重力坝设计幻灯片.ppt

《重力坝设计幻灯片.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《重力坝设计幻灯片.ppt（80页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。

1、重力坝设计第1页，共80页，编辑于2022年，星期三第五节第五节 重力坝的应力分析重力坝的应力分析一一、重力坝应力分析的目的重力坝应力分析的目的 1.检查坝体和坝基在设计情况下能否满足强度的要求检查坝体和坝基在设计情况下能否满足强度的要求；2.根据应力根据应力 分布情况进行坝体混凝土标号的分区分布情况进行坝体混凝土标号的分区；3.研究坝体某些部位的局部应力集中和某些特殊结构研究坝体某些部位的局部应力集中和某些特殊结构(如坝内孔道、如坝内孔道、溢流坝闸墩和挑流鼻坎等溢流坝闸墩和挑流鼻坎等)的应力状态，以便采取加强措施。的应力状态，以便采取加强措施。二、重力坝应力分析方法二、重力坝应力分析方法 应

2、力分析的方法可归纳为应力分析的方法可归纳为理论计算理论计算和和模型试验模型试验两大类。理论计两大类。理论计算又分为算又分为材料力学法材料力学法和和弹性理论法弹性理论法等等。国内外广泛采用。国内外广泛采用弹性理论弹性理论的有限单元法的有限单元法来计算坝体应力来计算坝体应力。第2页，共80页，编辑于2022年，星期三DL5108-1999规定：规定：混凝土重力坝混凝土重力坝混凝土重力坝混凝土重力坝一般以一般以材料力学法材料力学法和和刚体极限平衡法刚体极限平衡法计算成果计算成果作为确定坝体断面的依据。作为确定坝体断面的依据。高坝高坝高坝高坝除用除用材料力学法材料力学法计算坝体应力外，尚宜采用计算坝体

3、应力外，尚宜采用有限元法有限元法进进行计算分析，必要时可采用行计算分析，必要时可采用结构模型、地质力学模型结构模型、地质力学模型等试验验证。等试验验证。修建在复杂地基上的修建在复杂地基上的中坝中坝中坝中坝，必要时，可进行，必要时，可进行有限元分析。有限元分析。三、材料力学法计算重力坝边缘应力三、材料力学法计算重力坝边缘应力(一一)基本假定基本假定 1.坝体混凝土为均质、连续、各向同性的弹性材料。坝体混凝土为均质、连续、各向同性的弹性材料。2.视坝段为固接于地基上的悬臂梁，不考虑地基变形对坝体应力的影响，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，横缝不传

4、力。并认为各坝段独立工作，横缝不传力。第3页，共80页，编辑于2022年，星期三 3.假定坝体水平截面上的正应力假定坝体水平截面上的正应力 y按直线分布，不考按直线分布，不考虑廊道等对坝体应力的影响。虑廊道等对坝体应力的影响。(二二)重力坝边缘应力的计算重力坝边缘应力的计算重力坝边缘应力的计算重力坝边缘应力的计算 计算图形及应力与荷载的正方向见图计算图形及应力与荷载的正方向见图1-5-1。材料力学法通常材料力学法通常沿坝轴线取单位宽度沿坝轴线取单位宽度(1m)的坝段的坝段作为计算对象。作为计算对象。在一般情况下，在一般情况下，坝体的最大和最小应力都出现在坝体的最大和最小应力都出现在坝面坝面，所

5、以，在重力坝设计规范中规定，首先应校核坝所以，在重力坝设计规范中规定，首先应校核坝体边缘应力是否满足体边缘应力是否满足强度要求。强度要求。计算坝体内部应力需要以边缘应力为边界条件。计算坝体内部应力需要以边缘应力为边界条件。沿坝高方向沿坝高方向每隔一定高度每隔一定高度(或断面轮廓有突变处或断面轮廓有突变处)切取水平截面作为计算截面。切取水平截面作为计算截面。第4页，共80页，编辑于2022年，星期三 图图1-5-1 坝体应力计算图坝体应力计算图第5页，共80页，编辑于2022年，星期三 图图1-5-2 坝体边缘应力计算图坝体边缘应力计算图第6页，共80页，编辑于2022年，星期三 1.1.水平截

6、面上的边缘正应力水平截面上的边缘正应力水平截面上的边缘正应力水平截面上的边缘正应力 y y 和和和和 y y 据材料力学偏心受压公式：据材料力学偏心受压公式：y +=ABOOT2T2B面积：A=TB=T抗弯截面模量：WZ=y y y y y 第7页，共80页，编辑于2022年，星期三 2.2.边缘剪应力边缘剪应力边缘剪应力边缘剪应力 和和和和 (1)对于上游对于上游A点微元体点微元体 取取可得：可得：化简得：化简得：(2)对下游坝面对下游坝面B点微元体点微元体 同理可得同理可得：第8页，共80页，编辑于2022年，星期三3.3.铅直截面上的边缘正应力铅直截面上的边缘正应力铅直截面上的边缘正应力

7、铅直截面上的边缘正应力 x x 利利利利 x x (1)对于上游坝面对于上游坝面A点微元体点微元体 取取得得：化简得：(2)对下游坝面对下游坝面B点微元体点微元体 同理可得：同理可得：第9页，共80页，编辑于2022年，星期三 4、边缘主应力、边缘主应力 和和（1）第一主应力）第一主应力 1和和 1 上下游坝面仅受垂直于坝面的水压力，没有剪应力。因此，上上下游坝面仅受垂直于坝面的水压力，没有剪应力。因此，上下游坝面即为主应力面之一，而另一主应力面必然与坝面垂直。下游坝面即为主应力面之一，而另一主应力面必然与坝面垂直。1）对于上游坝面）对于上游坝面A点三角形微元体点三角形微元体 取取得：得：化简

8、得：化简得：2）对于下游坝面）对于下游坝面A点三角形微元体点三角形微元体 取取可得：可得：第10页，共80页，编辑于2022年，星期三（2）第二主应力）第二主应力 2和和 2 由于另一主应力即为作用在坝面上的压力强度，故有：由于另一主应力即为作用在坝面上的压力强度，故有：2=p 2=p 5.有扬压力时边缘应力的计算有扬压力时边缘应力的计算 (1)水平截面上的边缘正应力水平截面上的边缘正应力 y和和 y 将扬压力作为一种荷载计入将扬压力作为一种荷载计入 和和 中，再应用前述公式。中，再应用前述公式。(2)其佘边缘应力其佘边缘应力 仍根据坝面微元体的平衡条件求得。但此微元体上需计仍根据坝面微元体的

9、平衡条件求得。但此微元体上需计入扬压力。入扬压力。第11页，共80页，编辑于2022年，星期三 1)上游边缘应力上游边缘应力2)下游边缘应力下游边缘应力第12页，共80页，编辑于2022年，星期三 (3)当无泥沙压力和地震动水压力情况时当无泥沙压力和地震动水压力情况时 p=pu p=pu1)上游边缘应力上游边缘应力 =yn x=yn2 1=(1+n2)y 2=0 2)下游边缘应力下游边缘应力 =ym x=ym2 1=(1+m2)y 2=0第13页，共80页，编辑于2022年，星期三四、强度校核四、强度校核(一一)承载能力极限状态强度验算承载能力极限状态强度验算 强度验算时，应考虑基本组合和偶然

10、组合两种情况。规范规定，强度验算时，应考虑基本组合和偶然组合两种情况。规范规定，重力坝承载能力极限状态抗压强度的核算点有：重力坝承载能力极限状态抗压强度的核算点有：坝基面的坝趾；坝基面的坝趾；坝体选定截面的下游端点。坝体选定截面的下游端点。1.作用效应函数作用效应函数 2.抗力函数抗力函数R()=fc或或R()=fR 3.强度要求强度要求第14页，共80页，编辑于2022年，星期三(二二)正常使用极限状态强度验算正常使用极限状态强度验算 1.DL5108-1999规定：规定：(1)核算坝踵垂直应力，按作用的标准核算坝踵垂直应力，按作用的标准值分别计算作用的短期组合和长期组合；值分别计算作用的短

11、期组合和长期组合；(2)核算坝体上游面核算坝体上游面的垂直应力，按作用的标准值计算作用的长期组合；的垂直应力，按作用的标准值计算作用的长期组合；(3)核算短核算短期组合下游坝面的垂直拉应力。期组合下游坝面的垂直拉应力。2.坝踵和坝体上游面的垂直应力计算公式坝踵和坝体上游面的垂直应力计算公式(计扬压力计扬压力)S()=0 3.短期组合下游坝面的垂直拉应力计算公式短期组合下游坝面的垂直拉应力计算公式 S()=第15页，共80页，编辑于2022年，星期三荷载计算步骤：荷载计算步骤：分析分析画图画图列表计算列表计算校核校核第16页，共80页，编辑于2022年，星期三第17页，共80页，编辑于2022年

12、，星期三第18页，共80页，编辑于2022年，星期三坝坝体体应应力力的的实实际际分分布布情情况况比比较较复复杂杂，受很多因素影响。受很多因素影响。1 1、地基变形模量对坝体应力的影响、地基变形模量对坝体应力的影响五、各种因素对坝体应力的影响五、各种因素对坝体应力的影响第19页，共80页，编辑于2022年，星期三 2 2、地地基基变变形形弹弹模模对对坝体应力的影响坝体应力的影响 3 3、坝坝体体异异弹弹模模对对坝坝体应力的影响体应力的影响 4 4、纵纵缝缝对对坝坝体体应应力力的影响的影响 5 5、分分期期施施工工对对坝坝体体应应力力的的影影响响(见见下下图图)6 6、坝坝踵踵断断裂裂对对坝坝体体

13、应力的影响应力的影响第20页，共80页，编辑于2022年，星期三坝体主应力分布示意图第21页，共80页，编辑于2022年，星期三第五节第五节 重力坝的剖面设计重力坝的剖面设计一、剖面设计原则一、剖面设计原则1.满足稳定和强度要求，保证大坝安全；满足稳定和强度要求，保证大坝安全；2.工程量小；工程量小；3.运用方便；运用方便；4.便于施工。便于施工。二、基本剖面二、基本剖面 重力坝的基本剖面是指坝体在自重、静水压力重力坝的基本剖面是指坝体在自重、静水压力(水位与坝顶齐平水位与坝顶齐平)和扬压力三项主要荷载作用下，和扬压力三项主要荷载作用下，满足稳定和强度要求，并使工程量最小的三角形剖满足稳定和强

14、度要求，并使工程量最小的三角形剖面。面。第22页，共80页，编辑于2022年，星期三第23页，共80页，编辑于2022年，星期三 对于对于完整、坚硬的岩基完整、坚硬的岩基，f、c值较大，剖面尺寸值较大，剖面尺寸主要由上游面不出现拉应力的条件控制，上游坝坡主要由上游面不出现拉应力的条件控制，上游坝坡较陡，甚至可做成倒坡较陡，甚至可做成倒坡(n05时，时，应验算应验算B-B截面的应力，如应力较大，可在坝体与鼻坎之间用截面的应力，如应力较大，可在坝体与鼻坎之间用缝分开。缝分开。1021:mBCA (二二)溢流坝实用剖面溢流坝实用剖面 溢流坝实用剖面是将溢流面曲线与坝体基本剖面拟合修改溢流坝实用剖面是

15、将溢流面曲线与坝体基本剖面拟合修改而成。而成。A第49页，共80页，编辑于2022年，星期三四、消能防冲设计四、消能防冲设计(一一)消能工的设计原则消能工的设计原则(1)尽量使下泄水流的大部分动能消耗在水流内部的紊尽量使下泄水流的大部分动能消耗在水流内部的紊动中，以及水流与空气的摩擦动中，以及水流与空气的摩擦 上；上；(2)不产生危及坝体安全的河床或岸坡的局部冲刷；不产生危及坝体安全的河床或岸坡的局部冲刷；(3)下泄水流平稳，不影响枢纽中其他建筑物的正常运下泄水流平稳，不影响枢纽中其他建筑物的正常运行；行；(4)结构简单，工作可靠；结构简单，工作可靠；(5)工程量小。工程量小。第50页，共80

16、页，编辑于2022年，星期三(二二)消能工型式消能工型式 消能工型式消能工型式消能工型式消能工型式 优点优点优点优点缺点缺点缺点缺点适用适用适用适用挑流消能挑流消能挑流消能挑流消能 坚硬岩石上的中、坚硬岩石上的中、坚硬岩石上的中、坚硬岩石上的中、高坝。高坝。高坝。高坝。底流消能底流消能底流消能底流消能 中、低坝或基岩较中、低坝或基岩较中、低坝或基岩较中、低坝或基岩较差的河道。差的河道。差的河道。差的河道。面流消能面流消能面流消能面流消能 水头较小的中、低水头较小的中、低水头较小的中、低水头较小的中、低坝，尾水较深，下坝，尾水较深，下坝，尾水较深，下坝，尾水较深，下游水位稳定。游水位稳定。游水位

17、稳定。游水位稳定。消力戽消能消力戽消能消力戽消能消力戽消能 尾水较深。尾水较深。尾水较深。尾水较深。新新新新型型型型高高高高效效效效的的的的消消消消能工能工能工能工 中、高坝，单宽流中、高坝，单宽流中、高坝，单宽流中、高坝，单宽流量大。量大。量大。量大。第51页，共80页，编辑于2022年，星期三底流式消能底流式消能第52页，共80页，编辑于2022年，星期三面流式消能面流式消能第53页，共80页，编辑于2022年，星期三消力戽消能消力戽消能第54页，共80页，编辑于2022年，星期三挑流消能挑流消能 第55页，共80页，编辑于2022年，星期三 鼻鼻坎坎挑挑流流消消能能设设计计主主要要包包括

18、括：选选择择合合适适的的鼻鼻坎坎型型式式、鼻鼻坎坎高高程程、挑挑射射角角度度、反反弧弧半半径径、计计算算挑挑射射距距离离和和最最大大冲冲坑坑深深度度。挑挑射射水水流流形形成成的的冲冲坑坑应应保保证证不不影影响响坝体及其它建筑物的安全。坝体及其它建筑物的安全。1.鼻坎型式鼻坎型式 (1)连续式连续式 (2)差动式差动式 2.鼻坎高程鼻坎高程 鼻坎最低高程，宜高鼻坎最低高程，宜高出宣泄设计消能防冲建出宣泄设计消能防冲建筑物的洪水标准时的下筑物的洪水标准时的下游水位，但可略低于下游水位，但可略低于下游最高水位。游最高水位。第56页，共80页，编辑于2022年，星期三 3.挑流鼻坎的挑角挑流鼻坎的挑角

19、 挑流鼻坎的挑角，可采用挑流鼻坎的挑角，可采用150350，应通过比较，应通过比较选定。选定。4.计算挑射距离计算挑射距离LL=L+LL=Ttan L=V12sin cos+V1 cos V12sin2+2g（h1+h2）0.5g 5.最大冲坑深度最大冲坑深度 T T=tkH2 tk=kq0.5H0.25 安全挑距：安全挑距：冲坑最低点距坝趾的距离应大于冲坑最低点距坝趾的距离应大于2.5倍坑深，即要求倍坑深，即要求L 2.5T。第57页，共80页，编辑于2022年，星期三五、溢流坝的上部结构五、溢流坝的上部结构(一一)闸门和启闭机闸门和启闭机工作闸门工作闸门 事故闸门事故闸门检修闸门检修闸门1

20、.闸门闸门平面闸门平面闸门弧形闸门弧形闸门平面闸门平面闸门 浮箱闸门浮箱闸门叠叠 梁梁2.启闭机启闭机活动式：门机活动式：门机固定式：卷扬式启闭机固定式：卷扬式启闭机(二二)闸墩、工作桥和交通桥闸墩、工作桥和交通桥 闸墩用来分孔，承受闸门传来的水压力，支承工作闸墩用来分孔，承受闸门传来的水压力，支承工作桥和交通桥桥和交通桥第58页，共80页，编辑于2022年，星期三 1.闸墩的平面形状闸墩的平面形状第59页，共80页，编辑于2022年，星期三 2.闸墩厚度闸墩厚度 闸墩厚度与闸门形式有关。采用平面闸门时需设闸门闸墩厚度与闸门形式有关。采用平面闸门时需设闸门槽，工作闸门槽深槽，工作闸门槽深052

21、om，宽，宽14m，门槽处的闸墩，门槽处的闸墩厚度不得小于厚度不得小于115m，以保证有足够的强度。弧形闸，以保证有足够的强度。弧形闸门闸墩的最小厚度为门闸墩的最小厚度为1520m。如果是缝墩，墩厚要。如果是缝墩，墩厚要增加增加o510m。由于闸墩较薄，需要配置受力。由于闸墩较薄，需要配置受力 钢筋钢筋和温度钢筋。和温度钢筋。3.闸墩的长度和高度闸墩的长度和高度 闸墩的长度和高度，应满足布置闸门、工作桥、交通桥和闸墩的长度和高度，应满足布置闸门、工作桥、交通桥和启闭机械的要求启闭机械的要求。4.边墩和导墙边墩和导墙 溢流坝两侧设边墩也称边墙，一方面起闸墩的作用，溢流坝两侧设边墩也称边墙，一方面

22、起闸墩的作用，同时也起分隔溢流段和非溢流段的作用。同时也起分隔溢流段和非溢流段的作用。第60页，共80页，编辑于2022年，星期三第61页，共80页，编辑于2022年，星期三第八节第八节 重力坝的材料及构造重力坝的材料及构造 一、混凝土重力坝的材料一、混凝土重力坝的材料 (一一)水工混凝土的特性指标水工混凝土的特性指标 1.强度强度 2.耐久性耐久性 混凝土的耐久性包括抗渗、抗冻、抗冲耐磨、抗混凝土的耐久性包括抗渗、抗冻、抗冲耐磨、抗侵蚀等。侵蚀等。(1)抗渗性：抗渗性：是指混凝土抵抗水压力渗透作用的能是指混凝土抵抗水压力渗透作用的能力。抗渗性指标可用抗渗等级表示力。抗渗性指标可用抗渗等级表示

23、。水力坡降水力坡降=水头损失水头损失渗径渗径Ly第62页，共80页，编辑于2022年，星期三 (2)抗冻性：抗冻性：是表示混凝土在饱和状态下能经受多是表示混凝土在饱和状态下能经受多次冻融循环而不破坏，不严重降低强度的性能。混凝次冻融循环而不破坏，不严重降低强度的性能。混凝土的抗冻性用抗冻等级表示。土的抗冻性用抗冻等级表示。(3)抗冲耐磨性抗冲耐磨性 (4)抗侵蚀性抗侵蚀性 (二二)常态混凝土重力坝分区常态混凝土重力坝分区 坝体各部位的工作条件不同，对混凝土材料性坝体各部位的工作条件不同，对混凝土材料性能指标的要求也不同。为满足各部分的要求，节省能指标的要求也不同。为满足各部分的要求，节省水泥用

24、量及工程造价，通常将坝体混凝土按不同部水泥用量及工程造价，通常将坝体混凝土按不同部位、不同工作条件分区位、不同工作条件分区 (5)抗裂性抗裂性第63页，共80页，编辑于2022年，星期三坝体混凝土分区图坝体混凝土分区图第64页，共80页，编辑于2022年，星期三二、坝体构造二、坝体构造(一一)坝顶构造坝顶构造第65页，共80页，编辑于2022年，星期三(二二)坝体分缝坝体分缝 1.横缝横缝作用作用:适应温变、适应地基、适应地基适应温变、适应地基、适应地基 间距：一般为间距：一般为1220m。永久性横缝永久性横缝临时性横缝临时性横缝分类分类第66页，共80页，编辑于2022年，星期三横缝止水构造

25、示意横缝止水构造示意 l一第一道止水铜片；2一沥青井；3一第二道止水片；4一廊道止水；5一横缝；6一沥青麻片；7一电加热器；8一预制混凝土块 第67页，共80页，编辑于2022年，星期三 2.纵缝纵缝 铅直纵缝是最常采用的一种纵缝形式。缝的间距根据混铅直纵缝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，一般为凝土浇筑能力和温度控制要求确定，一般为1530m。第68页，共80页，编辑于2022年，星期三重力坝的横缝及纵缝重力坝的横缝及纵缝(a)横缝及纵缝布置；(b)竖直纵缝；(c)斜缝 第69页，共80页，编辑于2022年，星期三3.水平施工缝水平施工缝 水平施工缝是上

26、、下层浇筑块之间的接合面水平施工缝是上、下层浇筑块之间的接合面。(三三)坝体排水坝体排水 为减小渗水对坝体的不利影响，在靠近坝体上游为减小渗水对坝体的不利影响，在靠近坝体上游面需要设置面需要设置排水管幕排水管幕。排水管幕至上游面的距离，一。排水管幕至上游面的距离，一般要求不小于坝前水深的般要求不小于坝前水深的110112，且不小于，且不小于2m，以便将渗透坡降控制在许可范围以内。排水管，以便将渗透坡降控制在许可范围以内。排水管常用预制多孔混凝土管，间距常用预制多孔混凝土管，间距23m，内径，内径1525cm。管径不宜过小，否则，易被堵塞。渗水由排。管径不宜过小，否则，易被堵塞。渗水由排水管进入

27、廊道，然后汇入集水井，经由横向排水管自水管进入廊道，然后汇入集水井，经由横向排水管自流或用水泵抽水排向下游。流或用水泵抽水排向下游。第70页，共80页，编辑于2022年，星期三坝体排水管坝体排水管第71页，共80页，编辑于2022年，星期三(四四)坝内廊道系统坝内廊道系统 为了满足灌浆、为了满足灌浆、排水、观测、检排水、观测、检查和交通等的要查和交通等的要求，需要在坝体求，需要在坝体内设置各种不同内设置各种不同用途的廊道，这用途的廊道，这些廊道互相连通，些廊道互相连通，构成廊道系统构成廊道系统。第72页，共80页，编辑于2022年，星期三三、坝身泄水孔三、坝身泄水孔 1.坝身泄水孔的作用坝身泄

28、水孔的作用 预泄库水，增大水库的调蓄能力。预泄库水，增大水库的调蓄能力。放空水库以便检修。放空水库以便检修。排放泥沙，减少水库淤积。排放泥沙，减少水库淤积。向下游放水，满足航运或灌溉等要求。向下游放水，满足航运或灌溉等要求。施工导流。施工导流。2.坝身泄水孔的形式坝身泄水孔的形式 按水流条件分为按水流条件分为有压泄水孔有压泄水孔和和无压无压泄水孔。泄水孔。按泄水孔所处的高程分为按泄水孔所处的高程分为中孔中孔和和底孔。底孔。按布置的层数分为按布置的层数分为单层泄水孔单层泄水孔和和多层泄水孔多层泄水孔。第73页，共80页，编辑于2022年，星期三坝身泄水孔坝身泄水孔坝身泄水孔坝身泄水孔(单位：单位

29、：单位：单位：m)m)l一泄洪孔：2一弧形门；3一检修门槽；4一通气管；5一锥形阀；6一排水管;7一拦污栅；8一廊道；9一检查井；10一导流底孔第74页，共80页，编辑于2022年，星期三3.3.坝身泄水孔的布置坝身泄水孔的布置坝身泄水孔的布置坝身泄水孔的布置 进口曲线进口曲线闸门槽闸门槽渐变段渐变段孔身孔身竖向连接竖向连接第75页，共80页，编辑于2022年，星期三第九节第九节 重力坝的地基处理重力坝的地基处理一、砼重力坝对基础的要求一、砼重力坝对基础的要求强度和稳定性整体性和均匀性抗渗性耐久性第76页，共80页，编辑于2022年，星期三二、坝基处理设计内容二、坝基处理设计内容 坝基的开挖与清理坝基的开挖与清理 坝基固结灌浆坝基固结灌浆 坝基防渗帷幕和排水坝基防渗帷幕和排水 断层破碎带和软弱结构面的处理断层破碎带和软弱结构面的处理 岩溶地区的防渗处理岩溶地区的防渗处理第77页，共80页，编辑于2022年，星期三重力坝地基的灌浆示意图重力坝地基的灌浆示意图 第78页，共80页，编辑于2022年，星期三1一破碎带；2一混凝土梁或混凝土塞；3一混凝土拱；4一回填混凝土；5一坝体荷载 破碎带处理示意图破碎带处理示意图第79页，共80页，编辑于2022年，星期三软弱夹层的处理示意图软弱夹层的处理示意图(高程：高程：m)m)第80页，共80页，编辑于2022年，星期三