水利工程概论_大坝安全监测培训班PPT演示文稿

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1、1,水利工程概论,河海大学水利水电学院 沈振中 Tel：83786377 / 13813998232 E-mail：,2,1 绪论,1）物理影响 （1）淤积和冲刷 上游：流速降低，泥沙淤积 下游：清水下泄，加大冲刷 （2）气候变化、诱发地震、边坡失稳 雾天增多 高坝：坝高超过100m，库容超过10108m3，达17%,1.1 河川水利枢纽对环境的影响,3,2）生态影响,水库养鱼，但阻碍回游 调蓄水量，但水温不一定适应作物生长 增加了传播疾病有利条件（钉螺、疟蚊） 库水化学成分改变，影响生物 大库影响气候变化 大量淹没,生态问题涉及范围很广，需研究。如：,4,1.2 荷载及其组合,1）主要荷载

2、（1）自重dead load / dead weight （2）水压力water pressure / hydraulic pressure （3）扬压力uplift pressure （4）冰压力ice pressure （5）土压力earth pressure / soil pressure （6）地震荷载earthquake load / seismic load （7）温度荷载load of temperature variation,5,（1）自重建筑物（坝体）及附属永久设备的重量 （2）水压力静水压力（上游、下游）、动水压力（挑流反弧段）、浪压力（上游库水面）,6,（3）扬压力坝基

3、扬压力、坝体扬压力 两部分组成：下游水深产生的浮托力（uplift pressure），上下游水头产生的渗透压力（seepage pressure）。,7,（4）冰压力静冰压力、动冰压力 （5）土压力主动土压力、被动土压力、坝前泥沙压力,8,（6）地震荷载地震惯性力、地震动水压力、地震动土压力,（7）温度荷载温度变化引起的热胀冷缩，水温、气温等,9,2）荷载组合 作用在重力坝上的各种荷载，除坝体自重外，都是在一定范围内随机出现的。如： 上游水位、下游水位不断变化； 宣泄最大洪水时，不一定发生强烈地震； 封冻时，存在静冰压力，就不会有风浪压力，等等 因此，设计时应把各种荷载根据它们出现的概率，合

4、理地组合成不同的情况，用不同的安全系数进行核算，以解决安全和经济之间的矛盾。 把荷载分成两类： （1）基本荷载：出现概率较大的荷载（base load） （2）特殊荷载：出现概率较小的荷载（special load）,10,基本荷载： （1）坝体及其永久设备的自重 （2）正常蓄水位或设计洪水位的静水压力 （3）正常蓄水位或设计洪水位的扬压力 （4）泥沙压力 （5）正常蓄水位或设计洪水位的浪压力 （6）冰压力 （7）土压力 （8）相应于设计洪水位的动水压力 （9）其他出现机会较多的荷载,11,特殊荷载： （10）校核洪水位时的静水压力 （11）校核洪水位时的扬压力 （12）校核洪水位时的浪压力

5、（13）相应于校核洪水位的动水压力 （14）地震压力 （15）其他出现机会很少的荷载 荷载组合有两种： （1）基本组合（设计情况）水库处于正常运用情况下可能发生的荷载组合，由基本荷载组成 （2）特殊组合（校核情况）水库处于非常运用情况下可能发生的荷载组合，由基本荷载+一种或几种特殊荷载组成,12,混凝土重力坝设计规范DL5108-1999,13,效应组合：,按承载能力极限状态设计，考虑两种效应作用组合： 基本组合持久状况或短暂状况下，永久作用与可变作用的效应组合。 偶然组合偶然状况下，永久作用、可变作用与一种偶然作用的效应组合。,按正常使用极限状态设计，考虑两种效应作用组合： 短期组合持久状况

6、或短暂状况下，可变作用的短期效应与永久作用效应的组合。 长期组合持久状况下，可变作用的长期效应与永久作用的效应组合。,14,2 重力坝,抗滑稳定分析 应力分析 应力控制标准、允许应力 温度控制 灌浆和排水,15,2.1 抗滑稳定分析,抗滑稳定安全系数建筑物的抗滑力与建筑物所受的滑动力之比，用K表示。 对于重力坝，要求任意一个剖面（截面）上均满足稳定条件。通常，岩基上的重力坝，坝体混凝土和基岩的接触面往往是一个薄弱面，这是因为： （1）两种材料的接触面 （2）混凝土干缩可能产生裂缝 因此，只要该接触面上满足抗滑稳定要求，则该坝体肯定满足稳定要求。,16,（1）沿坝基面抗滑稳定,A、摩擦公式,B、

7、剪摩公式,17,比较：,摩擦公式忽略了坝体与基岩的胶结作用，不能完全反映坝的实际工作状态。不计凝聚力的抗滑作用，故取较低的安全系数。 特点：公式简单、概念明确、使用方便，参数选用经验丰富。凝聚力作为一种安全储备，基岩越坚固完整，胶结越好，安全储备度越高。因此，尽管采用同一安全系数，各工程的真正安全度是不同的。 抗剪断强度公式考虑了坝体与基岩的胶结作用，计入了全部的抗滑力，符合实际工作状态。 特点：物理概念明确。国内外发展趋势。 规范要求：大型工程用抗剪断强度公式；中小型工程可以用摩擦公式。,18,规范1999抗滑稳定,19,抗滑稳定极限状态的效应和抗力函数,20,（2）坝基深层抗滑稳定分析,当

8、坝基内有缓倾角结构面及不利地形时，应核算坝体和坝基岩体的抗滑稳定性。由于地质构造不同，其坝基失稳机理也是各不相同，应作专门研究。关键是确定控制性的软弱结构面的产状和参数。 稳定分析方法： 刚体极限平衡法 有限单元法 地质力学模型试验法 DEM和DDA NMM等,21,软弱夹层的安全度标准,超载法将作用在坝体上的外荷载分级逐渐加大，直到滑动面的抗滑稳定处于临界状态，外荷载增大的倍数即为抗滑稳定安全系数。 强度储备法降低软弱夹层和尾岩抗力体的抗剪参数值，直到滑动面的抗滑稳定处于临界状态，抗剪参数的降低倍数即为抗滑稳定安全系数。 剪力比例法由FEM计算在设计荷载作用下滑动面上的正应力和剪应力分布，求

9、出滑动面上总的抗滑力和滑动力，两者的比值即为抗滑稳定安全系数。,22,（3）岸坡坝段抗滑稳定,岸坡坝段的坝基面是一个倾向河床的斜面或折面。在水压力作用下有向下游滑动的趋势；在自重作用下还有向河床滑动的趋势。因此，在三向荷载共同作用下，岸坡坝段的稳定条件比河床坝段差。,23,2.2 应力分析,目的：验算大坝在施工期、运用期强度的安全度 要求：坝体内各部分材料的应力不超过该种材料的容许应力，即s=s。 s=R/k 式中：R材料的极限强度；k材料强度的安全系数，一般取k=35，由建筑物的级别及工作情况确定。 计算方法： 模型试验、理论分析（材料力学、弹性力学、有限单元法） 设计规范：采用材料力学法。

10、取1m长坝段，按平面形变问题考虑。,24,应力分析部分成果,由重力坝剖面和受力特点： 在空库时，坝踵处压应力最大，坝趾处压应力最小，甚至出现拉应力； 在满库时，坝趾处压应力最大，坝踵处压应力最小，甚至出现拉应力。,25,规范1999：坝趾强度,26,规范1999：坝体强度,27,规范1999：坝体应力,28,2.3 应力控制标准,（1）坝基面 运用期在各种荷载组合情况下(地震荷载除外)，坝基面下游边缘的最大垂直正应力应小于基岩容许压应力(分别计入和不计入扬压力)；坝基面上游边缘最小正应力应大于零(计入扬压力)，即不产生拉应力，以防坝体与地基接触面被拉裂而导致防渗帷幕的破坏。 施工期对下游坝基面

11、的垂直正应力可允许有不大于0.1MPa的拉应力。 上述坝基面的容许压应力是根据岩石抗压强度结合坝基地质条件除以安全系数确定的。对强度较高但节理裂隙发育的基岩，压应力的安全系数采用2025；对于中等强度的基岩采用1020；对于强度较低且裂隙较少的基岩及半基岩采用510。,29,运用期 坝体上游面： 计入扬压力最小主应力为压应力,smin=0 不计扬压力smin=(0.250.4)gh g为水的容重；h为坝面计算点的静水头。坝体内部一般不允许出现拉应力，但宽缝重力坝离上游坝面较远的局部区域可允许出现拉应力，但不得超过混凝土的容许拉应力；溢流坝堰顶、坝内廊道及孔洞周围出现拉应力，宜配置钢筋。 坝体下

12、游面： 最大主压应力，应不大于混凝土的容许压应力。 施工期 坝体任何截面上的主压应力应不大于混凝土的容许压应力；坝体下游面可容许不大于0.2MPa的主拉应力。,（2）坝体,30,（3）混凝土的容许应力 混凝土的容许压应力，可根据其极限强度和相应的安全系数来确定。混凝土的抗压安全系数在基本荷载组合下应不小于4；在除地震荷载外的特殊组合情况下应不小于3.5。当坝体个别部位对混凝土有抗拉强度要求时，抗拉安全系数应不小于4。 地震荷载是随时间变化、短暂作用的动荷载，由于在动荷载作用下材料强度有一定提高，因此，在地震情况下，混凝土的容许压应力可比静态情况下提高30%，并允许出现瞬时拉应力，混凝土的抗拉安

13、全系数不小于2.5。,31,（1） 温度变化,2.4 施工期温控,坝体混凝土的稳定温度取决于边界温度。气温、水温、地温等周期性波动，坝体坝体混凝土温度也有波动，表层显著，内部不显著、滞后。,32,（2）温度应力和温度裂缝,混凝土温度发生变化，其体积随之热胀冷缩，当混凝土块体受到约束、不能自由伸缩时，就产生温度应力；当拉应力超过混凝土抗裂强度时，就产生裂缝。, 基础温差引起的应力和裂缝,33,水平向温度应力,34, 坝块内外温差引起的应力和裂缝,混凝土块体在温度发生变化时，其温度分布是不均匀的。表面与周围环境易热交换，内部温度高于外部，内部混凝土膨胀较快，表层膨胀较慢（甚至收缩）。内部混凝土的膨

14、胀受到约束，产生压应力，而外部混凝土受到内部混凝土的约束，产生拉应力，若拉应力超过混凝土的抗拉强度，就产生裂缝。一般只发生在表层，不甚重要。,35,（3）防止温度裂缝的措施,温度裂缝对坝体的危害性视其发展深度和出现的位置而不同。平行于坝轴线的贯穿性裂缝，破坏坝的整体性；在上游面出现的裂缝会加剧渗漏，使混凝土遭受溶蚀，且扬压力增大，对坝的应力和稳定不利；溢流坝面的裂缝将降低抵抗高速水流冲刷的能力；较深的表面裂缝也在一定程度上降低坝的整体性和耐久性。 温度应力取决于温差及约束条件。因此，防止坝体温度裂缝的措施，主要有加强温度控制、提高混凝土的抗裂强度、保证混凝土的施工质量和采用合理的分缝、分块等方

15、面。,36, 温度控制标准,基础温差：指浇筑块在基础约束范围内，混凝土最高温度与稳定温度之差。基础温差标准是大体积水工混凝土结构最重要的温度控制项目。因为基础混凝土一旦发生裂缝，将会发展成垂直贯穿性裂缝，严重地破坏结构的整体性。,上下层温差：指在老混凝土(龄期超过28天)面上下各L/4范围内，上层新混凝土最高平均温度与新混凝土开始浇筑时下层老混凝土实际平均温度之差。当上层混凝土短间歇均匀上升的高度大于0.5L时，上下层容许温差约为1520，浇筑块侧面长期暴露时，宜采用较小值。严寒地区应另行研究。,内外温差：指混凝土块体内任一时刻的平均温度与表面最低温度之差。混凝土表面温度与气温有关，为安全计一

16、般用边界气温来代表。控制内外温差，主要目的是防止表面裂缝。在基础或老混凝土约束范围以外的混凝工块体，控制在2325以内；在基础或老混凝土约束范围以内，控制在2022以内；对于坝体上游面或其他有防渗要求的部位，也应按后一标准控制。,37, 温度控制措施,减少混凝土发热量 降低混凝土入仓温度 加速混凝土热量散发 防止不利气温影响，保护混凝土表面,38,2.5 灌浆和排水,固结灌浆：浅孔低压灌注水泥浆对坝基加固处理。目的：提高岩体的整体性和弹性模量，减少基岩受力后的变形，并提高基岩的抗压、抗剪强度；降低坝基的渗透性，减少渗漏量；帷幕旁边的固结灌浆可提高帷幕的灌浆压力。 帷幕灌浆：靠近上游坝基设一排或几排钻孔，利用高压灌浆填塞基岩内的裂隙和孔隙等渗水通道，在基岩中形成一道相对密实的阻水帷幕。目的：降低坝基的渗透压力，减少渗流量； 防止坝基内产生机械或化学管涌。,39,坝基排水目的： 收集并排走由地基渗透过来的水，进一步降低坝基扬压力。 因为：坝基虽然已经进行帷幕灌浆，但并不能完全截断渗流。,40,坝基扬压力（有帷幕）,扬压力强度： 坝踵： 排水孔中心线