將一個壩段分成幾個壩塊，待壩體降到穩(wěn)定溫度后再進(jìn)行接縫灌漿。

3)水平工作縫

水平工作縫是分層施工的新老混凝土之間的接縫，是臨時性的。四、壩體排水

壩基雖然已經(jīng)進(jìn)行帷幕灌漿，但并不能完全截斷滲流。目的為了減少壩體滲透壓力，靠近上游壩面應(yīng)設(shè)排水管幕，如圖所示。

五、廊道系統(tǒng)

為了滿足施工運用要求，如灌漿、排水、觀測、檢查和交通的需要，須在壩體內(nèi)設(shè)置各種廊道，這些廊道互相連通，構(gòu)成廊道系統(tǒng)，如圖所示。1—檢查廊道；2—基礎(chǔ)灌漿廊道；3—堅井；4—排水廊道；5—集水井；6—橫縫；7—灌漿帷幕；8—排水孔幕六、壩頂構(gòu)造

根據(jù)已定實用剖面的尺寸，進(jìn)行壩頂?shù)穆访嬖O(shè)計，在壩頂上布置排水系統(tǒng)和照明設(shè)備。

第七節(jié)重力壩的地基處理

1)具有足夠的強(qiáng)度；

2)具有足夠的整體性和均勻性；

3)具有足夠的抗?jié)B性；

4)具有足夠的耐久性；地基處理主要任務(wù)是：

一是防滲；二是提高基巖強(qiáng)度。一、地基的開挖與清理（巖石地基處理措施）

我國現(xiàn)行重力壩設(shè)計規(guī)范要求，凡100m以上的高壩需建在新鮮、微風(fēng)化或弱風(fēng)化下部基巖上；100～50m的壩可建在微風(fēng)化至弱風(fēng)化中部基巖上；壩高小于50m時，可建在弱風(fēng)化層中部或上部基巖上。

二、壩基的固結(jié)灌漿

固結(jié)灌漿的目的是：提高基巖的整體性和強(qiáng)度，降低地基的透水性。固結(jié)灌漿孔一般布置在應(yīng)力較大的壩踵和壩趾附近，以及節(jié)理裂隙發(fā)育和破碎帶范圍內(nèi)。

三、帷幕灌漿

帷幕灌漿的目的是：降低壩底滲透壓力；防止壩基內(nèi)產(chǎn)生機(jī)械或化學(xué)管涌；減少壩基和繞壩滲透流量。防滲帷幕布置于靠近上游面壩軸線附近，壩基灌漿帷幕中心線距壩上游面的距離，可取0.1倍左右壩底寬。四、壩基排水

壩基雖然已經(jīng)進(jìn)行帷幕灌漿，但并不能完全截斷滲流。目的為了進(jìn)一步降低壩底面的滲透壓力，應(yīng)在防滲帷幕后設(shè)置排水幕，收集并排走由壩基滲透過來的水，有時還設(shè)有基面排水，如圖所示。

五、斷層、破碎帶處理

第八節(jié)

碾壓式混凝土重力壩其主要優(yōu)點是：1)施工工藝程序簡單，可快速施工，縮短工期，提前發(fā)揮工程效益。2)膠凝材料(水泥+粉煤灰+礦渣等)用量少，一般在120～160kg/m3，其中水泥用量約為60～90kg/m3。3)由于水泥用量少，結(jié)合薄層大倉面施工，壩體內(nèi)部混凝土的水化熱溫升可大大降低，從而簡化了溫控措施。4)不設(shè)縱縫，節(jié)省了模板及接縫灌漿等費用。5)可適用大型通用施工機(jī)械設(shè)備，提高混凝土運輸和填筑工效。6)降低工程造價。

坑口碾壓混凝土壩橫剖面（一）材料

碾壓式混凝壩的膠凝材料遠(yuǎn)比常態(tài)混凝土用量少，其中粉煤灰在膠凝材料中所占比重一般為30%～60%。水膠比一般在0.45～0.7之間。

（二）壩體構(gòu)造

由碾壓式混凝土重力壩采用通倉碾壓，故可不設(shè)縱縫。但為了適應(yīng)溫度伸縮縫和地基不均沉降，仍應(yīng)設(shè)置橫縫，間距一般為15～20m。比常態(tài)混凝土重力壩降低造價約10％。

第九節(jié)

其它型式重