河海大学水工建筑物拱坝PPT说课讲解.ppt

'第三章拱坝CHAPTER3ARCHDAM水工建筑物 主要内容4第一节概述123第二节拱坝的荷载第三节拱坝的布置第四节拱坝的应力分析567第五节拱肩稳定分析第六节拱坝的坝身泄水及消能防冲布置第七节拱坝的构造和地基处理 概述一、问题的提出二、拱坝的工作原理三、工作特点四、拱坝对地形地质条件的要求五、拱坝的形式六、拱坝的发展概况 一.问题的提出重力坝设横缝重力坝不设横缝 二.拱坝的工作原理拱坝是拱向上游三向固定的空间壳体挡水建筑物,它将水压力、泥沙压力的大部分通过拱的作用传到两岸岩体，而将另外的通过悬臂梁的作用传给底部基岩。它不象重力坝那样依靠自重来维持稳定，而是由两岸岩体的支撑和砼的抗压强度来维持拱坝的稳定和安全。P=Pa+Pc 三、工作特点1.稳定性特点2.应力特点3.拱梁作用的自行调整①拱梁系统的调整②拱圈自身调整为二次拱举例：瓦依昂坝(VajontDam)位于意大利东部阿尔卑斯山区皮亚韦(Piave)河的支流瓦依昂河上，下游距河口2km，临近城市瓦依昂。为混凝土双曲拱坝，最大坝高262m，水库总库容1.69亿m3。 意大利瓦依昂拱坝失事意大利的瓦依昂（Vajont）双曲拱坝，1961年建成，是当时世界上最高的双曲拱坝，1963年10月9日晚，由于水库左岸大面积滑坡，使2.7亿m3的滑坡体以28m/s的速度滑入水库，掀起150m高的涌浪，涌浪溢过坝顶，致使1925人丧生，水库被填满，但拱坝坝体并未失事，仅在两岸坝肩附近的坝体内发生两三条裂缝，据估算，拱坝当时已承受住相当于8倍设计荷载的作用，由此可见拱坝的超载能力是较大的。 拱坝坝顶长190m坝顶厚3.4m坝底厚22.6m坝体厚高比为0.086 4.抗震性能好沙牌碾压混凝土拱坝采用三心圆单曲拱坝，坝高130m，为20世纪末世界在建最高的碾压混凝土拱坝。 沙牌水电站（碾压混凝土拱坝）沙牌拱坝最大坝高130m、坝顶总长250.25m、坝顶厚9.5m、坝底宽28m、厚高比0.238。为20世纪末建设的最高碾压混凝土拱坝。 沙牌碾压混凝土拱坝主要特点：(1)选用三心圆单曲拱坝，以利坝肩稳定，使拱推力方向偏向山体内部。垫座高度12.5m，坝顶中心线弧长250.25m，最大中心角92.48°。(2)为便于施工，坝体不设泄洪孔口，仅在右岸设2条泄洪隧洞，一条系导流洞改建的漩涡式竖井泄洪洞，设计水头88m，设计流量244m3/s，洞内消能率在73%以上。 汶川地震的影响沙牌坝址距汶川地震震中约35km，与发震断层的垂直距离为20km，地震烈度为Ⅸ度。沙牌坝为碾压混凝土拱坝，高130m。设计时采用地震烈度Ⅶ度，基岩水平地震加速度0.141g。汶川地震时，水库水位处于正常蓄水位。地震后调查，大坝结构完整，坝基及两岸坝肩抗力岩体稳定，坝顶高程以上两岸边坡局部塌滑，但不影响大坝稳定。水电站进水口启闭机排架柱裂缝，调压井边坡跨塌，压力管明管段损毁，厂区边坡和厂房结构损坏严重。 震后沙牌拱坝左右岸抗力体完好。右岸进水口设施基本完好，泄洪闸门能正常开启大坝附近坡体垮塌严重电站厂房及引水钢管被山体滚石砸坏对外交通严重被毁5.温度荷载是主要载之一6.地基变形对坝体应力影响大7.坝身可以泄洪 四、拱坝对地形地质的要求1.对地形的要求①河谷狭窄②岸坡平顺无突变花岗岩、正长岩、玄武岩、石英砂岩等坚硬岩石构成峡谷中，土建工程量相对较小。 ③在平面上有喇叭口L/H<1.5可建薄拱坝L/H=1.5~3.0可建一般拱坝L/H=3.0~4.5可建重力拱坝L/H>4.5属宽浅河谷，一般可建重力拱坝或拱形重力坝特例：安徽陈村L/H=5.6美国奥本AuburnL/H=6.0 厚薄程度用厚高比T/H表示薄拱坝一般拱坝厚拱坝对地质的要求:岩石比较均匀，坚固完整，有足够的强度，透水性要小，能抗风化。 五、拱坝的型式按厚高比分按坝体形态分按水平拱圈形态分等厚度圆拱；变厚圆拱；变厚非圆拱按水平拱厚度是否变化分抛物线拱三圆心拱椭圆拱 这里介绍：按拱弧半径和中心角是否变化分名称圆心半径中心角等外半径式不变外不变内变(变化不大)定角式变变不变变半径式变变变 等外半径式 定角式变圆心变半径式变中心角 河谷断面形状复杂时，建造拱坝的方案 2.厚度T、应力σ、中心角之间的关系圆筒公式：Ru—为外弧半径;T=PRu/σ=P/σ(L/SinΦ+T/2)V=T*L*1=2PL*2Φ*R/((2σ-P)*SinΦ)2Φ=133°34’称为经济中心角 六.拱坝的发度概况早在十六世纪，人们就开始修建砌石拱坝,如西班牙的阿尔马察坝，意大利的波捷阿尔托坝，该坝1937年修建，后两次加高，1887年达39.5m。早在19世纪中叶，人们又在比较狭窄的河谷中修建了一些混凝土拱坝，高度都在40m以内。20世纪开始建造了大量的拱坝，特别是双曲拱坝在60年代发展较快。举例： 国内拱坝建设中国第一座拱坝建造于1927年，福建厦门的上里浆砌石拱坝，坝高27m。但旧中国的拱坝建设极为缓慢，至1949年，我国仅修建了2座15m以上的砌石拱坝。拱坝建设概况及发展趋势 响洪甸拱坝位于淮河支流西淠河上，是我国自行设计和施工的第一座等半径同圆心混凝土重力拱坝，1956年4月开工建设，1958年7月竣工。最大坝高87.5米。国内拱坝建设乌江渡混凝土重力拱坝，坝高165m，顶厚10.0m，底厚119.5m。乌江是云贵高原上的一条大河，长江的主要支流之一。龙羊峡重力拱坝中国最高的重力拱坝，位于青海省共和县和贵南县交界处的黄河干流上，坝高178m，拱冠断面坝顶厚15m，坝底厚80m。地质条件复杂，地震烈度高。二滩拱坝H=240m湖北清江隔河岩水电站大坝泄洪(151米)湖北清江隔河岩水电站大坝 锦屏一级锦屏一级位于凉山彝族自治州盐源县和木里县境内，装机容量360万kW。2003年7月中国国际工程咨询公司对锦屏一级水电站的项目建议书进行了评估。拟2005年开工，2013年第一台机组投产发电，2015年竣工。溪洛渡溪洛渡水电站位于四川省雷波与云南永善的金沙江界河上，电站装机容量1260万kW。电站2003年开始筹建，2005年开工，2014年第一台机组投产，2017年竣工，四川、云南枯期各留5％的电力电量，其余电力外送华东和华中地区。 1936年，美国人建设了当时世界上最高的拱坝Hoover（胡佛）拱坝，坝高221m，底厚201m，座跨科罗拉多河。前苏联英古里拱坝，坝高272m，1980年竣工国外拱坝建设 发展趋势对坝址地形地质条件有所降低；1厚度减薄，高度超300米级；2坝顶溢流，坝身开孔，q加大；3在较强地震地区可建拱坝；4计算理论、计算方法的发展可进行优化设计;5对材料特性（坝体坝基）由线性→非线性；6碾压砼拱坝的发展。7 第二节拱坝的布置1.布置的内容开始在地形图上进行布置选择拱圈型式、悬臂梁的型式倒悬度检查应力分析结束稳定分析本节内容 2.拱圈的型式合理的拱圈型式应当是压力线接近拱轴线，使拱截面的压应力分布趋于均匀。由工程力学知，拱圈在匀布荷载作用下，其合理拱轴线为一圆弧。对拱坝而言，因常将其看成由水平拱和垂直梁组成，故外荷载由拱梁系统共同承担。在某一高程上水压力强度是相同的，但每根垂直梁在该高程所“表现”的刚度不同，所承受的荷载也不一样，因此分配给拱的荷载沿拱轴线也不相同，即拱所承受的水压力沿拱轴线是非均匀分布的，通常是从拱冠向拱端逐渐减小。 最合理的拱圈不一定是圆弧，还可能有其他型式,如三圆心拱、椭圆拱及抛物线拱等。实际采用时需综合考虑经济、施工等因素，选择合理的拱圈型式。(a)等厚度圆拱；(b)抛物线拱；(c)三圆心拱；(d)椭圆拱；(e)变厚圆拱；(f)变厚非圆拱 3.拱冠梁剖面型式和尺寸(1)坝顶厚度Tc坝顶厚度Tc基本上代表了顶拱的刚度。a.加大坝顶厚度不仅能改善坝体上部下游面的应力状态，还能改善梁底上游面应力，有利于降低坝踵拉应力;b.坝顶厚度应根据剖面设计确定，并满足运行交通要求，一般不小于3m，初拟时，可先按下列经验公式估算：Tc=0.0145（2R轴+H）或Tc=0.01H+（0.012~0.024）L1 (2)坝底厚度TB坝底厚度TB是表征拱坝厚薄的一项指标，主要取决于坝高、坝型、河谷形状等。设计时可参考已建成的坝高和河谷形状大致相近的拱坝来初步拟定，再通过计算和修改布置定出合适的尺寸。作为拱坝优化的初始方案，坝底厚度可用下式估算：TB= 美国垦务局公式根据不同河谷形状的拱坝尺寸进行分析，提出了初估坝底厚度TB的经验公式为：TB=拱冠梁剖面参考尺寸表上游偏距下游偏距坝顶0TC0.45H0.95TB0坝底0.67TB0.33TB 对于一般的双曲拱坝，为近似确定上游面曲线，设并满足：当y=0时，Z=0当y=H时，当时,式中、为经验系数，通常可取=0.60~0.65=0.3~0.6 4.拱坝布置的原则和一般步骤:(1)拱坝布置的原则(安全、经济、施工方便)a.使坝体材料的强度得到充分发挥，坝体的总工程量最省;b.基岩的稳定性要好，有足够的岩体承受拱推力;c.坝内应力分布要合理，以充分利用材料的强度;d.适应施工条件，立模方便，倒悬度要小。 (2)拱坝布置的一般步骤1）根据坝址地形地质资料，绘出坝址新鲜基岩面等高线图，综合考虑地形、地质、水文、施工及运用条件选择适宜的拱坝坝型，并拟定出拱冠梁剖面。2）利用新鲜基岩等高线，综合考虑应力和坝肩稳定两方面的要求，定出拱圈形式，试定顶拱轴线的位置。尽量使拱轴线与等高线在拱端处的夹角不小于35ο，同时应使顶拱对称中心线尽可能对称于河谷两岸，左半中心角与右半中心角之差5ο，并使两端夹角大致相近，按适当的中心角和坝顶厚度画出顶拱内外缘弧线。 3）根据初拟的拱冠梁剖面尺寸，选取5~10层拱圈，绘制各层拱圈平面图，各层拱圈的圆心在平面上的连线尽可能对称于河谷可利用基岩面等高线，在立面上，这种圆心连线应是光滑的曲线。4）每层拱圈的两拱端与岩基的接触原则上应做成全径向拱座，使拱端推力接近垂直于拱座面，以减小向下游滑动的剪力。(2)拱坝布置的一般步骤 当采用全径向拱座使上游侧可利用岩体开挖过多时，此时可采用1/2径向拱座。靠上游侧的拱座面与基准面的交角应大于等于10ο。当采用全径向拱座使下游侧可利用岩体开挖过多时，可采用非径向拱座，此时拱座面与基准面的夹角应80ο。 5）自对称中心线向两岸切取若干个垂直梁剖面，检查各剖面轮廓是否连续光滑，倒悬度是否满足要求，若不满足要求，应适当修改拱圈的半径、中心角及圆心位置，直至满足要求为止。(2)拱坝布置的一般步骤 6）按上述初拟的坝体形状和尺寸，进行坝体应力分析和坝肩稳定核算，如不满足要求，应重复上述步骤修改尺寸并布置。7）计算坝体工程量，作为不同方案比较的依据。(2)拱坝布置的一般步骤 5.拱坝的优化设计在一定的范围内，对坝轴线的位置和坝体剖面进行优化设计。在满足约束条件(坝顶最小厚度、拱圈中心角范围、倒悬度、强度稳定条件等)的前提下，使坝体工程量或造价(目标函数)达到最小。 第三节拱坝的荷载一、设计荷载及其特点水平方向(径向)的荷载：静水压力泥沙压力冰压力浪压力地震荷载垂直方向的荷载：自重水重扬压力浮托力温度荷载:地基变形顺河向垂直河向 拱坝荷载的特点:1.自重由谁承担?------与封拱时间的有关封拱—拱坝是分块浇筑的，为了使其发挥拱的作用，用灌浆的方式将各浇筑块连接起来的工程措施。2.扬压力—由梁承担，扬压力的影响较小，约为应力的5%-10%，重力拱坝和中厚拱坝应考虑扬压力的影响；对坝肩稳定应考虑渗透压力对抗滑岩体的影响。3.温度荷载—温升、温降由梁承担拱梁共同承担 二、荷载计算1.自重2.温度荷载a.定义：是指运行过程中任一时刻坝体空间温度场与封拱温度之差。b.封拱温度的确定封拱温度是坝体温升、温降的计算基准。高一点好？低一点好？ 当t>t封时：坝体膨胀，坝轴线伸长，使坝体向上游变形，拱端上游侧和拱冠下游侧受压，产生的弯矩和剪力的水压影响相反，轴力与水压影响相同。当t1/3时，截面应力不呈直线关系，应按厚拱考虑，计入曲率的影响 4.用简约法求拱的应力形常数、载常数的计算工作量繁重，对非圆弧拱或变厚拱只能用分段累计或高斯数值积分法计算，对圆弧拱，由基本公式直接积分，并有现成表格。为简化计算，1948年美国垦务局提出了简约法，其基本假定是: 5.用改进简约法求拱的应力简约法中的假定条件与实际有出入作如下改进: 四、拱冠梁法只取拱冠处一根悬臂梁，根据各层拱圈与拱冠梁交点处径向变位一致的条件求得拱梁荷载分配，且拱圈所分配到的径向荷载从拱冠到拱端为均匀分布，认为拱冠梁两侧梁系的受力情况与拱冠梁一样。因该法仅计入径向变位，故温度荷载引起的拱圈变形由拱圈单独承担，但该变形能影响水平荷载的分配；按拱冠梁与各层拱圈相交处径向位移一致的条件，可建立拱梁径向位移一致协调方程组。 拱冠梁法计算简图 拱梁变位一致协调方程组 梁的径向变位系数aij的计算引入，假设梁的水平截面近似按矩形计算，A=T×1（T为梁厚），截面惯性矩I=， 拱冠梁的i截面在垂直荷载作用下产生的水平径向变位的算式可用图乘求得 拱圈拱冠处的径向变位系数δi和Ci的计算δi可参照“纯拱法”中的基本公式进行计算。对左右对称的单心等厚拱圈δi和Ci可借助现成数表直接查算拱冠变位。式中、为表中系数;R为拱圈平均半径;为坝体材料的线性热膨胀系数; 五、拱坝的应力控制指标拱坝的应力控制指标涉及到筑坝材料强度的极限值和安全系数的取值。应力控制指标还与计算方法有关，我国拱坝设计规范中的指标是针对用拱梁分载法算得的主应力而言的。容许压应力：容许压应力等于混凝土的极限抗压强度（90天龄期）除以安全系数，现在规定基本组合:安全系数为4.0；特殊组合:安全系数为3.5；容许拉应力：基本组合，容许拉应力为1.2MPa，特殊组合，容许拉应力为1.5MPa。 第五节拱坝的坝肩稳定分析一、可能滑动面分析a.具有单独的陡倾角结构面F1和缓倾角结构面F2组合成滑移体。 b.具有成组的陡倾角和成组的缓倾角结构面组合成滑移体。 c.易产生滑动的节理走向及倾角 d.无明显断夹层和节理裂隙或节理裂隙不连续、分布又较均匀时，可能滑动面存在于AE、AO之间。 二、坝肩稳定分析1.稳定分析方法评价坝肩稳定的方法有二类数值计算法:包括刚体极限平衡法（如刚性块法、分块法、赤平投影法等）和有限元法；模型试验法:包括线弹性结构应力模型试验和地质力学模型试验。 刚体极限平衡法该法的基本假定是：①将滑移体视为刚体，不考虑其中各部分间的相对位移；②只考虑滑移体上力的平衡，不考虑力矩的平衡;③忽略拱坝内力重分布的影响，认为拱端作用在岩体上的力系为定值；④达到极限平衡状态时，滑裂面上的剪力方向将与滑移的方向平行，指向相反，数值达到极限值。 2.平面分层稳定分析考虑凝聚力c不考虑凝聚力c 3.整体稳定计算拱坝整体稳定须考虑两种情况：(1)拱座整体沿滑动面向下游滑动拱座岩体被一些构造面所切割，连同临空面组成一个容易失稳的“楔体”。该“楔体”沿下游某一方向变位直至滑移，这种失稳可称为整体滑动。构成失稳岩体的界面（或称破裂面）至少是一个，更常见的是两个，或三个。其中一个较平缓，构成底裂面；一个较陡，构成侧裂面；另一个可以是上游开裂面。 若作用在侧裂面F1上的R1-U1<0，由于通常假定基岩结构面不能受拉，R1-U1<0即意味着F1面已拉裂，滑移体将沿底裂面F2作单面滑动 (2)绕一岸旋转滑动当河谷两岸地质情况差异较大时，如一岸的节理发育或拱座岩体单薄，或基岩有软弱夹层，则坝体可能绕另一岸旋转滑动。各抗滑力乘以相应的半径求得抗滑力矩…。设拱坝外荷载如水压力等对α点的滑动力矩为M，则稳定条件要求： 4.重力墩稳定分析抗滑力:滑动力:重力墩抗滑稳定安全系数: 5.改善拱座稳定的措施a..对不利的节理等进行有效的冲洗和固结灌浆，以提高其抗剪强度。b.加强坝肩岩体的灌浆和排水措施，减少岩体的渗透压力。c.将拱端向岸壁深挖嵌进，以扩大下游的抗滑岩体，也可避开不利的滑裂面。这种做法对增加拱座的稳定性较有效。d.改进拱圈设计，如采用三心拱、抛物线等形式，使拱端推力尽可能趋向正交于岸坡。e.如拱端基岩承载能力较差，可局部扩大拱端或设置推力墩。 第六节拱坝的坝身泄水及消能防冲1.意义-----不需另设溢洪道，经济性明显。2.泄水方式影响因素:地形地质条件、流量大小、下游水位、枢纽布置等。总的特点：坝身单薄向心收聚型式:自由跌落式鼻坎挑流式滑雪道式坝身泄水孔 3.消能防冲措施a.空中对撞消能b.水垫消能—建二道坝c.挑流消能d.窄缝消能 第七节拱坝的构造和地基处理一、拱坝的构造1.拱坝的材料混凝土、浆砌块石和浆砌条石等2.坝顶拱坝坝顶的结构形式和尺寸应按运用要求确定。当无交通要求时，非溢流坝顶宽度一般应不小于3m。坝顶路面应有横向坡度和排水系统。在溢流坝段应结合溢流方式，布置坝顶工作桥、交通桥，其尺寸必须满足泄流启闭设备布置、运行操作、交通和观测检修等要求。对于地震区的坝顶工作桥、交通桥等结构，应尽量减轻自重，并提高结构的抗震稳定性。 3.廊道基础灌浆、排水、观测、检修和坝内交通等要求。拱坝厚度较薄，应少设廊道，以免对坝体削弱过多。分层设置坝后桥。廊道与坝内其他孔洞的净距离不宜小于3~5m，以防止应力集中，该净距也可通过应力分析确定。纵向廊道的上游壁离上游坝面的距离一般约为0.05~0.1倍的坝面作用水头，且不小于3m。 4.坝体分缝横缝--沿半径向设置，其间距（指上游坝面的弧长）一般为15~20m。在变半径的拱坝中，与半径向一致，必然要成为扭曲面，有时为了简化施工，对不太高的拱坝也可用中间高程处的半径向为准，仍用铅直平面来分缝。横缝底部缝面与地基面的夹角不得小于60o，尽可能接近正交。缝内一般要设置键槽。 纵缝--厚度大于40m的拱坝，可考虑设置纵缝。相邻坝体之间的纵缝应错开。纵缝间距一般为20~40m，为了施工方便一般采用铅直纵缝，但在下游坝面附近应逐渐过渡到正交于坝面，避免浇注块出现尖角。5.防渗和排水拱坝的防渗和排水，与重力坝相似。 6.垫座当坝址河谷断面很不规则时，可在基岩与坝体之间设置垫座，使坝体变为有规则的形状，同时使坝体与垫座的接触面成为一条永久缝，称为周边缝。周边缝（铰接拱）能够改善坝体边界弯曲应力，能使坝断面减薄。设置周边缝后，坝体即使有裂缝，延伸到缝边就会停止发展，若垫座有开裂，也不致影响到坝体。 二、地基处理—岩基处理开挖清理固结灌浆帷幕灌浆坝基排水断层破碎带处理与重力坝相似'