重力坝教学讲解课件.ppt
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- 重力坝 教学 讲解 课件
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1、第三章第三章 重重 力力 坝坝一、重力坝的工作原理及特点三峡、龙滩三峡、龙滩新安江、丹江口新安江、丹江口湖南凤滩、枫树湖南凤滩、枫树依靠坝体自依靠坝体自重保持稳定重保持稳定结构型式:结构型式:可分为实体重力坝、宽缝重力坝和空腹重力坝可分为实体重力坝、宽缝重力坝和空腹重力坝按是否溢流分为溢流重力坝和非溢流重力坝按是否溢流分为溢流重力坝和非溢流重力坝按筑坝材料分为混凝土重力坝和浆砌石重力坝按筑坝材料分为混凝土重力坝和浆砌石重力坝 按坝高来分:高坝:大于70m中坝:30m70m 低坝:低于30m重力坝的类型重力坝的类型 按材料分:混凝土重力坝 浆砌石重力坝 按施工方法:浇筑常态混凝土 碾压干硬性混凝
2、土布置布置四川省大渡河上龚嘴水电站四川省大渡河上龚嘴水电站(1 1)剖面设计:剖面设计:可参照已建类似工程,拟定剖面尺寸。可参照已建类似工程,拟定剖面尺寸。(2 2)稳定分析:)稳定分析:验算坝体沿地基面或地基中软弱结构面抗滑验算坝体沿地基面或地基中软弱结构面抗滑稳定的安全度。稳定的安全度。(3 3)应力分析:应力分析:使应力条件满足设计要求,保证坝体和坝基使应力条件满足设计要求,保证坝体和坝基有足够的强度。有足够的强度。(4 4)构造设计:构造设计:根据施工和运用要求确定坝体的细部构造,根据施工和运用要求确定坝体的细部构造,如廊道系统、排水系统、坝体分缝等。如廊道系统、排水系统、坝体分缝等。
3、(5 5)地基处理:地基处理:根据地质条件和受力情况,进行地基的防渗、根据地质条件和受力情况,进行地基的防渗、排水、断层软弱带的处理等。排水、断层软弱带的处理等。(6 6)孔口设计:孔口设计:包括:堰顶高程、孔口尺寸、体形及消能、包括:堰顶高程、孔口尺寸、体形及消能、防护设计等。防护设计等。(7 7)监测设计:监测设计:包括:坝体内部和外部的观测设计,制定大包括:坝体内部和外部的观测设计,制定大坝的运行、维护和监测条例。坝的运行、维护和监测条例。(1 1)结构作用明确,设计)结构作用明确,设计方法简便,安全可靠。方法简便,安全可靠。(2 2)对地形、地质条件适)对地形、地质条件适应性强。应性强
4、。(3 3)枢纽泄洪问题容易解)枢纽泄洪问题容易解决决(4 4)便于施工导流)便于施工导流(5 5)施工方便)施工方便优点:优点:(1 1)坝体剖面尺寸大,材)坝体剖面尺寸大,材料用量多。料用量多。2 2)坝体应力较低,材料)坝体应力较低,材料强度不能充分发挥。强度不能充分发挥。(3 3)坝体与地基接触面积)坝体与地基接触面积大,相应坝底扬压力大,大,相应坝底扬压力大,对稳定不利。对稳定不利。(4 4)坝体体积)坝体体积大大水化热水化热和硬化收缩,将产生不利和硬化收缩,将产生不利的温度应力和收缩应力。的温度应力和收缩应力。缺点:缺点:自重;静水压力;扬压力;动水压力;浪压力;泥沙压力;冰压力;
5、土压力;地震作用;温度作用等。荷载与作用主要有:-不随时间变化(自重、土压力)-随时间变化(水压力、扬压力、温度、孔隙水压力)-偶然发生(地震、校核水位下的水压力)作用与荷载是有区别的作用与荷载是有区别的作用分为:可较准确地算出,材料容重应实地量测或参考荷载规范定出。沿坝基面滑动,仅计坝体重量;沿深层滑动,需计入滑体内岩体重;用有限单元法计算时,应计入地基初始应力的影响;作用在坝面上的静水压力可按静水力学原理计算,分为水平及垂直力分别进行计算 扬压力浮力 是坝体在下游水位以下部分受到的浮力渗流压力 在上、下游水位差作用下,水流通过基岩节理、裂 隙而产生的向上的静水压力 实测图 1895年4月,
6、法国Bouzey重力坝失事。事后分析,失事的原因是该坝设计时未考虑作用于坝基上的扬压力。20世纪初建造的许多重力坝多未考虑扬压力,如印度的Khadakwasla等坝(Kulkarni,1994),均因不够稳定而采取加固。1959年法国Malpasset坝失事是拱坝第一次溃坝记录,经检查,坝的设计符合规范,施工质量良好。直到1987年,通过一次以溃坝为主题的国际研讨会,才有了初步结论:左坝肩地基中过大的水压力使坝基岩块沿F1断层滑动而溃坝。1976年,当时世界上最高的土坝,美国Teton坝发生溃坝,经反复查证,确认坝基岩石节理发育,库水流经岩石裂隙使心墙齿槽土体发生管涌而最终遭致溃坝。扬压力折减
7、系数:河床坝段=0.2-0.3 岸坡坝段=0.3-0.4 3宜采用0.150.3 设计中采用的计算图形设计中采用的计算图形根据动量冲量原理:根据动量冲量原理:单位时间内物体动量的增量等于该物体所受外力的合力 反弧段上总水平分力和垂直分力为反弧段上总水平分力和垂直分力为 合力作用点可近似地取在反弧中点 21mvmvFt2121coscossinsinxyqFvgqFvg3/14/500166.0DVhl8.0)(4.10lhLLHcthLhhlz22官厅水库公式 事实上波浪系列是随机性的,即相继到来的波高有随机变动,是个随机过程。Vo计算风速(m/s),是指水面以上10m处10min的风速平均值
8、D 风作用于水域的长度(km),称为吹程或风区长度 波浪作用使重力坝承受波浪压力,而波浪压力与波浪要素和坝前水深等有关 波浪三要素:波高、波长和壅高半经验公式,半经验公式,适用于峡谷水库适用于峡谷水库 深水波当坝前水深大于半波长,即HL2时,波浪运动不受库底的约束。浅水波 水深小于半波长而大于临界水深H0,即L2HH0时,波浪运动受到库底影响。破碎波水深小于临界水深,即H1.5或闸门全开时仍属孔口泄流,应按孔口射流曲线设计溢流面,曲线方程为 dHxy224Hd定型设计水头,m,一般取孔口中心线至校核洪水位时堰顶水头的75%95%;孔口收缩断面处的流速系数,一般取=0.96,若孔前设有检修闸门槽
9、时取0.95。坐标原点设在堰顶最高点,原点左侧的上游段采用复合圆弧或椭圆曲线与上游坝面连接,胸墙下缘也采用圆弧或椭圆曲线。顶部曲线段 溢流坝面反弧段是使沿溢流面下泄水流平顺转向的工程设施,通常采用圆弧曲线,反弧半径应结合下游消能设施来确定。混凝土重力坝设计规范混凝土重力坝设计规范(DL51081999)规定)规定 对于挑流消能,R=(410)h,h为校核洪水闸门全开时反弧段最低点处的水深,m。反弧处流速愈大,要求反弧半径愈大。当流速小于16m/s时,取下限;流速大时,宜采用较大值。当采用底流消能,反弧段与护坦相连时,宜采用上限值。反弧半径的经验公式 hFRr2/332,反弧最低点处的佛汝德数,
10、rFghFr反弧段中间直线段与坝顶曲线和下部反弧段相切,坡度与非溢流坝段的下游坡相同。溢流重力坝剖面要与非溢流重力坝的基本剖面相适应。上游坝面一般设计成铅直的,或上部铅直、下部倾向上游,并尽量与非溢流重力坝的上游坝面相一致。当溢流重力坝剖面小于基本三角形剖面时,可适当调整堰顶曲线,使其与三角形的斜边相切;对有鼻坎的溢流坝,鼻坎超出基本三角形以外,当0.5,经核算BB截面的拉应力较大时,可设缝将鼻坎与坝体分开,中间直线段剖面设计(五)消能防冲设计 1消能工的设计原则及型式尽量使下泄水流的大部分动能消耗在水流内部的紊动中,以及水流和空气的摩擦上;不产生危及坝体安全的河床或岸坡的局部冲刷;下泄水流平
11、稳,不影响枢纽中其他建筑物的正常运行;结构简单,工作可靠;工程量小。设计原则型式底流消能、挑流消能、面流消能和消力戽消能等。2底流消能(1)底流消能的特点及措施辅助消能工(2)护坦构造 通过水跃,将泄水建筑物泄出的急流转变为缓流,以消除多余动能的消能方式。消能主要靠水跃产生的表面旋滚与底部主流间的强烈紊动、剪切和掺混作用。底流消能具有流态稳定、消能效果较好、对地质条件和尾水变幅适应性强以及水流雾化很小等优点,可适应高、中、低水头。但护坦较长,土石方开挖量和混凝土方量较大,工程造价较高。护坦用来保护河床免受高速水流的冲刷。对底流消能,护坦长度应延伸至水跃跃尾;对其他型式的消能工,当可能产生临近坝
12、趾的冲刷时,也需在坝趾下游设置护坦。3挑流消能挑流消能设计的主要内容包括:选择鼻坎型式,确定鼻坎高程、反弧半径、挑角,计算挑距和下游冲刷坑深度。连续式挑流鼻坝的水舌及冲刷坑示意图 鼻坎挑射角度愈大(指45以内),挑射距离愈远。但由于此时水舌落入下游水垫的入射角较大,冲刷坑也就愈深。设计挑流消能工时,可用挑射距离L与最大冲刷坑深度的比值做为指标,一般要求2.55.0。根据试验,鼻坎挑射角度一般采用=2025。水舌挑射距离估算公式为)(2sincoscossin121221121hhggLL 水舌挑距,m;g重力加速度,m/s2;1坎顶水面流速,m/s,约为鼻坎处平均流速的1.1倍;挑射角度;h1
13、 坎顶平均水深h在铅直向的投影,h1hcos h2坎顶至河床面的高差,m。(1)挑流消能的特点与设计(2)挑坎体形 消能设施主要有:扩散坎、连续坎、差动坎、斜挑坎、扭曲坎、高低坎、窄缝坎和分流墩等。扩散坎 连续坎 差动坎 斜挑坎 扭曲坎 高低坎 分流墩 类 型4面流消能与消力戽面流消流 利用鼻坎将主流挑至水面,在主流下面形成反向旋滚,使主流与河床隔开。消力戽消力戽的挑流鼻坎潜没在水下,形不成自由水舌,水流在戽内产生旋滚,经鼻坎将高速的主流挑至表面,戽内的旋滚可以消耗大量能量,因高速水股在表面,也减轻了对河床的冲刷。5其他新型消能工 宽尾墩 台阶式溢流坝面 T形墩 在溢流堰面曲线下游的坝面,设置
14、一系列的台阶,以消除下泄水流的多余能量,简化下游消能设施。水流沿坝面台阶逐级掺气、减速和消能,闸墩尾部逐渐拓宽的闸墩 6多种消能联合消能 宽尾墩配合挑坎的布置及流态图 某水电站工程布置图 联合消能:联合消能:多种泄水建筑物的联合,包括:坝体的表孔、中孔、底孔,岸边溢洪道及泄洪隧洞等,而以溢流坝和岸边溢洪道为主;不同型式消能工的联合。7下游折冲水流及防止措施 改善下游流态,采取以下措施:在枢纽布置上,尽量使溢流坝的下泄水流与原河床主流的位置和方向一致;规定闸门操作程序,使各孔闸门同时均匀开启,或对称开启;布置导流墙,使主流充分扩散;进行水工模型试验,研究下游流态及改善措施。某工程溢洪坝泄水时的下
15、游流态 四、坝身泄水孔(一)坝身泄水孔的作用及工作条件 宣泄部分洪水;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;随时向下游放水,满足航运或灌溉等要求;施工导流。坝身泄水孔内水流流速较高,容易产生负压、空蚀和振动;闸门在水下,检修较困难;闸门承受的水压力大,启门力也相应加大;门体结构、止水和启闭设备都较复杂,造价也相应增高。水头愈高,孔口面积愈大,技术问题愈复杂。(二)坝身泄水孔的型式及布置 按水流条件,坝身泄水孔可分为有压的和无压的;按泄水孔所处的高程可分为中孔和底孔;按布置的层数又可分为单层的和多层的。有压泄水孔(单位:m)无压泄水孔(单位:m)(二)坝身泄水孔
16、的型式及布置 双层泄水孔 双层泄水孔(高程:m)注意:双层泄水时,对下层泄水孔泄流能力的影响;在尾部上、下层水流交汇处容易发生空蚀。模型试验和原型观测都表明,双层泄水孔在技术上是可行的,但应开展水工模型试验研究,以便对可能出现的问题进行妥善处理。(三)进口曲线 要求:减小局部水头损失,提高泄水能力;控制负压,防止空蚀。某水电站导流底孔空蚀破坏情况(单位:m)进口曲线常采用1/4椭圆,方程为:对于圆形断面的泄水孔,A为圆孔直径,可取0.30。对于矩形断面泄水孔的顶面曲线,A为孔高,采用1/31/4;孔口两侧壁曲线也用椭圆曲线,A为孔宽,采用1/4;进口底部边界线可以采用圆弧。进口段的孔口中心线,
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