【正文】 167。 破壞機(jī)理的研究 :應(yīng)用數(shù)值與模型試驗的方法 ,通過研究大壩與地基的應(yīng)力與變形發(fā)展過程，研究其破壞失穩(wěn)發(fā)展的全過程，進(jìn)一步揭示其破壞失穩(wěn)的實質(zhì)。與原設(shè)計規(guī)范相比，用概率極限狀態(tài)設(shè)計法代替了定值設(shè)計法，用分項系數(shù)極限狀態(tài)表達(dá)式代替單一安全系數(shù)表達(dá)式。 γ Q可變作用分項系數(shù)； φ設(shè)計狀況系數(shù) 。 )為作用效應(yīng)函數(shù)，此處取 S( 規(guī)定與討論 問題 ： ★ 上式只有在靜定和線性條件下才能總結(jié)出來，當(dāng)問題是靜不定和非線性時，上式各項作用無法截然分開； ★ 包括在作用與抗力函數(shù)中的各力均為向量，無法直接比較大小，向某方向投影后方可比較大小，如何確定投影方向？ ★ MohrCloumn強(qiáng)度準(zhǔn)則只有在上式是等式時才成立，不等式時，滑動面上法向應(yīng)力與剪應(yīng)力的關(guān)系是不清楚的，上式推導(dǎo)的前提就不存在了； ★ 上式對抗滑穩(wěn)定性的評價是建立在不等式比較基礎(chǔ)上的，與通常的參數(shù)敏感性研究及優(yōu)化設(shè)計相矛盾。 重力壩的應(yīng)力分析 一 、 目的： 為了檢驗大壩在施工期和運用期是否滿足強(qiáng)度要求； 為解決設(shè)計和施工中的某些問題 ， 如砼分區(qū) ，某些部位的配筋等提供依據(jù) 。 2） 取單寬壩體作為固結(jié)在地基上的懸臂梁計算 ， 且不受兩側(cè)壩體的影響 。 167。 內(nèi)部應(yīng)力的計算 —— 不考慮揚(yáng)壓力的應(yīng)力計算 1） 壩內(nèi)水平截面上的正應(yīng)力 ? y假定和 ? y在水平截面上直線分布； 2） 壩體內(nèi)剪應(yīng)力 σ ； 3） 壩內(nèi)水平正應(yīng)力 ? x； 4） 壩內(nèi)主應(yīng)力 ? 1和 ? 2； —— 考慮揚(yáng)壓力時的計算方法； 167。 1） 地基變形模量對壩體應(yīng)力的影響 （ 如圖 ） 2） 地基變形彈模對壩體應(yīng)力的影響 σ 101硬100 220Er—— 基 巖Ec—— 壩 體庫滿1043 5軟壩 踵τ Ec/Er壩 踵σy 壩 趾τ 壩 趾σy 167。39。39。 ? —— 穩(wěn)定滲流場的計算 ? 滲流基本方程和定解條件 ? 用有限元法求解勢頭函數(shù) H ? —— 滲流體積力的計算 167。 大壩裂縫控制措施：分縫 、 分塊 、 提高砼質(zhì)量 ， 對砼進(jìn)行溫度控制 。 4） 綜合考慮工程的具體條件和設(shè)計原則研究確定 ，并同時做好施工組織設(shè)計 ， 安排好施工季節(jié) ， 施工進(jìn)度 ， 壩塊澆筑順序等 。 —— 因為作用于上游面的水壓力呈三角形分布 ,所以重力壩面是三角形 。 —— 當(dāng) α 90186。 167。 —— 根據(jù)運用和交通要求 ， 壩頂應(yīng)有足夠的寬度 ， 無特殊要求 ， 壩頂寬 =810%壩高 ， 但不得小于 2米 ， 如有運用和交通要求 ， 應(yīng)滿足這些要求 。 167。 重力壩的極限狀態(tài)設(shè)計法 ? 1）各基本變量均為隨機(jī)變量； ? 2）以現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的計算方法為基礎(chǔ)建立極限狀態(tài)方程； ? 3）同時滿足抗滑穩(wěn)定和壩趾抗壓強(qiáng)度承載能力的極限狀態(tài)，以及壩踵應(yīng)力約束條件的正常使用極限狀態(tài)； ? 4）重力壩按其所處的工作狀況分為：持久狀況、短暫狀況和偶然狀況。 ? 承載能力極限狀態(tài)設(shè)計式 ? 正常使用極限狀態(tài) 167。 167。 167?；窘M合，以正常蓄水位對應(yīng)的上下游水位代入；偶然組合，以校核洪水位對應(yīng)的上下游水位代入。 工況 承載能力極限狀態(tài) 正常使用極限狀態(tài) 持久狀況 偶然狀況 持久狀況 ΣW(kN) ΣM() 167。 重力壩的極限狀態(tài)設(shè)計法 ? γ0ψS(?)= (Σ W/B6Σ M/B2) (1+)= ? R(?)/γd=? ② 偶然組合時，設(shè)計狀況系數(shù) ψ=，結(jié)構(gòu)系數(shù) γd=。 167。 ? 計算地震荷載及相應(yīng)的壩體動應(yīng)力和地震總慣性力 167。 ? 二、抗震措施 ? —— 調(diào)查表明：地震時，壩體頂部特別是斷面突變處，容易出現(xiàn)裂縫；原有裂縫將擴(kuò)展延伸；孔口及廊道附近容易開裂；接縫止水易遭破壞。對溢流壩應(yīng)做好閘墩與橋面的連接； ? 5）在壩內(nèi)孔口和廊道附近的拉應(yīng)力區(qū)，要適當(dāng)增配鋼筋，防止受震后裂縫發(fā)生和擴(kuò)展； 167。 泄水重力壩 ? 泄水重力壩的位置選擇：應(yīng)結(jié)合樞紐布置全面考慮，避免與其他水工建筑物相互干擾，其下泄水流不致淘刷壩基與其他建筑物的地基與岸坡； ? 泄水方式的組合與下泄流量分配：峰高量大，選擇好組成泄水系統(tǒng)的建筑物類別，確定各泄水建筑物的泄流量；泄水方式有表面式 +深水式； ? 溢流壩堰頂和泄水孔進(jìn)口高程的確定：溢流壩堰頂高低與泄水孔進(jìn)口高低對泄流量、孔口尺寸、閘門尺寸及其啟閉的影響。 3） 保證下游河床不產(chǎn)生危及壩體安全的局部沖刷 。 167。 泄水重力壩 3） 洪水標(biāo)準(zhǔn) 洪水標(biāo)準(zhǔn) ， 包括洪峰流量和洪水總量 。 泄水重力壩 ③ 閘門承受的水頭較小 ， 孔口尺寸可以較大； ④閘門全開時，下泄流量與堰頂水頭 H03/2成正比，超泄能力強(qiáng)。 泄水重力壩 167。 167。 平面門優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、閘門受力條件較好，閘門較短，多孔口共用一臺活動門機(jī)。 平面門：活動門機(jī)（工作、檢修平門共用） 7） 閘門和工作橋 閘門的斷面形狀應(yīng)使水流平順； 上游端常采用：橢圓形 ， 半圓形或流線型； 上游端：采用：收縮成流線形 現(xiàn)有：方形 寬尾墩 8） 橫縫的布置 ① 墩中分縫：墩厚 、 工作可靠 、 不均勻沉降不影響啟閉； ②孔中分縫：墩薄，受地基不均勻沉降影響啟閉，水流過橫縫，局部不平順。 —— 空蝕：當(dāng)空化水流運動到壓力較高處，由于汽泡的潰破，伴隨著聲響和巨大的沖擊作用，當(dāng)這種作用力超過結(jié)構(gòu)表面材料顆粒的內(nèi)聚力時，便產(chǎn)生剝離狀的破壞，這種現(xiàn)象稱為“ 空蝕 ” 。 ②摻氣減蝕 ,:當(dāng)流速超過 36m/s時 ,即使采取表面平整度處理 ,仍可能產(chǎn)生空蝕 ,故應(yīng)考慮其它安全措施。 3） 脈動 —— 泄水建筑物中的水流屬于高度紊動水流 ， 其基本特征是流速和壓力隨時間在不斷變化 ， 即所謂脈動； —— 在設(shè)計中 ， 表征脈動壓力的主要參數(shù)是頻率和振幅； —— 紊動水流均產(chǎn)生摻氣邊界條急劇變化處尤為嚴(yán)重 ， 脈動對建筑物的影響： ① 增大作用在建筑物上的瞬時荷載 。 167。 2） 反弧段：圓弧 ， 其半徑結(jié)合下游消能設(shè)施確定：挑流消能 R=(4~10)h， 流速 16m/s時 ， 取下限 ， 流速大時取較大值；底流消能 ， 反弧與護(hù)坦相連 ， 取上限 。 167。 ④結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠。重要工程應(yīng)作模型試驗。 —— 烏江渡水電站大壩：中部 4個溢流表孔 ， 左右側(cè)各設(shè) 1條滑雪式溢洪道 ， 并設(shè) 2個中孔和 2條泄洪洞進(jìn)行聯(lián)合泄洪； —— 潘家口水電站大壩：寬尾敦與挑流聯(lián)合消能；因重力和離心力的影響 、 相鄰孔之間水流擴(kuò)散彼此交匯并碰撞 ， 激起很高的水冠向下游挑射 ， 增強(qiáng)了空中擴(kuò)散與摻氣 ， 提高了效果； —— 五強(qiáng)溪水電站采用寬尾墩 — 底孔 — 消力池新型聯(lián)合消能 ，較原設(shè)計的消力池縮短了 50m， 利用寬尾墩形成的壩面無水區(qū) ， 沿閘墩軸線在壩內(nèi)設(shè)置 7個泄洪底孔 ， 取消了 1個溢流表孔 ， 獲得了很好的經(jīng)濟(jì)效益 。 底流消能工作可靠 ， 但是工程量大 。 167。 ③ 表明在各種流量下 th” ,均產(chǎn)生淹沒水躍 。 這時采用斜坡式護(hù)坦與消力池相結(jié)合得方式 （ 并稱消力護(hù) ） 。消能采用消力戽或斜坡式 （ 逆坡式 ） 護(hù)坦 ，（ 計算方法不成熟 ） ④ 小 Q時 ， k時 th” ， 下游水深不足 ， 產(chǎn)生遠(yuǎn)驅(qū)水躍 。 泄水重力壩 ② 何情況他 th” , 產(chǎn)生遠(yuǎn)驅(qū)式水躍 。 ① 表明任何情況下均產(chǎn)生臨界水躍 ， 無須修消力池 ， 只須在水躍范圍內(nèi)修護(hù)坦即可 。 泄水重力壩 8） 底流消能 —— ⑴ 水流條件及消能措施 。 167。 4）消能工的型式：底流式、挑流式、面流式、消力戽等。 ①盡量使下泄水流的動能消耗于水流內(nèi)部的紊動中，以及水流與空氣的摩擦上； ②不產(chǎn)生危及壩體安全的河床或岸坡的局部沖刷； 167。 167。 泄水重力壩 溢流面曲線及剖面設(shè)計 —— 溢流面組成：頂部曲線段、中間直線段和反弧段； —— 設(shè)計要求：①有較高的流量系數(shù)，泄流能力大；②水流平順，不產(chǎn)生負(fù)壓和空蝕； ③ 體型簡單、造價低，便于施工。 引起結(jié)構(gòu)振動甚至共振 ③ 增加空蝕破壞的可能性 。 2）摻氣 水自由表面產(chǎn)生摻氣現(xiàn)象使水深增大。 泄水重力壩 167。 泄水重力壩 泄水重力壩設(shè)計中有關(guān)高速水流的幾個問題空化和空蝕。 弧門優(yōu)點：啟閉力小、閘墩薄、無門槽水流平順 缺點：閘墩較長，受力條件差。 工作門：平面門和弧形門?？卓趯挾仍叫?,孔數(shù)多、閘門多，溢流段總長也相應(yīng)加大；通常選用寬扁形孔口；狹窄河道上，溢流前沿寬度受限，從樞紐布置考慮，閘門孔口寬高比小于 1較經(jīng)濟(jì)合理； ③孔口寬度越大 ,閘門尺寸越大 ,啟門力越大 ,啟門和啟閉機(jī)的構(gòu)造就較復(fù)雜；為方便閘門制造，盡量采用規(guī)范推薦的孔口尺寸； ④下游水流條件： q大，消能困難，為了對稱均衡開啟閘門，以控制下游河床流態(tài)，孔口數(shù)目最好采用奇數(shù) 。 5） 孔口尺寸 ⑴ 單寬流量確定：通過調(diào)洪演算 ， 可得 Q溢 =Q總 αQ0， 并 q=Q溢 /L， 以大體確定溢流壩段的凈寬和堰頂高程 ， 單寬流量越大 ， 下泄水流動能越大 ，消能問題越突出 ， 下游局部沖刷越嚴(yán)重 ， 但溢流前沿短 ， 利于樞紐布置 ， 必須結(jié)合地質(zhì)條件 、 下游河道水深 、 樞紐布置和消能工設(shè)計 ， 通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較選定 。 選用標(biāo)準(zhǔn)見 P85表 3— 12。 2）設(shè)計步驟： —— 選定泄水方式，擬定若干種泄水布置方案； —— 初步確定孔口高程、尺寸，按工程等級相應(yīng)的洪水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行洪水調(diào)節(jié)演算；求出各方案的防洪庫容，設(shè)計和校核洪水位及相應(yīng)的下泄洪量等； —— 然后估算淹沒損失和樞紐造價，進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，選出最優(yōu)方案 。 5）有靈活控制水流下泄的設(shè)備。 泄水重力壩 二、溢流重力壩 工作特點： 溢流重力壩是重力壩樞紐中重要的泄水建筑物 ， 用于將規(guī)劃庫容所不能容納的絕大部分洪水經(jīng)由壩頂泄向下游 ，以保證大壩安全 。 ? 一、泄水重力壩設(shè)計要點 ? —— 設(shè)計泄水重力壩，除應(yīng)滿足穩(wěn)定、強(qiáng)度要求外，還需要根據(jù)洪水特性、水利樞紐布置、地形、地質(zhì)、工程造價、水庫運用方式及下游河道安全泄量等問題，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，研究確定 泄水重力壩的位置選擇 、 泄水方式的組合、下泄流量分配 、 堰頂和泄水孔口高程 、溢流壩和泄水 孔體形以及消能防沖設(shè)施等。 重力壩的抗震設(shè)計 ? 3）在重量、剛度、地形、地質(zhì)條件沿壩軸線方向有突變的部位，均應(yīng)設(shè)置橫縫，并選用能適應(yīng)較大變形的止水型式和材料；有時橫縫可做鍵槽；對設(shè)計烈度為 9度的一級壩，可根據(jù)具體情況進(jìn)行橫縫灌漿，將全壩或部分壩體連在一起； ? 4）適當(dāng)增大壩頂部位的剛度，減輕重量，提高砼標(biāo)號，必要時可在上、下游面布設(shè)鋼筋。 ； ? 2）作為線彈性結(jié)構(gòu)的砼重力壩，應(yīng)采用振型分解反應(yīng)譜法；對特殊重要的重力壩，宜補(bǔ)充時程分析法； ? 3）采用振型分解反應(yīng)譜法，其地震作用效應(yīng)可由各振型反應(yīng)按平方和方根法組合；當(dāng)兩個振型的頻率差的絕對值與其中一個較小的頻率之比小于 ，宜采用完全二次型方根法組合； 167。 ? 一、抗震計算 ? 計算內(nèi)容：抗震強(qiáng)度計算、抗震穩(wěn)定計算兩部分； ? 計算方法： DL50732022規(guī)范規(guī)定：甲類重力壩地震作用效應(yīng)采用動力法，乙類、丙類重力壩采用動力法或擬靜力法；設(shè)計烈度小于 8度且壩高不足 70m的重力壩可采用擬靜力法； ? 荷載：抗震計算中的地震作用有地震慣性力、水平地震作用下的動水壓力和地震動土壓力；不計地震對揚(yáng)壓力和泥沙壓力的影響，以及豎向地震作用下的動水壓力； ? 地震組合：重力壩的抗震設(shè)計一般只考慮順河流方向的水平地震作用，對設(shè)計烈度為 9度的 2級壩，則應(yīng)同時計入水平和豎向地震作用，但對豎向地震慣性力尚需乘以 ； 167。此時，結(jié)構(gòu)功能的極限值 c=。 ? γ0ψS(?)= ( 10 10 ++) ? = ? R(?)/γd= ? 6)壩趾抗壓強(qiáng)度極限狀態(tài) ? ① 基本組合時，設(shè)計狀況系數(shù) ψ=，結(jié)構(gòu)系數(shù) γd=。 167。 ? 3)作用組合：壩體抗滑穩(wěn)定極限狀態(tài)和壩趾抗壓強(qiáng)度極限狀態(tài)，均屬承載能力極限狀態(tài)。 ? 已知：重力壩按 2級建筑物設(shè)計，正常蓄水位為， 相應(yīng)下游水位為 ； 校核洪水位為， 下游水位為 ； 砼容重為 24kN/m3； 壩前泥沙淤積高程為 ， 泥沙浮容重為 5kN/m3；風(fēng)速 20m/s， 吹程 ； 揚(yáng)壓力系數(shù) ；壩基屬類巖石，其抗剪斷摩擦系數(shù)為正態(tài)分布，均值 ，變異系數(shù) ，抗剪斷凝聚力為對數(shù)正態(tài)分布，均值 900kPa， 變異系數(shù) 。 167。 167。 重力壩的極限狀態(tài)設(shè)計法 ? 一、重力壩剖面設(shè)計原則 ?