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重力坝是一种古老而且应用广泛的坝型,它因主要依靠坝体自重产生的抗滑力维持稳定而得名。重力坝的结构简单,施工方便,抗御洪水能力强,抵抗战争破坏等意外事故的能力强,工作安全可靠,至今仍广泛使用。
1重力坝的工作原理
重力坝的工作原理是在水压力及其他荷载的作用下,主要依靠坝体自身重量在滑动面上产生的抗滑力来抵消坝前水压力,以满足稳定的要求,同时,也靠坝体自重在水平载面上产生的压重力来抵消由于水压力所引起的拉重力,以满足强度的要求。其基本剖面为上游近于垂直的三角形剖面,眼垂直轴线方向常没永久伸缩缝,将坝体分成若干独立工作的坝段,坝体剖面较大。
2重力坝的特点
2.1 泄洪和施工导流比较容易解决。重力坝的断面大,筑坝材料抗冲刷能力强,适用于在坝顶溢流和坝身设置泄水孔。在施工期可以利用坝体或底孔导流。枢纽布置方便一般不需要另设河岸溢洪道或洪隧洞。在意外情况下,即使从坝顶少量过水,一般也不会招致坝体失事。
2.2 安全可靠,结构简单,施工技术比较容易掌握。坝体板样,立模和混凝土浇筑和振捣都比较方便,有利于机械化施工。而且由剖面尺寸大,筑坝材料强度高,耐久性好,因而抵抗水的渗透、冲刷以及地震和战争破坏的能力都比较强,安全性较高。
2.3 对地形、地质条件适应性强。地形条件对重力坝影响不大,几乎任何形状的河谷形状均可修建重力坝,因为坝体作用于地基面上的压力不高,所以对地质条件的要求也较低。
2.4 受扬压力影响大。坝体和坝基在某种程度上都是透水的,渗透水对坝体产生扬压力,由于坝体和坝基接触面大。受扬压力影响大,扬压力的作用方向与坝体自重的方向相反,会抵消部分坝体的有效重量,对坝体的稳定和压力不利,应该采取有效的防渗措施,排水设施,减少扬压力的作用,同时可以节省坝体工程量,降低工程投资。
2.5 坝体体积大,水泥用量多,湿度控制严格,混凝土坝在施工时,由于水泥水化发热使混凝土温度上升,坝体因热而膨胀,但受到岩基或下层老混凝土的约束,于是在坝内产生压力,随后,坝体又由于逐渐散热温度下降而收缩,在岩基下层混凝土的约束下而产生拉重力。所以一般军需采取温控散热措施。许多工程因温度控制不当现裂缝,有的甚至形成危害性裂缝,从而削弱坝体的整体性。
3 重力坝的工作会条件
重力坝工作时,作用在坝体上的水压力、浪压力、泥沙压力、地震力及坝体自重等荷载使坝体产生压力,同时通过坝体将这些荷载传给地基,使地基受到很大的压力和剪刀作用。另外,重力坝挡水后,上游的水将通过坝基向下游渗透,渗流不反引起漏水,还会产生渗透压力,渗透压力会使坝体重力恶化,地基渗透压力则更会减少坝的效应力,从而降低了坝体的稳定性,渗流还会对坝体材料和坝基产生侵蚀,对坝体或坝基造成破坏,影响坝的安全。水面以上的地面因大气的影响,会受到风化,冰冻等作用;库水位范围内的坝面受到湿賬,干缩和温度变化的影响,溢流坝体面受到高速水流及所挟带的冲击、气蚀、磨损等作用。
4重力坝的组成及布置
重力坝通常由非溢流地段,溢流坝和二者之间的连接边墩、导墙及坝顶建筑物组成。此外,坝内常设各种泄水或取水管道,检查维修用的廊道,以及溢流坝,泄水等的闸门等。在进行坝的布置时,须根据地形、地质条件并结合枢纽其他建筑物综合考虑。首先选择坝此,确定坝轴线,重力坝坝轴线一般采用直线,有时为了使坝体布置在更好的基岩上或其他原因,也可布置成折线或湾度不大的曲线。溢流段通过布置在原河道主流位置,两端非溢流坝与岸坡相连。
由于施工能力的限制以及不均匀沉降和温度应力控制的要求,混凝土坝体沿轴线方向垂直于坝轴线的永久性横缝分为许多坝段,各坝段的外形应尽量协调一致。当地形、地质及运用条件有显著差别时,应尽量使上游面保持齐平,下游面可按不同情况分别采用不同的下游边坡,使各坝段均达到安全经济的目的。溢流坝坝顶不止有闸墩,工作桥及交通桥等坝顶建筑物,溢流坝的尾部接以淌能建筑物。当需布置一些其他建筑物,如水电站、船闸等应根据地形、地质、水力、施工及运行条件有机地进行安排。
5重力坝的荷载组合
作用在重力坝的荷载,按其性质分为基本荷载和特殊荷载,基本荷载有:①坝体及其上永久设备的自重;②正常蓄水位或设计洪水位时静水压力;③相应于正常蓄水位或设计洪水的扬压力;④泥沙压力;⑤相应于正常蓄水位或设计洪水的浪压力、冰压力、土压力;⑥相应于设计洪水位时的动水压力;其他出现机会较多荷载。特殊荷载有:①校核洪水位有时的静水压力;②相应于校核洪水位时的扬压力;③相应于校核洪水位时的浪压力;④相应于校核洪水位时的动水压力;⑤地震荷载;其他出现机会很少的荷载。
荷载组合分为基本组合和特殊组合。基本组合属于设计情况或正常情况。由同时出现的基本荷载组成。特殊组合属校核情况或非常情况,由同时出现的基本荷载和一种或几重特殊荷载所组成,基本组合的设计洪水位置指某些以防洪为主的水库,其正常蓄水位很低者可以采用50—100年一遇的洪水位时的荷载组合。对分期施工坝,必要时应接相应的荷载组合分别进行计算,施工工期的情况应作为特殊荷载组合。
6重力坝的稳定分析
抗滑稳定分析的目的:是核算坝体沿基面或沿地基或沿深层软弱结构面抗滑稳定的全性。重力坝失重可能有两种情况:一种是沿坝体抗剪力不足的软弱结构面产生滑动,这种软弱结构面包括坝体与坝基的接触面和坝基墙体内有连续的断层破坏带结构。另一种是在各种荷载作用下,上游坝踵出现拉应力,使之裂缝,或下游坝址压应力过大,超过基墙体或坝体混凝的允许强度而压碎,从而产生破坏。
为了满足抗滑稳定的要求,应对坝体截取不同,面进行计算,如果某一截面的抗剪能不足以抵抗截面以上坝体承受的水平荷截时,便可能产生沿此截面的滑动。由于坝体与地基接触面的结合一般较差,加之坝体混凝土收缩和温降收缩常使接触面产生微小的裂缝,因此滑动往往是沿坝体与坝基的接触面发生,所以主要是核算在各种荷载组合下坝底面的抗滑稳定性。目前,重力坝沿水平坝底面的抗滑稳定采用的是抗剪强度公式和抗剪强度公式计算。
7重力坝的消能方式
通过溢流坝下泄的水流,具有很大有能量,如不加以处理,必将冲刷下游河床,威胁建筑物的安全或其它建筑物的正常运行。国内外坝工实践中,由于坝下消能措施不当而遭受严重冲刷的例子很多。因此必须采取有措施解决溢流坝的消能防冲问同题。
溢流坝的消能方式有:底流式、挑流式、面流式及消力戽式四种。①底流式消能:是在坝址下游设消力池、消力坝等,促进水流在限定范围内产生水跃,通过水流内部的旋滚、摩擦、掺气和撞击消耗能量。具有流态稳定,消能效果好,对地质条件和尾水变幅适应性强及水流雾化小等优点,但工程量大,不宜排渠或排冰。底流消能适用于中、低坝或基墙较弱的河道。②挑流消能:是利用鼻坎将下泄的高速水流向空中抛射,使水流扩散,并掺入大量空气,然后跃入下游河床垫后形成强烈的旋滚,并冲刷河床形成冲坑,随着冲坑逐渐加深,水垫愈来愈厚,大部分能量消耗在水滚有摩擦中,冲坑逐渐趋于稳定。挑流消能具有工程量小,投资省,结构简单,检修施工方便,但下游局部冲刷不可避,一般适用于基墙比较坚固的高坝或中坝。③面流消能:是利用鼻坎将下泄的高速水流挑至水面,使坎上射流与下游尾水在表层衔接,在鼻坎附近的表面主流与河床之间形成流向坝址的旋滚,将高速水流与河床隔开,避免了对临近坝址部分河床的冲刷,主流则在水面的逐渐扩散中消除能量。适用于下游尾水较深且水位变化不大的情况。④消力戽消能:是利用反弧半径和挑角较大的戽形成凹面戽斗,下游高速水流在下游水深的作用在戽斗中形成圾面水滚,并使出戽的急流水股在底部产生旋滚,而离开戽唇的急流水股,挑至下游水面后,形成激荡不定的涌浪与尾水衔接,并在戽斗下游的水流表面形成旋滚。消力戽适用于下游水深较大,河床及两岸有一定抗冲能力。
8重力坝的地基要求
①具有足够的强,以承受坝体的压力;②具有足够的整体性、均匀性,以满足坝基抗滑稳定和减少不均匀沉陷;③具有足够的抗渗性,满足渗透稳定,控制渗透量;④具有足够的耐久性,以防止墙体性质在水的长期作用下发生恶化。
1重力坝的工作原理
重力坝的工作原理是在水压力及其他荷载的作用下,主要依靠坝体自身重量在滑动面上产生的抗滑力来抵消坝前水压力,以满足稳定的要求,同时,也靠坝体自重在水平载面上产生的压重力来抵消由于水压力所引起的拉重力,以满足强度的要求。其基本剖面为上游近于垂直的三角形剖面,眼垂直轴线方向常没永久伸缩缝,将坝体分成若干独立工作的坝段,坝体剖面较大。
2重力坝的特点
2.1 泄洪和施工导流比较容易解决。重力坝的断面大,筑坝材料抗冲刷能力强,适用于在坝顶溢流和坝身设置泄水孔。在施工期可以利用坝体或底孔导流。枢纽布置方便一般不需要另设河岸溢洪道或洪隧洞。在意外情况下,即使从坝顶少量过水,一般也不会招致坝体失事。
2.2 安全可靠,结构简单,施工技术比较容易掌握。坝体板样,立模和混凝土浇筑和振捣都比较方便,有利于机械化施工。而且由剖面尺寸大,筑坝材料强度高,耐久性好,因而抵抗水的渗透、冲刷以及地震和战争破坏的能力都比较强,安全性较高。
2.3 对地形、地质条件适应性强。地形条件对重力坝影响不大,几乎任何形状的河谷形状均可修建重力坝,因为坝体作用于地基面上的压力不高,所以对地质条件的要求也较低。
2.4 受扬压力影响大。坝体和坝基在某种程度上都是透水的,渗透水对坝体产生扬压力,由于坝体和坝基接触面大。受扬压力影响大,扬压力的作用方向与坝体自重的方向相反,会抵消部分坝体的有效重量,对坝体的稳定和压力不利,应该采取有效的防渗措施,排水设施,减少扬压力的作用,同时可以节省坝体工程量,降低工程投资。
2.5 坝体体积大,水泥用量多,湿度控制严格,混凝土坝在施工时,由于水泥水化发热使混凝土温度上升,坝体因热而膨胀,但受到岩基或下层老混凝土的约束,于是在坝内产生压力,随后,坝体又由于逐渐散热温度下降而收缩,在岩基下层混凝土的约束下而产生拉重力。所以一般军需采取温控散热措施。许多工程因温度控制不当现裂缝,有的甚至形成危害性裂缝,从而削弱坝体的整体性。
3 重力坝的工作会条件
重力坝工作时,作用在坝体上的水压力、浪压力、泥沙压力、地震力及坝体自重等荷载使坝体产生压力,同时通过坝体将这些荷载传给地基,使地基受到很大的压力和剪刀作用。另外,重力坝挡水后,上游的水将通过坝基向下游渗透,渗流不反引起漏水,还会产生渗透压力,渗透压力会使坝体重力恶化,地基渗透压力则更会减少坝的效应力,从而降低了坝体的稳定性,渗流还会对坝体材料和坝基产生侵蚀,对坝体或坝基造成破坏,影响坝的安全。水面以上的地面因大气的影响,会受到风化,冰冻等作用;库水位范围内的坝面受到湿賬,干缩和温度变化的影响,溢流坝体面受到高速水流及所挟带的冲击、气蚀、磨损等作用。
4重力坝的组成及布置
重力坝通常由非溢流地段,溢流坝和二者之间的连接边墩、导墙及坝顶建筑物组成。此外,坝内常设各种泄水或取水管道,检查维修用的廊道,以及溢流坝,泄水等的闸门等。在进行坝的布置时,须根据地形、地质条件并结合枢纽其他建筑物综合考虑。首先选择坝此,确定坝轴线,重力坝坝轴线一般采用直线,有时为了使坝体布置在更好的基岩上或其他原因,也可布置成折线或湾度不大的曲线。溢流段通过布置在原河道主流位置,两端非溢流坝与岸坡相连。
由于施工能力的限制以及不均匀沉降和温度应力控制的要求,混凝土坝体沿轴线方向垂直于坝轴线的永久性横缝分为许多坝段,各坝段的外形应尽量协调一致。当地形、地质及运用条件有显著差别时,应尽量使上游面保持齐平,下游面可按不同情况分别采用不同的下游边坡,使各坝段均达到安全经济的目的。溢流坝坝顶不止有闸墩,工作桥及交通桥等坝顶建筑物,溢流坝的尾部接以淌能建筑物。当需布置一些其他建筑物,如水电站、船闸等应根据地形、地质、水力、施工及运行条件有机地进行安排。
5重力坝的荷载组合
作用在重力坝的荷载,按其性质分为基本荷载和特殊荷载,基本荷载有:①坝体及其上永久设备的自重;②正常蓄水位或设计洪水位时静水压力;③相应于正常蓄水位或设计洪水的扬压力;④泥沙压力;⑤相应于正常蓄水位或设计洪水的浪压力、冰压力、土压力;⑥相应于设计洪水位时的动水压力;其他出现机会较多荷载。特殊荷载有:①校核洪水位有时的静水压力;②相应于校核洪水位时的扬压力;③相应于校核洪水位时的浪压力;④相应于校核洪水位时的动水压力;⑤地震荷载;其他出现机会很少的荷载。
荷载组合分为基本组合和特殊组合。基本组合属于设计情况或正常情况。由同时出现的基本荷载组成。特殊组合属校核情况或非常情况,由同时出现的基本荷载和一种或几重特殊荷载所组成,基本组合的设计洪水位置指某些以防洪为主的水库,其正常蓄水位很低者可以采用50—100年一遇的洪水位时的荷载组合。对分期施工坝,必要时应接相应的荷载组合分别进行计算,施工工期的情况应作为特殊荷载组合。
6重力坝的稳定分析
抗滑稳定分析的目的:是核算坝体沿基面或沿地基或沿深层软弱结构面抗滑稳定的全性。重力坝失重可能有两种情况:一种是沿坝体抗剪力不足的软弱结构面产生滑动,这种软弱结构面包括坝体与坝基的接触面和坝基墙体内有连续的断层破坏带结构。另一种是在各种荷载作用下,上游坝踵出现拉应力,使之裂缝,或下游坝址压应力过大,超过基墙体或坝体混凝的允许强度而压碎,从而产生破坏。
为了满足抗滑稳定的要求,应对坝体截取不同,面进行计算,如果某一截面的抗剪能不足以抵抗截面以上坝体承受的水平荷截时,便可能产生沿此截面的滑动。由于坝体与地基接触面的结合一般较差,加之坝体混凝土收缩和温降收缩常使接触面产生微小的裂缝,因此滑动往往是沿坝体与坝基的接触面发生,所以主要是核算在各种荷载组合下坝底面的抗滑稳定性。目前,重力坝沿水平坝底面的抗滑稳定采用的是抗剪强度公式和抗剪强度公式计算。
7重力坝的消能方式
通过溢流坝下泄的水流,具有很大有能量,如不加以处理,必将冲刷下游河床,威胁建筑物的安全或其它建筑物的正常运行。国内外坝工实践中,由于坝下消能措施不当而遭受严重冲刷的例子很多。因此必须采取有措施解决溢流坝的消能防冲问同题。
溢流坝的消能方式有:底流式、挑流式、面流式及消力戽式四种。①底流式消能:是在坝址下游设消力池、消力坝等,促进水流在限定范围内产生水跃,通过水流内部的旋滚、摩擦、掺气和撞击消耗能量。具有流态稳定,消能效果好,对地质条件和尾水变幅适应性强及水流雾化小等优点,但工程量大,不宜排渠或排冰。底流消能适用于中、低坝或基墙较弱的河道。②挑流消能:是利用鼻坎将下泄的高速水流向空中抛射,使水流扩散,并掺入大量空气,然后跃入下游河床垫后形成强烈的旋滚,并冲刷河床形成冲坑,随着冲坑逐渐加深,水垫愈来愈厚,大部分能量消耗在水滚有摩擦中,冲坑逐渐趋于稳定。挑流消能具有工程量小,投资省,结构简单,检修施工方便,但下游局部冲刷不可避,一般适用于基墙比较坚固的高坝或中坝。③面流消能:是利用鼻坎将下泄的高速水流挑至水面,使坎上射流与下游尾水在表层衔接,在鼻坎附近的表面主流与河床之间形成流向坝址的旋滚,将高速水流与河床隔开,避免了对临近坝址部分河床的冲刷,主流则在水面的逐渐扩散中消除能量。适用于下游尾水较深且水位变化不大的情况。④消力戽消能:是利用反弧半径和挑角较大的戽形成凹面戽斗,下游高速水流在下游水深的作用在戽斗中形成圾面水滚,并使出戽的急流水股在底部产生旋滚,而离开戽唇的急流水股,挑至下游水面后,形成激荡不定的涌浪与尾水衔接,并在戽斗下游的水流表面形成旋滚。消力戽适用于下游水深较大,河床及两岸有一定抗冲能力。
8重力坝的地基要求
①具有足够的强,以承受坝体的压力;②具有足够的整体性、均匀性,以满足坝基抗滑稳定和减少不均匀沉陷;③具有足够的抗渗性,满足渗透稳定,控制渗透量;④具有足够的耐久性,以防止墙体性质在水的长期作用下发生恶化。