重力坝的材料及构造.ppt

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1、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

2、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

3、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

4、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）

5、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

6、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

7、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

8、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

9、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

10、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

11、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

12、；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

13、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

14、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

15、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6

16、070%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

17、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/

18、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

19、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

20、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

21、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

22、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,