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1、,水 工 建 筑 物,2019年11月7日,赖 国 伟,第六章 重力坝Gravity Dam,第一节 概述 第二节 重力坝的荷载及其组合 第三节 重力坝的稳定分析 第四节 重力坝的应力分析 第五节 重力坝的剖面设计 第六节 重力坝的泄水与消能防 第七节 重力坝的材料与构造 第八节 重力坝的地基处理 第九节 其它型式的重力坝,第一节 概述 术语解释 坝：拦截江河渠道水流以抬高水位或调节流量的挡水建筑物。 坝轴线：在平面上代表大坝位置的一条横断河谷的线。一般重力坝与拱坝用坝顶上游侧在水平面上的投影线，土坝用坝顶中心线作为坝轴线。,大坝分类：,按结构特点分,一、工作原理 重力坝是用混凝土(concr
2、ete) 或者浆砌石(grouted rubble)材料建筑而成的挡水建筑物。 工作原理：在库水压力及其它外荷作用下，主要依靠坝体自重来保持稳定。 (依靠其自身重量在地基上产生的摩擦力和坝与地基之间的凝聚力来抵抗坝前水压力等推力，以保持坝体的抗滑稳定。) 剖面特点：重力坝基本剖面呈三角形。通常上游面铅直或稍倾斜。 结构型式：类似于以地基为固端的悬臂梁，因为重力坝常沿坝轴线用横缝分成独立工作的若干坝段。,二、工作特点 优点： （1）坝体材料抗冲性能好，泄洪和施工导流问题容易解决。 泄洪：可坝顶溢流，或在坝身开设泄水孔泄洪，不需另设溢洪洞或泄水隧洞。这是重力坝的一个很大优点，这样不用另设河岸溢洪道
3、、隧洞等其它泄水建筑物，枢纽布置也较紧凑。 施工导流：可以利用坝体导流，不需另设导流洞。,（2）断面形状简单，结构作用明确，施工方便，安全可靠。 结构作用明确。重力坝沿坝沿坝轴线用横缝分成若干坝段，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。 施工方便。大体积混凝土，可采用机械化施工，放样、立模、浇筑都比较方便，补强、维护和扩建也比较方便。 安全可靠。剖面大且应力低，筑坝材料强度高、耐久性好，抵抗洪水漫顶、渗漏、地震的能力都比较强。根据统计，在各种坝型中，重力坝的失事率是较低的。,（3） 适合于在各种气候条件下修建。 但在： 冬季，当温度低于-3时，混凝土中水会结冰，施工需采用加热
4、、保温、防冻措施等。 夏季，当温度高于30时，施工需采用低热水泥、低温水、加冰屑、预冷骨料，掺外加剂延长初凝时间。 （4） 对地基的要求比拱坝低，但比土石坝高。,缺点： （1）坝体体积大，耗费材料多，不能充分利用材料强度。 （因为稳定靠重力。） （2）坝体与地基的接触面大，作用在坝底面上的扬压力大。（对稳定不利。） （3）施工期对大体积混凝土温控要求高。,三、重力坝的分类 （1）按坝顶是否溢流可分 溢流重力坝既可挡水，又可泄水的重力坝。 非溢流重力坝,（2）按结构型式可分 实体重力坝(concrete solid gravity dam) 整个坝体除若干小空腔外均用混凝土填筑的重力坝。 宽缝重
5、力坝(concrete slotted gravity dam) 如果将实体重力坝横缝的中部加宽成空腔，即成为宽缝重力坝。 特点：减少扬压力，节约混凝土方量1020 ；改善混凝土浇筑时的散热条件；施工复杂，模板用量多。,实体重力坝,宽缝重力坝,支墩坝（包括大头坝、平板坝、连拱坝） 定义（结构型式）：支墩坝是由一系列独立的支墩顺坝轴线排列，前面设挡水构件，形成横断河道的挡水坝。 分类 ：按挡水构件的型式不同，可分为以下几类： （1）大头坝：把支墩的上游端向两侧扩大，成为挡水的大头结构。 （2）平板坝：挡水构件采用钢筋混凝土平面板，支承在支墩上。 （3）连拱坝：挡水构件采用钢筋混凝土连续拱面板，支
6、承在支墩上。 传力过程：挡水构件承受水压力等荷载，经支墩将荷载传给地基。 特点：节约混凝土方量，充分利用材料强度；侧向稳定性差，对地基的要求严格；钢筋用量较大，施工复杂。,特点： 节约混凝土方量，充分利用材料强度； 侧向稳定性差，对地基的要求严格； 钢筋用量较大，施工复杂。,空腹重力坝 在坝内设置大型纵向空腔的重力坝。 特点：减少扬压力，节约混凝土方量2030；空腹可布置水电站厂房；施工复杂，模板用量多。 预应力重力坝 特点：利用受拉钢筋或钢杆对重力坝施加预应力，改善坝体应力；加大抗滑稳定性；施工复杂，钢筋用量多。 目前仅在小型工程和旧坝加固工程中采用。,空腹重力坝,预应力重力坝,（3）按施工
7、方式可分 常态混凝土重力坝 碾压混凝土重力坝：用干贫混凝土或无坍落度干硬性混凝土经碾压而成的混凝土重力坝。 （背景资料：20世纪七十年代，通过减少混凝土中水和水泥用量，发展了用无坍落度混凝土经施工机械运输、摊铺，用振动碾压而成的混凝土，称为碾压混凝土（RCC）。施工时碾压厚度，一般为30cm。）,贫混凝土：水泥用量较普通混凝土低的混凝土,一般每立方砼为100200kg，因而又称为经济混凝土。,碾压混凝土坝主要特点 ： 节约水泥，可简化温控措施。碾压混凝土一般都掺入较大数量（胶凝材料的30%70%）的粉煤灰或其他具有一定活性的掺合料，因而水泥用量显著减少，水泥用量为50 120kg/m3 ，而常
8、态混凝土的水泥用量为160 220kg/m3 。 可缩短工期。工期一般可缩短1/51/3，甚至更短。 降低造价。碾压混凝土的单价比常规混凝土低1530%，有的低50%左右。,（4）按坝高分可分 低坝：坝高在30m 以下； 中坝：坝高在30m70m（含30m 和70m）； 高坝：坝高在70m 以上为高坝。 (低坝的高度为50m以下，中坝的高度为50mlOOm，高度在100m以上者为高坝电力行业标准混凝土拱坝设计规范2006年修订),四、重力坝的布置 应根据地形地质条件，结合枢纽各组成建筑物综合考虑。 例如：泄水溢流坝段、深孔坝段尽量布置在原河床； 水电站多为采用坝后式。 坝轴线一般布置成直线，必
9、要时也可布置成折线或稍带拱形的曲线。后者称为拱形重力坝。 总体布置还应注意各坝段外形的协调一致，尤其上游坝面要保持齐平。 ,五、重力坝的设计内容 （1）剖面设计（非溢流重力坝）：参照已建工程经验，初步拟定剖面尺寸。 （2）稳定计算：验算坝体沿建基面或地基中软弱结构面的稳定安全度。 （3）应力计算：使应力条件满足设计规范要求，保证大坝和坝基有足够的强度。 （4）溢流重力坝和泄水孔的孔口尺寸的设计： 包括泄水建筑物体型、溢流堰顶高程、溢流重力坝前沿的宽度和泄水孔进口的高程、泄水孔口的尺寸，以及泄水重力坝的应力稳定计算。 （5）电站坝段及其它建筑物设计 （6）构造设计： 根据施工和运行要求，确定坝体
10、的细部构造，如分缝、廊道系统、排水系统、止水系统等。 （7）地基处理： 根据地质条件，进行地基的防渗、排水设计；进行断层等地质结构面的处理。 （8）监测设计： 包括坝体内部和外部的观测设计。,六、国内外著名的重力坝 世界上最高的混凝土重力坝：20世纪90年代修建的、位于瑞士的大狄克逊(Grand dixence)坝，285m。 我国最高的实体重力坝：位于湖北省长江的三峡大坝，181m。 最高的碾压混凝土重力坝：位于广西红水河的龙滩碾压混凝土重力坝，一期192m，最终220m。 国内坝高100M以上的典型混凝土重力坝：见左表。,第二节 坝的荷载及其组合 作用在坝上的荷载主要有以下几种： 坝体及坝
11、上永久设备的自重； 上、下游坝面上的静水压力； 溢流坝反弧段上的动水压力； 扬压力； 冰压力； 泥沙压力； 浪压力； 地震荷载，包括地震惯性力、地震动水压力和地震动土压力； 由于建筑材料的体积变形（由温度和干湿所引起的伸缩变形）受到约束所引起的荷载； 其他荷载，包括风压力、雪压力、船舶的缆绳拉力和靠船撞击力、运输车辆、货物、起重机和人群等的临时荷载以及爆炸引起的气浪力等。,一、荷载的计算 常沿坝轴线方向取1米宽坝体为计算单元。 1、坝体及坝上永久设备的自重 自重：坝体及其上永久性设施的重量 W=（iVi）。 坝体自重：应按其断面的几何尺寸及材料容重计算。在初步设计阶段，混凝土的容重可根据骨料的
12、类别采用23.023.5kN/m3，对重要的工程应采用混凝土的试验数值。 对坝上永久设备：如闸门、启闭机、电机、电梯等自重均按实际重量计算。 2、上、下游坝面的静水压力 水的容重： 清水w 浑水w(按实际情况考虑) 3、溢流坝反弧段上的动水压力,4、扬压力 （1）坝底扬压力 无防渗排水设施的实体重力坝 通常假定扬压力呈直线分布。 扬压力可分解成两部分：浮托力与渗透压力。即 扬压力=浮托力+渗透压力,设有防渗帷幕和排水设施的实体重力坝 防渗帷幕（ seepage proof curtain ）：在坝基钻孔灌浆而形成的一道连续地下墙。作用：减少坝基渗流量，降低坝底扬压力。 排水孔幕：在防渗帷幕后边
13、基岩钻孔，形成排水孔幕。作用：降低坝底扬压力。 排水孔较防渗帷幕的减压效果往往更为显著。 坝底扬压力分布图：浮托力按矩形分布，压力强度为 w H2；渗透压力呈折线分布，在排水孔中心线与坝底相交点为 w (H1-H2)= w H 。 为渗透压力强度系数（或称渗透压力折减系数，书中称扬压力折减系数不妥）： 河床坝段： 采用0.20.3； 岸坡坝段： 采用0.30.4。,设有防渗帷幕和排水设施 的实体重力坝坝底扬压力图,设有抽排降压设施的实体重力坝 抽排降压设施：为了有效地减小坝基扬压力，还可在基础灌浆廊道下游设置纵、横排水廊道和基面副排水孔，由自动抽水设备定时抽排。 坝底扬压力分布：见图。 1为扬
14、压力强度系数（扬压力折减系数）；2为残余扬压力强度系数（残余扬压力折减系数） 。,坝体扬压力（坝体内部的扬压力） 为了减小坝体内扬压力，常在上游坝面附近35m范围内提高混凝土的防渗性能，形成防渗层；其后设置坝身排水管孔。 坝体水平截面上的扬压力： 当计算截面在下游水位以下时：坝体排水管幕处扬压力折减系数一般采用=0.150.3； 当计算截面在下游水位以上时：坝体排水管幕处扬压力折减系数同上，下游坝面处扬压力为0；排水管幕与下游坝面之间按直线变化。,当计算截面在下游水位以下时,当计算截面在下游水位以上时,5、冰压力 6、泥沙压力 7、浪压力 8、地震荷载 9、温度荷载：对重力坝施工期进行适当温控
15、，运用期设置永久性横缝，则温度荷载不列为主要荷载。,二、荷载组合 见第三章。水口规范规定，荷载组合应按下表规定进行，必要时应考虑其他可能的不利组合。,第三节 重力坝的稳定分析 重力坝稳定分析目的及意义 重力坝稳定分析的计算方法 沿建基面的抗滑稳定分析 坝基深层抗滑稳定分析 提高抗滑稳定性的工程措施,第三节 重力坝的稳定分析 抗滑稳定分析是重力坝设计中的一项重要内容。 目的：核算重力坝在各种可能荷载组合下的稳定安全度。 建筑物设计基本原则：安全性与经济性。 重力坝设计基本原则： 保持稳定(抗滑稳定) 应力不超过材料强度（主要是坝体不出现拉应力） 剖面最小,重力坝主要破坏模式 （1）滑动破坏：是坝
16、体沿抗剪能力不足的薄弱层面产生滑动。主要包括： 沿坝基面滑动：坝基面往往是抗剪强度的一个弱面；另一方面作用在坝基面上的荷载一般最大。 沿坝基岩体内连续软弱结构面的深层滑动。,据不完全统计，在我国已建和正在设计的近百座大坝中，由于软弱夹层而改变设计，降低坝高，增加工程量或在后期加固的约有1/3。,三峡左5坝段滑移模式,金沙江向家坝水电站,（2）倾倒破坏：是在荷载作用下，上游坝踵下岩体受拉产生倾斜裂缝，下游坝趾岩体受压发生压碎而引起倾倒滑移破坏。,坝体连同一部分地基的倾倒破坏机理是由原苏联费什曼（Fishman Yu. A）提出的。倾倒破坏具体计算方法尚不够成熟完善，但拓宽了稳定分析途径，是一个值得深入研究的课题。 倾倒失稳情况很少发生（因为重力坝设计要求坝踵不出现拉应力）。,重力坝稳定分析的计算方法 （1）刚体极限平衡法规范使用，重
