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1、第四章 挡水建筑物和泄水建筑物,本章重点介绍： 工程中常用坝型，各种挡水建筑物和泄水建筑物的作用、特点、类型、结构形式、安全工作条件和要求，相关的水力现象。 挡水建筑物的作用： 拦截阻挡水流、抬高上游水位。形成水库。 主要有：拦河坝（砼重力坝、拱坝、土石坝、支墩坝等）、拦河闸等。 泄水建筑物的作用：宣泄多余洪水，确保大坝安全以及为完成枢纽运行而设的其它任务（预泄、冲砂、漂木、放空等）。,泄水建筑物可布置在河床中央河床式（重力坝溢流坝、坝身泄水孔），也可布置在河岸某处合适的地方（隧洞、岸边溢洪道，适于土石坝、轻型坝） 泄水建筑物按其进水口在水库中的位置可分为溢流表孔和泄水深孔，表孔泄水建筑物有溢
2、流坝、正槽溢洪道等。深式泄水建筑物有深式泄水孔、隧洞等。,第一节 重力坝,重力坝定义：在水压力及其他外荷载作用下，主要依靠坝体自重来维持稳定的坝。重力坝的断面基本呈三角形，筑坝材料为混凝土或浆砌石。 一、重力坝的特点和类型 靠自身重力及与坝基间的凝聚力抵抗水推力维持坝稳定。 坝基一般为岩基。具有以下特点： （1）安全可靠 （2）易解决泄水问题 （3）对地质地形条件适应性强 （4）便于施工 （5）适于各种气候条件,我国最高的重力坝：三峡，181m。 重力坝常用形式： 实体重力坝、宽缝重力坝、空腹重力坝 （一）实体重力坝 （大多数砼坝均属实体重力坝）,上游坝面略向上游倾斜，适用于混凝土与基岩面间的
3、f、c值较低的情况。,（二）宽缝重力坝 将重力坝坝段间横缝的中间部分拓宽形成宽缝的重力坝。 在两个坝段之间具有空腔的重力坝。 其优点是： 由于宽缝的存在，坝底面积小，扬压力显著降低，加之上游坡较缓，可利用上游水重来增加稳定，因此使坝体混凝土量可较实体重力坝节省约1020；,宽缝增加了散热面，有利于施工期混凝土温度控制； 坝内留设宽缝后，可以方便坝体观察和检查，必要时还可以在宽缝内进行维护修补和地基处理工作。 缺点是：模板工作量大，提高了混凝土的单价；施工导流稍感不便在严寒地区，必须采取保温措施。 中国在50年代修建了新安江宽缝重力坝，坝高105m，缝宽比0.4;以后又修建了丹江口、云峰、故县和
4、潘家口等宽缝重力坝，坝高依次为 97m、113.8m、121m和107.5m。,新安江水库,新安江,丹江口,（三）空腹重力坝,在重力坝坝体内沿坝轴线方向布置大型纵向空腹的坝。这是近数十年发展起来的一种新坝型（见图）。,空腹重力坝的优点是： 坝体空腔对减少坝基扬压力及改善坝基应力有利，因而坝体混凝土量可较实体重力坝节省2030； 节省了坝基开挖量； 便于散热； 有的坝体空腔内可以布置水电站厂房,特别是当河谷狭窄，洪水流量大，下游水位变幅大，布置地面厂房困难时，有其优越性。,缺点是: 施工复杂,有倒悬模板； 空腔周围易出现拉应力，为摸清和改善应力状态，需作大量计算和模型试验： 钢筋用量较实体重力坝
5、多； 坝内厂房运行条件不如地面厂房好。 广东枫树坝水库装机16.0万千瓦。主坝坝型为混疑土宽缝、空腹重力坝，最大坝高95.1米，坝顶长度418米， 主要泄洪方式为坝顶溢流，大坝特点是空腹坝坝内电站。（见下图）,二、重力坝的组成材料 砼，及浆砌石（中小工程） （一）砼的组成 主要由四种材料组成：水、水泥、砂、石 （二）砼的强度和强度等级,材料在静载荷外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力，称为材料的强度。 砼强度单位面积砼试件承受的极限外荷载。有抗压强度、抗弯强度和抗拉强度的标准。 混凝土强度等级表达了砼极限抗压强度 ：如C20、C30等。 （注：过去我国采用公制计量单位，混凝土强度的单位为kgf/
6、cm2。现按国务院已公布的有关法令，推行以国际单位制为基础的法定计量单位制，在该单位体系中，力的基本单位是N（牛顿），因此，强度的基本单位为1 N/m2，也可写作1Pa。标号改为强度等级后，混凝土强度计量单位改以国际单位制表达。由于N/m2（Pa），数值太小， 一般以1N/mm2=106N/m2(MPa)作为混凝土强度的,实际使用的计量单位，读作“牛顿每平方毫米”或“兆帕”。 新标准中强度计量单位均采用MPa（兆帕）表达。 ） （三）重力坝对材料的要求 除强度外，还要求具的 （1）抗渗性 （2）低热性 （3）抗冲耐磨性 （4）抗冻性 （5）抗侵蚀性 （6）耐久性,（四）重力坝的材料分区,三、重
7、力坝构造,（一）坝体分缝：分横缝及纵缝 1.横缝 作用: 适应温变、适应地基、适应地基 间距：一般为1220m。 分类： 永久性横缝 临时性横缝 2.纵缝 铅直纵缝是最常采用的一种纵缝形式。缝的间距根据混凝土浇筑能力和温度控制要求确定，一般为1530m。,(二)止水,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,(三)坝体排水,排水管体型图,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排水管幕。排水管幕至上游面的距离，一般要求不小于坝前水深的110112，且不小于2m，以便将渗透坡降控制在许
8、可范围以内。排水管常用预制多孔混凝土管，间距23m，内径1525cm。管径不宜过小，否则，易被堵塞。渗水由排水管进入廊道，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。,(四)坝内廊道系统,为了满足灌浆、排水、观测、检查和交通等的要求，需要在坝体内设置各种不同用途的廊道，这些廊道互相连通，构成廊道系统 。,四、重力坝的安全运行条件及剖面形状,（一）重力坝可能的破坏形式 1、滑动 2、倾复 3、坝趾压碎 抗滑稳定、上游面无拉应力和下游面压应力不超过材料或（坝基）的充许压应力是重力坝安全运行的三个基本条件。 （二）坝体基本剖面和实用剖面 重力坝的基本剖面是指坝体在自重、静水压力(水位与坝
9、顶齐平)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面。（实用剖面有顶宽的坝）,实用剖面,（三）重力坝的荷载 作用在坝上的力，也称作用。 自重、水压力、泥沙压力、扬压力、土压力等。 五、重力坝的泄水、消能和防冲 1、溢流坝 溢流坝既是挡水建筑物又是泄水建筑物，除应满足稳定和强度要求外，还需要满足泄水的要求。 （1）溢流坝剖面曲线 （2）溢流坝的孔口尺寸和泄流能力 （3）溢流坝构造（闸门、闸墩、工作桥、启闭机）,分堰顶设闸门和不设闸门两种。,2、深式泄水孔 作用：泄洪、预泄、放空、导流。 分为有压泄水孔和无压泄水孔 （二）泄水重力坝的消能方式 坝体消能：宽尾墩、阶梯消
10、能工 坝下消能：底流消能、挑流消能、面流消能和戽流消能。 六、重力坝的地基处理 （一）开挖和清理：钻孔爆破法，自上而下分层开挖 （二）基础灌浆：固结灌浆和帷幕灌浆 七、砼坝施工 （一）骨料生产 （二）砼拌和物生产 （三）砼运输 （四）砼浇筑 （五）砼养护 八、碾压砼重力坝,用振动碾压实超干硬性混凝土修建建筑物的施工技术（见图）。采用这种方法所筑的坝，称碾压混凝土坝。,碾压混凝土的特点是:低胶凝材料用量，包括水泥与掺和料共120160kg/m3；超干硬性，以维勃仪加压测定，拌和物的稠度值在20s左右；大量使用掺和料，如用粉煤灰或天然火山灰，掺量为胶凝材料总量的3060；不设纵横缝,但有的坝在一层
11、碾压完毕进行横缝切缝，在切缝上游设置止水设施；混凝土拌和可用自落式或强制式拌和机,但用自落式拌和机时，受大掺量掺和料的影响，需根据具体情况适当延长拌和时间，相应产量有所下降；混凝土运输过程中，需尽量减少倒运次数，以免产生分离；混凝土的平仓与摊铺，有的用推土机，有的用摊铺机,摊铺层厚度大体为1525cm，铺料过程尽量控制水平,混凝土的碾压，根据层厚不同采用不同性能的振动碾(见彩图)，一般铺料两层或三层后进行一次碾压，碾压遍数通过试验确定。碾压混凝土施工较之常规混凝土，具有造价低，施工速度快、节省水泥、模板和劳动力等优点,技术经济效益显著。据美国威洛克里克坝的经验，碾压混凝土的单价约为常规混凝土的
12、1/3，在短短4个月时间内,全部30万m3混凝土的工程，即告竣工。日本各坝的经验，亦较常规浇筑方法缩短工期。岛地川坝节省水泥7000t、模板减少44。中国坑口坝，缩短工期一半，节省水泥44， 综合造价降低16。但碾压混凝土也还存在一些问题有待研究解决。如层面结合处容易成为渗水的薄弱层面；混凝土运输与摊铺过程易产生骨料分离等。,第二节 拱坝,拱坝是固接于基岩的空间壳体结构，在平面上呈凸向上游的拱形，拱冠剖面呈竖直的或向上游弯曲。 一、拱坝的工作特点 （一）拱坝的结构特点 （1）拱作用的结构特点 拱坝的水平外荷载主要是通过拱的作用传递到两岸坝肩，拱是一种主要承受轴向压力的推力结构。,（2）空间整体
13、作用的特点： 拱坝四周嵌固于基岩，属于高次超静定结构。 （3）拱坝具有较高的抗震能力。 拱坝是一个整体的空间壳体结构，坝体轻韧而富有弹性，依靠岩体对地震动能的吸收，会引起有利的坝体应力重分布。 （4）荷载特点： 温度荷载是主要荷载之一,而且是作用在坝体结构的一种基本荷载。 （5）坝身泄流及施工技术较为复杂。,也即： 1、拱与梁的共同作用； 2、稳定性主要依靠两岸拱端的反力作用，因而对地基的要求很高； 3、拱是一种推力结构，承受轴向压力，有利于发挥砼及浆砌石材料的抗压强度； 4、拱梁所承受的荷载可相互调整, 因此可以承受超载； 5、拱坝坝身可以泄水； 6、不设永久性伸缩缝； 7、抗震性能好； 8
14、、几何形状复杂，施工难度大。 二、拱坝的平面布置和剖面形状 包括确定拱圈的形式、拱冠梁的体型心各层之间的相对关系， 以保证拱坝成为一个受力条件好，安全稳定的整体结构。,（一）拱圈的形式,建筑结构上，据受力特点有拱、梁之类的构件。 梁构件分为简支梁、悬臂梁、连续梁等结构形式。梁受到垂直于梁杆的外力时发生弯曲变形，产生拉应力（外侧）及压应力（内侧）。 拱构件在受到拱形凸出面的外力时，能将垂直作用在拱面上的力变为沿拱轴线方向的力使拱受到压力。 拱轴线可以是圆弧形、抛物线、双曲线、三圆心拱等（河床中央部位的弯曲半径小，拱的作用大） 拱圈可等厚也可在两坝肩处变厚 （二）拱坝的梁剖面 是典形的直立悬臂梁，
15、有铅直和弯曲两种。位于河床最深处的铅直剖面称为拱冠梁，拱冠梁的形状及厚度取决于坝河高、坝型、河谷形状系数（L/H）,（三）拱坝的布置（P79） 基本原则是：坝体轮廓简单，坝底、坝面力求变化平顺，避免有局部突变，坝体在结构上是连续的整体。 主要形式有定外半径定圆心、定中心角和变中心角几种，应用更广泛的是变半径变中心角拱坝。 三、拱坝的安全运行条件 （一）拱坝的受力特点及其计算 稳定及应力分析时，常采用拱梁分载法计算。 将拱坝看作是由无数根梁和无数千条拱组成的。一般取57层拱圈，2n-1根梁计算。简化计算时取拱冠梁及若干层拱计算，称拱冠梁法、拱梁分载法。,（二）拱坝的安全工作条件,拱坝安全工作条件
16、之一是：使拱坝砼不被压碎，即坝砼承受的压应力不超过砼的抗压强度。 另一安全工作条件是：两岸坝肩能够提供足够的支撑力，以保证坝的稳定。 （三）拱坝对地形条件的要求 1、地形条件河谷狭窄，左右对称，向下游收缩的“V”或“U”形地形。 河谷形状系数宽高比 （a）宽高比：河谷宽度L（坝顶高程处的河床宽度）与最大坝高H的比值较小，则刚度较高，不易使其变形。坝可修得越薄，越适合修建拱坝,（b）厚高比：坝厚T与坝高H的比值。L/H1.5, T/H 0.2 为薄拱坝；L/H=1.53.0, T/H =0.2 0.35 为一般拱坝；L/H=3.04.5, T/H =0.35 0.60 为重力拱坝。,向下游收缩:B-B坝址虽然河谷狭窄,地但位于向下游扩散的喇叭口处,两岸拱座单薄,对稳定不利. 而A-A处坝址两岸拱座厚实, 拱轴线与等高线接近垂直, 因此应将A-A处选为坝址, 见图3.3. 2、地质条件基岩均匀，坚固完整，有足够的强度、透水性小而能抗风化。上述条件不能满足时，需进行固结灌浆以增加地基的整体性和牢固程度。3、发展趋势对地形地质条件的限制有所放宽，坝更高，坝体薄
