1、,计算坝体内部应力需要以边缘应力为边界条件。,沿坝高方向每隔一定高度（或断面轮廓有突变处）切取水平截面作为计算截面。,图1-5-1 坝体应力计算图,图1-5-2 坝体边缘应力计算图,1.水平截面上的边缘正应力 y和y,据材料力学偏心受压公式：,y+=,A,B,O,O,T2,T2,B,面积：A=TB=T,抗弯截面模量：WZ=,y,y,y,y,y,2.边缘剪应力 和,（1）对于上游A点微元体,取,可得：,化简得：,（2）对下游坝面B点微元体,同理可得：,3.铅直截面上的边缘正应力x利x,（1）对于上游坝面A点微元体,取,得：,4、边缘主应力 和,（1）第一主应力1和1,上下游坝面仅受垂直于坝面的水
2、压力，没有剪应力。因此，上下游坝面即为主应力面之一，而另一主应力面必然与坝面垂直。,1）对于上游坝面A点三角形微元体,取,得：,2）对于下游坝面A点三角形微元体,取,可得：,（2）第二主应力2和2,由于另一主应力即为作用在坝面上的压力强度，故有：,2=p,2=p,5.有扬压力时边缘应力的计算,（1）水平截面上的边缘正应力 y和y,将扬压力作为一种荷载计入 和 中，再应用前述公式。,（2）其佘边缘应力,仍根据坝面微元体的平衡条件求得。但此微元体上需计入扬压力。,1）上游边缘应力,2）下游边缘应力,（3）当无泥沙压力和地震动水压力情况时,p=pu p=pu,1）上游边缘应力,=yn,x=yn2,1
3、=（1+n2）y,2=0,2）下游边缘应力,=ym,x=ym2,1=（1+m2）y,2=0,四、强度校核,（一）承载能力极限状态强度验算,强度验算时，应考虑基本组合和偶然组合两种情况。规范规定，重力坝承载能力极限状态抗压强度的核算点有：坝基面的坝趾；坝体选定截面的下游端点。,1.作用效应函数,2.抗力函数,R（）=fc,或,R（）=fR,3.强度要求,（二）正常使用极限状态强度验算,1.DL5108-1999规定：（1）核算坝踵垂直应力，按作用的标准值分别计算作用的短期组合和长期组合；（2）核算坝体上游面的垂直应力，按作用的标准值计算作用的长期组合；（3）核算短期组合下游坝面的垂直拉应力。,2
4、.坝踵和坝体上游面的垂直应力计算公式（计扬压力）,S（）=,0,3.短期组合下游坝面的垂直拉应力计算公式,S（）=,荷载计算步骤：,分析,画图,列表计算,校核,坝体应力的实际分布情况比较复杂，受很多因素影响。1、地基变形模量对坝体应力的影响,五、各种因素对坝体应力的影响,2、地基变形弹模对坝体应力的影响 3、坝体异弹模对坝体应力的影响 4、纵缝对坝体应力的影响 5、分期施工对坝体应力的影响（见下图）6、坝踵断裂对坝体应力的影响,坝体主应力分布示意图,第五节 重力坝的剖面设计,一、剖面设计原则,1.满足稳定和强度要求，保证大坝安全；2.工程量小；3.运用方便；4.便于施工。,二、基本剖面,重力坝
5、的基本剖面是指坝体在自重、静水压力（水位与坝顶齐平）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。,对于完整、坚硬的岩基，f、c值较大，剖面尺寸主要由上游面不出现拉应力的条件控制，上游坝坡较陡，甚至可做成倒坡（n0），但倒坡对施工不利，且在库空时，坝趾易出现拉应力。,对于完整性较差、较软弱的岩基，f、c值较小，需要将上游坝坡放缓，以便借助上游坝面上的水重帮助坝体维持稳定。但当n太大时，在满库情况下合力可能超出底边三分点，坝踵易出现拉应力。,根据工程经验，重力坝基本剖面的上游边坡系数常采用0 02，下游边坡系数常采用0608，坝底宽约为坝高的O70.9倍。,三、实用
6、剖面,1.坝顶宽度B,H,B,（1）无特殊要求,B=（8%10%）H,B（2%3%）H,常态砼坝：B3m,碾压砼坝：B5m,（1）有特殊要求,若有交通要求或设置移动式启闭机时，应据需要而定。,2.坝顶高程,hz,h1%,hc,（1）无防浪墙,超高值：h=hz+h1%+hc,坝顶高程=max设计水位+h设与校核水位+h校,（2）设防浪墙,坝顶高程,防浪墙顶高程,防浪墙顶高程=max设计水位+h设与校核水位+h校,3.实用剖面A,上游坝面铅直，适用于混凝土与基岩接触面间的 f、c值较大或坝体内设有泄水孔或引水管道，有进口控制设备的情况。,上游坝面上部铅直，下部倾斜，既便于布置进口控制设备，又可利用
7、一部分水重帮助坝体维持稳定，是实际工程中经常采用的一种形式。,3.实用剖面B,上游坝面略向上游倾斜，适用于混凝土与基岩面间的f、c值较低的情况。,3.实用剖面C,第七节 溢流重力坝,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。设计原则a、要有足够的泄水能力（孔口尺寸、孔口体形、流量系数）b、除了满足强度稳定条件外，还要满足泄洪要求（要尽量减小高速水流带来的问题：负压、振动；下游流态平瞬，减小局部冲刷；控制水流设备）,一、溢流重力坝的工作特点,1.有足够的孔口尺寸、良好的孔口体形和泄水时具有较高的流量系数。2.使水流平顺地流过坝体，不产生不利的负压和振动，
8、避免发生空蚀现象。3.保证下游河床不产生危及坝体安全的局部冲刷4.溢流坝段在枢纽中的位置，应使下游流态平顺，不产生折冲水流，不影响枢纽中其他建筑物的正常运行。5.有灵活控制水流下泄的设备，如闸门、启闭机等。,设计要求：,三峡大坝,二、孔口设计,（一）洪水标准,（二）孔口形式,1.开敞溢流式,分堰顶设闸门和不设闸门两种。,开敞溢流式重力坝,2.大孔口溢流式,大孔口溢流式重力坝,（三）孔口尺寸,1.溢流前缘总净宽L,（1）计算Q（经调洪演算所得）,Q=QS-Q0,（2）确定q（经技术经济比较而得）,q的影响因素：枢纽布置、工程造价、下游河床地质条件。,中墩厚d,b,L0,2.溢流段总宽度L0,L0
9、=L+（n-1）d=nb+（n-1）d,b值：一般b=816m，闸门宽高比1.52.0，尽量采用标准尺寸。,n值：一般为奇数孔。,3.溢流坝的堰顶高程,先求堰顶水头HW，再根据水库洪水位确定堰顶高程。,堰顶高程=设计洪水位-H,H=HW,（1）开敞溢流式,（2）大孔口溢流式,（四）溢流孔口布置,工程上常有两种布置方式，一种是横缝设于闸墩中间；另一种是横缝布置在闸孔中间，,三、溢流坝断面设计,（一）溢流面体形设计,溢流面由顶部曲线段、中间直线段和下部反弧段三部分组成。,1.顶部曲线段,（1）为控制流量的关键部位。,（2）DL5108-1999规定：溢流坝段的堰面曲线，当采用开敞式溢流孔时可采用幂
10、曲线；当设有胸墙时，可采用孔口泄流的抛物线。上述堰面曲线的确定可见该规范附录A。,（3）开敞式溢流孔堰顶部曲线段,WES实用堰堰面曲线示意图,顶部曲线段,（4）设有胸墙大孔口泄流的堰顶部曲线段,原点上游：可用单圆、复圆或椭圆曲线，与胸墙底缘通盘考虑。,原点下游：抛物线。,2.反弧段,溢流堰下游反弧段半径，应结合下游消能设施来确定。对不 同的消能设施可选用不同的公式。,比如：对于挑流消能，可按下式求得反弧段半径 R=（410）h,3.中间直线段,中间直线段与坝顶曲线和下部反弧段相切，坡度与非溢流坝的下游坝坡相同。,基本三角形剖面,堰面曲线,1.堰面曲线落在基本三角形剖面以内。2.堰面曲线落在基本
11、三角形剖面以外。3.有挑流鼻坎的溢流坝，当鼻坎超出基本剖面且Lh05时，应验算B-B截面的应力，如应力较大，可在坝体与鼻坎之间用缝分开。,1,0,2,1:m,B,C,A,（二）溢流坝实用剖面,溢流坝实用剖面是将溢流面曲线与坝体基本剖面拟合修改而成。,A,四、消能防冲设计,（一）消能工的设计原则,（1）尽量使下泄水流的大部分动能消耗在水流内部的紊动中，以及水流与空气的摩擦 上；,（2）不产生危及坝体安全的河床或岸坡的局部冲刷；,（3）下泄水流平稳，不影响枢纽中其他建筑物的正常运行；,（4）结构简单，工作可靠；,（5）工程量小。,（二）消能工型式,底流式消能,面流式消能,消力戽消能,挑流消能,鼻坎
12、挑流消能设计主要包括：选择合适的鼻坎型式、鼻坎高程、挑射角度、反弧半径、计算挑射距离和最大冲坑深度。挑射水流形成的冲坑应保证不影响坝体及其它建筑物的安全。,1.鼻坎型式,（1）连续式,（2）差动式,2.鼻坎高程,鼻坎最低高程，宜高出宣泄设计消能防冲建筑物的洪水标准时的下游水位，但可略低于下游最高水位。,3.挑流鼻坎的挑角,挑流鼻坎的挑角，可采用150350，应通过比较选定。,4.计算挑射距离L,L=L+L,L=Ttan,L=V12sincos+V1 cos V12sin2+2g（h1+h2）0.5g,5.最大冲坑深度 T,T=tkH2,tk=kq0.5H0.25,安全挑距：冲坑最低点距坝趾的距
13、离应大于2.5倍坑深，即要求L 2.5T。,五、溢流坝的上部结构,（一）闸门和启闭机,工作闸门,事故闸门,检修闸门,1.闸门,平面闸门,弧形闸门,平面闸门,浮箱闸门,叠 梁,2.启闭机,活动式：门机,固定式：卷扬式启闭机,（二）闸墩、工作桥和交通桥,闸墩用来分孔，承受闸门传来的水压力，支承工作桥和交通桥,1.闸墩的平面形状,2.闸墩厚度,闸墩厚度与闸门形式有关。采用平面闸门时需设闸门槽，工作闸门槽深052om，宽14m，门槽处的闸墩厚度不得小于115m，以保证有足够的强度。弧形闸门闸墩的最小厚度为1520m。如果是缝墩，墩厚要增加o510m。由于闸墩较薄，需要配置受力 钢筋和温度钢筋。,3.闸
14、墩的长度和高度,闸墩的长度和高度，应满足布置闸门、工作桥、交通桥和启闭机械的要求。,4.边墩和导墙,溢流坝两侧设边墩也称边墙，一方面起闸墩的作用，同时也起分隔溢流段和非溢流段的作用。,第八节 重力坝的材料及构造,一、混凝土重力坝的材料,（一）水工混凝土的特性指标,1.强度,2.耐久性,混凝土的耐久性包括抗渗、抗冻、抗冲耐磨、抗侵蚀等。,（1）抗渗性：是指混凝土抵抗水压力渗透作用的能力。抗渗性指标可用抗渗等级表示。,水力坡降=水头损失渗径,L,y,（2）抗冻性：是表示混凝土在饱和状态下能经受多次冻融循环而不破坏，不严重降低强度的性能。混凝土的抗冻性用抗冻等级表示。,（3）抗冲耐磨性,（4）抗侵蚀
15、性,（二）常态混凝土重力坝分区,坝体各部位的工作条件不同，对混凝土材料性能指标的要求也不同。为满足各部分的要求，节省水泥用量及工程造价，通常将坝体混凝土按不同部位、不同工作条件分区,（5）抗裂性,坝体混凝土分区图,二、坝体构造,（一）坝顶构造,（二）坝体分缝,1.横缝,作用:适应温变、适应地基、适应地基,间距：一般为1220m。,永久性横缝,临时性横缝,分类,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,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15
16、30m。,重力坝的横缝及纵缝（a）横缝及纵缝布置；（b）竖直纵缝；（c）斜缝,3.水平施工缝,水平施工缝是上、下层浇筑块之间的接合面。,（三）坝体排水,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。,坝体排水管,（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
17、廊道，这些廊道互相连通，构成廊道系统。,三、坝身泄水孔,1.坝身泄水孔的作用 预泄库水，增大水库的调蓄能力。放空水库以便检修。排放泥沙，减少水库淤积。向下游放水，满足航运或灌溉等要求。施工导流。,2.坝身泄水孔的形式 按水流条件分为有压泄水孔和无压泄水孔。按泄水孔所处的高程分为中孔和底孔。按布置的层数分为单层泄水孔和多层泄水孔。,坝身泄水孔（单位：m）l一泄洪孔：2一弧形门；3一检修门槽；4一通气管；5一锥形阀；6一排水管;7一拦污栅；8一廊道；9一检查井；10一导流底孔,3.坝身泄水孔的布置,进口曲线闸门槽渐变段孔身竖向连接,第九节 重力坝的地基处理,一、砼重力坝对基础的要求,强度和稳定性整体性和均匀性抗渗性耐久性,二、坝基处理设计内容,坝基的开挖与清理 坝基固结灌浆 坝基防渗帷幕和排水 断层破碎带和软弱结构面的处理 岩溶地区的防渗处理,重力坝地基的灌浆示意图,1一破碎带；2一混凝土梁或混凝土塞；3一混凝土拱；4一回填混凝土；5一坝体荷载,破碎带处理示意图,软弱夹层的处理示意图（高程：m）,
