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水工建筑物--第六章 重力坝应力分析

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水工建筑物作业答案

水工建筑物作业答案

《水工建筑物》课程测验作业及课程设计一．平时作业（一）绪论1、我国的水资源丰富吗？开发程度如何？解决能源问题是否应优先开发水电？为什么？我国水资源总量丰富，但人均拥有量少，所以应选不丰富。

我国水资源开发利用程度接近25%，从全国而言，不完全一样，呈现“北高南低”，南方特别是西南，水资源丰富而利用量少，利用程度低，而北方尤其是西北干旱地区和华北地区利用程度高。

解决能源问题应优先开发水电，因为水能在可再生能源中是开发技术最成熟，开发经验最丰富，发电成本最经济。

2、什么是水利枢纽？什么是水工建筑物？与土木工程其他建筑物相比，水工建筑物有些什么特点？水利枢纽是修建在同一河段或地点，共同完成以防治水灾、开发利用水资源为目标的不同类型水工建筑物的综合体。

水工建筑物是控制和调节水流，防治水害，开发利用水资源的建筑物。

水工建筑物特点：工作条件的复杂性、设计选型的独特性、施工建造的艰巨性、失事后果的严重性。

3、水工建筑物有哪几类？各自功用是什么？挡水建筑物：用以拦截江河，形成水库或壅高水位。

如拦河坝、拦河闸。

泄水建筑物：用以宣泄多余水量，排放泥沙和冰凌，或为人防、检修而放空水库等，以保证坝和其他建筑物的安全。

如溢流坝、溢洪道、隧洞。

输水建筑物：为灌溉、发电和供水的需要，从上游向下游输水用的建筑物。

如：引水隧洞、渠道、渡槽、倒虹吸等。

取（进）水建筑物：是输水建筑物的首部建筑物，如引水隧洞的进口段、进水闸等。

整治建筑物、专门建筑物。

整治建筑物（改善河道水流条件、调整河势、稳定河槽、维护航道和保护河岸）。

专门性水工建筑物（为水利工程种某些特定的单项任务而设置的建筑物）。

4、河川上建造水利枢纽后对环境影响如何？利弊如何？人们应如何对待？河流中筑坝建库后上下游水文状态将发生变化。

上游水库水深加大，流速降低，河流带入水库的泥沙会淤积下来，逐渐减少水库库容，这实际上最终决定水库的寿命。

较天然河流大大增加了的水库面积与容积可以养鱼，对渔业有利，但坝对原河鱼的回游成为障碍，任何过鱼设施也难以维持原状，某些鱼类品种因此消失了。

重力坝的应力分析

重力坝的应力分析

重力坝的应力分析一、应力分析的目的和方法1、目的1°了解坝体内的应力分布情况，检验大坝在施工期和运行期是否满足强度要求；2°为布置坝身材料(如混凝土分区)提供依据；3°为特殊部位的配筋提供依据，如孔口、廊道等部位的配筋；4°为改进结构型式和科学研究提供依据；2、分析方法: 模型试验法和理论计算法①模型试验法光测方法如：偏振光弹性试验, 激光全息试验, 脆性材料电测法②理论计算法1°材料力学法(重力法)这是一种历史悠久、应用最广、最简便的方法。

它不考虑地基变形的影响，假定：σy呈直线分布；σx呈三次抛物线分布；τ呈二次抛物线分布；评价：该法有长期的实践经验，目前我国重力坝设计规范中的强度标准就是以该法为基础的。

2°弹性理论解析法该法的力学模型和数学解法均很严密，但前只有少数边界条件简单的典型结构才有解答。

评价：可用于验证其他方法的精确性，有重要价值。

3°弹性理论差分法该法力学模型严密，在数学解法上采用差分格式，是一种近似的方法。

评价：要求方形网格，对复杂边界适应性差。

4°弹性理论的有限单元法与差分法相反，该法力学模型是近似的，数学解法是精确的，网格可采用三角形单元、四边形单元或两者的组合。

见图2.14评价：可处理复杂的边界条件，随着计算机的发展，单元可划分得很细以模拟各种边界。

目前大型或重要的工程都需用该法计算，以了解坝体各部位的应力状态。

图2.14 重力坝应力分析有限单元法示意图二、材料力学法,见图2.15和图2.161、基本假定①坝体混凝土为均质、连续、各向同性的弹性体②将坝体简化为固结在地基上的变截面悬臂梁；③不考虑地基变形对坝体应力的影响，并认为各坝段独立工作，横缝不传力；④σy呈直线分布；图2.15 坝体应力计算简图图2.16 截面核心计算图2、边缘应力计算①水平截面上的垂直正应力②剪应力③水平正应力④主应力3、内部应力计算图2.17 坝体微元体受力分析①σy的计算, ②τ的计算, ③σx的计算, ④坝内主应力计算4、考虑扬压力时的计算方法:图2.18 有扬压力的边缘应力计算简图图2.19 扬压力分布图5、非荷载因素对坝体应力的影响①地基变形对坝体应力的影响,见图2.20图2.20 地基变形示意图图2.21 坝基对坝体的应力影响②地基不均匀对坝体应力的影响③坝体不同材料对坝体应力的影响④纵缝对坝体应力的影响图2.22纵缝对坝体应力的影响⑤分期施工对坝体应力的影响图2.23分期施工对坝体应力的影响。

水工建筑物重力坝应力知识

水工建筑物重力坝应力知识

水工建筑物重力坝应力知识一、概述(一)目的：1、为了检验大坝在施工期和运用期是否满足强度要求。

2、为解决设计和施工中的某些问题，如砼分区，某些部位的配筋等提供依据。

（二）应力分析的过程：1、进行荷载计算及荷载组合；2、选择合适的方法进行应力计算；3、检验大坝各部位的应力是否满足强度要求。

（三）应力分析内容：1.确定计算工况；2.选择计算方法；3.确定计算截面；4.计算选定截面上的应力：★（四）应力分析方法：理论计算和模型试验法(理论计算方法主要有：材料力学法和有限元法)。

二、材料力学法（一）基本假定：1.坝体砼为均质，连续各向同性的弹性材料；2.取单宽坝体作为固结在地基上的悬臂梁计算，且不受两侧坝体的影响；3.水平断面上的垂直正应力σy是直线分布。

（二）边缘应力的计算：（重点记住以下符号）★1.各应力的表示符号：①水平截面上的正应力σyu、σyd；②剪应力τu和τd；③水平正应力σxu和σxd；④主应力σ1u，σ2u和σ1d，σ2d。

2.水平截面上的正应力σyu、σyd。

（课本40页）3.剪应力（课本41页）；4.水平正应力（课本41页）；5.边缘主应力（课本42页）(三)内部应力的计算1.坝内水平截面上的正应力σy假定和σy在水平截面上直线分布；2.坝体内剪应力τ；3.坝内水平正应力σx；4.坝内主应力σ1和σ2；5.考虑扬压力时的计算方法。

(四)用材料力学分析坝体应力时，规范规定:1.坝基面的σy应符合下列要求①运用期：在各种荷载组合下（地震除外） f R（下游）≥σy≥0（上游）②施工期: f R≥σy≥-100 KPa2.坝体应力要求：①运用期: Fc≥σy≥0 ；②施工期: Fc≥σy≥-100KPa三、坝体和坝基的应力控制（一）混凝土重力坝应按承载能力极限状态验算坝趾和坝体选定截面下游端点的抗压强度，按正常使用极限状态验算满库时坝体上游面拉应力和空库时的下游面拉应力。

（二）承载能力极限状态验算表达式基本组合表达式： 偶然组合表达式： （三）正常使用极限状态验算表达式 （课本43页）作用效应短期组合：作用效应长期组合： （四）坝趾及坝体选定截面下游端点抗压强度验算（课本44页）（五）坝体上、下游面拉应力按正常使用极限状态计算。

水工建筑物——重力坝习题及答案

水工建筑物——重力坝习题及答案

第二章复习思考题1.结合重力坝的工作条件，分析其优缺点2.重力坝设计必须包括哪些主要内容？3.为什么扬压力对重力坝的应力及稳定均不利？4.画图表示岩基上混凝土实体重力坝设置了封闭的灌浆帷幕、排水孔幕的布置和抽排水设施时的扬压力图形。

5.为什么要进行荷载组合？什么是基本荷载和基本荷载组合，什么是特殊荷载和特殊荷载组合？6.重力坝抗滑稳定计算公式有哪几种？试比较各公式的基本理论、优缺点和适用条件。

7.提高重力坝抗滑稳定性有哪些措施？8.重力坝应力分析的目的是什么？9.重力坝应力分析的材料力学有哪几条基本假定？10.用材料力学法计算重力坝应力，其强度标准是什么？11.重力坝为什么要分缝？需要分哪些缝？12.纵缝有哪几种？各有什么优缺点？13.廊道有哪些作用？如何确定各种用途廊道的形式、尺寸和位置？布置廊道系统的原则是什么？14.坝身排水孔的作用是什么？距上游坝面的距离、孔距如何确定？15.重力坝对地基有哪些要求？为什么有这些要求？这些要求与天然地基的条件之间有哪些矛盾？16.试述重力坝固结灌浆的目的、设计内容、原则和方法。

17.试述重力坝防渗帷幕灌浆的目的、设计内容、原则和方法。

综合测试1.扬压力即为：（A）渗透压力；（B）浮压力；（C）渗透压力和浮压力之和；（D）渗透压力减去浮压力。

2.基本荷载是：（A）出现机会较多的荷载；（B）出现机会较少的荷载；（C）出现机会较多的荷载和出现机会较少的荷载之和；（D）基本荷载和一种或几种特殊荷载。

3.摩擦公式认为：（A）坝体与坝基为胶结状态；（B）坝体与坝基为接触状态；（C）坝体与坝基为连接状态；（D）坝体与坝基为作用状态。

4.材料力学法假定（A）水平截面上的垂直正应力呈曲线分布；（B）水平截面上的垂直正应力呈均匀分布；（C）水平截面上的垂直正应力呈不均匀分布；（D）水平截面上的垂直正应力呈直线分布。

5.应力的控制标准是：（A）上游坝基面垂直正应力（计入扬压力）大于零；（B）上游坝基面垂直正应力（计入扬压力）小于零；（C）上游坝基面垂直正应力（计入扬压力）等于零；（D）上游坝基面垂直正应力（计入扬压力）不为零。

水工建筑物--第六章 重力坝应力分析

水工建筑物--第六章 重力坝应力分析

T
∑P——用应力计算时的
dx P 符合规定，指向上游为正 （与推导稳定计算公式中
0
故有
的∑P指向规定相反）。
a1 b1x c1x2
其中
a1
b1


2 T
(


2


3
T
P
)
c1

3 T
(



2 P)
T
坝内主应力
求得把内各点的三个应力分量σy、τ、σx后，可根据
T——计算截面沿上下游方向的宽度。
从图6-17可知，
M eW
代入下式
y

W T

6M T2

y

W T

6M T2

这个关系式说明： 水平截面的宽度T的中间三分之一是
可得：
当e



T 6
时，
y



0；
“截面核心”，当合力R作用线交于“截 面核心”以内时，上下游边缘的垂直正 应力均为正值，即压应力； 当合力R作用线交于“截面核心”以外 时，靠近交点一侧的边缘上垂直正应力
(4)边缘主应力σˊ 和σ〞 （不考虑扬压力）
因主应力作用面上无剪应力，故上下游坝面即为主应力面之一（水库淤 沙内摩擦角为零条件下），而另一主应力面必然与坝面垂直。
为求边缘主应力，取如图6-16（c）所示的三角形微元体，由作用在上游 坝面微元件上力的平衡条件ΣFy =0可得σˊ 。
1dx cosu cosu pdx sin u sin u y dx 0
的压应力集中，在坝踵也有一定程度的应力集中现象。

水工建筑物知识分析

水工建筑物知识分析

水工建筑物知识分析—重力坝一、重力坝的主要内容（一）确定水利枢纽工程和水工建筑物的等级、洪水标准。

（二）挡水坝段剖面尺寸拟定。

（三）溢流坝剖面的设计。

（四）重力坝的应力校核计算。

（五）重力坝的稳定校核计算。

（六）大坝的构造（分缝、止水、廊道系统）。

（七）坝基处理（坝基处理的技术）。

二、重力坝的工作原理（一）重力坝定义：依靠自身的重量产生的抗滑力维持其稳定性的坝。

（二）重力坝的基本剖面：呈三角形，上游面通常是垂直的或稍倾向上游的三角形断面。

（三）受力特点：主要依靠坝体的重量，在坝体和地基的接触面上产生抗滑力来抵抗库水推力，以达到稳定的要求。

（四）受力简图：可视作倒置的悬臂梁。

三、重力坝的优点及缺点（特点）（一）优点1.安全可靠。

剖面尺寸较大，抵抗水渗漏、洪水漫顶，地震、战争破坏的能力比较强，因而失事率较低。

2.对地形、地质条件适应性强。

坝体作用于地基的压应力不高，所以对地质条件的要求也较低，低坝甚至可修建在土基上。

3.枢纽泄洪容易解决，便于枢纽布置；施工导流方便，便于机械化施工。

4.结构作用明确，应力、稳定计算比较简单。

（二）缺点1.剖面尺寸大，水泥石料等用量多。

2.坝体应力低，材料强度不能充分发挥。

坝体不同区域应采用不同强度等级和耐久性的材料.3.扬压力影响大，对稳定不利。

会减轻坝体的有效重量，对坝体的稳定不利，因此要采取有效措施减小扬压力。

4.砼体积大，温控要求较高。

易产生温度裂缝四、重力坝的荷载及组合（一）重力坝的荷载作用于得力坝的主要荷载有：①自重；②静水压力；③扬压力；④动水压力；⑤冰压力；⑥泥沙压力；⑦浪压力；⑧地震力；⑨土压力等。

（二）重力坝的荷载组合1.基本荷载组合：1）坝体及设备自重； 2）正常蓄水位或设计洪水位时的静水压力； 3）对应于（2）的扬压力； 4）於沙压力； 5）相应的浪压力（50年一遇风速）； 6）土压力；7）冰压力（不能和浪压力重和）。

2.特殊荷载组合特殊一（校核洪水情况）：1）坝体及设备自重； 2）校核洪水位时的静水压力； 3）对应于 2）的扬压力；4）相应的浪压力（多年最大平均风速）； 5）动水压力； 6）土压力、淤沙压力。

水工建筑物重力坝应力总结分析

水工建筑物重力坝应力总结分析

b2
b1m
a1 y
c2
c1m
1 2
b1 y
;
d2
1 3
c1 y
坝内应力计算 4）坝内主应力
求得任意点的三个应力分量бx、бy和以后，即
可计算该点的主应力和第一主应力的方向
1
x
2
y
y
2
x
2
2
2
x
2
y
y
2
x
2
2
1
1 arctg 2
2 y
x
坝内应力计算
在坝体内部， 其实应力分布 还是比较复杂 的，右图给出 了各种应力的 分布情况：
2u pu
2d pd
各符号意义见图 返回
边缘应力计算（续）
5）有扬压力的边缘应力计算：
❖思考：
上面的计算显然都没 有涉及扬压力，但很显然， 对于重力坝来说扬压力是 一个非常重要的荷载，请 思考如果考虑扬压力，边 缘应力应该怎么计算？
材料力学法（续）
4. 坝内应力(internal stress)计算
1）垂直正应力(vertical normal stress):
因为假定бy按直线分布，所以可按偏心受压公式计算上
、下游边缘应力бyu和бyd 。
yuBW (kPa6B)kPa6) M
B B2
ΣW―作用于计算截面以上全部荷载的铅直分力的
总和(kN);
ΣM―作用于计算截面以上全部荷载对截面垂直水
在各种荷载组合下(地震荷载除外)，坝基
面的最大竖向正应力бymax应小于坝基容许压
应力(计算时分别计入和不计入扬压力)；最
小竖向正应力бymin应大于零(计算时应计入

第4节 重力坝应力分析剖面设计与材料及构造

第4节 重力坝应力分析剖面设计与材料及构造

施工期 下游坝趾垂直应力允许有小于0.1MPa的拉应力
重力坝坝体应力 运用期 当计入扬压力时，上游面的垂直应力不允许出现拉应力。 坝体最大主压应力应不大于混凝土的允许压应力值 地震荷载下，坝踵的垂直应力应满足SL203(水工建筑物抗 震设计规范)要求
施工期
（1）坝体任何截面上的主应力不大于砼的容许压应力 （2）坝体的下游面允许有不超过 0.2MPa的主拉应力
2 u pu pvu 2 d pd pvd
第二主应力为0
(1-30') (1-31')
当没有泥沙压力和地震动水压力时，puv=pu,pud=pd，
考虑扬压力时的主应力计算 Fy 0
方向向下为正，将所有力在Y方向进行分解可得
pu ( dx sin u ) sin u -( yu +pvu )dx [( 1u +pvu )dx cos u ] cos u =0
dx t u pu yu pu yu m1 上游坝坡系数 dy
同理，下游面：
t d yd pd m2 下游坝坡系数
4.3上游边缘水平正应力
上游边缘,方程应仅包括欲求xu： Fx 0
pu dy xu dy t u dx 0
② 材料分区：根据坝内应力情况，确定坝体材料分区， 大应力区采用高砼标号，小应力区采用低砼标号，以 充分利用砼强度
③ 确定局部应力并配筋：计算坝体局部结构物（闸墩、 导墙等）处的应力，以校核局部强度
二、 应力分析的方法 ①模型实验法：费钱费事，对中小型工程不适用 ②光测法：偏光弹试验和激光全信息试验，主要解决 弹性应力问题 ③脆性材料电测法：破坏性试验，如地质模型试验； ④材料力学法：历史最久、应用最广、最简便、是 重力坝规范规定采用的计算方法 ⑤弹性理论差分法：力学模型OK，数学解法采用 近似的差分格式 ⑥弹性理论有限元法：其在力学模型上是近似的， 数学解法上是严格的。它是一种综合能力很强的 计算方法（大中型工程应用较多）

河海大学水工建筑物重力坝PPT课件

河海大学水工建筑物重力坝PPT课件

7.浪压力
①成因-----空气流动，带动水体，形成波浪。 ②波浪三要素
2hl(2hm)—波高； 2Ll (2Lm) –波长； h0 (hz)—波浪中心线与静水位的距离；
a、波浪涌高2hL
2hL 0.016 Vf564D13
波浪运动不受库底影响-----------------深水波 波浪运动受库底影响，且 库水深小于临界深度Hk(Hk =(3-5 )hL)时--破碎波 水深大于临界深度Hk小于LL波浪受库底影响-浅水波
说明：
Fb1 0.07Vdi Afic Fb2 0.5ficbdi
1°冰压力对高坝可以忽略，因为一方面水库开阔， 冰易凸起破碎，另一方面在总荷载中所占比例较小；
2°对低坝、闸较为重要，它占总荷载的比重大；
3°某些部位如闸门进水口处及不宜承受大冰压力的 部位，可采取冲气措施等。
6、泥沙压力
①成因 水库蓄水后，入库水流流速降低并趋 于零，挟带的泥沙随流速减小而沉积 于坝前，其过程是先沉积大颗粒，而 后沉积细颗粒。
(如特别重要的坝、地质条件复杂、失事后影响巨大)
①地震惯性力 用拟静力法计算地震作用效应
F i a h G Ei i / g 地震作用的效应折减系数，取0.25;
G Ei 第 i坝块的坝体重量,kN；
a h 水平向设计地震加速度，根据设计烈度选取；
i
1 .4
1 4 (hi / H )4
§2-2 重力坝的荷载及其组合
一、荷载
荷载 → 作用 不随时间变化的----永久作用如自重、土压力等 随时间变化的------可变作用如水压力、扬压力、
温度、孔隙水压力等； 偶然发生的--------偶然作用如地震、校核水
位下的水压力等

重力坝应力分析

重力坝应力分析

二、重力坝的应力分析（一）重力坝应力分析的目的和方法应力分析的主要目的是：验算拟定坝体断面是否经济合理；确定坝内材料分区；为某些部位的配筋提供依据。

常用的分析方法有理论计算和模型试验两大类。

中、小型工程，一般采用理论计算方法即可。

理论计算法又包括材料力学法和弹性理论的解析法、有限元法，其中材料力学法是一种简便而较实用的方法。

（二）用材料力学法计算坝体边缘应力材料力学法通常沿坝轴线取单位宽度（1m ）的坝体作为计算对象。

坝体的最大和最小应力一般发生在上、下游坝面，所以，应首先计算坝体边缘应力。

计算简图及荷载、应力的正方向，如图1所示。

图11、水平截面上的边缘正应力yu σ 和yd σ26yu ydWM TTσσ⎧⎫⎪⎪=±⎨⎬⎪⎪⎩⎭∑∑ （6—1）式中W∑——计算截面以上所有垂直分力的代数和（向下为正），kN ；M∑——计算截面以上所有作用力对截面形心的力矩代数和（逆时针方向为正），kN ．m ；T——坝体计算截面沿上下游方向的水平宽度，m ；2、剪应力 u τ和d τ已知u τ 和 d τ以后，可根据边缘微元体的平衡条件解出上、下游边缘剪应力，见图2所示。

由平衡条件0y =∑ 可得：图2()u u y up n τσ=- （6—2） ()d y ddpm τσ=- （6—3）式中 u p 、d p ——计算截面处上、下游坝面的水压力强度（如有泥沙压力和地震水压力时也应计算在内），kPa ；n 、m ——计算截面处上、下游坝面的坡率，tan u n φ= ，tan d m φ=。

3、垂直截面上的边缘正应力 xu σ及xd σ仿照求边缘剪应力的方法，对微分单元体取0x =∑ ，可得：()()2x u u u y up p n k P a σσ=--（6—4） ()()2x d d y ddp pm k P a σσ=+-（6—5）4、边缘主应力 1u σ及1d σ由材料力学可知，主应力作用面上无剪应力，故上、下游坝面即为主应力面之一，另一主应力面与坝面垂直。

河南自考水工建筑物答案

河南自考水工建筑物答案

一、1.C 2.A 3.D 4.B 5.C 6.A 7.B 8.C 9.A 10.D 11.D 12.A 13.C 14.C 15.D 16.B 17.A 18.B 19.B 20. A 二、1.BC 2.AB 3.AD 4.ABC 5.ABCD三、1.防渗 2. 10 3.宽高比 4.棱体 5.流网法6.滤土排水 7.控制段 8.弹性地基梁法 9拱端推力 10.无压四1.扬压力 答：扬压力包括上浮力及渗流压力。

上浮力是由坝体下游水深产生的浮托力，渗流压力是在上、下游水位差作用下，水流通过基岩节理、裂隙而产生的向上的静水压力。

2.平压管答：为了减小检修闸门的启门力，在检修闸门和工作闸门之间,设置与水库连通的管道。

3.双曲拱坝答：水平和竖直向都有曲率的拱坝成为双曲拱坝。

4.防渗长度答：不透水的铺盖、板桩及底板与地基的接触线，是闸基渗流的第一根流线，称为地下轮廓线，其长度称为防渗长度。

5.弹性抗力答：弹性抗力是衬砌受力朝向围岩变形，围岩对衬砌呈现出的一种被动抗力。

五、 1.简述重力坝应力分析中材料力学方法的基本假定是什么？答：（1）坝体混凝土为均质、连续、各向同性的弹性材料。

（2）视坝段为固结于地基上的悬臂梁，不考虑地基变形对坝体应力的影响，并认为各坝段独立工作，横缝不传力。

（3）假定坝体水平截面上的铅直正应力按直线分布，不考虑廊道等对坝体应力的影响。

2.简述用拱梁分载法进行拱坝应力分析的基本原理？答：拱梁分载法是将拱坝视为由若干水平拱圈和竖直悬臂梁组成的空间结构，坝体承受的荷载一部分由拱系承担，一部分由梁系承担，拱和梁的荷载分配由拱系和梁系在各交点处变位一致条件决定。

荷载分配后，梁按静定结构计算应力，拱按纯拱法计算应力。

3.简述土石坝的各构造组成及其作用？ 答：土石坝主要由坝身、防渗体、坝顶和坝坡、坝体排水和反滤层等部分组成。

坝身的主要作用是提供满足抗渗和稳定要求的基本剖面。

防渗体的作用是控制坝体内浸润线的位置，并保持渗流稳定。

§1-3 重力坝的应力分析

§1-3 重力坝的应力分析

n 应力分析的目的Ø检验大坝在施工期和运用期是否满足强度要求Ø研究解决设计和施工中的某些问题，如：l 为混凝土强度等级分区和某些部位的配筋提供依据；l 验算坝体断面是否合理；l 为设计坝内廊道、管道、孔口、坝体分缝等提供周边应力数据。

n 应力分析的过程Ø首先进行荷载计算和荷载组合Ø然后选择适宜的方法进行应力计算Ø最后检验坝体各部位的应力是否满足强度要求。

§1-3 重力坝的应力分析一、应力分析的方法本节主要介绍：应力分析方法、材料力学法计算坝体应力、坝体和坝基的应力控制。

重力坝的应力分析方法可以归结为理论计算 和模型试验两大类，模型试验费用大，历时长， 对于中小型工程，一般可只进行理论计算。

计算 机的出现使理论计算中的数值解析法发展很快， 对于一般的平面问题，常常可以不做试验，主要 依靠理论计算解决问题。

下面对目前常用的几种 应力分析方法做一简要介绍。

㈠材料力学法材料力学法计算坝体应力，首先在坝的横剖面上截取若干个控制性水平截面进行应力计算。

一般情况应在坝基面、折坡处、坝体削弱部位（如廊道、泄水管道、坝内有孔洞的部位）以及认为需要计算坝体应力的部位截取计算截面。

㈡弹性理论的数值解法这种方法在力学模型和数学解法上都是严格的，但 目前只有少数边界条件简单的典型结构才有解答，所以， 在工程设计中较少采用。

通过对典型构件的计算，可以 检验其他方法的精确性。

因此，弹性理论的解析方法随 着计算机科学的发展，在大型工程设计中是一种很有价 值的分析方法。

㈢模型试验法目前常用的试验方法有光测法、脆性材料法和电测法。

Ø光测方法有偏光弹性试验和激光全息试验，主要解决弹性应力分析问题。

Ø脆性材料方法和电测方法除能进行弹性应力分析外，还能进 行破坏试验。

Ø近期发展起来的地质力学模型试验方法，可以进行复杂地基 的试验。

此外，利用模型试验还可以进行坝体温度场和动力 分析等方面的研究。

水工建筑物重力坝应力总结分析

水工建筑物重力坝应力总结分析
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三、 应力控制标准
(permissible stress)
混凝土容许压应力，等于其极限强度除以相应的安全系 数。
《规范》规定：混凝土的抗压安全系数在基本组合情况下 不小于4.0，在特殊组合情况下(地震情况除外)不小于3.5。 当坝体个别部位有抗拉强度要求时，可提高混凝土的抗拉标 号，抗拉安全系数不小于4.0。
材料力学法（续）
2. 荷 载 与 应 力 的 正 方 向 规 定 (Sign
convention diagram: forces,moments and shears):
y 水平力
重 力矩 力 方 向
顺河向
垂 直 力
x
荷应载力正正方方向向的的规规定定
如图所示，水如平果 力一以个逆面河的向外为法正线， 垂方直向力平以行沿与着坐重标 力轴放，心则为该正面。上正 应力规定为逆坐 标轴方向，剪应 力规定为顺坐标 轴方向。
纵缝按其布置型式可分为，铅直纵缝、斜缝 和错缝三种。
1. 铅直纵缝
这是最常采用的一种纵缝形式。缝的间距根 据混凝土浇筑能力和温度控制要求确定，一般 为15～30m。
纵缝过多， 不仅增加缝 面处理的工 作量，还会 削弱坝的整 体性。
2. 斜缝
斜缝大体上沿着第二主应力（大主压应力）方向布 置，如图所示（左：日本丸山坝；右：新安江坝）。它 是一种比较新颖的布置形式，从结构上看比较合理。
重力坝的应力状态与很多因素有关.
如：坝体轮廓尺寸、静力荷载、地基性质、 施工过程、温度变化以及地震特性等。
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二、材料力学法
(gravity method)
1. 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 基变形对坝体应力的影响，并认为各坝段独 立工作，永久横缝不传力； 假定坝体水平截面上的正应力按直线分布， 不考虑廊道等对坝体应力的影响。

水工建筑物——重力坝习题及答案

水工建筑物——重力坝习题及答案

水工建筑物——重力坝习题及答案第二章复习思考题1.结合重力坝的工作条件，分析其优缺点2.重力坝设计必须包括哪些主要内容？3.为什么扬压力对重力坝的应力及稳定均不利？4.画图表示岩基上混凝土实体重力坝设置了封闭的灌浆帷幕、排水孔幕的布置和抽排水设施时的扬压力图形。

5.为什么要进行荷载组合？什么是基本荷载和基本荷载组合，什么是特殊荷载和特殊荷载组合？6.重力坝抗滑稳定计算公式有哪几种？试比较各公式的基本理论、优缺点和适用条件。

7.提高重力坝抗滑稳定性有哪些措施？8.重力坝应力分析的目的是什么？9.重力坝应力分析的材料力学有哪几条基本假定？10.用材料力学法计算重力坝应力，其强度标准是什么？11.重力坝为什么要分缝？需要分哪些缝？12.纵缝有哪几种？各有什么优缺点？13.廊道有哪些作用？如何确定各种用途廊道的形式、尺寸和位置？布置廊道系统的原则是什么？14.坝身排水孔的作用是什么？距上游坝面的距离、孔距如何确定？15.重力坝对地基有哪些要求？为什么有这些要求？这些要求与天然地基的条件之间有哪些矛盾？16.试述重力坝固结灌浆的目的、设计内容、原则和方法。

17.试述重力坝防渗帷幕灌浆的目的、设计内容、原则和方法。

综合测试1.扬压力即为：（A）渗透压力；（B）浮压力；（C）渗透压力和浮压力之和；（D）渗透压力减去浮压力。

2.基本荷载是：（A）出现机会较多的荷载；（B）出现机会较少的荷载；（C）出现机会较多的荷载和出现机会较少的荷载之和；（D）基本荷载和一种或几种特殊荷载。

3.摩擦公式认为：（A）坝体与坝基为胶结状态；（B）坝体与坝基为接触状态；（C）坝体与坝基为连接状态；（D）坝体与坝基为作用状态。

4.材料力学法假定（A）水平截面上的垂直正应力呈曲线分布；（B）水平截面上的垂直正应力呈均匀分布；（C）水平截面上的垂直正应力呈不均匀分布；（D）水平截面上的垂直正应力呈直线分布。

5.应力的控制标准是：（A）上游坝基面垂直正应力（计入扬压力）大于零；（B）上游坝基面垂直正应力（计入扬压力）小于零；（C）上游坝基面垂直正应力（计入扬压力）等于零；（D）上游坝基面垂直正应力（计入扬压力）不为零。

水工建筑物重力坝答案汇总

水工建筑物重力坝答案汇总

水工建筑物重力坝答案汇总水工建筑物是指那些主要用于水利工程建设的大型工程结构，其中最为重要的一个部分就是重力坝。

本文将针对水工建筑物中的重力坝相关问题进行汇总，包括其定义、特点、设计、施工等方面，希望可以为读者提供参考和帮助。

什么是重力坝？重力坝是指一种河流、水库等填筑物质的大型水利工程，通过填筑河床两岸、水库底部及善后工作面，形成坝体阻挡水流，达到水利工程的阻挡、引导、调节、利用的目的。

重力坝是依靠其自身重力来抵抗水压和外力破坏的一种坝类型，常见于较小的河流和上游的小型水库。

重力坝的特点重力坝的主要特点如下：•坝体重量大，抵抗水压稳定性好；•体积大，输送材料量大；•底部宽度大，必须在石基上建造；•技术成熟，施工简单；重力坝的设计重力坝的设计中，需要考虑以下因素：1. 坝址地质条件坝址地质条件是重力坝设计中最基本的考虑因素，包括地形、地貌和地质构造等地质特征。

这些因素会影响坝体的质量、稳定性及其抵御水压和重量的能力。

2. 坝体形状和高度坝体的形状和高度也是影响重力坝设计的主要因素之一，通常可采取弧形、直线形和混合形等形状。

同时，根据坝的高度而定，确定坝顶与坝底宽度。

3. 垂直和水平受力重力坝的设计需要考虑坝体在垂直方向和水平方向上的受力情况，包括水压、自重、温度变化和震动等外力作用。

4. 水文特征重力坝的设计也需要考虑所处水库或河流的水文特征，包括流域水文气象、汛期特征和洪水浪特征等，以便预测所处环境下的水文情况。

5. 施工场址施工场址的选择也是重力坝设计中的重要考虑因素，包括交通便利性、天气条件和建设难度等。

重力坝的施工重力坝的施工需要先选定坝址、确定坝形及高度，采用适当的施工方法和技术配合施工。

制定合理的施工方案和施工进度是重力坝施工过程中最为重要的环节之一。

施工主要分为以下几个方面：1. 坝体开挖在选定坝址和确定坝体开挖深度后，进行大面积的挖掘；2. 石方开采石方是重力坝施工的主要材料，需要根据各自的质量、大小和地质位置等因素进行开采。

重力坝应力分析例题

重力坝应力分析例题


400(KN )
距O点：
20.25 1 4 18.92(m) 3
③水平水压力：
上游：
P

1 2

w
(50 10)2
8000(KN )
距O点高： 1 (50 10) 13.33(m) 3
下游：
P

1 2

w
(15 10)2
125(KN )
距O点高：
1 3
(15
①自重：分为三块：
W1

4
(30
10)

960(KN )
距O点： 20.25 2 4 17.58(m) 3
W2 c 5 (60 10) 6000 (KN )
距O点： 20.25 4 2.5 13.75(m)
W3

c

1 2
((55 10) 0.7) (55 10)
(1)计算荷载大小；
(2)画出荷载分布图，标出荷载作 用的位置。
(3)已知接触面的抗剪断参数 f′=0.9、C′=700kPa，抗滑稳定 安全系数允许值[Ks]=3.0，试用 抗剪强度公式求Ks并判别是否满 足抗滑稳定要求。
解：（1）建基面顺水流向总长度：
排水孔距坝底中心O点的距离： 40.5 7 13.25(m) 2
10)
1.67(m)
④扬压力：
U1 H 2T 1 10 5 40.5 2025 (KN ) 距O点0（m）
U 2 H 7 1 10 0.3 35 7 1 735(KN )
距O点：20.25-3.5＝16.75（m）
U3

水工建筑物第六章 重力坝剖面设计构造地基处理PPT课件

水工建筑物第六章 重力坝剖面设计构造地基处理PPT课件
Δh设、Δh校按（6-26）式分别计算。
当坝顶设防浪墙时，对1、2级坝，在可能最大洪水情况下， 坝顶高程不得低于相应的静水位，防浪墙顶高程不得低于 波浪顶高程。
10
图6-25为典型的坝顶结构图。 ➢ 由于布置上的要求，有时需将坝顶部分地伸出坝外(图6-25 a)；
➢ 当要求的坝顶较宽时，也可做成桥梁结构型式（图6-25 c）。
31
溢流剖面设计：
① 堰顶上游堰曲线（a0段）：一般采用三 心园曲线或椭圆。
② 下游0b曲线：一般采用WES曲线或克— 奥曲线。
WES曲线：Xn=K(Hd)n-1y Hd为定型设计水头，一般取堰顶上最大水 头的75% ～ 95%。 K、n为与上游堰面倾斜坡度有关的系数。 当坝面垂直， k=2 、 n=1.85; 当坝面倾斜， k=1.936 、n=1.836
32
③ bc直线段：坡度与一般非溢流坝一致。
④ cd为反弧段：应使水流平顺进入下游 消能段。
反开时，反弧段最低点水深，
可按能量方程求解。
⑤ de为挑流消能段：由溢流坝下游消能
型式确定。
若为挑流消能，挑坎末端挑角：250 ～ 300 。
挑坎末端高程：高于下游最高尾水位或与下游
4
三、实用剖面 实用剖面：考虑运行要求和其它荷载影响，对基本剖面
进行修改之后的剖面。 从理论上讲，基本剖面虽然经济，但不实用，因为 ： 1°坝顶不能是一个尖顶，不便于施工、运行管理和交通。 2°坝高不能刚好与水位齐平，必须有一定的超高。 3°厂房坝段需设闸门和拦污栅，希望上部做成垂直的。
5
非溢流重力坝实用剖面：常见的有三种形式，即上游 面为铅直的、倾斜的或部分倾斜的。
（1）铅直上游坝面（实用剖面（1）） 优点：便于布置和操作坝身过水管道进口控制设备。 缺点：经济性不明显。 适用：坝基fˊ、c ˊ 较大，剖面由应力条件控制。 （2）上游坝面上部铅直、下部倾斜 （实用剖面（2）） 优点：利用部分水重增加坝的稳定性，上部仍能便于管
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T——计算截面沿上下游方向的宽度。
从图6-17可知，
M eW
代入下式
y

W T

6M T2

y

W T

6M T2

这个关系式说明： 水平截面的宽度T的中间三分之一是
可得：
当e



T 6
时，
y



0；
“截面核心”，当合力R作用线交于“截 面核心”以内时，上下游边缘的垂直正 应力均为正值，即压应力； 当合力R作用线交于“截面核心”以外 时，靠近交点一侧的边缘上垂直正应力
1


y
psin 2
cos2 u
u
(1 tg2u ) y ptg2u
(1 n2 ) y pn2
同理可得
1 (1 m2 ) y pm2
显然另一主应力即为作用在坝面上的压力强度，分别为：
2 p
2 p
(6)坝体内部应力：用材料力学法计算重力坝的应力时，一般可只计算
边缘应力，如要计算坝体内部应力，可粗略地用内插法，即
① 假定σy 、σx呈直线分布（此假定对坝体上部基本上是正确的）； ——σx呈直线分布是根据具体计算得知而简化的
② 对于τ的分布，可用抛物线连接边缘剪应力，使总的水平向剪应力等于
计算截面以上总的水平荷载。即

pdx dy
y
dx dy
( p y )n
同理可得
( y p)m
式中pˊ、 p〞——分别为计算截面处上下游坝 面的水压力强度（如有泥沙压力和地震动水压力 时也应计算在内）。
n、m ——为上下游坝面坡度，n=tgφu， m=tgφd；注意：上游坝面倾向上游时， n为正， 反之为负；下游坝面倾向下游时， m为正。 φu、φd—分别为上下游坝面与铅直面的交角。
(3)边缘水平正应力 σxˊ 和σx〞 （不考虑扬压力）
对于上游坝面A的微元体，取ΣFx =0得：
x dy dx pds cosu 0
x

p
dx dy
p ( p y )n 2
同理可得
x p ( y p)m2
材料力学公式求得该点的主应力σ1、 σ2和第一主应力方向
φ1。
1 x y ( y x )2 2
2
2
2
1

1 2
arctg(

2 y x
)
式中：φ1以顺时针方向为正， σy>σx,自 铅直线量取； σy<σx,自水平线量取。
画主应力矢量图：用“+”字矢量表示各点的主应力大小与
材料力学法结果
准确结果
满库时，当Ec/Er趋于很小时，即地基非常坚硬时，在坝踵及坝趾的σy均
为拉应力，而截面中部的压应力比材料力学法的计算成果（图中虚线表 示）有较大的增加；
当Ec/Er≈1时，下游坝趾的σy有应力集中的趋势； 当Ec/Er趋于很大时，即地基弹性模量很低时， σy不仅在坝趾出现显著
水工建筑物
赖国伟
2020年3月1日
第四节 重力坝的应力分析
重力坝应力分析目的及意义 重力坝应力分析的计算方法 应力分析的材料力学法 各种因素对坝体应力的影响 应力控制标准
第四节 重力坝的应力分析
一、应力分析的目的与方法 1. 目的：
➢ 检验坝体在施工期和运用期是否满足强度方面的要求。 ➢ 为布置坝身材料(如混凝土分区)提供依据； ➢ 为坝体的某些部位（如孔口、廊道等）配置钢筋提供依据。 ➢ 为改进结构型式和科学研究提供依据。
3、边缘应力计算
作用力与应力的正方向规定：如右图所示。 ① XY坐标系原点放在下坝面，X坐标轴指向
上游，Y坐标轴向下为正； ② 取水平外力以指向上游为正，铅直外力以
向下为正，力矩以反时针方向为正； ③ 正应力以压为正（与弹力符号相反），剪
应力以微分体的拉伸对角线在一、三象限 为正（与弹力符号相同）。 为便于区别，上下游边缘应力分别用上标 “′” 和“″”加以标注。
(1)水平截面上的边缘垂直正应力σyˊ 和σy 〞（不考虑扬压力）
假定任一水平截面上的垂直正应力σy呈直线分布，可用材料力学偏心 受压公式计算。
y

W T

6M T2

y

W T

6M T2

式中：
ΣW——作用在计算截面以上全部荷载的铅直分力总和。 ΣM——作用在计算截面以上全部荷载对截面形心的力矩总和。
2. 分析方法：
➢ 材料力学法——规范使用，重点讲解。 ➢ 数值方法——有限元法、块体元法、流形元法——没有控制标准。 ➢ 模型试验法
（计算时：计算方法＋参数＋标准——要配套）
二、应力分析的材料力学法 1、基本假定： （1）坝体材料为均质、连续、各向同性的弹性材料。 （2）坝段为固结于地基上的悬臂梁，各坝段独立工作，横缝不
x ( p pu ) ( p pu y )n2
令pu 〞为下游边缘的扬压力强度，同理可得：
( y pu p)m
x ( p pu) ( y pu p)m2
上游边缘主应力为：
力的作用 ） 。
T——计算截面沿上下游方向的宽度。
求出边缘正应力σyˊ 和σy 〞后， 其他边缘应力仍可根据坝面微元 体的平衡条件求得，以上游边缘 应力为例（图6-16）。
令puˊ为上游边缘的扬压力强度， 由ΣFy =0和ΣFx =0的平衡条件
可得：
( p pu y )n
1

(1
n2
)
y
( p
pu
)n 2

2 p pu

下游边缘主应力为：
1 (1 m2 ) y ( p pu)m2
2 p pu
☞当无泥沙压力和地震动水压力时， pˊ、 p〞即为作用在坝
面上的静水压力强度，且等于puˊ 、 pu 〞 ，上述公式中 （pˊ -puˊ）和（p〞- pu 〞）均为零。
T
∑P——用应力计算时的
dx P 符合规定，指向上游为正 （与推导稳定计算公式中
0
故有
的∑P指向规定相反）。
a1 b1x c1x2
其中
a1
b1


2 T
(


2


3
T
P
)
c1

3 T
(



2 P)
T
坝内主应力
求得把内各点的三个应力分量σy、τ、σx后，可根据
有限元法计算混凝土重力坝上游垂直应力时，控制标准为：
（1）坝基上游面
计扬压力时，拉应力区宽度宜小于坝底宽度的0.07倍（垂直拉应力分布 宽度/坝底面宽度）或坝踵至帷幕中心线的距离。
（2）坝体上游面
计扬压力时，拉应力区宽度宜小于计算截面宽度的0.07倍或计算截面上 游面至排水孔（管）中心线的距离。
1


y
psin 2
cos2 u
u
(1 tg2u ) y ptg2u
(1 n2 ) y pn2
分析：由上游边缘主应力σˊ计算式（上式）可以得出，当上游坝面 倾斜，即n>0时，即使σyˊ ≥0，如果σyˊ < pˊ sin2φu，上游坝面主应 力σˊ仍会成为拉应力。因此重力坝的上游坝面坡度n一般都取得很
当e


T
时，
6

为压应力，远离交点一侧边缘上的垂直
0。 正应力为拉应力。
y
这个概念对重力坝的设计十分重要。
(2)水平截面上边缘剪应力 τˊ 、 τ〞 （不考虑扬压力）
对上游坝面A点三角形微元体，根据力的平衡条件ΣFy =0，得
pds sin u dy ydx 0
方向， 表示拉应力， 表示压应力，矢量长度代表主应力的
绝对值。
（应力是矢量）
三、非荷载因素对坝体应力的影响 1、地基变形对坝体应力的影响
材料力学法中假定任何水平截面在变形后仍保持为平面。 坝底面不可能呈平面变形，坝下部用材料力学法计算误差大：
地基变形使坝底面以上约1/3～1/4坝高范围内的应力分布与材料力学法 的计算结果有较大的差别，其中以坝底面的差别最大。
(4)边缘主应力σˊ 和σ〞 （不考虑扬压力）
因主应力作用面上无剪应力，故上下游坝面即为主应力面之一（水库淤 沙内摩擦角为零条件下），而另一主应力面必然与坝面垂直。
为求边缘主应力，取如图6-16（c）所示的三角形微元体，由作用在上游 坝面微元件上力的平衡条件ΣFy =0可得σˊ 。
1dx cosu cosu pdx sin u sin u y dx 0
传力。 （3）地基的变形对坝体的应力没有影响。 （4）水平截面上的垂直正应力呈直线分布（平面假定）。
2 、计算单元、计算截面
（1）计算单元：沿坝轴线方向，取单位坝宽 为计算单元。（对溢流坝段，取一个坝 段为计算单元。）
（2）计算截面：在计算单元的横剖面上，截 取若干个控制性水平截面进行应力计算。
☞一般选取坝基面、上下游折坡处、坝体削弱 部位（廊道部位等）以及需要计算坝体应 力的部位。
小乃至为零，以防上游坝面出现主拉应力。（上游坝坡越缓，Φu越 大， sin2φu越大， σˊ可能为负，出现拉应力。因此上游坝坡坡角 Φu不宜过大，亦即上游坝坡n不宜过大。）
对下游坝面，因p〞较小，故下游坝坡m可较大。
(5)有扬压力时边缘应力的计算
以上所列边缘应力的计算公式均未计入扬压力的影响，对于刚建成的或 刚开始蓄水的坝，在坝体内或坝基中尚未形成稳定渗流场时，若要考虑 坝踵和坝趾的应力状态则利用上述公式计算（可以不考虑扬压力 ）。