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同学们好

今天我们开始第二章重力坝的讲述

包括概述、重力坝的荷载及其组合

重力坝的抗滑稳定分析、应力分析

材料及温度控制、重力坝的构造

重力坝的基础处理、重力坝泄水建筑物

和其他型式的重力坝

本章内容较多

部分内容也是其他水工建筑物

如拱坝、土石坝、一些泄洪建筑物的共性问题

比如荷载及其组合、材料和温度控制、构造

基础处理、泄洪消能等

在后续章节也会涉及

所以

本章内容非常重要

也是本课程的核心章节

希望同学们认真理解、消化吸收

首先是概述部分

重点介绍重力坝的特点、重力坝的分类

重力坝的设计内容以及重力坝的基本断面

先看几个典型的重力坝

这是三峡重力坝

目前世界上最大的水电工程

高度181m

混凝土方量达到2800万方

坝体分成多个坝段

实现不同的功能需要

比如

中间是挡水和泄水坝段

两侧是厂房坝段

用以引水发电

另外在远处有通航坝段

船闸和升船机

另外还有其他建筑物如地下厂房、引航道等

这是溢流坝段的剖面图

可以看出

坝体断面体形较为宽厚

这是重力坝的体形特点

也是其工作特点

依靠重力来维持坝体稳定

坝体不同高程设置有泄水通道

用以宣泄多余的洪水

底部有导流底孔

施工期用以施工导流

后期进行封堵

中部有泄水深孔

采用弧形闸门控制泄水流量

顶部有表孔溢流

由平面闸门控制流量

坝体下表面为溢流坝面及挑流消能

坝体下部基岩开挖至良好的基岩面

并在基岩内设置帷幕灌浆

减少坝基渗漏及底面扬压力

这是三门峡重力坝

高度106m

同样分成多个坝段

有厂房坝段、表孔溢流坝段、深孔泄洪坝段等

漫湾水电站重力坝

中间为溢流坝段

两侧为挡水坝段

其他还有一些附属建筑物和设施

那么

重力坝的特点有哪些呢

我们首先对其结构受力进行分析

坝体主要承受的荷载有

自身重力W

因上游蓄水产生的水平向水推力P

以及坝体底部由于水的浮拖和渗透

而形成的扬压力U

这样一个受力结构

我们可以将其简化为一个变截面的固支悬臂梁

水推力P的作用引起坝体向下游滑动

以及顺时针方向旋转倾倒的趋势

而重力W扣除扬压力U后的合力

引起坝体与基岩面间的摩擦

以及逆时针方向的旋转趋势

所以

其结构工作的第一个特点是

依靠坝体自重产生的抗滑力来抵抗水推力

以保持坝体的稳定

另外

对于这个受力结构

水推力的作用使得上游坝面产生受拉趋势

坝踵处可能承受拉应力

下游坝趾处承受压应力

我们知道

对于一般的混凝土重力坝来说

混凝土材料的抗拉强度较小

如果受拉

易产生开裂

影响大坝安全

所以

在上游坝面需避免产生拉应力

而自重如果产生足够的压应力

就可以抵消水压力引起的上游侧拉应力

由此保证坝体强度的要求

这是重力坝工作特点的两个方面

也是坝体能保证稳定安全运行的工作原理

另外

坝体的基本剖面为三角形断面

在这个基础上进行局部调整后形成实用断面

以满足工程需要

重力坝的另外一个特点是分缝

分缝是为了适应挡水、泄洪、发电等的需要

对坝体进行分段

另外需考虑坝基沉降特别是

不同坝段由于地质条件不同而引起的不均匀沉降

以及坝体混凝土的温度应力的释放

还需要考虑坝体的分段分块施工

通过设置横缝来实现

重力坝的材料一般采用混凝土的较多

也有采用浆砌石的

对于混凝土材料

分常态混凝土重力坝

和以碾压方式来施工的碾压混凝土重力坝

重力坝的坝轴线一般为直线

结构体形简单

施工方便

重力坝的优点有哪些呢

首先

重力坝对地形、地质条件的适应性比较强

前面说过

重力坝是依靠重力来维持稳定

对地形、地质条件的要求并不十分严苛

一般的地质条件也可以修建重力坝

其次

由于混凝土材料的抗冲刷能力相对较强

坝体可以泄洪

也便于施工导流

可以不需要像土石坝一样

另外设置溢洪道、泄洪洞等专门的泄洪设施

这可以方便施工、节约工期、降低造价

重力坝可以简化为悬臂梁结构

按照材料力学理论即可进行坝体结构分析

所以工作机理简单

结构作用明确

而且由于其体形庞大

坝体总体应力不高

混凝土材料抵抗冲刷以及漫顶这些极端工况的能力较强

所以总体上较为安全可靠

重力坝也是有缺点的

由于重力坝依靠重力来维持稳定

坝体的剖面尺寸较大

所以材料用量较多

造价提高

而且坝体除局部范围内压应力较大之外

绝大部分区域的应力都不大

相比混凝土材料抗压强度来说尚有很大距离

所以不能充分发挥材料的强度

另外

坝体轮廓尺寸较大

与地基的接触面积大

在底面上作用的扬压力较大

对其重力产生抵消作用

对坝体的抗滑稳定是不利的

由于坝体体积大

浇筑大体积混凝土时

如果没有做好温度控制

易产生较大的温度应力

产生坝体裂缝

所以需要采取较多的温控措施

这也是重力坝的缺点

下面介绍重力坝的分类

重力坝可以按照筑坝材料分类

常见的为混凝土材料重力坝

包括以振密为主的常态混凝土

和以类似土石坝碾压施工方式

来压实的碾压混凝土重力坝

其他还有浆砌石重力坝

堆石混凝土坝等

也可以按照泄水条件来分类

通过坝面溢流或者泄水孔泄洪的称为溢流坝

不承担泄水功能的称为非溢流坝

那么

具体设计一座重力坝时

设计内容有哪些呢

首先

要进行坝体剖面的设计

在此基础上开展大坝的稳定分析

验算坝体沿地基或深层滑动面的抗滑稳定

然后

对坝体应力进行计算复核

保证坝体和坝基有足够的强度

其次

进行坝体的构造设计

如在坝体内部设置

廊道系统、排水系统、对坝体进行分缝等

以满足坝体

功能、安全、施工和运行管理等方面的需要

再次

需进行坝体的地基处理

包括防渗、排水、不良坝基条件的处理等

保证坝体的稳定安全

对于泄水坝段

还需要进行溢流坝面和泄水孔的设计

包括溢流堰、孔口以及出流的消能防冲等

最后是监测设计

包括坝体施工期、运行期的

变形、应力、应变、水压、温度、开裂等方面的

原型观测与分析

这为有效把握坝体在各个阶段

和不同工况下的运行状态提供基础数据

也为大坝的设计建造技术的提高提供反馈

下面

简要介绍重力坝的断面设计

前面讲过

重力坝的基本断面为三角形

这个三角形断面使得坝体在

自重、静水压力、扬压力3项主要荷载作用下

满足抗滑稳定和强度要求

并使工程量最小

确定这个基本三角形的尺寸

只需要三个参数

上下游坡比和底宽

根据工程经验及一般做法

通常上游坡比介于1:0-1:0.2之间

也就是上游面可以铅直向下

也可以略倾向上游

倾向上游时可以增加一部分水重

只是也增加了坝体材料的体积

下游坡比通常为1:0.6~1:0.8

底宽B一般约为坝高H的0.7~0.9倍

那么

坝高H又如何确定呢

坝高H是进行断面设计时的输入参数

根据流域规划和工程效益

经过技术经济比较预先确定的

上述的三角形只是基本剖面

实际的重力坝剖面是在此基础上

根据工程需要进行调整后形成的实用断面

为了满足坝顶的施工、交通

及运行管理等方面的要求

需要加厚坝顶

做成如图所示的几种实用剖面

坝顶宽度一般取坝高的8%~10%

且不小于2m

另外

坝顶高程需高于校核洪水位

以保证在校核洪水极端工况下

不至于产生洪水漫顶事故

坝顶上游还需要设置防浪墙

防浪墙顶高程需高于波浪顶高程

根据规范要求

选择设计洪水位+设计洪水位对应的墙顶超高

和校核洪水位+校核洪水位对应的墙顶超高

二者之中的大值作为防浪墙顶高程

而墙顶超高则有三部分组成

分别为波浪爬高

波浪水位壅高及安全加高

其中波浪爬高及波浪水位壅高

与风速、风向、水深等因素有关

可根据规范推荐的经验公式计算

对于安全加高

则根据坝的级别

分设计和校核两种工况

根据表格选用

通过以上过程即可初步拟定坝体的实用断面

此后再根据稳定和应力分析进行必要的修正

形成最终的断面设计