第四讲-水工建筑物

'水工建筑物 §1.5重力坝的应力分析(stressanalysis)概述应力分析方法模型实验法（不讲）理论分析法材料力学法弹性力学理论法（不讲）有限差分法（不讲）有限单元法（不讲）应力控制标准各种因素对坝体应力的影响 应力分析的目的：检验大坝在施工期和运行期是否满足强度要求。为研究解决设计和施工中的某些问题提供依据。（如：大坝断面的设计、混凝土标号分区和某些部位的配筋等）重力坝的应力状态与很多因素有关.如：坝体轮廓尺寸、静力荷载、地基性质、施工过程、温度变化以及地震特性等。一、概述返回 二、材料力学法(gravitymethod)1.基本假定：坝体混凝土为均质、连续、各向同性的弹性材料；视坝段为固接于地基上的悬臂梁，不考虑地基变形对坝体应力的影响，并认为各坝段独立工作，永久横缝不传力；假定坝体水平截面上的正应力按直线分布，不考虑廊道等对坝体应力的影响。 2.荷载与应力的正方向规定(Signconventiondiagram:forces,momentsandshears):材料力学法（续）水平力垂直力力矩顺河向重力方向荷载正方向的规定如图所示，水平力以逆河向为正，垂直力以沿着重力放心为正。应力正方向的规定如图所示，如果一个面的外法线方向平行于坐标轴，则该面上正应力规定为逆坐标轴方向，剪应力规定为顺坐标轴方向。xy 3.边缘应力(Stressesonfaces)计算在一般情况下，坝体的最大和最小应力都出现在坝面，所以，在重力坝设计规范中规定，首先应校核坝体边缘应力是否满足强度要求。一般说来，我们要校核以下几种应力：材料力学法（续）垂直正应力剪应力水平正应力主应力有扬压力的边缘应力计算 边缘应力计算（续）1）垂直正应力(verticalnormalstress):因为假定бy按直线分布，所以可按偏心受压公式计算上、下游边缘应力бyu和бyd。(kPa)(kPa)式中：ΣW―作用于计算截面以上全部荷载的铅直分力的总和(kN);ΣM―作用于计算截面以上全部荷载对截面垂直水流流向形心轴的力矩总和(kN.m)；B―计算截面的长度(m)返回 2）剪应力(Shearstress)：已知бyu和бyd以后，可以根据边缘微分体的平衡条件解出上、下游边缘剪应力τu和τd。由上游坝面的微分体，根据ΣFy=0得返回边缘应力计算（续）式中pu―上游面水压力强度；n―上游坝坡坡率，n=tgφu，式中pd―下游面水压力强度；m―下游坝坡坡率，m=tgφd同样： 3）水平正应力(Horizontalnormalstress)：返回边缘应力计算（续）已知τu和τd以后，可以根据平衡条件ΣFx=0求得上、下游边缘的水平正应力бxu和бxd。 4）主应力(principalstress)：由上下游坝面微分体的平衡条件ΣFy=0，可解出：返回边缘应力计算（续）各符号意义见图 思考：上面的计算显然都没有涉及扬压力，但很显然，对于重力坝来说扬压力是一个非常重要的荷载，请思考如果考虑扬压力，边缘应力应该怎么计算？边缘应力计算（续）5）有扬压力的边缘应力计算： 4.坝内应力(internalstress)计算如图所示，显然微分体的平衡方程(equilibrium)为材料力学法（续）下面，我们分别来计算其中的各个应力分量 1）垂直应力бy对于垂直应力，我们假定бy在水平截面上按直线分布，即бy＝a+bx坝内应力计算其中： 2）剪应力τ利用平衡方程，经积分并利用边界条件可以得出τ=a1+b1x+c1x2坝内应力计算其中： 3）水平应力бx同样利用平衡方程，经积分并利用边界条件可以得出：坝内应力计算其中： 4）坝内主应力求得任意点的三个应力分量бx、бy和以后，即可计算该点的主应力和第一主应力的方向坝内应力计算 坝内应力计算在坝体内部，其实应力分布还是比较复杂的，右图给出了各种应力的分布情况：返回 三、应力控制标准(permissiblestress)混凝土容许压应力，等于其极限强度除以相应的安全系数。《规范》规定：混凝土的抗压安全系数在基本组合情况下不小于4.0，在特殊组合情况下(地震情况除外)不小于3.5。当坝体个别部位有抗拉强度要求时，可提高混凝土的抗拉标号，抗拉安全系数不小于4.0。地震作用地震作用是一种发生概率极小的荷载，由于在动荷载作用下材料强度有所提高，所以，在抗震计算中，混凝土坝的动态抗压强度和动态弹性模量的标准值可较其静态标准值提高30％，动态抗拉强度的标准值可取为动态抗压强度标准值的8％，故容许拉、压应力也可作相应的提高。 1.坝基面的正应力（1）运用期：在各种荷载组合下(地震荷载除外)，坝基面的最大竖向正应力бymax应小于坝基容许压应力(计算时分别计入和不计入扬压力)；最小竖向正应力бymin应大于零(计算时应计入扬压力)。应力控制标准 （2）施工期：下游坝面允许有不大于O.1MPa的拉应力。地基容许压应力取岩石试块(通常为5cm×5cm×5cm)极限抗压强度的1/25～1/5，视岩体的具体情况而定。对于强度高，但节理、裂隙发育的基岩，采用1/25～1/20；对于中等强度的基岩采用1/20～1/10；对于均质且裂缝甚少的软弱基岩及半岩石地基采用1/10～1/5；对于风化岩基，按其风化程度，应将其容许压应力降低25％～50％。应力控制标准1.坝基面的正应力 2.坝体应力（1）运用期坝体上游面的最小主应力要考虑两种控制标准：在作用力中计入扬压力时，要求б≥0，即б为压应力；当作用力中不计入扬压力时，要求б≥0.25h。坝体下游面的最大主压应力，不得大于混凝土的容许压应力。应力控制标准 （2）施工期坝内主压应力不得大于混凝土的容许压应力，在坝的下游面可以有不大于O.2MPa的主拉应力。应力控制标准2.坝体应力返回 四、各种因素对坝体应力的影响1、纵缝对坝体应力的影响由于坝体往往很大，不可能统舱浇注，所以往往设有纵缝。但在每一个坝块上，应力仍可假定为直线分布，这样应力分布图就由若干段直线组成，如图所示。不讲 2、分期施工对坝体应力的影响各种因素对坝体应力的影响 3、地基变形模量对坝体应力的影响——空库各种因素对坝体应力的影响 3、地基变形模量对坝体应力的影响——满库各种因素对坝体应力的影响 4、坝体混凝土分区对坝体应力的影响各种因素对坝体应力的影响 本节完 §1.6泄水重力坝 一、溢流重力坝的孔口形式与设计形式：1）开敞式坝顶溢流；2）大孔口溢流式（可降低溢流堰顶高程，增大单宽流量，减小溢流坝段长度）缺点呢？ 组成：溢流面由顶部溢流面曲线段、中间直线段和下部反弧段组成。一）溢流堰面曲线常采用非真空剖面曲线。 1)开敞式溢流堰面曲线2)大孔口堰面曲线上述两种堰面曲线是根据定型设计水头确定的．当宣泄校核洪水时，堰面出现负压值应不超过3—6m水柱高。 二）、溢流面中间直线段上端与堰顶曲线相切，下端与反弧段相切，公切线构成的直线段坝面坡度可以和非溢流坝下游坝面坡度一致三）溢流坝下游反弧段半径1)对挑流消能，可按下式求得反孤半径R2)对于底流式消能，反弧段半径可按下式求得3)对消力戽消能 二、溢流坝剖面布置溢流坝的实用剖面，是由基本剖面修改而成，一般情况下，中间直线段采用非溢流坝的下游坝面直线，要与溢流面曲线段和下游反弧段相切，如图（a），如果地质条件好，溢流面曲线上游超出基本剖面部分可做成挑出的悬臂，如图（c）所示；如果地质条件差，基本剖上部去掉的体积较多，影响了坝段的稳定性，可将直线段的下游坝坡放缓,如图（b）；对挑流鼻坝超出基本剖面，且L/h>0.5时，可考虑在a—a′处设置结构缝与坝体分开。如图（d） 三、溢流坝孔口设计孔口设计涉及因素：洪水设计标准、下游防洪要求、库水位雍高有无限制、是否利用洪水预报、过水方式以及枢纽地形、地质条件等。设计步骤：选定泄水方式，拟定若干种泄水布置方案。初步确定空口高程、尺寸，按工程等级相应的洪水设计标准进行洪水调节演算。求出各方案的防洪库容，设计和校核洪水位及相应的下泄洪量等。然后估算淹没损失和枢纽造价，进行技术经济比较，选出最优方案。 （一）洪水标准（p48表1-11）洪水标准，包括洪峰流量和洪水总量。是确定孔口尺寸进行凋洪演算的重要依据。（二）孔口型式1、坝顶溢流式优点：①闸门承受的水头较小，孔口尺寸可以较大。②闸门全开时，下泄流量与堰顶水头H03/2成正比，超泄能力强。③闸门在顶部，操作方便，易于维修，安全可靠。④能排水及其他漂浮物。堰头设闸门——大中型——调节库水位和下泄流量堰头不设闸门——小型——结构简单，管理方便 2、大孔口溢流式上部设胸墙，降低堰顶高程。胸墙：固接胸墙，活动胸墙优点：可根据洪水预报提前放水，提高了调洪能力。3.孔口尺寸确定孔口尺寸时应考虑的因素:满足泄洪要求孔口宽度越大,闸门尺寸越大,启门力越大,启门和启闭机的构造就较复杂.孔口高度越大,q大,溢流坝段越短;孔口高度越小,孔数多、闸门多，溢流段总长也相应加大。q大，消能困难，为了对称均衡开启闸门，以控制下游河床流态，孔口数目最好采用奇数。 装设闸门的溢流坝,常用闸门将溢流坝段分割成若干个等宽的溢流孔口.堰流孔口的总宽度决定于总泄量和单宽流量（q）。1．单宽流量q的确定。通过调洪演算，可得出枢纽的总下泄流量Q总。溢流孔口下泄量为：Q溢=Q总-aQ0Q0——电站和泄水孔下泄流量a——系数，正常取0.75——0.9，校核取1.0 四、溢流重力坝的消能防冲设施选择消能工的依据：地形、地质、枢纽布置、水头、流量、下游水深及其变幅等进行技术经济比较。重要工程应作模型试验。1）底流消能在坝趾下游设消力池，消力坎等。底流消能工作可靠，但是工程量大。工程造价较高。可适应高、中、低水头的溢流坝，但多用于地质条件较差的泄水建筑物。 2）挑流消能（适用于基岩比较坚固的高、中坝）消能特点：将下游高速水流抛向空中，使水流扩散、掺气，然后跌入下游河床水垫中，发生旋滚和摩擦，以消耗能量。优点：简单、经济、工期短；缺点：尾水活动比较大，雾化大，影响电站工作。设计内容：鼻坎型式、反弧半径、鼻坎高程、挑射角度。 3）面流消能消能特点:利用鼻坎将主流挑至水面，在鼻坎附近表面主流与河床之间形成逆向旋滚。使高速水流与河床隔开，避免对坝趾附近河床的冲刷，主流在水面逐渐扩散消能，反向旋滚也可消除一部分能量。适用于中小型工程，水头低，下游水深大且变幅小。优点:面流消能不需设护坦和其他加固措施。缺点:高速水流在表面、伴有强烈的波浪、绵延数里，影响电站运行及下游通航，易冲刷两岸。优点:面流消能不需设护坦和其他加固措施。缺点:高速水流在表面、伴有强烈的波浪、绵延数里，影响电站运行及下游通航，易冲刷两岸。 4）消力戽消能消能特点：利用一个较大的反弧半径和挑角形成的戽斗、在一定尾水深度的作用下，使从溢流坝下游的高速水流在戽斗内产生激烈的表面旋滚，并使出戽的高速水股在底部及尾水中均产生旋滚，以达到较好的消能效果。30年首先在美国大古力坝中采用，我国安康采用。适用：尾水深、变幅小、无航运要求，下游河岸有一定抗冲能力。优点：工程量较消力池小，冲刷坑比挑流式浅，不存在雾化问题；缺点：下游水面波动大，易冲刷岸坡，不利航运，戽面磨损率高，增大了维修费用。 下游折冲水流及其防止发生原因：开启部分泄水孔，下游水流不能迅速在平面上扩散，在主流两侧容易形成回流，主流受到压缩，使水流单宽流量增加，流速在长距离内不能降低，引起河床冲刷。如两侧回流强度不同，水位不同，还可将主流压向一侧，形成折冲水流。危害：危害：1、冲刷河床和河岸；2、影响航运；3、电站尾水形成回流，抬高尾水，损失电能（落差减小）采取防止措施：①布置上，尽量使溢流坝下游水流与原河床主流位置方向一致；②运用管理，闸门均匀开启，或对称开启；③布置导流墙。 本讲完'