挡水建筑物和泄水建筑物.ppt
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1、第四章 挡水建筑物和泄水建筑物,本章重点介绍:工程中常用坝型,各种挡水建筑物和泄水建筑物的作用、特点、类型、结构形式、安全工作条件和要求,相关的水力现象。挡水建筑物的作用:拦截阻挡水流、抬高上游水位。形成水库。主要有:拦河坝(砼重力坝、拱坝、土石坝、支墩坝等)、拦河闸等。泄水建筑物的作用:宣泄多余洪水,确保大坝安全以及为完成枢纽运行而设的其它任务(预泄、冲砂、漂木、放空等)。,泄水建筑物可布置在河床中央河床式(重力坝溢流坝、坝身泄水孔),也可布置在河岸某处合适的地方(隧洞、岸边溢洪道,适于土石坝、轻型坝)泄水建筑物按其进水口在水库中的位置可分为溢流表孔和泄水深孔,表孔泄水建筑物有溢流坝、正槽溢
2、洪道等。深式泄水建筑物有深式泄水孔、隧洞等。,第一节 重力坝,重力坝定义:在水压力及其他外荷载作用下,主要依靠坝体自重来维持稳定的坝。重力坝的断面基本呈三角形,筑坝材料为混凝土或浆砌石。一、重力坝的特点和类型 靠自身重力及与坝基间的凝聚力抵抗水推力维持坝稳定。坝基一般为岩基。具有以下特点:(1)安全可靠(2)易解决泄水问题(3)对地质地形条件适应性强(4)便于施工(5)适于各种气候条件,主要缺点:(1)水泥用量大,材料强度不能充分发挥。(2)坝体扬压力大,扬压力抵消部份坝体重量,对坝体稳定不利。(3)温度应力对坝体质量影响大,必须采取设计及施工方法消除不利影响。世界上最高的重力坝:大迪克桑斯坝
3、。位于瑞士罗讷河支流迪克桑斯河上,控制流域面积357平方千米,水库总库容4亿米。坝址处河谷呈V形,同时也是欧洲最高的水坝,最大坝高285米,坝顶长695米。于1962年建成。(见图),我国最高的重力坝:三峡,181m。重力坝常用形式:实体重力坝、宽缝重力坝、空腹重力坝(一)实体重力坝(大多数砼坝均属实体重力坝),上游坝面略向上游倾斜,适用于混凝土与基岩面间的f、c值较低的情况。,(二)宽缝重力坝 将重力坝坝段间横缝的中间部分拓宽形成宽缝的重力坝。在两个坝段之间具有空腔的重力坝。其优点是:由于宽缝的存在,坝底面积小,扬压力显著降低,加之上游坡较缓,可利用上游水重来增加稳定,因此使坝体混凝土量可较
4、实体重力坝节省约1020;,宽缝增加了散热面,有利于施工期混凝土温度控制;坝内留设宽缝后,可以方便坝体观察和检查,必要时还可以在宽缝内进行维护修补和地基处理工作。缺点是:模板工作量大,提高了混凝土的单价;施工导流稍感不便在严寒地区,必须采取保温措施。中国在50年代修建了新安江宽缝重力坝,坝高105m,缝宽比0.4;以后又修建了丹江口、云峰、故县和潘家口等宽缝重力坝,坝高依次为 97m、113.8m、121m和107.5m。,新安江水库,新安江,丹江口,(三)空腹重力坝,在重力坝坝体内沿坝轴线方向布置大型纵向空腹的坝。这是近数十年发展起来的一种新坝型(见图)。,空腹重力坝的优点是:坝体空腔对减少
5、坝基扬压力及改善坝基应力有利,因而坝体混凝土量可较实体重力坝节省2030;节省了坝基开挖量;便于散热;有的坝体空腔内可以布置水电站厂房,特别是当河谷狭窄,洪水流量大,下游水位变幅大,布置地面厂房困难时,有其优越性。,缺点是:施工复杂,有倒悬模板;空腔周围易出现拉应力,为摸清和改善应力状态,需作大量计算和模型试验:钢筋用量较实体重力坝多;坝内厂房运行条件不如地面厂房好。广东枫树坝水库装机16.0万千瓦。主坝坝型为混疑土宽缝、空腹重力坝,最大坝高95.1米,坝顶长度418米,主要泄洪方式为坝顶溢流,大坝特点是空腹坝坝内电站。(见下图),二、重力坝的组成材料砼,及浆砌石(中小工程)(一)砼的组成主要
6、由四种材料组成:水、水泥、砂、石(二)砼的强度和强度等级,材料在静载荷外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力,称为材料的强度。砼强度单位面积砼试件承受的极限外荷载。有抗压强度、抗弯强度和抗拉强度的标准。混凝土强度等级表达了砼极限抗压强度:如C20、C30等。(注:过去我国采用公制计量单位,混凝土强度的单位为kgf/cm2。现按国务院已公布的有关法令,推行以国际单位制为基础的法定计量单位制,在该单位体系中,力的基本单位是N(牛顿),因此,强度的基本单位为1 N/m2,也可写作1Pa。标号改为强度等级后,混凝土强度计量单位改以国际单位制表达。由于N/m2(Pa),数值太小,一般以1N/mm2=106N
7、/m2(MPa)作为混凝土强度的,实际使用的计量单位,读作“牛顿每平方毫米”或“兆帕”。新标准中强度计量单位均采用MPa(兆帕)表达。)(三)重力坝对材料的要求除强度外,还要求具的(1)抗渗性(2)低热性(3)抗冲耐磨性(4)抗冻性(5)抗侵蚀性(6)耐久性,(四)重力坝的材料分区,三、重力坝构造,(一)坝体分缝:分横缝及纵缝1.横缝作用:适应温变、适应地基、适应地基间距:一般为1220m。分类:永久性横缝 临时性横缝2.纵缝铅直纵缝是最常采用的一种纵缝形式。缝的间距根据混凝土浇筑能力和温度控制要求确定,一般为1530m。,(二)止水,横缝止水构造示意 l一第一道止水铜片;2一沥青井;3一第二
8、道止水片;4一廊道止水;5一横缝;6一沥青麻片;7一电加热器;8一预制混凝土块,(三)坝体排水,排水管体型图,为减小渗水对坝体的不利影响,在靠近坝体上游面需要设置排水管幕。排水管幕至上游面的距离,一般要求不小于坝前水深的110112,且不小于2m,以便将渗透坡降控制在许可范围以内。排水管常用预制多孔混凝土管,间距23m,内径1525cm。管径不宜过小,否则,易被堵塞。渗水由排水管进入廊道,然后汇入集水井,经由横向排水管自流或用水泵抽水排向下游。,(四)坝内廊道系统,为了满足灌浆、排水、观测、检查和交通等的要求,需要在坝体内设置各种不同用途的廊道,这些廊道互相连通,构成廊道系统。,四、重力坝的安
9、全运行条件及剖面形状,(一)重力坝可能的破坏形式1、滑动2、倾复3、坝趾压碎 抗滑稳定、上游面无拉应力和下游面压应力不超过材料或(坝基)的充许压应力是重力坝安全运行的三个基本条件。(二)坝体基本剖面和实用剖面 重力坝的基本剖面是指坝体在自重、静水压力(水位与坝顶齐平)和扬压力三项主要荷载作用下,满足稳定和强度要求,并使工程量最小的三角形剖面。(实用剖面有顶宽的坝),实用剖面,(三)重力坝的荷载作用在坝上的力,也称作用。自重、水压力、泥沙压力、扬压力、土压力等。五、重力坝的泄水、消能和防冲1、溢流坝 溢流坝既是挡水建筑物又是泄水建筑物,除应满足稳定和强度要求外,还需要满足泄水的要求。(1)溢流坝
10、剖面曲线(2)溢流坝的孔口尺寸和泄流能力(3)溢流坝构造(闸门、闸墩、工作桥、启闭机),分堰顶设闸门和不设闸门两种。,2、深式泄水孔作用:泄洪、预泄、放空、导流。分为有压泄水孔和无压泄水孔(二)泄水重力坝的消能方式 坝体消能:宽尾墩、阶梯消能工 坝下消能:底流消能、挑流消能、面流消能和戽流消能。六、重力坝的地基处理(一)开挖和清理:钻孔爆破法,自上而下分层开挖(二)基础灌浆:固结灌浆和帷幕灌浆七、砼坝施工(一)骨料生产(二)砼拌和物生产(三)砼运输(四)砼浇筑(五)砼养护八、碾压砼重力坝,用振动碾压实超干硬性混凝土修建建筑物的施工技术(见图)。采用这种方法所筑的坝,称碾压混凝土坝。,碾压混凝土
11、的特点是:低胶凝材料用量,包括水泥与掺和料共120160kg/m3;超干硬性,以维勃仪加压测定,拌和物的稠度值在20s左右;大量使用掺和料,如用粉煤灰或天然火山灰,掺量为胶凝材料总量的3060;不设纵横缝,但有的坝在一层碾压完毕进行横缝切缝,在切缝上游设置止水设施;混凝土拌和可用自落式或强制式拌和机,但用自落式拌和机时,受大掺量掺和料的影响,需根据具体情况适当延长拌和时间,相应产量有所下降;混凝土运输过程中,需尽量减少倒运次数,以免产生分离;混凝土的平仓与摊铺,有的用推土机,有的用摊铺机,摊铺层厚度大体为1525cm,铺料过程尽量控制水平,混凝土的碾压,根据层厚不同采用不同性能的振动碾(见彩图
12、),一般铺料两层或三层后进行一次碾压,碾压遍数通过试验确定。碾压混凝土施工较之常规混凝土,具有造价低,施工速度快、节省水泥、模板和劳动力等优点,技术经济效益显著。据美国威洛克里克坝的经验,碾压混凝土的单价约为常规混凝土的1/3,在短短4个月时间内,全部30万m3混凝土的工程,即告竣工。日本各坝的经验,亦较常规浇筑方法缩短工期。岛地川坝节省水泥7000t、模板减少44。中国坑口坝,缩短工期一半,节省水泥44,综合造价降低16。但碾压混凝土也还存在一些问题有待研究解决。如层面结合处容易成为渗水的薄弱层面;混凝土运输与摊铺过程易产生骨料分离等。,第二节 拱坝,拱坝是固接于基岩的空间壳体结构,在平面上
13、呈凸向上游的拱形,拱冠剖面呈竖直的或向上游弯曲。一、拱坝的工作特点(一)拱坝的结构特点(1)拱作用的结构特点 拱坝的水平外荷载主要是通过拱的作用传递到两岸坝肩,拱是一种主要承受轴向压力的推力结构。,(2)空间整体作用的特点:拱坝四周嵌固于基岩,属于高次超静定结构。(3)拱坝具有较高的抗震能力。拱坝是一个整体的空间壳体结构,坝体轻韧而富有弹性,依靠岩体对地震动能的吸收,会引起有利的坝体应力重分布。(4)荷载特点:温度荷载是主要荷载之一,而且是作用在坝体结构的一种基本荷载。(5)坝身泄流及施工技术较为复杂。,也即:1、拱与梁的共同作用;2、稳定性主要依靠两岸拱端的反力作用,因而对地基的要求很高;3
14、、拱是一种推力结构,承受轴向压力,有利于发挥砼及浆砌石材料的抗压强度;4、拱梁所承受的荷载可相互调整,因此可以承受超载;5、拱坝坝身可以泄水;6、不设永久性伸缩缝;7、抗震性能好;8、几何形状复杂,施工难度大。二、拱坝的平面布置和剖面形状 包括确定拱圈的形式、拱冠梁的体型心各层之间的相对关系,以保证拱坝成为一个受力条件好,安全稳定的整体结构。,(一)拱圈的形式,建筑结构上,据受力特点有拱、梁之类的构件。梁构件分为简支梁、悬臂梁、连续梁等结构形式。梁受到垂直于梁杆的外力时发生弯曲变形,产生拉应力(外侧)及压应力(内侧)。拱构件在受到拱形凸出面的外力时,能将垂直作用在拱面上的力变为沿拱轴线方向的力
15、使拱受到压力。拱轴线可以是圆弧形、抛物线、双曲线、三圆心拱等(河床中央部位的弯曲半径小,拱的作用大)拱圈可等厚也可在两坝肩处变厚(二)拱坝的梁剖面是典形的直立悬臂梁,有铅直和弯曲两种。位于河床最深处的铅直剖面称为拱冠梁,拱冠梁的形状及厚度取决于坝河高、坝型、河谷形状系数(L/H),(三)拱坝的布置(P79)基本原则是:坝体轮廓简单,坝底、坝面力求变化平顺,避免有局部突变,坝体在结构上是连续的整体。主要形式有定外半径定圆心、定中心角和变中心角几种,应用更广泛的是变半径变中心角拱坝。三、拱坝的安全运行条件(一)拱坝的受力特点及其计算稳定及应力分析时,常采用拱梁分载法计算。将拱坝看作是由无数根梁和无
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