重力坝的材料及构造.ppt

第七节 重力坝的材料及构造,一、坝体混凝土的特性混凝土的强度 水工混凝土结构设计规范（SL/T19196）将混凝土强度等级划定为C10、C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60等十一级。混凝土的强度随着龄期而增长，因此，在选用设计强度等级时应同时规定设计龄期。由于重力坝为大体积混凝土，施工期较长，故而，对坝体混凝土，抗压设计龄期一般可取90d，采用保证率为80%的抗压强度。,混凝土的耐久性 混凝土的耐久性一般包括抗渗、抗冻、抗冲耐磨、抗侵蚀性能等。,大坝混凝土抗渗等级的最小允许值,（2）抗冻性 抗冻性是指混凝土在饱和状态下，经多次冻融循环而不破坏，同时也不严重降低强度的性能，通常以抗冻等级表示。抗冻等级分为F50、F100、F150、F200、F300五级（3）抗冲耐磨性（4）抗侵蚀性（5）抗裂性,二、坝体混凝土分区,重力坝各部位的工作条件不同，对上述混凝土材料性能指标的要求也不同。为了节约与合理使用水泥，达到既安全又经济的目的。,（一）横缝1）永久性横缝 常做成平面，不设键槽，不进行灌浆，各坝段独立工作。现在常是温度缝、沉降缝合二为一，故留成-2cm宽的缝。横缝内需设止水。止水材料：紫铜片，橡胶、塑料及沥青等。对于高坝应采两道止水，中间设沥青井，中低坝适当简化。止水片及沥青井需伸入岩基一定深度，约30-50cm，井内填满沥青沙，止水井延伸到最高水位以上，沥青井需延伸到坝顶。,三、坝体分缝与止水,2）临时性横缝 主要用于下述情况:（1）河谷狭窄，做成整体重力坝可适当发挥两岸的支撑作用，有利于坝体的强度和稳定。（2）岸坡较陡的各坝段连成整体可以改善岸坡的稳定性。（3在软弱破碎带上的各坝体，连成整体增加坝体刚度。（4）强地震区，如坝段连成整体，可提高坝体的抗震性能。,临时横缝的缝面键槽和灌浆系统:为增加缝面的水平向抗剪能力时,键槽竖向布置。为增加缝面的铅直向抗剪能力时,键槽水平向布置。临时竖缝灌浆高度视坝高和传力的需要而定，可全部灌，也可局部灌。,二）纵缝,平行于坝轴线方向设的缝。目的：适应混凝土的浇筑能力和减小施工期的温度应力。纵缝是临时缝，待坝体降到稳定温度后 进行接缝灌浆。纵缝布置形式：铅直、错缝、斜缝。不设纵缝通仓浇注,第七节 重力坝的材料及构造,（1）铅直纵缝 间距1530m。为了使缝面更好地传力，设三角形键槽。槽面大致顺主应力方向。,（2）错缝 缝面不作灌浆处理。浇注块高度在基岩附近1.52m，在坝体上部不大于34m，错缝间距1015m，缝的错距不超过浇注块的一半。错缝施工简便，在低坝上使用。（3）斜缝 可大段沿主应力方向设置，因缝面剪应力很小，可以不灌浆。斜缝须在离上游面一定距离处终止。为防止斜缝在终止处向上贯穿，须采用并缝措施：布设并缝钢筋、设并缝廊道等。施工最好使上下块均匀上升。施工复杂，较少采用。,（4）通仓浇筑（不设纵缝）施工简便，有利于加快施工进度。坝的整体性好，是发展的方向。但是要注意温控。三）施工缝（水平工作缝）浇注块厚度一般为1.54.0m。在基岩表面用0.751.0m的薄层浇注，以利散热、防止开裂。上下浇注块之间常间歇37天。新混凝土浇注前，须清除缝面渣、灰尘和水泥乳膜，用风水枪或压力水冲洗，使表面成为干净麻面。再均匀铺一层23cm的水泥沙浆，然后浇注。,第七节 重力坝的材料及构造,四、坝体排水,为减小渗水对坝体的不利影响，在靠近上游面处布设排水管。距上游面要求小于坝前水深的1/101/12，使渗透坡降在允许范围内。管距23m。管径1525cm，太小易堵塞。排水管与廊道连接多采用直通式，且多在上游侧（使廊道干燥）。,第七节 重力坝的材料及构造,五、廊道系统,为满足施工和适用要求（如灌浆、排水、观测、检查、交通的需要），须在坝体内设置各种廊道。这些廊道相互连通，构成廊道系统。,一）基础灌浆廊道,设在坝踵部位。利用混凝土压重、提高灌浆压力、保证灌浆质量。一般采用城门洞形。断面尺寸应满足灌浆作业的要求。一般底宽2.53.0m，高3.0 4.0m，距上游面可取0.05 0.1 倍水头，且布小于4 5m（渗透坡降问题）。廊道底面距基岩布小于1.5倍廊道宽度。廊道上游侧设排水沟，下游侧设排水孔及扬压力观测孔。灌浆廊道沿地形向两岸逐渐升高。坡度不宜大于40 45度，以便钻孔、灌浆操作和搬运灌浆设备。,第七节 重力坝的材料及构造,二）检查和坝体排水廊道,常在靠近坝体上游面沿高度方向隔1520m设检查廊道，最小宽度为1.2m，最小高度为2.2m距上游面布小于0.050.07倍水头，且不小于3m（寒冷地区适当加厚）。上游侧设排水沟。,第七节 重力坝的材料及构造,廊道应力计算和配筋（不讲）大孔口应力分析比较复杂，须采用有限元法电算求解，或用结构试算求应力。小孔口时，用弹性力学中平面问题（无限平板中孔口的应力计算）求解。,六）坝顶构造,1防浪墙；2路面；3起重机轨道；4人行道；5坝顶排水管；6坝体排水管,第七节 重力坝的材料及构造,悬臂结构,拱桥结构,第八节 重力坝的地基处理,天然基岩都有风化层、节理、裂隙、断层破碎带及软弱夹层等方面的缺陷，因此必须进行处理重力坝失事有40%是因为地基问题造成的。地基处理主要包含两个方面的工作：一是防渗，二是提高基岩强度。一坝基的开挖与清理 目的：使坝体坐落在稳定坚固的地基上。规范规定：70m的高坝，必须建在新鲜、微风化或弱风化的岩石上。3070m的中坝，必须建在微风化或弱风化的岩石上。同一工程中，两岸较高部位的坝段，可比河床段适当放宽。,二坝基的固结灌浆,目的：提高基岩的强度和整体性，降低地基的透水性。固结灌浆设计内容：决定灌浆范围：高坝或岩基裂隙发育，全坝基灌浆；一般情况下在坝踵坝趾处灌浆（为什么？）。灌浆孔的深度：一般58m；帷幕上游区815m灌浆孔的间距：孔距、排距 36m灌浆孔的排列形式：平面上作梅花形或方格形。,第八节 重力坝的地基处理,灌浆孔的钻孔方向：与主要裂隙面正交。灌浆的压力：在不扰动基岩的前提下尽量大。无混凝土盖重时为0.20.4MPa有混凝土盖重时为0.40.7MPa三帷幕灌浆坝基防渗处理目的是：减少坝基及绕坝渗漏；防止较大渗流对坝基产生渗透破坏；减小作用在坝基底面上的扬压力，提高坝体的抗滑稳定性。坝基防渗处理方法：降低渗水压力，防止坝基内产生机械或化学管涌，减小坝基渗透水量。灌浆材料：水泥浆、化学灌浆,第八节 重力坝的地基处理,帷幕灌浆设计：,1）防渗帷幕的深度：根据水头大小，透水层的深度和降低坝基渗透压力的要求来确定当坝基下相对隔水层且较浅时，其应伸入到隔水岩层内3m5m；一般情况下，帷幕深度常为0.30.7倍水头。2）帷幕的布置：防渗帷幕灌浆孔的排数、排距及孔距，应根 据工程地质条件、水文地质条件，作用水头及灌浆试验资料确定。坝高在100m以下时，可布置一排。对地质条件较差，岩体裂隙发育或可能发生渗透变形的地段可采用两排，但坝高在50m以下时，仍可采用一排。两岸坝头部位，防渗帷幕宜延伸到相对 隔水层或正常蓄水位与地下水位相交处,3）灌浆压力：帷幕灌浆必须在浇筑一定厚度的坝体混 凝土后进行，一般情况下，灌浆压力应通过试验确定。通常在帷幕表层不宜小于1.01.5 倍坝前静水头，在孔底不宜小于23倍坝前静水头，但以不破坏岩体为原则。,1灌浆廊道；2山坡钻进；3坝顶钻进；4灌浆平洞；5排水孔；6正常蓄水位；7原水位；8帷幕底线；9原地下水位；10蓄后地下水位,四坝基排水,目的：进一步降低坝底面的渗透压力。设置：1.设于防渗帷幕后 2.有时设有坝基面排水。,五断层、软弱夹层和溶洞的处理,第八节 重力坝的地基处理,(1)倾角较陡的断层破碎带处理：在坝基范围内单独出露的断层破碎带，可将适当深度内的断层、破碎带及其两侧风化岩石挖除或挖至较完整的岩体。,（a）深齿坎（b）抗滑桩（c）预应力锚索,第八节 重力坝的地基处理,(2)软弱夹层的处理：对于浅埋的夹层，可采用明挖清除，再回填混凝土加固；对于深层的夹层，视其对坝体稳定和基础沉降危害的程度，确定是否需要处理。如需要处理，可采用洞挖后回填混凝土的方法进行加固。为了阻止坝体沿软弱夹层滑动，可在下游坝趾处设置深齿、大型钢筋混凝土抗滑桩或预应力锚索等措施进行加固,当河岸较陡，又有顺坡剪切裂隙时，要校核岸坡沿裂隙的稳定性，必要时应开挖削坡，若开挖量大，也可采用预应力锚系钢筋固定岸坡 若岸坡平缓稳定，岸坡坝段可直接建在开挖的岸坡基岩上；若岸坡较陡，但基岩稳定，为使岸坡坝段稳定，可考虑把岸坡开挖成梯级，利用基岩和混凝土的抗剪强度增加坝段的抗滑稳定，但应避免把岸坡挖成大梯级，以防在梯级突变处引起应力集中，产生裂缝,六、两岸处理,第九节 碾压混凝土坝,碾压混凝土坝：利用高效振动碾分层碾压干贫性混凝土而筑成的大坝 碾压混凝土最早用于水利工程是1961年我国台湾省石门坝的围堰心墙。到20世纪80年代进入正式筑坝阶段，1980年日本建成世界上第一座坝高89米的岛地川碾压混凝土坝。此后，在全世界范围迅速发展。我国碾压混凝土筑坝技术起步较晚，但发展很快。自1986年建成第一座56.8m高的坑口碾压混凝土坝以后，我国碾压混凝土坝建设进入高潮。到2002年为止，在短短的十几年中，建设碾压混凝土坝40多座，高度超过100m的9座，碾压混凝土拱坝8座。其中200米级高的龙滩重力坝和132米高的沙牌拱坝在高度上、技术上均处于国际领先水平,一、碾压混凝土坝的特点,1施工工艺简单，施工速度快通仓薄层浇筑，施工工作面大，可交错薄层连续上升，无需间歇养护；最大日上升高度1.2m；巴基斯坦的塔贝拉水电站采用碾压混凝土坝，浇筑强度达18000m3/d 2大量节约水泥，降低工程造价普通混凝土坝中的单方水泥用量约为180280kg/m3，如新安江大坝为180kg/m3，丹江口大坝高达270kg/m3。碾压混凝土坝中单方水泥用量仅为9050kg/m3 3简化温控措施，减少坝体纵缝水泥用量较少，坝体采用薄层交替浇筑，表面散热条件良好，使坝体内部混凝土温度升幅大大降低。日本岛地川坝的实测资料表明，坝内最大温升仅810。可以不采取专门的降温散热措施 4简化施工导流设施，节约临时工程费用施工强度高、速度快；省略了施工围堰等设施。我国岩滩工程中的碾压混凝土围堰，曾多次通过洪水，堰顶最大过水深达2.2米。但仍能正常运用，对施工基本无不利影响。,二、碾压混凝土坝的构筑型式,1外包常态混凝土碾压混凝土坝（金包银）坝体内部用干贫性碾压混凝土填筑，上、下游和坝基面用23m厚的常态混凝土，形成一种包裹剖面型式，俗称金包银。坝体按常规分横缝，采用切缝技术成缝，缝内止水和排水系统与常态混凝土坝相同，并放在常态混凝土层内,2富胶凝材料碾压混凝土坝将矿渣或粉煤灰作为掺合料，加入到混凝土中，拌合成高胶凝材料的无坍落度混凝土，其胶凝材料约为150230kg/m3，粉煤灰掺用量占6070%特点：具有强度高、凝聚力强、抗渗性好3低胶凝材料干贫混凝土碾压坝 特点：造价低，混凝土方量较大，施工速度快，渗漏较严重，抗冻性能差,4采用专门防渗设施的全断面碾压混凝土坝,上游面采用专门的人工防渗材料或高胶凝材料 克服了渗漏严重和抗冻性差的缺点，又能快速施工，加快施工进度，目前各国应用的较多 温泉堡碾压混凝土拱坝贴复合土工膜防渗,三、碾压混凝土坝的构造（不讲）,1碾压混凝土坝的防渗体、排水设计为减小坝体内的渗透压力，在碾压混凝土重力坝上均需布置坝体排水设施。2碾压混凝土坝的分缝及廊道设置,四、碾压混凝土材料及配比设计,1碾压混凝土材料要求碾压混凝土材料应包括水泥、砂子、石子、外加剂及粉煤灰等活性掺合料。改善混凝土的可碾性，减少用水量降低水化热，需用减水剂。为防止出现冷缝，有效发挥快速连续施工特点，需用缓凝剂。工程上一般均掺用具有缓凝和减水双重作用的外加剂。如木质素黄酸钙、奈系列、糖蜜复合剂等 2碾压混凝土配合比（1）混凝土的强度、抗渗、抗冻性能等满足坝体设计要求，具有一定的拉伸应变能力。（2）工作度适当，拌合物较易碾压密实，使混凝土重度较大。（3）混凝土质量均匀，施工过程中不易发生分离现象。（4）拌合物初凝时间较长，易于保证碾压混凝土施工层面良好粘结，层面物理力学性能良好。,一般碾压混凝土的配比及具体参数控制标准如下：（1）大体积碾压混凝土的胶凝材料用量不宜低于130kg/m3，其中水泥熟料不宜低于45kg/m3。掺和量的掺量应综合考虑水泥、掺合料和砂子的质量等因素，宜取3065%。超过65%时应做专门的试验论证。（2）混凝土的水胶比应根据混凝土的强度，耐久性要求确定，其值一般为0.50.7。混凝土砂率应通过试验选取最优砂率值。使用天然骨料时，三级配碾压率宜取28%32%，二级配宜取32%37%，使用人工骨料时，砂率需增加3%6%。（3）碾压混凝土拌合熟料的VC值，一般在机口处宜在515S范围内。并应根据VC值、骨料的种类、级配情况、砂率等确定。一般单位用水量宜为8015kg/m3。,第十节 其他形式的重力坝,一、浆砌石重力坝 是用胶结材料和块石砌筑而成的。其特点如下：就地取材；水泥用量少（比混凝土重力坝可节省50%左右），因而发热量低，可不采取温控措施，不设纵缝，可增加坝段宽度；不需立模，施工干扰少；施工技术易为群众掌握，便于组织人工进行施工。人工砌筑，施工质量难于控制；砌体孔隙率较大，需另设防渗设备。,1浆砌石重力坝的材料(1)石料 一般要求上坝石料为质地均匀、无裂缝、不易风化、坚硬密实、表面清洁的新鲜岩石。抗压强度为3104kPa4104kPa。块石最小边长不小于2030cm，长边尺寸不得大于短边的三倍。浆砌石坝的上、下游表面多用条石砌筑，条石长度一般约为高、宽的23倍。(2)胶结材料 常用的胶结材料有水泥砂浆、细石混凝土和混合砂浆。1）水泥砂浆常用于砌筑条石，砂浆强度等级有M7.5、M10等，2)细石混凝土是由水泥、砂、细石和水，按一定配合比拌和而成的。一级配细石混凝土，石料粒径为0.5cm2.0cm，细石用量约为砂石总量的30%50%；3)混合砂浆是在水泥砂浆中掺入一定比例的石灰或粘土等。混合砂浆一般用于坝体的水上部分和次要部位。常用的混合砂浆有水泥石灰砂浆、水泥烧粘土砂浆、水泥粘土砂浆等。2.浆砌石重力坝的坝体防渗应采取专门的防渗措施。,二、宽缝重力坝,（1）宽缝重力坝的特点扬压力减小，抗滑稳定性相好；工程量节省约10%20%；坝体混凝土的散热快；宽缝部位的模板用量大和宽缝倒坡部位的立模复杂；分期导流不便。（2）宽缝尺寸布置 坝体上游坡通常取n=0.150.35，下游坡取m=0.50.7，在强度容许条件下，可适当加大缝宽比，放缓上游坡。,三、空腹重力坝,在坝内沿坝轴线方向开设连续的大尺寸空腔时称空腹重力坝；较实体重力坝可节省20%30%空腔部位不用清基，可减少坝基开挖量；空腔有利于坝体混凝土散热；腔内可布置水电站厂房，这时空腔底部需设置底板。空腹重力坝的主要缺点是：腹拱（腹孔顶部的拱）设计及腹拱施工复杂，有倒悬模板，钢筋用量较多。,四、支墩坝概述,支墩坝是由一系列顺水流方向的支墩和支承在墩子上 1、支墩坝的类型按挡水面板的型式，支墩坝可分为平板坝、连拱坝和大头坝,2.支墩坝的特点,1）节省混凝土量 增加了水重、减小扬压力，大头坝可节约混凝土20%40%，平板坝和连拱坝可节省混凝土30%60%。2）能充分利用材料的强度 支墩可随受力情况调整厚度，充分利用混凝土材料的受压强度，对于平板则对其抗渗和抗裂要求较高。3）部分型式的支墩坝对地质和气候条件要求高 4）施工条件不同 减少了地基的开挖量，便于布置底孔和施工导流、坝体温控措施简易、施工时立模复杂，且模板用量多，施工难度大。5）侧向稳定性,3.支墩坝的现状,支墩坝是一种性能良好的坝型，我国自50年代以来相继建成佛子岭、梅山连拱坝，磨子潭、拓溪等不同形式的支墩坝。其中梅山连拱坝高达88m，拓溪大头坝高昂104m。巴西与巴拉圭合建的伊泰普大头坝高达196m，加拿大的丹尼尔约翰逊连拱坝高达215m。,佛子岭连拱坝,佛子岭水库的连拱坝是一座钢金混凝土结构的水坝，有21个半圆形的拱，有一里多长，22丈高，能拦5亿立方公尺的洪水，是我国最大最高的空心坝，只用了2年多的时间，就建成了。连拱坝的特点是它有21个拱，有13.5米的直径。,磨子潭,梅山连拱坝,湖南镇,梅山水库坐落在史河上游梅山城区，是淮河流域重点工程，是由我国自行设计自行施工的 当时世界上最高的连拱坝，坝高88.24米,全长443.5米。,万家寨水电站鸟瞰图,朱庄水库砌石重力坝,