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1、3.5 温度应力、温度控制和裂缝防止 水化热砼固化过程中产生的热量叫水化热。国产部分水泥的水化热:7天(kJ/kg) 28天硅酸盐水泥:325# 209 272425# 251 314525# 293 355矿渣硅酸盐水泥:325# 188 230低热微膨胀水泥: 425# 167 188如每m3混凝土中有200kg水泥,则100万m3 混凝土因水 泥水化热所产生的热量相当于燃烧2000t煤所释放的能量。 一、坝体温度状况1温度随时间的变化(1)温升阶段 主要在37天内温差: TrTmaxTj 称为水化热温升,一般15-25,最高可达36。Tj砼入仓温度;Tmax入仓后,使砼温度从Tj至最高值
2、;(2)温降阶段温度达到了Tmax后,逐渐散热冷却,温度下降。(3)稳定期靠近坝体表面的温度随外界温度变化而波动,坝体内部一般接近坝址的年平均气温Td。实体重力坝从TmaxTd所需的时间,视散热条件,自几个月至几年不等。温降: TTmax一Td 是温度控制的一个重要指标。2温度在空间的变化靠近坝体表面由于水化热散逸较快,该部位的温度较早地达到稳定温度。 坝体内部由于水化热不易散发,温度下降缓慢,需要较长时间才能到达稳定温度。3温度的周期性变化(1)年变化 365天(2)日变化 24小时(3)寒潮热潮 714天二、施工期的温度应力1.约束应力在靠近基础面浇筑砼时,在温升过程中,浇筑块底部受基岩约
3、束不能自由膨胀,将产生压应力;在温降过程中,受基岩约束将产生水平拉应力、剪应力和垂直正应力。同样,新浇筑砼受老砼(齢期超过28天)约束也会产生温度应力。2.内外温差(自生)应力砼块在浇筑初期,由于表面温度降低,在块体内外形成的温差将使外部收缩受拉而内部受压,当拉应力超过材料的抗拉强度时,将产生表面裂缝。施工期坝体温度取决于砼入仓时的浇筑温度Tj和水化热温升,由于水化热温升和边界温度都在随时间而变化,因而求解施工期的坝体温度场是很复杂的,一般多采用简化的计算方法,参见砼重力坝设计规范(SDJ2178)。贯穿性裂缝和表面裂缝。危害:横向贯穿性裂缝会导致漏水和渗流侵蚀性破坏;纵向贯穿性裂缝会损坏坝的
4、整体性;水平向贯穿性裂缝会降低大坝的抗剪强度。三、重力坝的温度裂缝和温控措施 1.裂缝的分类图342 重力坝裂缝型式l横向竖直贯穿性裂缝;2纵向竖直贯穿性裂缝;3水平贯穿性裂缝;4坝表面裂缝;5仓面裂缝2.温度控制的目的(1)防止砼温升过高、内外温差过大及气温骤降产生各种温度裂缝;(2)为做好接缝灌浆,满足结构受力要求,提高施工工效,简化施工程序提供依据。3.温度控制标准(1)地基容许温差砼最高温度与稳定温度之差,按表39的数值控制表39 地基容许温差T(0C) 离建基面高度h 浇筑块长边L(m) 16以下172021303140通仓长块(00.2)L26252422221919161614(
5、0.20.4)L2827 2625 2522 2219 1917 (2)上、下层容许温差系指其接触面(先浇砼龄期超过28d)上、下层各l/4范围内、先浇砼上层最高平均温度与新浇砼开始浇筑时下层平均温度之差,建议不超过1520。(3)内外容许温差是指坝块中心温度与边界温度之差。内外容许温差大致和地基容许温差相当,一般不宜大于2025。4.温度控制措施(1)降低入仓Tj预冷骨料和加冰屑拌等来降低砼的入仓温度;加入掺合料(如粉煤灰)和外加剂(如塑化剂)来尽 量减少水泥用量;采用低热水泥;在运输中注意隔热保温。 (2)减少温升Tr冷却水管进行初期冷却;减小浇筑层厚度,延长浇筑块之间的间歇时间,利用仓面
6、 天然散热;在砼中埋大块石。(3)加强养护和保护在砼浇筑后初期需要对坝块表面加覆盖、浇水养护。冬季要抵御寒潮袭击,夏季防止热量回灌进入砼。3.6 重力坝的剖面设计 一、剖面设计原则设计原则:满足稳定不滑动,KK;满足强度不出现拉应力;不超过允许的压应力:【】;工程量小(Vmin),使剖面尺寸最小;外部形状简单,便于施工;运用方便。 二、基本剖面(一)定义:基本剖面是指坝体在自重、库水压力和扬压力三个主要荷载作用下,满足稳定和应力要求并使其剖面最小的三角形剖面。见图3-44。工程经验:上游n00.2; 下游m0.60.8; B/H=0.70.9。二、实用剖面1.坝顶宽度(1)满足设备布置、运行、
7、交通及施工的要求:b=H(810)%, 且bm(2)若作交通要道或有移动式启闭机设施时,应根据实际需要确定,当有较大的冰压力或漂浮物撞击力 时,坝顶最小宽度还应满足强度的要求。2.坝顶高程坝顶应高于校,防浪墙顶的高程应高于波浪。防浪墙顶至设或校的高差h,可按下式计算hh1十hz十hc (m) 式中 h1累积频率为1时波浪高度(m);hZ波浪中心线高于静水位的高度;hc安全加高,按表310选用。表310 安全加高hC(m)防浪墙顶高程按下式计算:3.常用的剖面形态上游直坡,n=0,适用地质物理力学参数f、c值较大。优点:便于布置和操作坝身过水管道进口控制设备。缺点:由于在上游面为铅直的基本三角形
8、剖面上增加坝顶重量,空库时下游坝面可能产生拉应力。折坡,n1=0,n20上部铅直,下部倾斜,常用;特点:既可利用水重增加稳定,又可便于管道进口布置设备和操作的优点。上游折坡的起坡点位置一般在坝高的1/32/3的范围内。要验算起坡点高程水平截面的强度和稳定条件。斜坡,n0。适用地质物理力学参数f、c值较低的情况。特点:倾斜的上游坝面可以增加坝体自重和利用一部分水重,以满足抗滑稳定的要求。修建在地震区的重力坝,可采用此种剖面。图345 非溢流坝剖面形态3.7 泄水重力坝 一、溢流重力坝(一)工作特点既是挡水建筑物又是泄水建筑物,应满足:1、稳定、强度要求;2、泄水要求:(1)泄的下(足够的孔口尺寸
9、、体形、有较高的流量系数);(2)不破坏(不产生不利的负压、振动、空蚀等现象);(3)保证下游河床安全(不产生危及坝体安全的局部冲刷);(4)互不影响(下游流态平顺,不产生折冲水流);(5)便于管理(有灵活控制的闸门、启闭机等)。(二)孔口设计1.洪水标准根据水利水电枢纽工程等级划分及设计标准(SL2522000)选用。表312 山区、丘陵区水利水电工程永久性水工建筑物 洪水标准重现期(年)2.孔口形式(1)开敞溢流式(表孔)QH 3/2成正比,超泄能力大,但不能预泄; 还能用于排冰和其他漂浮物; 闸门启闭操作方便,易于检修,工作安全可靠。(2)大孔口溢流(中孔)上部设胸墙,堰顶高程较低,可满
10、足预泄要求; 低水位时开敞(自由)溢流; 高水位时大孔口泄流,QH 1/2成正比,超泄能力不如开敞溢流式。3.孔口尺寸(1)单宽流量的确定(m3/s)经过电站和泄水孔等下泄的流量;式中:系数, 正常运用 0.750.9,校核运用 1.0。m3 /(sm)设L为溢流段净宽,则单宽流量为:单宽流量的选取与地质条件有关,对一般软弱岩石: q=3050m3/(sm);较好岩石: q=5070m3/(sm);坚固岩石: q=70130m3/(sm);近年来,选用的单宽流量在不断增大,例:龚嘴q=254.2 m3/(sm),安康表孔q=282.7 m3/(sm);委内瑞拉的古里坝q300 m3/(sm)。
11、(2)孔口尺寸 溢流前沿总长L0若孔口宽度为b,孔口数n=L/b,n一般取单数。令闸墩厚度为d,则L0为: 开敞溢流时a、孔口高Hb、堰顶高程堰正常H设 设闸门;堰正常 不设闸门。c、孔口宽 一般情况:b(816)m;当有排浮要求时,可加大到(1820)m。在枢纽布置允许的前提下,闸门宜选用宽而扁,宽高比常采用 b/H1.02.0;d、校核水位下校核过流量 大孔口泄流(m3/s)式中闸门开启高度,m;孔口垂直收缩系数,与比值 a/H有关,见表313。 4闸门和启闭机(1)闸门按结构分平面闸门结构简单,闸墩受力条件好,共用一个活动启门机;缺点:启门力大,闸墩较厚。弧形闸门启门力较小,闸墩较薄,无
12、门槽、水流平顺;缺点:闸墩较长,受力条件较差。按工作性质分工作闸门调节下泄流量,在动水中启闭,启门力较大 。常用平面闸门和弧形闸门;检修闸门用于短期挡水,以便进行检修,静水中启闭 ,启门力较小。一般采用平面闸门,也可浮箱闸门,采用叠梁; 事故闸门是在建筑物或设备出现事故时紧急应用,要求能在动水中关闭; 事故检修闸门检修闸门和工作闸门之间应留有13m的净距,以便进行检 修。 全部溢流孔通常备有12个检修闸门,交替使用。(2)启闭机活动式多用于平面闸门,可以兼用于启吊工作闸门和检修闸门。固定式固定在工作桥上,多用于弧形闸门。5闸墩和工作桥(1) 墩形1半圆曲线; 2椭圆曲线;3抛物曲线; 4三圆弧
13、曲线;5圆弧曲线; 6方形图349 常见的闸墩形状(2)墩厚平面闸门,工作闸门槽深0.52m,宽14m,门槽处的闸墩厚度11.5m;弧形闸门闸墩的最小厚度为1.52m;缝墩,墩厚要增加0.51m。(3)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。(4)边墩(边墙)边墩顶一般高出水面11.5m;底流消能时,需延长到消力池末端形成导墙;挑流消能时,需延长到挑坎末端;当溢流坝与水电站并列时,导墙长度要延伸到厂房后一定的范围。 6横缝(1)缝在闸墩中间优点:各坝段间产生不均匀沉降时,不影响闸门启闭,工作可靠;缺点:闸墩厚度较大。(2)缝在溢流孔跨中优点:闸墩薄,受力条件好;缺点:易受地基
14、不均匀沉降的影响。(三)高速水流的几个问题1空化和空蚀空化水体中含有许多气核,当过坝水流中某点的压力降至饱和蒸汽压强时,气核迅速膨胀为小空泡,这种现象称 为空化。 空蚀当低压区的空化水流流经下游高压区时,空泡遭受压缩而溃灭,由于溃灭时间极为短暂(一般只有千分之几秒 ),会产生一个很高的局部冲击力(可达几千个大气压)。若 空泡溃灭发生在靠近过水坝面,局部冲击力大于材料的内聚力 时,可使坝面遭到破坏,这种现象称为空蚀。国内外的工程运行经验和试验表明,当v15m/s时,就有可能发生空蚀破坏,且空蚀强度与水流流速的57次方成正比。图352为泄水建筑物常见的空蚀部位。 2掺气掺气现象:由溢流重力坝下泄的水流,当流速超过78m/s时 ,空气从自由表面进入水体,产生掺气现象。 溢洪道设计规范(SL2532000)规定: 掺气水深式中 未计入波动及掺气的水深,m;未计入波动及掺气计算断面上的平均流速,m/s;修正系数,一般1.01.4,当v20m/s时,采用较大值。 3水流脉动(1)增大作用在建筑物上的瞬时荷载。(2)脉动压力变化有一定的周期性。(3)增加空蚀破坏的可能性。4冲击波在高速水流边界条件发生变化处,如:断面扩大、收缩、转弯处,闸门槽、墩尾等处均是引起