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第2章重力坝

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21central_水利工程概论 第二章 大坝

21central_水利工程概论 第二章 大坝
专门性水工建筑物：为水利工程中某些特定单项任务而设置的 建筑物。如下所列：
a) 水电站建筑物，如前池、调压室、压力水管、水电站厂房； b) 渠系建筑物，如节制闸、分水闸、渡槽、沉沙池、冲沙闸 ； c) 港口水工建筑物，如防波堤、码头、船坞、船台和滑道 ； d) 过坝设施，如船闸、升船机、放木道、筏道及鱼道等。
2）按结构和力学特点分为：重力坝、拱坝、支墩坝等 坝型。 重力坝包括实体重力坝、宽缝重力坝、空腹重力坝等； 拱坝包括单曲拱坝、双曲拱坝、重力拱坝等； 支墩坝包括大头坝、连拱坝、平板坝等；
我国大坝之最 (1)
1912年 云南螳螂川上的石龙坝水电站建成，为中国大陆最早的水电站。 1954年 安徽霍山的佛子岭水库竣工。坝体高74.4m，为中国第一座混凝土连拱坝。 1956年 安徽金寨建成梅山水库，坝高88.24m，为中国最高的混凝土连拱坝。 1960年 浙江建德新安江水电站，中国第一座自己勘测、设计、施工和自制设
水利枢纽的规划、设计、施工和运行管 理应尽量遵循综合利用水资源的原则。
1.1 水工建筑物分类
按功用分
挡水建筑物 泄水建筑物 输水建筑物 取水建筑物 整治建筑物 专门性水工建筑物
按使用期限可分
永久性建筑物 临时性建筑物
挡水建筑物
挡水建筑物--用以拦截江河，雍高水位或形成水库，并可承受 一定水头作用的建筑物，如各种类型的坝和水闸；以及为抗御 洪水或挡潮，沿江河海岸修建的堤防、海塘等。
②水利工程对地基的要求比较严格，工程又常处于地质条件比较复杂 的地区和部位，地基处理不好就会留下隐患，事后难以补救，需要采取 专门的地基处理措施。
③水利工程多在河道、湖泊、沿海及其他水域施工，需根据水流的自 然条件及工程建设的要求进行 施工导流、截流及水下作业。

重力坝的剖面详图

重力坝的剖面详图

剖面选择：对中、低重力坝可以采用工程类比法，参照类 似的已建工程，拟定坝体剖面尺寸，然后对坝体控制截面 进行强度和稳定验算，并根据计算结果进行调整，直到满 足设计要求为止
第三节 重力坝的荷载及组合
• 重力坝的荷载
–作用于重力坝的主要荷载有：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 温度及其他荷载
坝顶布置
● 坝顶结构布置的原则：安全、经济、合理、实用。 ●坝顶结构型式：坝顶部分伸向上游；坝顶部分伸向下 游，并做成拱桥或桥梁结构型式；坝顶建成矩形实体结构， 必要时为移动式闸门启闭机铺设隐型轨道。 ● 坝顶排水：一般都排向上游。 ● 坝顶防浪墙：高度一般为1.2m，厚度应能抵抗波浪及 漂浮物的冲击，与坝体牢固地连在一起，防浪墙在坝体分 缝处也留伸缩缝，缝内设止水。
非溢流重力坝剖面设计
重力坝的基本断面一般是指在水压力(水位与坝顶齐平) 、自重和扬压力等主要荷载作用下，满足稳定、强度 要求的最小三角形断面。 • 一、设计原则 1、满足稳定和强度要求 2、工程量少 3、便于施工 4、运用方便
基本剖面
因为作用于上游面的水压力呈三角形分布,所 以重力坝面是三角形。 当a>90时，即上游面为倒坡。库空时，三角形重 心可能超过底边三分点在下游面产生拉应力，而 且倒坡不便施工。 当a<90时，利用水重帮助稳定。但角度太小时， 库满时合力可能超过底边三分点（偏下游）在上 游面产生拉应力。上游面坡度越缓，第一主应力 越易成为拉应力，故a角不宜太小。
第二章 重力坝
第一节 概述
• 对坝的认识
1-非溢流重力坝； 2-溢流重力坝； 3-横缝； 4-导墙； 5-闸门； 6-坝内排水管； 7-检修、排水廊道； 8-基础灌浆廊道； 9-防渗帷幕； 10-坝基排水孔

(完整版)第二章重力坝自测题及答案

(完整版)第二章重力坝自测题及答案

第二章重力坝自测题一、填空题1.重力坝是指。

其坝轴线一般为直线，垂直于坝轴线方向设，将坝体分成若干个坝段，每一个坝段相当于固接于地基上的。

2.坝高是指之间的高度。

3.重力坝按坝高可分为、、三类。

按泄水条件可分为、。

按坝体结构形式可分为、、和。

4.重力坝承受的主要荷载是呈三角形分布的，控制坝体剖面尺寸的主要指标是、，重力坝的基本剖面是形。

5.挑流消能一般适于。

挑射角度一般为20°~25°。

若挑射角度加大，增大，且加深。

6.非溢流坝的坝顶或防浪墙顶必须高出库水位，其高出库水位的高度为：△h=hl +hz+hc,其中hl表示，hz表示，hc表示。

7.表示地震对建筑物的影响程度。

越大，表示对建筑物的破坏越大，抗震设计要求越高。

8.按承载能力极限状态设计时，应考虑和两种作用效应组合。

9.按正常使用极限状态设计时，应考虑和两种作用效应组合。

10.溢流坝既是，又是。

因此，坝体剖面设计时除满足稳定和强度要求外，还要满足的要求，同时要考虑下游的消能问题。

11.溢流坝的溢流面由顶部的、中间的、底部的组成。

12.不设闸门时，溢流坝的坝顶高程等于水库的水位。

13.单宽流量的大小是溢流坝设计中一个很重要的控制指标。

如果单宽流量越大，对不利，但对有利。

14.溢流坝段的横缝有两种布置方式。

其中，横缝布置在时，相邻坝段产生的不均匀沉陷不影响闸门启闭，但闸墩厚度。

另一种形式，横缝布置在，闸墩比较薄，但受地基不均匀沉陷的影响大。

15.闸墩的断面形状应使，减小水头损失，墩头的形状常用、、等。

16.重力坝的泄水孔按其作用分为、、、、灌溉孔和放水孔。

按水流的流态可分为、。

17.有压泄水孔的工作闸门布置在处，检修闸门布置在。

无压泄水孔的工作闸门布置在处，检修闸门布置在。

18.重力坝的坝体防渗是采用。

19.工作闸门常在中启闭，检修闸门在中启闭，事故闸门常在中快速关闭，在中开启。

20.通气孔的上端进口不允许设在内，自由通气孔的上端进口应高于。

第二章重力坝

第二章重力坝

第二章岩基上的重力坝教学要求：掌握重力坝的工作原理和工作特点，了解重力坝的分类；掌握作用在重力坝上荷载的种类和计算方法（特别是自重、水压力、扬压力、浪压力），掌握重力坝的荷载组合类型和方法;掌握坝体稳定及强度分析方法和控制标准；掌握非溢流重力坝剖面拟定方法；掌握溢流重力坝剖面设计、孔口拟定、消能设计方法，掌握岩石地基的处理措施；了解重力坝材料、构造和混凝土分区的依据。

第一节概述重力坝是一种古老而又应用广泛的坝型，它因主要依靠坝体自重产生的抗滑力维持稳定而得名.通常修建在岩基上，用混凝土或浆砌石筑成。

坝轴线一般为直线,垂直坝轴线方向设有永久性横缝，将坝体分为若干个独立坝段，以适应温度变化和地基不均匀沉陷，坝的横剖面基本上是上游近于铅直的三角形。

如图2-1所示.一、重力坝的工作原理及特点重力坝的工作原理是在水压力及其他荷载的作用下，主要依靠坝体自身重量在滑动面上产生的抗滑力来满足稳定要求；同时也依靠坝体自重在水平截面上产生的压应力来抵消由于水压力所引起的拉应力，以满足强度要求。

与其他坝型比较,其主要特点有：⑴ 结构作用明确，设计方法简便.重力坝沿坝轴线用横缝将坝体分成若干个坝段，各坝段独立工作,结构作用明确，稳定和应力计算都比较简单。

⑵泄洪和施工导流比较容易解决。

重力坝的断面大,筑坝材料抗冲刷能力强，适用于在坝顶溢流和坝身设置泄水孔。

在施工期可以利用坝体或底孔导流。

枢纽布置方便紧凑，一般不需要另设河岸溢洪道或泄洪隧洞。

在意外的情况下，即使从坝顶少量过水，一般也不会招致坝体失事，这是重力坝最大的优点。

⑶结构简单，施工方便，安全可靠。

坝体放样、立模、混凝土浇筑和振捣都比较方便,有利于机械化施工.而且由于剖面尺寸大,筑坝材料强度高，耐久性好，因此抵抗水的渗透、冲刷，以及地震和战争破坏的能力都比较强,安全性较高。

⑷对地形、地质条件适应性强.地形条件对重力坝的影响不大，几乎任何形状的河谷均可修建重力坝。

由于坝体作用于地基面上的压应力不高,所以对地质条件的要求也较低。

第二章 重力坝重力坝坝身泄水孔-全文可读

第二章 重力坝重力坝坝身泄水孔-全文可读
作用：预泄水库、排沙、导流、发电供水 工作条件：孔内流速高，易引起空蚀、闸门振动， 孔道体形设计重要；深水闸门水压力大、启闭力大 ，门体结构、止水、启闭设备复杂，检修不便 类型：
◆ 1）按所处高度分：中孔、底孔 ◆ 2）按布置层数分：单层、双层 ◆ 3）按流态分：有压、无压
◎一、概述
有压孔——泄流时孔内保持满流有压
◎二、坝身泄水孔布置
进口高程：满足泄洪要求下尽量高些， 减小门压力和洞长，具体而言：
◆ 灌溉孔应与灌区在同一侧▽孔进口根据▽坝 后渠首确定，或根据泥沙、水温情况分层 设进水口
◆ 发电进水口应根据发电和泥沙要求确定 ，一般设于水库最低水位以下一倍孔口 高度处，并高程最终泥沙高程1m以上。
◆ 排沙孔尽量靠近电站、灌溉进水口 ◆ 放空、导流孔进口一般较低
◎三、有压泄水孔
4）通气孔
作用：检修前，检修门闭 工作门开启放水时，向孔内补气 ◆ 断面积：
– 一般=泄水孔断面积的0.5%-1% – 并大于平压管、检修排水管的断面积 – 通气孔进口须与大气连通，并与启闭机室分开。
◎三、有压泄水孔
5）平压管
◆ 作用：检修完毕提起检修门前向 二门间充水，平衡检修门前水压 减小启门力 ◆ 管径d由管流公式确定：
◎三、有压泄水孔
• 组成：进口段（进口曲线段、闸门槽 段、渐变段、平压管、通气孔）洞身段 、出口段
1 进口段曲线：
◆ 进口曲线段—椭圆or圆弧
– 椭圆长轴水平or上倾约12度 – 顶曲线：A=h（孔高or孔径 – 侧曲线：A=B（孔宽） – 圆弧半径：R>2D
◎三、有压泄水孔
2）闸门槽段
◆ 矩形锐缘闸门——适于V<10m/s ◆ 矩形收缩形门槽——适于v大时 ◆ 门槽形式尺寸

第二章 3 重力坝---RCC

第二章 3 重力坝---RCC

1、主要施工技术
江垭大坝施工通过国际竞争性招标，由辽宁省水利水电工程 局和意大利孔多特公司组成的联营体中标。在碾压混凝土施 工中注重解决两个问题： (1)把碾压混凝土层间间隔时间控制在混凝土初凝时间以内， 以保证层间结合质量； (2)加快施工速度，提高施工效率，以充分发挥碾压混凝土 施工优势。
(1)大坝混凝土运输
四、设计
原则上讲，碾压混凝土适用于各种大体积混凝土坝型。但 已建的多为碾压混凝土实体重力坝（少数为碾压混凝土拱 坝），既有非溢流坝，也有溢流坝。按照碾压混凝土在坝 身的位置以及是否采用常规混凝土和如何采用，碾压混凝 土重力坝剖面设计可考虑三种典型布置及相应的填筑方法。
一般而言，碾压混凝土坝的设计应尽量简化结构。 在既定剖面布置、材料分区、强度指标以及坝与地基之间 连结方式和防渗措施的前提下，应力分析、强度和稳定校 核等设计计算的具体方法与常规混凝土坝完全一样。但是， 采用的强度指标较常规混凝土坝低，实用的抗滑稳定安全 系数较大。
斜层平推铺筑法
斜层坡度、升程高度和碾压层厚度是斜层平推铺筑法的三个 主要参数，通过选择合适的参数，达到层间间隔时间控制在 碾压混凝土初凝时间之内的目的。在江垭工程中，碾压层的 倾斜坡度在1：10～1：20之间，一次连续浇筑高度为3m， 碾压层厚度为30cm；斜层平推的方向平行坝轴线，从右岸 到左岸进行斜层浇筑。大坝164m至176m高程正式采用斜层 浇筑法，176m至191m高程之间为中孔部位，仓面很小，使 用斜层浇筑法的优势并不明显，同时专家反对，于是中孔部 位仍采用通仓薄层浇筑法。后经对采用斜层浇筑法浇筑的碾 压混凝土进行了钻芯取样和压水试验，并将检测和试验成果 与通仓薄层浇筑法进行了比较，发现斜层浇筑法与平层浇筑 法浇筑的碾压混凝土施工质量总体上处于同一水平，某些指 标优于平层浇筑法。故在大坝高程191m以上继续采用斜层 铺筑法。

第2章重力坝

第2章重力坝

第二章岩基和的重力坝第一节概述图2.1 混凝土重力坝示意图一、重力坝的工作原理及其特点1、工作原理①利用自重在坝基面产生的摩擦力以及坝与地基间的凝聚力来抵抗水平水压力而维持稳定②利用自重引起的压应力来抵消由水压力产生的拉应力2、工作特点①断面尺寸大，抵抗渗漏、漫顶破坏的能力强，在各种坝型中失事率最低②对地形地质条件适应性强③泄流问题容易解决④施工导流容易解决⑤体积大便于机械化施工⑥结构作用明确⑦因为体积大，材料强度不能充分利用⑧底部扬压力大，对稳定不利⑨因为体积大，水化热不易散发，温控要求高二、重力坝的型式(见图2.2>按作用分非溢流重力坝溢流重力坝按建筑材料分混凝土重力坝碾压混凝土重力坝浆砌石重力坝按内部结构分实体重力坝宽缝重力坝空腹重力坝三、重力坝设计的主要内容1、总体布置: 坝轴线组成建筑物的位置2、剖面设计3、稳定分析4、应力分析5、构造设计6、地基处理7、溢流坝或泄水孔设计8、监测设计第二节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.可变作用是指在设计基准期内作用的量值随时间变化与平均值之比不可忽略的作用。

作用在重力坝上的主要荷载有:坝体自重、上下游坝面上的水压力、扬压力、浪压力、泥沙压力、地震荷载及冰压力等(图2.3>.图2.3 重力坝上作用力示意图自重坝体自重是重力坝的主要荷载之一。

W=γ×A+ωω--坝上永久设备重①沿坝基面滑动，仅计坝体重量；②沿深层滑动，需计入滑体内岩体重；③用有限单元法计算时，应计入地基初始应力的影响；假定：1°地基中任一点的垂直应力σ(y>=γh2°水平应力σ(x>=λγh3°剪应力τ(xy>=0静水压力1°上游面垂直2°上游面倾斜①挡水坝段②溢流坝段3°水的容重①清水γ②浑水γ(按实际情况考虑>扬压力(含坝基和坝体内扬压力>*坝基扬压力:坝基扬压力包括两部分①下游水深引起的浮托力；②由水头差引起的渗透压力.渗透压力从上游向下游逐渐消减，其变化呈抛物线分布。

水工建筑物重力坝答案汇总

水工建筑物重力坝答案汇总

第二章重力坝答案一、填空题1。

主要依靠坝体自重所产生的抗滑力来维持稳定的挡水建筑物；横缝；悬臂梁；2。

坝基最低面（不含局部有深槽或井、洞部位）至坝顶路面3.低坝（坝高＜30m)、中坝（30m ＜坝高＜70m）、高坝（70m＜坝高）。

溢流重力坝；非溢流重力坝；实体重力坝；宽缝重力坝;空腹重力坝；大头坝等4。

静水压力；稳定；强度要求；三角；5。

基岩较坚固的中高溢流坝;挑射距离;冲坑6.波浪高度; 波浪中心线高出静水位的高度；安全超高。

7.地震烈度；烈度8。

荷载的基本组合；偶然组合9.荷载的长期组合;短期组合10。

挡水建筑物;泄水建筑物；泄水11。

曲线段; 直线段；反弧段12。

正常蓄13。

消能防冲；枢纽布置14.闸墩中间；较大;溢流孔跨中15。

水流平顺；半圆形；三角形；流线形16.泄洪孔；冲沙孔；发电孔；导流孔；有压泄水孔；无压泄水孔17.出口；进口;深孔的进口;进口.18.一层具有防渗、抗冻、抗侵蚀的砼作为坝体防渗设施。

19.动水；静水；动水；静水20。

闸门启闭室;上游最高水位21.缩小22.排水管幕;在灌浆帷幕后设排水孔幕。

23。

防止温度变化和地基不均匀沉降导致坝体开裂；横缝、纵缝24.满足灌浆；检查、排水；坝基灌浆廊道；检查和坝体排水廊道25.卵石覆盖层、风化破碎的岩层 ; 略向上游倾斜 ;足够宽度的台阶状。

26。

靠近上游坝脚；不透水层27.防渗帷幕；沉陷缝；干缩缝；温度缝二、单项选择题1、A2、C3、A 4、B5、D6、C7、B 8、C9、C 10、A 11、B三、名词解释1．扬压力扬压力是渗透压力和浮托力的总称.,扬压力是由上下游水位差产生的渗流而在坝体内或坝基面上形成的渗透力,和由下游水深淹没坝体而产生的向上的浮托力组成。

2．渗透压力渗透压力是由上下游水位差产生的渗流而在坝内或坝基面上形成的向上的压力。

3．浮托力是由下游水深淹没坝体计算截面而产生的向上的压力。

四、判断题1．╳ 2．√3．╳ 4．╳ 5．√6．╳ 7．╳ 8。

重力坝

重力坝

七、浪压力
浪压力与风速和水库吹程有关。中等高度以上 的重力坝，浪压力在荷载中所占比重较小，通 常忽略。 重力压上游面多为铅直（或接近铅直），当波 浪推进到坝前。由于坝面的反射作用产生驻波， 波高为4Ll，而波长保持不变。 具体公式见书
八、地震荷载
根据《水工建筑物抗震设计规范》地震惯性力 和地震动水压力的计算，一般采用“拟静力 法”，对高度大于150m的坝，宜进行动力分析。
rH2
P
W1
W2
软 弱 面
U1
U2
四、提高坝体抗滑稳定性的工程措 施
（1）利用水重 （2）将坝基开挖成倾向上游的斜面 （3）在坝踵下设齿墙 （4）抽水措施 （5）加固地基 （6）利用预应力
第四节 重力坝的应力分析
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。 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
第八节 重力坝的地基处理
重力坝失事有40%是因为地基问题造成的。 地基处理主要包含两个方面的工作：一是 防渗，二是提高基岩强度。
一．坝基的开挖与清理
目的：使坝体坐落在稳定坚固的地基上。 规范规定：>70m的高坝，必须建在新鲜、 微风化或弱风化的岩石上。 30—70m的中 坝，必须建在微风化或弱风化的岩石上。 同一工程中，两岸较高部位的坝段，可比 河床段适当放宽。
三、扬压力
1、坝底扬压力，形成原因：①上下游水位 差；②砼、岩石都是透水材料。 由于基岩节理裂隙很不规则，难以求出 坝底扬压力的准确分布，故通常加定扬压 力从坝踵到坝趾成直线变化。 α为扬压力折减系数与岩体的性质和构造， 帷幕深度和厚度，灌浆的质量，排水孔的 直径、间距、深度等有关。 规范规定：河床坝段α=0.2-0.3 岸坡坝段α=0.3-0.4

第二章 重力坝教案

第二章 重力坝教案

第二章重力坝教案第二章重力坝第一节概述引言：重力坝是主要依靠坝体自重所产生的抗滑力来满足稳定要求的挡水建筑物。

在世界坝工史上是最古老，也是采用最多的坝型之一。

非溢流坝剖面形式、尺寸的确定，将影响到荷载的计算、稳定和应力分析，因此，非溢流坝剖面的设计以及其它相关结构的布置，是重力坝设计的关键步骤。

本节主要介绍：重力坝的特点、重力坝的分类、非溢流坝剖面设计的基本原则、基本剖面及实用剖面图示讲解：混凝土重力坝示意图1世界上最高的重力坝我国已建的重力坝：刘家峡148m，新安江105m，三门峡106m，丹江口110m，丰满、潘家口等，其中，高坝有20余座。

其中三峡混凝土重力坝和龙滩碾压混凝土重力坝分别高达175米和216.5米。

重力坝坝轴线一般为直线，垂直坝轴线方向设横缝，将坝体分成若干个独立工作的坝段，以免因坝基发生不均匀沉陷和温度变化而引起坝体开裂。

为了防止漏水，在缝内设多道止水。

垂直坝轴线的横剖面基本上是呈三角形的，结构受力形式为固接于坝基上的悬臂梁。

坝基要求布置防渗排水设施。

一、重力坝的特点1.优点：● 工作安全，运行可靠。

重力坝剖面尺寸大，坝内应力较小，筑坝材料强度较高，耐久性好。

因此，抵抗洪水漫顶、渗漏、侵蚀、地震和战争等破坏的能力都比较强。

据统计，在各种坝型中，重力坝失事率相对较低。

● 对地形、地质条件适应性强。

任何形状的河谷都可以修建重力坝。

对地质条件要求相对较低，一般修建在岩基上，当坝高不大时，也可修建在土基上。

● 泄洪方便，导流容易。

可采用坝顶溢流，也可在坝内设泄水孔，不需设置溢洪道和泄水隧洞，枢纽布置紧凑。

在施工期可以利用坝体导流，不需另设导流隧洞。

● 施工方便，维护简单。

大体积混凝土，可以采用机械化施工，在放样、立模和混凝土浇筑等环节都比较方便。

在后期维护，扩建，补强，修复等方面也比较简单。

● 受力明确，结构简单。

重力坝沿坝轴线用横缝分成若干坝段，各坝段独立工作，结构简单，受力明确，稳定和应力计算都比较简单。

第二章 重力坝

第二章 重力坝

第一节 概述
2)按泄水条件：溢流坝(表、中、底孔)、非溢流坝
3)按结构形式：实体重力坝、宽缝重力坝、空腹重力坝
4)按地基条件：岩基上的重力坝、土基上的重力坝
第一节 概述
第一节 概述
2.重力坝的主要设计内容
1)选定坝轴线 2)剖面设计
3)稳定分析
4)应力分析 5)构造设计(廊道系统\排水系统\坝体分缝)
第三节 重力坝的抗滑稳定分析
应用上述公式时应注意的问题：
1.后者没有考虑凝聚力；
2.前者，对于相似剖面的重力坝，高坝的安全系数较中、低坝要低。
第三节 重力坝的抗滑稳定分析
二、深层抗滑稳定分析
ab滑动面
第三节 重力坝的抗滑稳定分析
滑动面为ABC，按“等K法”计算。
第三节 重力坝的抗滑稳定分析
三、抗滑稳定分析的有限单元法（二维夹层单元法）
第二节 重力坝的应力分析
一、材料力学法 1.基本假定 1)坝体是有均匀连续各向同性的弹性材料构成. 2)坝段为固支于地基上的悬臂梁,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. 3)假定坝体各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.
第二节 重力坝的应力分析
4.温度变化及施工过程对坝体应
力产生的影响 5.分期施工对坝体应力的影响
第二节 重力坝的应力分析
第三节 重力坝的抗滑稳定分析
一、沿坝基面的抗滑稳定分析 二、坝基深层抗滑稳定分析 三、抗滑稳定分析的有限单元法 四、提高坝体抗滑稳定性的工程措施
第三节 重力坝的抗滑稳定分析
一、沿坝基面的抗滑稳定分析
2.上下游坝面应力的计算 1)水平截面上的垂直正应力
u y

第二章 重力坝——§8重力坝材料和构造

第二章 重力坝——§8重力坝材料和构造

•二、材料分区
• 目的： • 坝体各部位工作条件不同，对砼性能要求也不同 •为节省水泥用量，将坝体砼按不同部位、不同工作 条件分区 • 分区 • 应尽量减少枢纽中不同砼等级的类别，以便施工 • 相邻区砼强度等级不宜超过2级，以避免应力集中 、温度开裂 • 同一浇筑块中的砼标号不超过2种 • 分区厚度≥2～3m。
• 廊道断面：圆矩形，宽2.5-3m，高3-4m
•五、廊道系统
• 2、坝内排水检查廊道 • 靠近坝体上游侧设置，每隔高差15～30m • 至上游面距=(0.05-0.07)h且≥3m • 内设通风、排水、照明设备 • 断面：多城门洞形，最小宽×高=1.2m×2.2m • 隔100-300m设竖井、电梯井连通
• 抗冻指标：D100、D150、D200 、D250
• D100——28天龄期砼水饱和状 态下经100次冻融循环后，强度 降低不超过25%
• 抗冻标号高的砼，抗风化能力强
• 选择抗冻标号 • —根据气候、水上、水下、使用期内冻融循环次
数
•一、重力坝的材料
• 抗磨蚀性能——抵抗高速水流、挟沙水流冲刷磨 损的性能
•第二章 重力坝
• § 8 重力坝材料与构造
•一、重力坝的材料 • 1、材料——砼、浆砌石 • 1）砼材料要求：
•强度——大坝砼抗拉强度一般28天龄期，抗压强 度90天龄期，大坝砼常用C10~C30 • 并要求28d抗拉强度≥C7.5
•耐久性——抗渗、抗冻、抗冲耐磨、抗侵蚀、低热 性
•一、重力坝的材料
• 抗渗性——抵抗压力水渗透的性能 • 抗渗指标：S4、S6、S8、S10 • 选择抗渗标号，根据坝体承受的J=H/T值： • H/T<10,或水头H<30m,采用S4 • H/T=10-30,或H=30-70m,采用S6 • H/T>30,或H>70m,采用S8

重力坝概述-支持高清浏览

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缺点：
➢ 坝体体积大，要消耗大量水泥，材料强度没有
被充分利用；
➢ 由于体积大，浇筑时水泥的水化热消散困难；
➢ 底面积大，作用在坝底面上的扬压力也大，减 少了坝的有效重量，对坝体稳定不利；
➢ 坝体体积虽远较土石坝小，但单位体积的造价 远较土石坝高。
为了发扬优点克服缺点，可考虑改进设计方
法和施工方法。
在坝内设置大型纵 向空腔的重力坝， 称为空腹重力坝。
利用受拉钢筋或 钢杆对重力坝 施 加预应力，以 增 加坝身稳定性，并 有效地改善坝 身 应力分布，从 而 减小坝体混凝 土 用量。
但施工复杂， 钢筋用量多。
4. 重力坝布置
通常由溢流坝段、非溢流坝段和两者之间的 连接边墩、导墙以及坝顶建筑物等组成。
2. 重力坝工作原理及特点
(1) 工作原理
➢ 稳定要求
利用自重在坝基面产生的摩擦力以及坝与地
利用自重引起的压应力来抵消由水压力产生 的拉应力
(2) 工作特点 优点：
➢ 适于从坝顶溢流，施工期间也易于通 过较低的坝块或底孔（永久的或临时的） 泄流；
重力坝发展史：
早在公元前2900年，埃及便 19世纪以前，毛石砌体重力坝 在尼罗河上修建了一座高15m、
顶长240m的砌石重力坝。
19世纪后期，混凝土重力坝
采用有效的防渗、排水措施，施工中 分缝、灌浆、温度等技术
20世纪，现代重力坝
30年代以后，重力坝日益增多，重力 坝占总坝数量的比重较大
60年代开始，土石坝理论和施工的发 展，重力坝的比例相对减少，技术上 继续进步
重力坝总体布置应根据地形地质条件，结合枢
纽其他建筑物综合考虑。
各段外形协调一致，尤其是上游坝面要保持齐 平。但若地形地质有明显差别时，也可分别 采用不同的下游坝坡，保证既经济又安全。

第二章 重力坝

第二章 重力坝

第二章重力坝第二章重力坝第一节概述一、对坝的认识三峡水利枢纽溢流重力坝三峡坝水利枢纽总布置图（尺寸单位：m(上）平面布置（下）上游立视图三峡坝水利枢纽总布置图（尺寸单位：m(左）厂房坝段剖面图右）溢流坝段剖面图•定义：是用混凝土或浆砌石筑的大体积挡水建筑物.•工作原理:在水压力及其他荷载作用下,依靠坝体自重在坝面产生的抗滑力来抵抗水平水压力产生的滑动力以达到稳定要求;利用坝体自重在水平截面上产生的压应力来抵消由于水压力所引起的拉应力以满足强度要求.1、重力坝的基本剖面：做成上游面接近铅直的呈三角形断面，或稍倾向上游的三角形断面。

2、受力简图可以视作倒置的悬臂梁•1、按坝的高度分类:坝高低于30m的为低坝，高于70m的为高坝，介于30m～70m之间的为中坝。

坝高是指坝基最低面（不含局部有深槽或井、洞部位）至坝顶路面的高度。

•2、按泄水条件分类:有溢流重力坝和非溢流重力坝。

溢流坝段和坝内设有泄水孔的坝段统称为泄水坝段，非溢流坝段也叫挡水坝段。

•3、按筑坝材料分类:有混凝土重力坝和浆砌石重力坝。

•4、按坝体结构型式分类:实体重力坝宽缝重力坝；空腹（腹孔）重力坝；预应力锚固重力坝；装配式重力坝；支墩坝（大头坝、连拱坝、平板坝）。

•5、按施工方法分类:有浇筑混凝土重力坝和碾压混凝土重力坝。

碾压混凝土重力坝剖面与实体重力坝剖面类似。

•作用：•指外界环境对水工建筑物的影响。

•１、按时间的变异分永久作用、可变作用、偶然作用。

•２、按建筑物对外界作用的效应的原因分：直接作用和间接作用。

•所谓直接作用是指直接施加在结构上的分布力或集中力，亦可称“荷载”；间接作用则指因外部环境（改变）的原因使结构产生附加变形或约束变形，如温度地震作用等。

•结构上的各种作用，按其随时间的变异分三种：•（1）永久作用：是指在设计基准期内，其量值不随时间变化或其变化与平均值相比可忽略不计的作用。

包括：结构自重；土压力淤沙压力；围岩压力预应力等。

第二章重力坝——§3重力坝抗滑稳定分析

第二章重力坝——§3重力坝抗滑稳定分析

◎三、深层抗滑稳定分析
• 单斜面深层抗滑稳定公式——刚体极限平衡法
• 当整个滑动面均为软弱结构面时，面上凝聚力接近于 零，取抗剪强度公式
滑动面倾向上游取+号，
倾向下游取-号
[K]目前无明确规定，有建议取1.05-1.3或比表2-8值
提高25%-30%
f值试验确定
◎三、深层抗滑稳定分析
• 当滑动面仅一部分为软弱结构面时，其余部分切穿 岩基or砼时，取抗剪断强度公式：
◎二、沿坝基面的抗滑稳定分析——抗剪强度公式
f确定：由地质、试验、设计三方人员确定，一般
f=0.5~0.8
该式特点：面上凝聚力作为安全储备未计入，故K
值偏小。
容许值[K]见规范，根据坝级别、荷载组合情况确定
，[K]=1.0-1.1，见P24。
K f ( W U )
P
K [ K ]时安全，否则不安全
K
f ( W U )
◎二、沿坝基面的抗滑稳定分析
K
P
K' ( W时安全，否 f [ K ] U ) c' A
• 4、二公式比较：
P
K [ K ' ]安全，否则不
抗剪确定公式（1），形式简单，f选择经验丰富，
应用广，但忽略了坝体与基岩的胶结作用，不能完 全反映坝实际工作状况
K f ' ( W U ) c ' A
P
K [ K ' ]安全，否则不安全
f‘、c’试验确定 [K’]≥2.5
◎四、岸坡坝段抗滑稳定
• 失稳原因：
岸坡坝段坝基面倾向河床中央，除在水压力作用下
有向下游滑动趋势外，在竖向荷载作用下，还有向 河床中央的滑动趋势，属于空间问题。

重力坝的扬压力

重力坝的扬压力

第二章 重力坝
-2-
作用在重力坝上的荷载
①自重； ④动水压力； ②水压力； ⑤冰压力； ③扬压力； ⑥泥沙压力；
⑦浪压力；
⑧地震力；
⑨温度及其他荷载。
第二章 重力坝
第二章 重力坝
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扬压力（uplift pressure）
作用在坝基面和坝体内部的一种重要荷载。
a d
b
f-5-
（1）坝基扬压力
定义：渗入地基中的水对水工建筑物 基底面的水压力。
成因：①上下游水位差；②砼、岩石 都是透水材料。 组成：由下游水深产生的浮托力及上、 下游水位差产生的渗透压力组成。
第二章 重力坝
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第二章 重力坝
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（２）坝体内部扬压力
由于坝体混凝土也具有一定的渗透性，在 水头差作用下，库水仍然会从上游坝面渗入 坝体，产生坝体渗流，引起坝内扬压力。
第二章 重力坝
-1-
第二章 重力坝 定义：重力坝是主要依靠坝体自重所产生的 抗滑力来满足稳定要求的挡水建筑物。
1、 稳定——不滑动
工作原理：
依靠坝体自重在坝基面上产生的摩擦阻力来抵抗 水平水压力以达到稳定要求。
2、强度（应力）——不出现拉应力
利用坝体自重在水平截面上产生的压应力来抵 消由于水压力所引起的拉应力，以满足强度要求。

第二章 重力坝——§2重力坝的荷载及其组合

第二章 重力坝——§2重力坝的荷载及其组合

特殊荷载：非常情况or偶然出现的~：

校核洪水位时的静水压力、扬压力、浪压力、动水压 力、地震荷载、其他出现几率较小的荷载
◎二、荷载组合
• 荷载组合
目的：设计时，根据各种荷载同时作用的可能性，
选择施工、运用中最不利的受载情况进行组合，并 按出现几率大小，采用不同的安全系数进行设计， 体现经济合理原则。
波浪压力——波浪要素

波高
波长
– 官厅公式 ：

h 0.0166 5 / 4 D1/ 3 V L 10.4h 0.8 适于V 1 16m/s，D 1 13km）
h 0.0136 3 / 2 D1/ 3 V L 0.389 1/ 3 VD 适于V 23m/s，D 4km）
– 鹤地公式：

波浪中心线在水面以上超高：
2H1 h0 cth L L
h 2
◎一、荷载计算
波浪要素——吹程D
◎一、荷载计算—波浪压力
驻波概念：

驻波—波浪遇到垂直坝面，波高h会发生骤然升高称 驻波（or立波）
驻波波高=正常波高的2倍即2h，h0以上波高=h，则 ：坝前波浪水面高出静水面=h0+h
撞击坝面、闸墩的压力。
静冰压力：

根据最低温度、气温回升率确定（表2-2）

作用点：冰面以下1/3冰厚处。
◎一、荷载计算
动冰压力公式（P19)：

垂直坝面上~
Pdb 10KbVb db Ab

闸墩上~
' Pbd 10mR Bdb b
◎一、荷载计算
• 7、地震荷载
有关概念、规定、方法
Plj h sec h 2H1 L
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第二章岩基和的重力坝第一节概述图2.1 混凝土重力坝示意图一、重力坝的工作原理及其特点1、工作原理①利用自重在坝基面产生的摩擦力以及坝与地基间的凝聚力来抵抗水平水压力而维持稳定②利用自重引起的压应力来抵消由水压力产生的拉应力2、工作特点①断面尺寸大，抵抗渗漏、漫顶破坏的能力强，在各种坝型中失事率最低②对地形地质条件适应性强③泄流问题容易解决④施工导流容易解决⑤体积大便于机械化施工⑥结构作用明确⑦因为体积大，材料强度不能充分利用⑧底部扬压力大，对稳定不利⑨因为体积大，水化热不易散发，温控要求高二、重力坝的型式(见图2.2>按作用分非溢流重力坝溢流重力坝按建筑材料分混凝土重力坝碾压混凝土重力坝浆砌石重力坝按内部结构分实体重力坝宽缝重力坝空腹重力坝三、重力坝设计的主要内容1、总体布置: 坝轴线组成建筑物的位置2、剖面设计3、稳定分析4、应力分析5、构造设计6、地基处理7、溢流坝或泄水孔设计8、监测设计第二节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.可变作用是指在设计基准期内作用的量值随时间变化与平均值之比不可忽略的作用。

作用在重力坝上的主要荷载有:坝体自重、上下游坝面上的水压力、扬压力、浪压力、泥沙压力、地震荷载及冰压力等(图2.3>.图2.3 重力坝上作用力示意图自重坝体自重是重力坝的主要荷载之一。

W=γ×A+ωω--坝上永久设备重①沿坝基面滑动，仅计坝体重量；②沿深层滑动，需计入滑体内岩体重；③用有限单元法计算时，应计入地基初始应力的影响；假定：1°地基中任一点的垂直应力σ(y>=γh2°水平应力σ(x>=λγh3°剪应力τ(xy>=0静水压力1°上游面垂直2°上游面倾斜①挡水坝段②溢流坝段3°水的容重①清水γ②浑水γ(按实际情况考虑>扬压力(含坝基和坝体内扬压力>*坝基扬压力:坝基扬压力包括两部分①下游水深引起的浮托力；②由水头差引起的渗透压力.渗透压力从上游向下游逐渐消减，其变化呈抛物线分布。

扬压力对坝体稳定不利. 见图2.4为减小扬压力需采取项目措施：设帷幕.用折减系数α表示岩体构造、性质、帷幕的深度、厚度、灌浆质量、排水孔直径、间距、深度等因素。

.设排水.见图2.5.图2.4 无防渗排水措施时坝底扬压力分布图2.5有防渗排水时坝底扬压力分布规范规定：河床坝段：α=0.2～0.3岸坡坝段：α=0.3～0.4需要指出：原型观测资料表明：扬压力因受泥沙淤积的影响随时间延长而减小，对稳定有利。

坝体内扬压力:坝体混凝土也具有一定的渗透性,在水头作用下,库水仍然会从上游坝面渗入坝体,并产生扬压力,见图2.6.图2.6 坝体水平截面上扬压力分布4、动水压力溢流坝泄水时，溢流面上作用有动水压力，其中坝顶曲线段和下游直线段上的动水压力较小，可忽略不计。

在反弧段上需根据水流动力方程求解动水压力。

计算假定：水流为均匀流，动水压力分布亦均匀；水重、侧向水压力F1、F2不计；根据动量冲量原理：单位时间内物体动量的增量等于该物体所受外力的合力。

即反弧段上总水平分力和垂直分力为：冰压力冰压力包括静冰压力和动冰压力静冰压力：寒冷地区，水库表面将结冰，当气温升高时，冰层膨胀，对建筑物产生的压力。

大小：取决于冰层厚度、开始升温时的气温及温升率。

动冰压力：当冰破碎后，受风和水流的作用而漂流，当冰块撞击在坝面或闸墩上时将产生动冰压力。

说明: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。

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。

②计算a、淤积高程坝前淤积逐年增高，可根据河流的挟沙量进行估算，估算年限通常为50-100年。

b、指标淤积的泥沙逐年固结，容重和内摩擦角也在逐年变化，很难算准，设计时可根据经验取定，象黄河这样的多沙河流应由实验定出。

C、计算公式7、浪压力成因:空气流动，带动水体，形成波浪。

波浪三要素:波高, 波长, 波浪中心线距静水面的距离(图2.7>图2.7 风成波及立波示意图波浪涌高2h L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时-----破碎波水深在上两者之间时--------浅水波b、波长2Lc、波浪中心线距静水面的距离h波浪中心线距静水面的距离h。

③风浪压力计算影响波浪的因素很多，目前大都采用半经验公式来确定波长、波高，我国《混凝土重力坝设计规范》推荐官厅水库公式。

深水波压力计算公式：浅水波压力计算公式：若坝的迎水面倾斜，波浪的反射作用将减弱当α＞45°时与铅直面情况相近当α＜45°时按斜坡上的波浪考虑8、地震荷载地震荷载包括:地震惯性力地震动水压力(激荡力>地震动土压力( 地震对扬压力、泥沙压力的影响一般不考虑>计算方法：动力法一般用拟静力法计算:F=ma, a为坝址处的地震加速度.地震烈度：(表示地震时在一定地点的地面震动的强烈程度，分0～12度>地震荷载的大小与建筑物所在地区的烈度有关，烈度又分基本烈度和设计烈度两种.基本烈度系指建筑物所在地区今后一定时期(一般指100年左右>内可能遭遇的地震最大烈度。

设计烈度系指抗震设计时实际采用的烈度。

(震级≠烈度>一般情况下：设计烈度=基本烈度特殊情况下：设计烈度=基本烈度+1°(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式中: ---水平向地震系数, 为地面水平最大加速度的统计平均值与重力加速度的比值.---综合影响系数, 取0.25F---地震惯性力系数, 反映结构的弹性对动力反映的影响.W---坝体总重量.②地震动水压力地震时，坝前坝后的水随之震动，形成作用在坝面上的激荡力。

在水平地震作用下坝面上的地震动水压力沿高度变化，水深y处的动水压力强度为总的动水压力为其作用点位于水面以下的0.54H处.水深y处以上单位宽度地震动水压力合力及其作用点见图2.8图2.8 水深y处以上地震动水压力合力及其作用点位置水深为y的截面以上单宽地震动水压力的合力及其作用点深度可查现成图表。

说明：1°倾斜的迎水面，用上述公式求得的动水压力应乘以折减系数ψ/90°；2°迎水面有折坡时，直立部分等于或大于水深的一半，按直立面计算，否则用直连接水面与坡脚按倾斜面计算；3°对宽高比B/H＜5的梯形河谷或V形河谷，按上述公式求得的地震动水压力偏大，故需乘以折减系数C1；4°作用在坝体上下游的地震动水压力均垂直于坝面，且二者作用方向一致；二、荷载(作用>组合1、基本概念除自重外，作用在重力坝上的荷载和如下特点：时大时小、时有时无、此出彼没。

2、荷载组合定义将可能作用在建筑物上的所有荷载按出现的时间(机率>是否相同进行分组，然后将各组荷载分别作用在所设计的建筑物上，研究建筑物的稳定和强度，并给以不同的安全系数。

这种分组的方法即为荷载组合。

荷载(作用>组合分类结构设计时需对不同的作用进行组合即分基本组合和偶然组合基本组合：可能同时出现永久作用和可变作用的组合。

分长期组合:持久发生(持久状态>如正常挡水位短期组合:短暂发生(短暂状态>如设计洪水位偶然组合：基本组合与一种偶然作用同时出现的组合。

上述组合都需按承载能力极限状态和正常使用极限状态进行设计。

设计工况正常使用极限状态下分：长期组合短期组合承载能力极限状态下分：基本组合(不分长短期>偶然组合分项系数:是考虑结构安全级别(>、设计状态(>、作用(荷载>(>、材料性能变异性(>以及计算模式不定性(>.1.结构重要性系数( >用以反映不同结构安全级别对结构可靠度的不同要求，安全级别为一级时，=1.1安全级别为二级时，=1.0安全级别为三级时，=0.92.设计状况系数( >用以反映不同设计状况的目标可靠指标不同，分别对应持久状况、短暂状况、偶然状况。

对重力坝 (=1.0>、(=0.95>、(=0.85>3.作用分项系数(>用以反映作用(荷载>对其标准值F k的不利变异，由作用设计值F d与标准值之比来定义:随作用的概率分布不同而不同。

4.材料性能分项系数(>用以反映材料性能对其标堆值f k的不利变异，可由材料性能设计值f d与标准值之比的倒数来定义:5.结构系数( >用以反应作用效应计算模式不定性和抗力计算模式不定性，还包括反映前4个分项系数未反映的其他不定性-------(用计算得到>.r d1----承载能力极限状态基本组合的结构系数r d2----承载能力极限状态偶然组合的结构系数r d3----正常使用极限状态短期组合的结构系数r d4----正常使用极限状态长期组合的结构系数式中 S(*>为作用效应函数； R(*>为结构抗力函数；G k、Q k、分别为永久作用的标准值和可变作用的标准值；A k------为偶然作用代表值；f k、a k、分别为材料性能标准值、几何参数标准值；C------ 为结构的功能限值；第三节重力坝的稳定分析重力坝主要是依靠自重维持稳定，其可能出现的破坏型式(见图2.9>：滑动：坝体沿抗剪能力不足的薄弱而产生滑动。

倾复：抗倾力矩小于倾复力矩.下游地基差易出现.图2.9 重力坝失稳破坏示意图因此, 抗滑稳定是重力坝设计中的一个重要内容.计算假定1、河床坝段作为平面问题处理，岸坡坝段按空间问题处理；2、略去横缝作用，以单宽计；3、假定为一根固结于基础上的变截面悬臂梁稳定分析目的: 验算重力坝在各种可能荷载组合下的稳定安全度.(一>沿坝基面的抗滑稳定分析假定坝体与坝基的连接有三种物理模式:“触接”、“粘接”、“咬接”. 简单接触----摩擦公式认为坝底光滑，坝基光滑，坝直接放置在基岩上----“触接”故当滑动面为水平面时,抗滑稳定计算公式：当滑动面为倾向上游的倾斜面时:图2.10 重力坝沿坝基抗滑稳定计算示意图2、抗剪断公式假定坝体与坝基之间涂有一层砂浆----“粘接”计算时考虑粘结力的作用，故抗剪断公式为:计算时考虑粘结力的作用，故抗剪断公式为:3、剪摩公式假定坝体坝基之间凸凹不平，相互咬合在一起，计算时考虑纯剪强度说明:1、上述三个抗滑稳定计算公式是在不同的假定前提下得到的摩擦公式：形式简单，概念明确，计算方便，多年来积累了丰富的经验，公式中不考虑粘结力与实际不符，(安全裕度含在假定中，k=1.0并不意味着处于临界状态；>剪摩公式：考虑抗滑力时，人为地把阻滑力看作为摩擦力与抗剪能力之和，己挖掘了维持稳定的所有潜力。