水工建筑物2重力壩

水工建筑物2重力壩第二章重力壩學(xué)習(xí)要求目的：1.掌握混凝土重力壩的特點和類型，國內(nèi)外發(fā)展概況和趨勢。2.掌握重力壩的荷載及其計算方法，荷載組合。3.理解重力壩穩(wěn)定的概念及影響因素，掌握重力壩的穩(wěn)定分析方法、安全系數(shù)指標(biāo)的選用及評價，提高穩(wěn)定性的工程措施。4.掌握重力壩應(yīng)力分析的目的和內(nèi)容，應(yīng)力分析方法，材料力學(xué)法及其應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)，了解影響壩體應(yīng)力分布的主要因素，（地基變形和施工方法等）及影響范圍和程度。5.理解擬定重力壩剖面的基本原理，掌握非溢流重力壩的基本剖面及實用剖面的擬定和溢流重力壩的剖面的擬定方法；溢流重力壩的下游消能方式的選擇；四種泄水消能方式的特點，運用條件。6.了解重力壩對材料的要求，建筑材料的種類特性及使用條件；壩體斷面混凝土標(biāo)號的分區(qū)。掌握重力壩的細部構(gòu)造要求，壩縫、止水；壩身排水、廊道的布置及溢流重力壩壩頂?shù)臉?gòu)造等。7.了解重力壩對地基的要求；掌握壩基處理的開挖、灌漿（固結(jié)灌漿、帷幕灌漿、接觸灌漿）及排水設(shè)計要求；壩基軟弱破碎帶的處理?！裰攸c：1.混凝土重力壩的工作原理和特點，設(shè)計要求，分類。2.重力壩的荷載及其計算方法。3.重力壩的穩(wěn)定分析方法。4.重力壩應(yīng)力分析的材料力學(xué)法及其應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)。5.非溢流重力壩的基本剖面及實用剖面的擬定；溢流重力壩的剖面的擬定。6.重力壩的細部構(gòu)造要求，重力壩對材料的要求，溢流重力壩壩頂?shù)臉?gòu)造。7.固結(jié)灌漿、帷幕灌漿、壩基排水?！耠y點：1.混凝土重力壩的設(shè)計要求和類型。2.揚壓力的計算，重力壩的荷載組合。3.重力壩穩(wěn)定的概念及影響因素，安全系數(shù)指標(biāo)的選用及評價。4.壩體邊緣應(yīng)力的計算。5.擬定重力壩剖面的基本原理，溢流重力壩的剖面的擬定。6.重力壩的細部構(gòu)造要求，溢流重力壩壩頂?shù)臉?gòu)造。7.固結(jié)灌漿、帷幕灌漿。學(xué)習(xí)要點●章節(jié)學(xué)習(xí)內(nèi)容：1.混凝土壩的類型，國內(nèi)外發(fā)展概況和趨勢。2.重力壩的工作原理和特點，以及其優(yōu)缺點。3.重力壩的荷載及其計算方法（包括自重、水壓力、揚壓力、浪壓力、冰壓力、土壓力、泥沙壓力、地震荷載等），荷載組合的概念及確定。4.重力壩的穩(wěn)定分析。穩(wěn)定的概念及影響因素，穩(wěn)定分析方法、安全系數(shù)指標(biāo)的選用及評價，提高穩(wěn)定性的工程措施。5.重力壩應(yīng)力分析的目的和內(nèi)容。應(yīng)力分析方法綜述，材料力學(xué)法及其應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)，影響壩體應(yīng)力分布的主要因素，（地基變形和施工方法等）及影響范圍和程度。6.擬定重力壩剖面的基本原理，重力壩的基本剖面及實用剖面，剖面優(yōu)化的概念。7.泄水重力壩的剖面及布置，泄水重力壩的工作特點及泄水方式（壩頂溢流式，大孔口溢流式，深式泄水孔）；溢流重力壩的剖面設(shè)計；泄水孔的布置；設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)的確定；單寬流量的選擇；堰頂高程，溢流前緣長度；孔口尺寸及其位置的確定；溢流壩段結(jié)構(gòu)簡介；泄水重力壩的下游消能；四種泄水消能方式的特點，運用條件。8.重力壩對材料的要求，材料的種類特性及使用條件及壩體斷面混凝土標(biāo)號的分區(qū)。9.重力壩的細部構(gòu)造。壩縫（橫縫、縱縫、水平施工縫）、止水；壩身排水、廊道的布置及構(gòu)造等。10.重力壩的地基處理。重力壩對地基的要求；壩基處理的開挖、灌漿（固結(jié)灌漿、帷幕灌漿、接觸灌漿）及排水設(shè)計；壩基軟弱破碎帶的處理。學(xué)習(xí)要點：1.重力壩的工作原理和特點2.重力壩的荷載及組合3.重力壩的穩(wěn)定分析4.用材料力學(xué)法進行重力壩的應(yīng)力分析5.重力壩的剖面設(shè)計6.重力壩的構(gòu)造要求及壩體材料7.重力壩對地基的要求及地基處理第一節(jié)概述一、混凝土重力壩的概述在水利水電工程建設(shè)中，混凝土重力壩是最廣泛采用的一種形式，在高壩樞紐中仍占有顯著的優(yōu)勢。我國壩高100M以上的典型混凝土重力壩如下表所示。壩高100M以上的典型混凝土重力壩序號大壩名稱地點河流壩高(m)壩型建設(shè)年代1新安江浙江新安江105.0寬縫重力壩1957~19602劉家峽甘肅黃河147.0重力壩1964~19743黃龍灘湖北漢江107.0重力壩1969~19754三門峽河南黃河106.0重力壩1957~19735水豐遼寧鴨綠江106.0重力壩1937~19436寶珠寺四川白龍江132.0重力壩19807安康陜西128.0重力壩八十年代8漫灣云南瀾嗆江132.0重力壩八十年代9萬家寨內(nèi)蒙山西交界黃河105.0重力壩八十年代10沙牌四川132.0重力壩八十年代11龍灘廣西紅水河192~216.5碾壓混凝土重力壩九十年代12江埡湖南128.0重力壩九十年代13三峽湖北長江175.0重力壩200314向家壩四川金沙江163.0重力壩擬建二、砼重力壩的特點1.2.1壩體材料抗沖性能好，泄洪和施工導(dǎo)流問題容易解決壩體材料抗沖性能好，泄洪和施工導(dǎo)流問題容易解決泄洪：可從壩頂、壩身泄洪導(dǎo)流：可通過較低的壩塊、底孔和預(yù)留的底孔導(dǎo)流1.2.2斷面形狀簡單，結(jié)構(gòu)作用明確，施工方便，安全可靠垂直壩軸線方向的橫縫將重力壩分為若干個獨立的壩段，各壩段獨立工作，受力明確。1.2.3適合于在各種氣候條件下修建可以在各種氣候條件下修建，但在：冬季：當(dāng)溫度低于-3℃，混凝土中水會結(jié)冰，需采用加熱、保溫、防凍措施等；夏季：當(dāng)溫度高于30℃，需采用低熱水泥、低溫水、加冰屑、預(yù)冷骨料，摻外加劑延長初凝時間。1.2.4對地基的要求比拱壩低，但比土石壩高1.2.5有豐富的建設(shè)，設(shè)計經(jīng)驗工作可靠，使用年限長，施工放樣、擴建，維護簡單：便于機械化施工，可采用定型模板，重復(fù)作用。1.2.6壩體工程較大，材料的強度不能充分發(fā)揮邊緣應(yīng)力是控制條件，故內(nèi)部應(yīng)力：1.2.7水泥用量大，施工時，水化熱不易消散，易產(chǎn)溫度裂縫。水化熱:水泥的水化是放熱反應(yīng),水泥在凝結(jié)硬化過程中放出大量熱。危害:使內(nèi)外混凝土產(chǎn)生較大的溫差,而產(chǎn)生溫度應(yīng)力,引起表面開裂。措施：設(shè)置溫度伸縮縫。1.2.8受揚壓力影響大揚壓力：在上下游水位差的作用下，水滲入壩體的孔隙內(nèi)，形成孔隙水壓力。所取截面上向上的孔隙水壓力為揚壓力。危害：抵消了部分壩體的重量，對壩體的穩(wěn)定不利減少了上游壩踵的壓應(yīng)力，對壩的壓應(yīng)力不利。三、重力壩的設(shè)計內(nèi)容（1）剖面設(shè)計參照已建工程經(jīng)驗，擬定剖面尺寸。（2）穩(wěn)定計算驗算壩體沿建基面或地基中軟弱結(jié)構(gòu)面的穩(wěn)定安全度。（3）應(yīng)力計算使應(yīng)力條件滿足設(shè)計要求，保證大壩和壩基有足夠的強度。（4）溢流重力壩和泄水孔的孔口尺寸的設(shè)計孔口尺寸的設(shè)計，包括泄水建筑物體型、堰頂或泄水孔進口的高程、溢流重力壩前沿的寬度和泄水孔口的寬度。（5）構(gòu)造設(shè)計根據(jù)施工和運行要求，確定壩體的細部構(gòu)造，如廊道系統(tǒng)、排水系統(tǒng)等；（6）地基處理根據(jù)地質(zhì)條件，進行地基的防滲、排水、斷層等地質(zhì)結(jié)構(gòu)面的處理。（7）監(jiān)測設(shè)計包括壩體內(nèi)部和外部的觀測設(shè)計。四、重力壩的分類1、按壩頂是否溢流的條件分類溢流壩——即可擋水，又可泄水的水工建筑物非溢流壩——擋水建筑物2、按結(jié)構(gòu)型式分類實體重力壩寬縫重力壩特點：①減少揚壓力②改善砼澆筑時的散熱條件③施工復(fù)雜，模板用量多支墩壩空腹重力壩特點：①減少揚壓力，節(jié)約砼方量②改善壩體應(yīng)力③施工復(fù)雜古田四級空腹重力壩預(yù)應(yīng)力重力壩特點：①利用受拉鋼筋或鋼桿對重力壩施加預(yù)應(yīng)力，改善壩體應(yīng)力；②加大抗滑穩(wěn)定性；③施工復(fù)雜，鋼筋用量多。第二節(jié)重力壩的荷載及組合一、荷載計算2.1.1自重:壩體及其上永久性設(shè)施重W=∑（γiVi）2.1.2上、下游壩面的靜水壓力2.1.3溢流壩反弧段上的動水壓力溢流壩反弧段上的動水壓力（離心力）合力的水平及垂直分力可按下式計算：作用點：反弧段最低點；方向：圖示為正。2.1.4揚壓力滲透壓力：在下、下游水位差的作用下，庫水經(jīng)過壩體和壩基的孔隙向下游滲透而形成滲透水流，滲透水流對計算截面產(chǎn)生的垂直指向該截面的水壓力為滲透壓力。浮壓力：若計算截面在下游水位之下，由下游水深對該截面產(chǎn)生的垂直指向該截面的水壓力為浮壓力。1）壩基面上的揚壓力①不設(shè)防滲排水設(shè)施的實體重力壩②設(shè)有防滲帷幕和排水設(shè)施的實體重力壩防滲帷幕：在壩基土巖中鉆孔灌槳而形成一道連續(xù)的地下墻。排水幕：在壩基土巖中鉆孔灌渠而形成一排水孔。作用：阻止?jié)B透水流，降低滲透壓力，延長滲徑；滲透水流能自由逸出。③設(shè)有抽排降壓設(shè)施的實體重力壩。抽排降壓：在基礎(chǔ)灌漿廊道下游設(shè)置，一道排水廊道、鉆設(shè)排水孔，由抽水設(shè)備定時抽排。α1——揚壓力折減系數(shù)α2——殘余物壓力系數(shù)2）壩體內(nèi)部的揚壓力壩體內(nèi)有排水管壩體內(nèi)無排水管討論：揚壓力是一種孔隙水壓力，始終垂直作用于計算截面。揚壓力的作用面積，近似作用在100%°的面積上。當(dāng)壩基條件復(fù)雜，需經(jīng)專門研究確定揚壓力分布。2.1.5冰壓力2.1.6泥沙壓力壩前的淤砂高程應(yīng)按河流的特性和工程的具體情況計算確定，一般計算年限可采用年。對于多泥砂河流應(yīng)經(jīng)研究確定；當(dāng)有可靠的排砂措施時，應(yīng)考慮其作用。水平泥砂壓力強度：式中:Pn：計算點上的水平泥砂壓力強度；：泥砂的浮容重，：泥砂的干容重；：水的容重；：泥砂的內(nèi)摩擦角，粗砂υ=18°~20°細砂υ=12°~14°；極細顆粒υ=0hn：計算點以上的淤砂厚度。水平泥砂壓力的合力：垂直泥沙壓力的合力：=2.1.7浪壓力說明：（1）水對波浪的阻力大于空氣對波浪的阻力，所以波浪的中心線高于靜水位。（2）壩前自由波與反射被的疊加形成駐波。1）使波浪破碎的臨界水深：Hk=（3~5)h1H1>L1:波浪的運動不受庫底的約束，深水波；Hk<h1<l1:波浪的運動受庫底的影響，淺水波；<bdsfid="223"p=""></h1<l1:波浪的運動受庫底的影響，淺水波；<>H<hk:波浪發(fā)生破碎，破碎波；<bdsfid="225"p=""></hk:波浪發(fā)生破碎，破碎波；<>L1：波浪的長度；H1：壩前平均水深，一般水庫的壩前平均水深大于L1為深水波。2）波浪的要素：（官廳水庫公式）根據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范》波浪的高度和長度的計算推薦使用官廳水庫公式，適用于山區(qū)峽谷水庫，風(fēng)速為4~16m/s，吹程為1~13km。式中:2h1：波浪的高度。V：多年平均最大風(fēng)速，正常蓄水位和設(shè)計洪水位時，宜采用相應(yīng)洪水期多年平均最大風(fēng)速的1.5~2倍；校核洪水位時，宜采用相應(yīng)洪水期多年平均最大風(fēng)速。D：庫面的波浪吹程，km。3）深水波的浪壓力：方向：水平指向壩面2.1.8地震荷載地震荷載一般情況下,水工建筑物抗震設(shè)計只考慮水平向地震作用。按《水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》，水工建筑物抗震設(shè)計計算中采用擬靜力法時,沿建筑物高度作用于質(zhì)點i的水平向地震慣性力代表值可統(tǒng)一用下式計算：=式中—為作用在質(zhì)點i的水平向地震慣性力代表值;—為水平向設(shè)計地震加速度代表值；—為地震作用的效應(yīng)折減系數(shù),一般取0.25;—為集中在質(zhì)點i的重力作用標(biāo)準(zhǔn)值;g—為重力加速度;—為質(zhì)點i的動態(tài)分布系數(shù)，不同建筑物,其不同。對于重力壩,按下式確定：=1.4式中：—為壩體計算質(zhì)點總數(shù)；—為壩高,溢流壩的應(yīng)算至閘墩頂；、—分別為質(zhì)點、高度；—為產(chǎn)生地震慣性力的建筑物總重力作用的標(biāo)準(zhǔn)值。2.1.9溫度荷載:對重力壩施工期進行適當(dāng)溫控，運用期設(shè)置永久性橫縫，則溫度荷載不列為主要荷載。二、荷載組合作用于壩體上荷載分為基本荷載和特殊荷載?；竞奢d：①壩體及其上永久性設(shè)備重；②正常蓄水位或設(shè)計洪水位時的靜水壓力（選擇一種控制情況）；③相應(yīng)于正常蓄水位或設(shè)計洪水位時的揚壓力；④泥砂壓力；⑤相應(yīng)于正常蓄水位或設(shè)計洪水位時的浪壓力；⑥冰壓力；⑦土壓力；⑧相應(yīng)于設(shè)計洪水位時的動水壓力；⑨其他出現(xiàn)機會較多的荷載。特殊荷載：①校核洪水位時的靜水壓力；②相應(yīng)于校核洪水位時的揚壓力；③相應(yīng)于校核洪水位時的浪壓力；④相應(yīng)于校核洪水位時的動水壓力；⑤地震荷載；⑥其他出現(xiàn)機會較少的荷載。荷載組合：將具有合理的同時出現(xiàn)機率的荷載進行最不利組合，作為建筑物上的設(shè)計荷載?；炷林亓蔚暮奢d組合分基本組合和特殊組合?；窘M合：由基本荷載組合。特殊組合：由基本荷載和一種或幾種特殊荷載組合。詳細的組合情況見《混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范》第三節(jié)重力壩的穩(wěn)定分析一、沿壩基面的抗滑穩(wěn)定分析１、摩擦公式——認(rèn)為壩體與壩基為接觸狀態(tài)當(dāng)滑動面為水平時E:\精品課程\湖北水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院\水工建筑物資料\課件\chap02\swf\3.1.swf滑動面上的安全系數(shù)：∑H：作用于滑動面以上的合力在水平方向投影的代數(shù)和；∑V：作用于滑動面以上的合力在垂直方向投影的代數(shù)和；U：作用于滑動面上的揚壓力；f：滑動面上的摩擦系數(shù)；[K]：設(shè)計規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù)。當(dāng)滑動面為傾斜時滑動面上阻滑力:滑動面上滑動力：滑動面上的安全系數(shù)：β：滑動面與水平面間的夾角。當(dāng)壩基面向上游傾斜對抗滑穩(wěn)定有利；當(dāng)壩基面向下游傾斜時，β為負，滑動力：增加，對抗滑穩(wěn)定不利。２、剪斷強度公式——認(rèn)為壩體與壩基為膠結(jié)狀態(tài)滑動面上的抗滑安全系數(shù)：f'：抗剪斷摩擦系數(shù)；c'：抗剪斷凝聚力；A：滑動面面積。３、討論：抗滑穩(wěn)定的計算情況為任何可能出現(xiàn)的荷載組合。摩擦公式：形式簡單，但沒有考慮壩體與壩基的咬合，膠結(jié)作用，與實際情況出入較大?？辜魯鄰姸裙剑河嬋肓藟位娴娜靠够瑵摿Γ^接近實際作用情況。關(guān)于f'、c'、與f的取值，兩者的物理意義不同，試驗方法不同。f：采用一般的摩擦試驗取得；f'、c'：通過兩材料膠結(jié)面的抗剪斷試驗取得。關(guān)于[K]、[K']的取值，與工程等級、荷載組合、計算方法有關(guān)。[K]一般為1.0~1.1，而將混凝土與基巖間的凝聚力作為安全儲備。[K']：基本荷載組合為3.0,特殊荷載組合為2.3~2.5.公式的選用兩種計算公式均為《混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范》推薦的計算公式，其安全系數(shù)只是一個抗滑穩(wěn)定的安全指標(biāo)，并不能反映壩體真實的安全程度?！芕和∑H基本是與壩高的平方成正比，而凝聚力c'A則與壩高成正比，因此按摩擦公式核算壩體抗滑穩(wěn)定時，高壩的安全儲備比低壩小。二、深層抗滑穩(wěn)定分析當(dāng)壩基內(nèi)存在巖體軟弱結(jié)構(gòu)面時，在水荷載作用下，壩體有沿軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生滑動，即為深層滑動。１、單滑動面當(dāng)壩基內(nèi)只存在一個巖體軟弱結(jié)構(gòu)面，將軟弱結(jié)構(gòu)面以上的壩體和地基作為整體，按剛體極限平衡法，核算軟弱結(jié)構(gòu)面上的抗滑安全系數(shù)。fB、CB：滑動面上的抗剪斷摩擦系數(shù)和凝聚力。２、雙滑動面實際工程中，壩基內(nèi)往往存在多條相互切割交錯的斷層和軟弱夾層。構(gòu)成復(fù)雜的滑動面。在深層抗滑穩(wěn)定分析時，應(yīng)驗算所有可能的滑動通道，從中找出最不利的滑動面組合和其上抗滑安全系數(shù)。第一滑動面：傾向下游的緩傾角斷層、泥化夾層。第二滑動面：可以是傾向上游的斷層、泥化夾層；也可以假定多條滑裂面，通過試算確定一條最不利的破裂面。問題：由一個剛體極限平衡方程（抗剪斷強度公式或摩擦公式），不能同時求兩個未知數(shù)：F1、F2，或K1、K2簡化計算方法：將滑移體分為兩段，采用被動抗力法、剩余推力法、等安全系數(shù)法。1）被動抗力法：假定抗力體的作用充分發(fā)揮，取其K2=1求出Q，Q為抗力體向壩體段提供的阻力。由此計算出壩體段的安全系數(shù)K1，作為深層抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。問題：理論依據(jù)不足，概念清楚；當(dāng)抗力體提供的Q較小，壩體段可能產(chǎn)生較大的位移，導(dǎo)致于上游帷幕破壞，無法定量分析，計算結(jié)果不能反映。2）剩余推力法：假定壩體段的穩(wěn)定安全系數(shù)K1=1，求抗力體上的推力Q；由此計算出抗力體的穩(wěn)定安全系數(shù)K2，作為深層抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。問題：當(dāng)壩體段的f1較大時，Q可能為負值、零，不符合實際情況；為承受Q，抗力體可能會產(chǎn)生較大的變形，以至壩趾巖體壓碎，計算結(jié)果不能反映。3）等安全系數(shù)法假定K1=K2，由兩個極限平衡方程求解K、Q問題：第一滑動面為斷層、泥化夾層，產(chǎn)生塑性破壞，變形較大；第二滑動面在完整巖體中，產(chǎn)生脆性破壞，變形較小既破壞；兩滑動面上的安全系數(shù)實際不相同。三、提高壩體抗滑穩(wěn)定性的措施1）利用水重，將壩體上游面做成傾斜，利用水重增加向下的垂直力。2）壩基面向上游傾斜，對抗滑穩(wěn)定有利。3）在壩基面設(shè)置防滲排水設(shè)施，減少揚壓力。4）在壩踵處設(shè)深齒墻，當(dāng)軟弱夾層埋藏較淺時，將壩踵附近出露的軟弱夾層開挖齒槽切斷，并回填混凝土處理，施工簡單，工程量不大，有利于壩基防滲。5）設(shè)置混凝土洞塞，當(dāng)軟弱夾層埋藏較深時，厚度大且傾角較平緩，全部挖出工程量大，可在軟弱夾層中放置數(shù)排混凝土洞塞，增加軟弱夾層的抗剪能力。6）在壩趾處設(shè)深齒墻，在壩趾下游修建深齒墻，增加尾巖抗力體高度，增加尾巖抗力，適用于在壩基開挖過程中出，發(fā)現(xiàn)了原來沒有預(yù)見到的夾層時采用。7）鋼筋混凝土抗滑樁，在壩基軟弱夾層的下游壩趾、抗力體部位，布置鋼筋混凝土抗滑樁，深入到滑動面以下完整巖體中，利用樁體承受推力或剪力增加尾巖抗力。8）預(yù)應(yīng)力錨索。第四節(jié)重力壩的應(yīng)力分析一、概述4.1.1目的檢驗壩體在施工期和運用期是否滿足強度方面的要求；確定壩體砼標(biāo)置分區(qū)以及為配置鋼筋提供依據(jù)。4.1.2應(yīng)力分析方法重力壩的應(yīng)力分析方法可以分為兩大類，即理論計算方法和模型試驗方法。這兩類方法互相補充、互相驗證，并受原形觀測結(jié)果的檢驗。1）模型試驗法常用的方法有電測法，可以進行彈性應(yīng)力分析、破壞試驗。采用地質(zhì)力學(xué)模型試驗方法，可以模擬復(fù)雜的地基。模型試驗法在模擬材料特性、施加地基滲透體積力等方面還存在著一些問題，有待進一步以及解決。2）材料力學(xué)法材料力學(xué)法是重力壩設(shè)計規(guī)范推薦的方法。該方法不考慮地基的變形對壩體的應(yīng)力的影響，使計算結(jié)果在地基附近約1/3壩高范圍內(nèi)，與實際情況不符合。但該方法有長期的實踐經(jīng)驗，對中等高度的壩，按該方法和規(guī)定的指標(biāo)進行設(shè)計，是可以保證工程的安全的。3）彈性理論解析法該方法在力學(xué)模型和數(shù)學(xué)解法上都是嚴(yán)格的，因此只有少數(shù)邊界條件簡單的典型結(jié)構(gòu)才有解答。通過對典型結(jié)構(gòu)的計算分析，可以驗證其他方法的正確性，彈性理論解析法仍是一種有價值的分析方法。4）彈性理論的差分法該方法在力學(xué)模型解法上是嚴(yán)格的，在數(shù)學(xué)的解法上采用差分格式，是近似的。由于差分法要求方型網(wǎng)格，對復(fù)雜邊界適應(yīng)性差。5）彈性理論的有限元法有限元法在力學(xué)模型上是近似的，在數(shù)學(xué)的解法上是嚴(yán)格的。二、用材料力學(xué)法計算壩體的應(yīng)力4.2.1基本假定1）壩體材料為均質(zhì)、連續(xù)、各向同性的彈性材料。2）壩段為固結(jié)于地基上的懸臂梁，各壩段獨立工作，橫縫不傳力。3）地基的變形對壩體的應(yīng)力沒有影響。4）水平截面上的垂直正應(yīng)力呈直線分布（平面假定）。4.2.2計算單元、計算截面1）計算單元垂直壩軸線方向，取單位壩寬為計算單元。2）計算截面在計算單元的橫剖面上，截取若干個控制性水平截面進行應(yīng)力計算。一般選取壩基面、折坡處、壩體削弱部位（廊道部位等）以及需要計算壩體應(yīng)力的部位。4.2.3邊緣應(yīng)力計算（1）水平截面上邊緣垂直正應(yīng)力σyuσyd將所自荷載向計算截面中點簡化得到：ΣW：作用在計算截面以上壩體的全部荷載的垂直分力的總和；ΣP作用在計算截面以上壩體的全部荷載的水平分力的總和；ΣM：作用在計算截面以上壩體的全部荷載對截面形心的力矩總和。使截面產(chǎn)生垂直正應(yīng)力的合力有ΣW、ΣM=σyu：計算截面上，上游邊緣垂直正應(yīng)力；σyd：計算截面上，下游邊緣垂直正應(yīng)力。（2）水平截面上邊緣剪應(yīng)力τu、τ（不考慮揚壓力）以上游邊緣微分體為例，由平衡條件：同理，下游邊緣剪應(yīng)力：pd：下游壩面的外荷載強度。（3）邊緣水平正應(yīng)力σxu，σxd（不考慮揚壓力）以上游邊緣微分體為例，由平衡條件：同理：下游邊緣水平正應(yīng)力應(yīng)力：（4）邊緣主應(yīng)力σu，σd（不計揚壓力）主應(yīng)力的作用面：主應(yīng)力的作用面上沒有剪應(yīng)力，即為以壩上游邊緣微分體為例：Φ越大，sin2υ越大，上游壩坡越緩，σu可能為負，出現(xiàn)拉應(yīng)力。同理：下游邊緣主應(yīng)力：（5）考慮揚壓力的情況揚壓力屬孔隙水壓力，存在于微分體的孔隙內(nèi)。以上游邊緣微分體為例，由平衡條件：下游邊緣的應(yīng)力求解同理。三、重力壩應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)4.3.1壩基面垂直正應(yīng)力的控制標(biāo)準(zhǔn)1．運用期σyu（計入揚壓力）>0σyd（計入或不計入揚壓力）≤[R]2．施工期σyd允許有不大于0.1Mpa的拉應(yīng)力4.3.2壩體應(yīng)力的控制標(biāo)準(zhǔn)1．運用期σu（計入揚壓力）≥0σu（不計入揚壓力）≥0.25rHH：計算點的靜水頭2．施工期壩的任何截面上的主壓應(yīng)力不得大于砼的容許壓應(yīng)力值，壩的下游面允許有不大于0.2Mpa的主拉應(yīng)力。第五節(jié)重力壩的剖面設(shè)計重力壩樞紐一般有非溢流壩段和溢流壩段組成一、非溢流重力壩剖面設(shè)計5.1.1基本剖面重力壩的主要荷載，靜水壓力p與H2成正比；為維持壩體自身的穩(wěn)定，重力壩的主要荷載自重W也應(yīng)與H2成正比。重力壩的基本剖面為三角形。其中H為最高靜水頭。三角形的基本參數(shù)有：H、T、n、m根據(jù)工程經(jīng)驗，一般上游壩坡n取0～0.3，下游壩坡m取0.6～0.85，底寬取T（0.7～0.9）H（壩高）。5.1.2實用剖面1）壩頂?shù)膶挾娶儆墒┕?、交通、設(shè)備安裝等條件確定：式Bmin=(8~10)%H②由漂浮場，冰壓力的沖擊力確定2）壩頂高程壩頂超高靜水位的高度：△h=2h1+h0+hc2h1：波浪高度h0：波浪的中心線超過靜水位的高度hc：安全加高3）實用剖面的型式①地基條件較好,f'較大，壩體剖面由強度條件控制。②地基條件較差,f'較小，壩體剖面由穩(wěn)定條件控制。③壩體剖面由穩(wěn)定條件控制，同時有利于利用水重和布置壩體泄水孔。二、溢流重力壩剖面設(shè)計1、泄水方式E:\精品課程\湖北水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院\水工建筑物資料\課件\chap02\swf\5.2.swf（1）壩頂式溢流特點：①，超過能力大；②閘門承受水壓力小，孔口尺寸可大些；③工作可靠，操作、檢修方便；④排泄冰凌和其它漂浮物；⑤不能提前預(yù)泄；（2）大孔口式溢流采用活動的胸墻：同壩頂溢流（3）深式泄水孔：作用：預(yù)泄洪水、排放泥砂、向下游供水、導(dǎo)流2、洪水標(biāo)準(zhǔn)洪水標(biāo)準(zhǔn)包括：洪峰流量和洪水總量。洪水標(biāo)準(zhǔn)是確定孔口尺寸進行水庫調(diào)洪演算的重要依據(jù)。洪水標(biāo)準(zhǔn)有：3、孔口尺寸的選定通過水庫調(diào)洪演算確定，其步驟為：收集計算基本資料：洪水過程線、水庫水位~容積曲線、上游最高限制水位、下游最大允許下泄流量、其調(diào)水位等。擬定幾組的若為導(dǎo)流建筑物尺寸設(shè)計，擬定幾組擬定的孔口尺寸及基本資料，繪制下泄流量與水庫水位的關(guān)系曲線：Q下泄~H；采用試算法或單輔助線法，求解不同孔口尺寸條件下的：4、溢流壩剖面溢流壩剖面組成：bc直線段：坡比與非溢流壩一致；cd反弧段：使水流平順進入下游消能段de挑流消能段：由溢流壩下游消能形式確定。5、溢流重力壩的下游消能消能方式優(yōu)點缺點適用條件挑流消能工程量小沖刷大、霧氣大基巖好、ΔH大底流消能消能穩(wěn)定Fr=4.5～9工程量大基巖條件差，H下變幅大面流消能工程量小出流態(tài)不易控制尾水變幅不大消力戽消能工程量小消能效率高出流態(tài)不易控制尾水變幅不大第六節(jié)重力壩的構(gòu)造及壩體材料一、重力壩的構(gòu)造及壩體材料1、重力壩的分縫在水工建筑物中，為適應(yīng)施工期和運行期的溫度變化、地基不均勻沉降、施工時混凝土的澆筑能力及散熱要求以及結(jié)構(gòu)布置要求等設(shè)置的接縫構(gòu)造?？p的類型按作用可分為溫度縫（又稱伸縮縫）、沉陷縫和施工縫，按使用期限可分為永久縫和臨時縫。溫度縫和沉陷縫多為永久縫，施工縫多為臨時縫。1）橫縫設(shè)置：垂直于壩軸線，將壩體分成若干壩段作用：減少壩體的縱向約束，以適應(yīng)運用期地基的不均沉降及溫度變化?？p的特性：永久性縫。間距：12m~20m?？p面的處理：必須有可靠的止水設(shè)備，為適應(yīng)縫的變形，縫中填沖瀝青油氈，瀝青麻片或其它填料。2）縱縫：設(shè)置：平行于壩軸線方向，將壩段分成壩塊作用：適應(yīng)砼的澆筑能力，滿足散熱要求縫的形式：①錯縫：澆筑塊尺寸小，適用于低壩②縱縫：縫面設(shè)置鍵槽——灌漿③斜縫：沿主應(yīng)力軌跡布置④通倉澆筑：澆筑能力大，溫度應(yīng)力大，是發(fā)展方向，整體性好間距：一般為15～30m，取決于混凝土澆筑能力及溫度控制要求。縫面的處理：待壩體溫度降到穩(wěn)定溫度時，接縫灌漿。3）水平施工縫下、上層澆筑塊之間的新老砼的結(jié)合面，間歇：3~7天處理：鑿毛、沖洗；在已清理的干燥表面上敷一層2~3cm的富水泥砂漿，用鋼絲刷抹后，立即澆上層砼；上層砼需防止振搗過度，水泥砂漿泌出。2、壩體排水作用：減少滲水對壩體的危害間距：沿壩軸線方向，2~3m布置一根排水管。離上游壩面距離：（1/10~1/20）壩前水深——防止?jié)B水溶濾作用3、廊道系統(tǒng)作用：用于基礎(chǔ)灌漿、排水、觀測、檢查、交通1）基礎(chǔ)灌漿廊道：用于防滲帷幕及排水幕的施工。離上游壩面距離：（1/10~1/20）壩前水深。在基巖面以上應(yīng)有1.5倍廊道寬度的距離。廊道的斷面形式：城門洞型。2）檢查、觀測、交通、排水廊道布置：沿壩高每隔15m~20m高程設(shè)置一層。二、溢流壩壩頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)布置1）閘門：工作閘門：調(diào)節(jié)下泄流量，在動水中啟閉，啟閉力要求較大；閘門的形式為弧形閘門或平板閘門圖（錄象）檢修閘門：用于短期擋水，以便對工作閘門及機械設(shè)備檢修。在靜水中啟閉，啟閉力較小；閘門的形式一般采用平板閘門，各閘孔可交替使用平板檢修閘門。當(dāng)庫水位在檢修期低于壩頂高程時，可不設(shè)檢修閘門。2）閘墩作用：分隔閘孔。承受傳遞水壓力。支承閘墩上部結(jié)構(gòu)重量。平面形式:高度、長度：滿足閘門、工作橋、交通橋、啟閉設(shè)備的布置和運行要求。厚度：強度、穩(wěn)定條件決定3）邊墩和導(dǎo)墻邊墩——分隔溢流壩段，非溢流壩段導(dǎo)墻——邊墩向下游的延續(xù)、分隔下泄水流與壩后電站的出水水流。高度：高出摻氣后的溢流水面1.0~1.5m4）胸墻結(jié)構(gòu)型式：板式、板梁式與閘墩連接：簡支、固結(jié)三、重力壩的材料建筑重力壩的材料一般為：混凝土、漿砌石重力壩材料分區(qū)1區(qū)：上下游水位以上壩體表層混凝土；2區(qū)：上下游水位變化區(qū)的壩體表層混凝土；3區(qū)：上、下游最低水位以下壩體表層混凝土；4區(qū)：壩基部位混凝土；5區(qū)：壩體內(nèi)部混凝土；6區(qū)：有抗沖刷要求部位的混凝土。各區(qū)對混凝土性能的有不同的要求。第七節(jié)重力壩對地基的要求及地基處理7.1力壩要求建壩地基具有1強度：具有一定的承載能力，不發(fā)生顯著的變形。2抗?jié)B性：不發(fā)生管涌等滲透破壞。（管涌：壩基中的細土壤顆粒被滲流帶走形成滲流通道的現(xiàn)象）天然地基經(jīng)過長期的地質(zhì)作用，一般都有風(fēng)化、節(jié)