水工建筑物拱壩-yingli

1、4 拱 壩,4.1 概述 4. 2拱壩的荷載和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) 4.3 拱壩的布置 4.4 拱壩的應(yīng)力分析 4.5壩肩巖體穩(wěn)定 4.6 拱壩的壩身泄水 4.7 拱壩的構(gòu)造和地基處理,4.1 概述,一、拱壩的工作特點(diǎn)(板書) 1、拱與梁的共同作用； 2、穩(wěn)定性主要依靠兩岸拱端的反力作用，因而對(duì)地基的要求很高； 3、拱是一種推力結(jié)構(gòu)，承受軸向壓力，有利于發(fā)揮砼及漿砌石材料的抗壓強(qiáng)度；4、拱梁所承受的荷載可相互調(diào)整, 因此可以承受超載； 5、拱壩壩身可以泄水； 6 、不設(shè)永久性伸縮縫； 7、抗震性能好； 8、幾何形狀復(fù)雜，施工難度大。,4.1 概述,拱壩平面、剖面示意圖,4.1 概述,二拱壩的分類 1、按高

2、度分： 高（H70m）、中、低（H30m） 2、按厚高比分： TB/H0.2 薄拱壩； 0.20.35中厚拱壩； 0.35 厚拱壩或重力拱壩 3、按結(jié)構(gòu)分：周邊固定拱壩、周邊縫拱壩、有重力墩的拱壩、空腹拱壩、鉸拱壩、預(yù)應(yīng)力拱壩、拱上拱拱壩、上重下拱拱壩 4、按壩體曲率分：單曲拱壩、雙曲拱壩 5、 按水平拱的形式分：(板書) 圓弧拱壩，二心圓拱壩；三心圓拱壩；拋物線拱壩；橢圓拱壩；對(duì)數(shù)螺旋線拱壩；雙曲線拱壩。,4.1 概述,4.1 概述,4.1 概述,4.1 概述,三、對(duì)地形的要求(板書) 拱壩對(duì)地形的要求主要從四個(gè)方面考慮： 1、河谷狹窄:用來描述河谷寬窄的參數(shù)是河谷的寬高比 n=L/H=壩頂

3、處河谷的寬度/最大壩高 當(dāng)n小時(shí)，河谷狹窄，拱的作用大，因此壩可以修的很薄 根據(jù)一般經(jīng)驗(yàn)有： n1.5時(shí)，適于修建薄拱壩T/H0.2 n=1.53時(shí)，中厚拱壩 T/H0.2-0.35 n34.5時(shí)，厚拱壩 T/H 0.35 n4.5時(shí)，重力壩或拱形重力壩,4.1 概述,2、 河谷的斷面形狀 V形河谷：上寬下窄，在下部雖然水壓力較大，但拱的跨度較小，拱承擔(dān)的荷載較大，拱作用發(fā)揮較充分，因此壩可以修的較薄、經(jīng)濟(jì)。 U形河谷：梁承擔(dān)的荷載較大，因此壩較厚 梯形河谷介于二者之間 圖4-5 河谷形狀對(duì)荷載分配和壩體剖面的影響(a)V形河谷 (b)U形河谷,4.1 概述,3、 河谷順河流方向的形狀以平順河

4、流或呈收縮形河流交好，要避免河道的出口和轉(zhuǎn)彎處。 4、河谷對(duì)稱性。河谷對(duì)稱，拱壩的應(yīng)力、穩(wěn)定比較均勻平順，局部不對(duì)稱的河谷，往往造成應(yīng)力集中，因此拱壩一般比較適合于對(duì)稱河谷，當(dāng)河谷不對(duì)稱時(shí)，可以經(jīng)過一定的處理使之對(duì)稱。 四、拱壩對(duì)地質(zhì)的要求 由于拱壩的安全的關(guān)鍵是拱座的穩(wěn)定問題，而且拱座的位移將引起壩內(nèi)較大的應(yīng)力。特別是不對(duì)稱位移會(huì)產(chǎn)生較為不利的應(yīng)力，因此，拱壩從一開始就對(duì)兩岸的地質(zhì)條件提出了嚴(yán)格的要求，較理想的地質(zhì)條件是：,4.1 概述,基巖比較均勻、堅(jiān)硬完整、有足夠的強(qiáng)度、透水性小，抗風(fēng)化。二岸拱座附近河岸邊坡穩(wěn)定，整體性好，沒有大的斷裂構(gòu)造和軟弱夾層，在荷載作用下不產(chǎn)生大的變形。 隨著拱

5、壩建設(shè)的不斷發(fā)展，拱壩的地形、地質(zhì)條件越來越復(fù)雜。搞清各種地形、地質(zhì)條件對(duì)拱壩應(yīng)力、穩(wěn)定及變形的影響以及相應(yīng)的處理措施，是我們拱壩設(shè)計(jì)人員的首要任務(wù)，在這方面國內(nèi)外已經(jīng)積累了大量的經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)在實(shí)踐中不斷學(xué)習(xí)。 1、變形參數(shù)E、u：均勻 2、強(qiáng)度參數(shù)Rc、C、f：有足夠的強(qiáng)度 3、抗?jié)B性K、J：滲透性小 4、耐久性：抗侵蝕、抗風(fēng)化 以上四方面均要求無地質(zhì)缺陷：沒有大斷裂構(gòu)造和軟弱夾層等。,4.1 概述,五、拱壩的建設(shè)情況 1、拱壩發(fā)展階段 1.1 拱壩建設(shè)的萌芽階段（1854年以前） 在年以前，所有修建的拱壩水平截面雖為拱形，但由于缺乏理論指導(dǎo)，并沒有真正認(rèn)識(shí)到利用拱結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，只能說是一種似拱壩

6、結(jié)構(gòu)。但該階段的拱壩實(shí)踐為后期拱壩的發(fā)展積累了經(jīng)驗(yàn)，可以稱之為拱壩的萌芽階段。 1.2 拱壩建設(shè)的起步階段（18541917年） 1854年，法國工程師左拉(Zola)在普羅旺斯地區(qū)艾克斯設(shè)計(jì)建成米高的左拉拱壩。該拱壩以圓筒公式為指導(dǎo)，主要利用水平拱的作用來保證大壩的安全。這是拱壩建設(shè)起步的標(biāo)志。,4.1 概述,1.3 拱壩建設(shè)的成熟階段（19171960年） 美國的維切爾(H.Vischer)和瓦格納（L.wagener），在年校核熊谷拱壩及甜水（Sweetwater ）拱壩時(shí)引入了拱冠梁的概念，并利用拱冠梁與水平拱在共軛點(diǎn)上的徑向變位一致的條件，將徑向壓力分配到拱和梁上，從而初步形成了拱梁

7、分載的概念。1917年瑞士壩工專家格倫納（H.E.Gruner）和兩位助手史圖基（A.Stucky）和濟(jì)科（H.Gicot ）在設(shè)計(jì)瑞士第一座拱壩蒙特薩耳文斯（Montsalvens）拱壩時(shí)（H=55m），正式提出多拱梁分載的概念。并采用拱梁徑向變位一致的多拱梁法進(jìn)行了該壩的應(yīng)力計(jì)算。該壩的設(shè)計(jì)及建造，標(biāo)志著拱壩的建設(shè)已從起步階段進(jìn)入了成熟階段,4.1 概述,1.4 拱壩建設(shè)的熟練階段（1960年至今） 經(jīng)過拱壩建設(shè)成熟階段的發(fā)展，人們無論在拱壩的安全準(zhǔn)則、還是在應(yīng)力穩(wěn)定分析方法上均已成熟，已達(dá)到建設(shè)200米以上拱壩的水平。1960年完成的意大利瓦依昂（Vaiont）拱壩（H=262m）標(biāo)志著

8、拱壩建設(shè)已進(jìn)入熟練階段。 1、 世界拱壩建設(shè)的時(shí)空分布(板書) 在空間上，自從1854年止1986年底：全世界已建1608座高度大于15米的拱壩。主要分布在中國、美國及西歐的阿爾卑斯山地區(qū)的法國、意大利及瑞士等國。 拱壩在各類大壩中所占的比例隨壩高的增加而增加，如在100-150米大壩中拱壩約占30% ；對(duì)150-200米的大壩約占45%；對(duì)200米以上的大壩約占。,4.1 概述,在時(shí)間上，拱壩建設(shè)有三個(gè)高峰期： 第一個(gè)高峰期為1920-1930年，10年時(shí)間共建成200余座拱壩，建設(shè)的地點(diǎn)主要集中在美國，特別是集中在加利福尼亞州； 第二個(gè)高峰期為1950-1960年，10年時(shí)間共建成150余

9、座拱壩， 建設(shè)的地點(diǎn)主要集中在西歐的阿爾卑斯山地區(qū)的法國、意大利及瑞士等國； 第三個(gè)高峰期為1970-1980年，10年時(shí)間共建成500余座拱壩，建設(shè)的地點(diǎn)主要集中在中國。 3、世界拱壩之最 已建國外最高拱壩：英古力拱壩H=272m，n=2.8，T/H=0.15； 已建中國最高拱壩：小灣拱壩H=292m，n=2.83，T/H=0.238； 在建的最高拱壩：錦屏拱壩H=305m，n=1.6，T/H=0.19。,4. 3拱壩的荷載和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),一、荷載 1、所受荷載 作用在拱壩上的荷載主要有：水壓力（靜水壓力和動(dòng)水壓力）、溫度荷載、自重、揚(yáng)壓力、泥沙壓力、浪壓力、冰壓力和地震荷載（地震慣性力和地震動(dòng)

10、水壓力）等。一般荷載的計(jì)算的方法與重力壩基本相同，這里只強(qiáng)調(diào)作用在拱壩上荷載的不同特點(diǎn)。 2、 荷載的分配 在橫縫灌漿之前，只有梁的作用，此時(shí)所受的荷載全部由梁承擔(dān) 在橫縫灌漿之后，拱壩形成整體，具有拱梁作用，此時(shí)所受的荷載由拱和梁共同承擔(dān),4. 3拱壩的荷載和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),2、 荷載計(jì)算(板書) （1）自重荷載：(板書) 根據(jù)施工程序的不同分兩種情況： 先澆筑后一次封拱，由梁單獨(dú)承擔(dān) 有下列情況之一者，由拱梁共同承擔(dān)： 需提前蓄水，要求壩體澆注到某一高程后提前封拱 對(duì)具有顯著豎向曲率的雙曲拱壩，為保持壩塊穩(wěn)定，需要在其冷卻后先行灌漿封拱 為了度汛，要求分期灌漿 不分縫的漿砌石拱壩 截面A1、A2

11、間的壩體自重G可按辛普森公式進(jìn)行計(jì)算：,4. 3拱壩的荷載和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),圖4-6壩塊自重計(jì)算圖,4. 3拱壩的荷載和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),（2）溫度荷載(板書) 這是拱壩設(shè)計(jì)中的主要荷載之一，在水壓力和溫度荷載共同引起的徑向變位中，溫度荷載約占1/31/2，在靠近壩頂部分，溫度變化的影響就更大。 拱壩分塊澆筑并充分冷卻后，施工期混凝土所產(chǎn)生的熱量已基本上散發(fā)完畢，壩體溫度已趨于相對(duì)穩(wěn)定，然后在縫中灌漿封拱，形成整體。封拱溫度即為壩體溫升和溫降的計(jì)算基準(zhǔn)，一般沿不同高程進(jìn)行灌漿分區(qū)，根據(jù)壩體溫度場定出各區(qū)的封拱溫度，封拱溫度低，有利于降低壩的拉應(yīng)力。封拱溫度一般為年平均氣溫或略低。 運(yùn)行期溫度荷載運(yùn)行期壩體溫

12、度場封拱溫度場,4. 3拱壩的荷載和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),特點(diǎn)：隨時(shí)間在變，計(jì)算時(shí)選取最不利的溫度荷載。運(yùn)行期溫度荷載是可以人為改變的：選擇合適的封拱時(shí)機(jī)；通過人工冷卻方法改變封拱溫度場，使之對(duì)拱壩的應(yīng)力及穩(wěn)定最為有利，封拱溫度一般取為多年平均溫度或約低。,4. 3拱壩的荷載和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),運(yùn)行期溫度荷載的分解： 均勻溫度變化 等效線性溫差 非線性溫度變化 拱壩溫度荷載計(jì)算通常只考慮Tm 和Td,圖4-9 壩體溫度變形圖(a:溫降, b:溫升) “+”壓應(yīng)力 “-”拉應(yīng)力,4. 3拱壩的荷載和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),* 溫升：溫度高于封拱溫度。溫升對(duì)壩肩穩(wěn)定不利，對(duì)應(yīng)力有利； * 溫降：溫度低于封拱溫度。溫降對(duì)壩肩穩(wěn)定有利

13、，對(duì)應(yīng)力不利。 （3）地震荷載(板書) 地震荷載包括：慣性力、地震動(dòng)水壓力 地震荷載方向：順河向，垂直河流向，鉛直方向 （4）揚(yáng)壓力(板書) 在拱壩的應(yīng)力計(jì)算中，壩體混凝土中的揚(yáng)壓力一般不起控制作用，基礎(chǔ)面上的揚(yáng)壓力對(duì)薄拱壩來說數(shù)值不大，對(duì)整體應(yīng)力和變形影響較小，一般可不予考慮。,4. 3拱壩的荷載和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),在拱壩的穩(wěn)定分析中，揚(yáng)壓力是一個(gè)重要的因素，在抗滑穩(wěn)定計(jì)算中，必須考慮揚(yáng)壓力的作用，揚(yáng)壓力分布在任意滑動(dòng)面的全部面積上，并垂直于滑動(dòng)面，壩體內(nèi)部和壩基面上的揚(yáng)壓力分布同重力壩相似。 2、 荷載組合(板書) 與重力壩相比，關(guān)鍵是注意溫度荷載 正常蓄水時(shí)，一般與溫降組合(從可能最不利原則出發(fā)

14、） 校核洪水時(shí)，一般與溫升組合，因?yàn)檠雌诓豢赡艹霈F(xiàn)溫降 計(jì)算應(yīng)力時(shí)，一般取“正常蓄水+溫降” 計(jì)算穩(wěn)定時(shí)，一般應(yīng)計(jì)算 (a）“正常蓄水+溫降”（在壩較高，且正常蓄水位與校核洪水位相差不大時(shí)） (b)“校核洪水+溫升”（在壩較低，且正常蓄水位與校核洪水位相差較大時(shí)）, 4.4 拱壩的應(yīng)力分析,一、方法綜述: (板書) 前面我們講過，拱壩是一個(gè)變厚度，變曲率的，邊界條件荷載條件均特別復(fù)雜的一個(gè)空間整體的殼體結(jié)構(gòu)，要想求出滿足平衡、邊界、幾何、物理及相容方程的精確解答是不可能的。下面我們所講的均只能是一些近似處理辦法。根據(jù)處理問題的出發(fā)點(diǎn)不同，拱壩應(yīng)力分析方法大致可分為以下的幾種： 計(jì)算方法： 1、

15、桿件結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算方法：純拱法、拱梁分載法、拱冠梁法等 （1）純拱法：T/R1/5，剪力不能忽略；軸力引起的拱圈壓縮變形比較大；地基變形影響顯著。,（2）拱梁分載法：若干水平拱圈與懸臂梁組成，荷載由拱和梁承擔(dān)，荷載分配由拱系和梁系在各交點(diǎn)處變位一致的條件確定。 （3）拱冠梁法是特例，選拱冠梁與若干水平拱圈組成，荷載分配類似上面。 2、FEM方法： （1）可以求解復(fù)雜結(jié)構(gòu)、開孔等； （2）分析復(fù)雜壩基對(duì)壩體應(yīng)力影響與 穩(wěn)定； （3）考慮壩體材料非線性； （4）模擬分析壩體施工過程和運(yùn)行工況； （5）分析滲流、溫度場等； （6）地震問題分析壩體、壩基、庫水聯(lián)合效應(yīng)。,3、殼體理論 20世紀(jì)30年代發(fā)

16、展起來的理論，因拱壩結(jié)構(gòu)復(fù)雜，應(yīng)用受限。 4、模型試驗(yàn)：很有效的手段。 應(yīng)力分析目的 校核or修正拱壩布置及尺寸 為壩體強(qiáng)度校核和壩肩穩(wěn)定提供依據(jù) 為布置壩內(nèi)孔口及孔口周邊配筋提供依據(jù),二、拱壩應(yīng)力分析的結(jié)構(gòu)力學(xué)方法 純拱法、拱梁法、拱冠梁法都屬于結(jié)構(gòu)力學(xué)方法，基本假定： （1）壩體、壩基材料均勻、各向同性； （2）忽略庫岸、庫底在水庫水壓力作用下的變形； （3）拱壩的法向截面在變形后任然保持平面； （4）用伏格特（F.Vogt）公式計(jì)算地基變形。,三、地基位移伏格特方法,1、基本假定： 1）地基位移與壩基表面形狀無關(guān) 2）不考慮壩基上各點(diǎn)作用力的不等及位移互相影響 3）不計(jì)庫水對(duì)壩基位移的影

17、響 于是可將壩基展開、攤平，然后按面積相等、長寬比近似的原則，用一當(dāng)量矩形來代替，此矩形與壩基有相同的長寬比b/a。對(duì)于一座特定拱壩，b/a是一個(gè)常數(shù)。,若在任意位置取一單元面積1T，其受載后的位移=相同荷載均布在面積（ab，a=T)上產(chǎn)生的平均位移。 由此可求得單位荷載作用下的地基位移，即地基位移系數(shù)。 單位荷載單位彎矩M=1、法向力N=1、剪力S=1、扭矩Mt=1,2、地基位移系數(shù),M、S交叉位移,計(jì)算、時(shí)，K1K5由b/a和巖基泊桑比值，插圖求出（水工設(shè)計(jì)手冊(cè)）：,大多拱壩為V形河谷，岸壁為傾斜面，拱端截面（徑向鉛直面）、懸臂梁截面（水平截面）與壩基面斜交，此時(shí)拱端力系、梁底力系并非與基

18、面垂直或平行。 計(jì)算地基位移時(shí)，需先將力系投影到基面上，與基面垂直或平行，求得地基位移后，再投影回到拱端截面或梁底截面式，即二次投影。,設(shè)1m高拱圈傳來的拱端力系：Mz、Ha、Va，相應(yīng)方向位移：z、s、 r 梁底力系Ms、Hb、Vb， 相應(yīng)方向位移：s、z、 r,1、拱座位移計(jì)算 Mz產(chǎn)生的z：,Va產(chǎn)生的z： z= Va cos2 上述二者疊加： z=Mz(cos3+sin2cos)+Va cos2,Va產(chǎn)生的拱端徑向位移：r =Vacos,Mz產(chǎn)生的拱端徑向位移：r=Mzcoscos 上述二項(xiàng)疊加：r=Va cos+Mz coscos,N產(chǎn)生的拱端切向位移: S=-Ha(sin2cos+

19、cos3) “-”變位與拱端截面外法線相反。,綜上可得拱座位移： z、 r、S（式4-18） 2、梁基位移計(jì)算（方法同上，見式4-19,略）,四、純拱法計(jì)算拱壩應(yīng)力,1、基本公式 一般沿壩高分為5-7層，每層取1m高水平拱圈，靜水壓力p=H全由拱圈承擔(dān)，重力不計(jì)，按兩端固定的彈性拱計(jì)算，并計(jì)入地基位移。,2、解出拱內(nèi)任意截面處內(nèi)力（以左半拱為例）： 3、拱圈應(yīng)力按偏向受壓計(jì)算（式4-22） 4、厚拱考慮曲率影響式4-23,5.拱梁法原理 從壩體任取單元體，徑向截面和水平截面各有6個(gè)內(nèi)力，共計(jì)12個(gè)內(nèi)力。,純拱法涉及 Mz、H、Vr三個(gè)力 而拱梁法中經(jīng)實(shí)際研究表明： Vz較小、兩個(gè)面上Mr可忽略

20、、扭矩Ms和Mz可一并計(jì)入力矩Ms和Mz中，于是： 水平面內(nèi)只剩 G、Ms、Qr-懸臂梁內(nèi)力 徑向面內(nèi)只剩H、Mz、Vr-拱圈內(nèi)力 空間任意一點(diǎn)變位6個(gè)： z、r、s、s、z、r 在6個(gè)變位中以r最大，其次是s，s，z。 Z,r一般較小,因此可以忽略r，z方向的變位一致。同時(shí)在殼體中，z，s具有一定的關(guān)系，不是獨(dú)立的。因此s可用z表示。這樣，在進(jìn)行變位調(diào)整時(shí)，就只需要3個(gè)參數(shù)：r，s，z。即三向調(diào)整法。,五、拱冠梁法計(jì)算拱壩應(yīng)力,1、原理與步驟 1）原理 將壩體分為5-7層，每層內(nèi)取1m高拱圈，及中面寬度為1m的拱冠梁作為計(jì)算單元，根據(jù)二者交點(diǎn)處的徑向變位一致條件建立荷載分配方程組，求解拱梁的

21、徑向荷載分配比例。 荷載分配后，假定荷載沿拱圈均勻分布，按純拱法計(jì)算應(yīng)力，梁按靜定懸臂梁計(jì)算應(yīng)力。,2）步驟： 按拱梁交點(diǎn)徑向變位一致條件、各交點(diǎn)處拱梁徑向荷載之和=總徑向荷載條件建立位移協(xié)調(diào)方程，即荷載分配方程組 把交點(diǎn)分別看作拱上和梁上的點(diǎn)計(jì)算徑向變位 將變位代入方程組求解拱、梁分配荷載 荷載分配后，分別計(jì)算拱梁內(nèi)力,2、荷載分配方程組 對(duì)圖示拱壩自頂至底分層n（n=5)層，各層拱與拱冠梁交點(diǎn)：1、2、3、4（i=4）、5 據(jù)經(jīng)驗(yàn)，拱梁分擔(dān)的部分如圖示： 考慮任一i點(diǎn)，總水壓力pi，設(shè)梁承擔(dān)xi，則拱承擔(dān)的pi-xi；又設(shè)拱徑向位移ig，梁的徑向位移iL，按變位一致條件有：ig=iL （1

22、）,對(duì)應(yīng)拱上i點(diǎn)，徑向變位ig可由純拱法查表求出： ig=i（pi-xi）+ Ai i第i層拱圈在單位荷載強(qiáng)度（pi-xi）=1時(shí)拱冠處徑向變位 Ai均勻溫變tm下的拱冠徑向變位,對(duì)梁上的曲線荷載化成若干三角形荷載x1-x5疊加 梁上i點(diǎn)在每一個(gè)三角形荷載下都產(chǎn)生徑向位移，同時(shí)豎向荷載的徑向位移iw iL=i1+i2+i3+i4+i5+iw,在彈性范圍內(nèi)，x1在15點(diǎn)位移等于當(dāng)x1=1時(shí)產(chǎn)生的位移a11、a21與x1之積，所以： iL=i1+i2+i3+i4+i5+iw =ai1x1+ai2x2+ai3x3+ai4x4+ai5x5+iw =aijxj+iw,于是荷載分配方程組ig= iL成為：

23、 i（pi-xi）+ Ai= =aijxj+iw （4-25）,4.5壩肩巖體穩(wěn)定,一拱壩穩(wěn)定的特點(diǎn)及重要性(板書) 1特點(diǎn)：(板書) 1）失穩(wěn)形式(板書) a)壩肩巖體在拱端推力等外荷載作用下的滑動(dòng)失穩(wěn)，包括：局部，整體，局部整體等 b) 壩肩巖體在拱端推力等荷載作用下變形過大致使壩變形失穩(wěn) c) 拱壩支撐不能提供足夠的阻止上滑的能力，沿壩基石上滑失穩(wěn) 本課程主要講第一種失穩(wěn),對(duì)第二種失穩(wěn)一般只能用FEM或模型試驗(yàn)，對(duì)于第三種近來才提出，工程中應(yīng)用很少。 2）維持穩(wěn)定的力 (板書),4.5壩肩巖體穩(wěn)定,拱壩維持壩肩穩(wěn)定的力主要是：巖體自重，拱端推力，其次才是壩體自重等 3）失穩(wěn)過程及解決途徑

24、 (板書) 點(diǎn)屈服面屈服滑動(dòng) 失穩(wěn)時(shí)滑動(dòng)面上合力不變,4.5壩肩巖體穩(wěn)定,點(diǎn)屈服面屈服位移 影響荷載分配及拱端力影響其他拱端的穩(wěn)定整體失穩(wěn) 由上可見，要解決上述失穩(wěn)必須將應(yīng)力，穩(wěn)定，變形三者統(tǒng)一起來考慮 4）水荷載在拱端也產(chǎn)生阻滑力。(板書) 如何充分利用水荷載自身維持穩(wěn)定，是拱壩體形設(shè)計(jì)研究的主要問題,4.5壩肩巖體穩(wěn)定,2重要性(板書) 1）局部應(yīng)力過大，會(huì)導(dǎo)致局部破壞和應(yīng)力重分布。 如：拱向拉應(yīng)力過大，形成次生拱，其結(jié)果是曲率變大，從而應(yīng)力將得到改善，不至于繼續(xù)失穩(wěn) 又如：面拉應(yīng)力過大，開裂，剛度較小，承擔(dān)的荷載就小，從而不致于大的破壞。,4.5壩肩巖體穩(wěn)定,2）一端拱座失去支撐時(shí)，由拱

25、結(jié)構(gòu)變成懸臂曲梁，其荷載能力將大大減小，以致破壞。因此拱座穩(wěn)定是拱壩安全的前提，是非常重要的。這一點(diǎn)也被工程實(shí)踐證實(shí)：據(jù)統(tǒng)計(jì)到80年為止，國內(nèi)外曾發(fā)生過得影響拱壩安全運(yùn)行，破壞的實(shí)例共有45起，其中壩身開裂，漏水，凍融剝落或骨料堿性反應(yīng)引起的拱壩等實(shí)例共17起，占38，穩(wěn)定出問題共28起，占62 到85年為止，遭到破壞以致完全不能使用的拱壩共有6座，全是由穩(wěn)定引起的，因此穩(wěn)定是相當(dāng)重要的問題。,4.5壩肩巖體穩(wěn)定,一可能滑動(dòng)面的位置及形成。(板書) 1失穩(wěn)原因(板書) 1） 存在可能的滑動(dòng)體（由結(jié)構(gòu)的切割面處） 2） 有作用力 由此可見要搞清穩(wěn)定，首先必須分析可能滑動(dòng)體及起作用的力 2構(gòu)成可能

26、滑動(dòng)體的結(jié)構(gòu)面(板書) 1） 底裂石 2） 側(cè)裂石 3） 上滑開裂石 4） 監(jiān)察石 上述結(jié)構(gòu)面可以是平面，也可以是曲面 3各種結(jié)構(gòu)形狀對(duì)穩(wěn)定的影響(板書),4.5壩肩巖體穩(wěn)定,4可能滑動(dòng)體的幾種形式(板書) 1）單種陡傾角結(jié)構(gòu)和緩傾角結(jié)構(gòu)面組合而成 2）成組陡緩傾壩角結(jié)構(gòu)的組合 3）混合組合，即單陡與組緩或單緩與組陡 4）多剛體組合-地質(zhì)模型試驗(yàn) 一穩(wěn)定分析方法(板書) 試驗(yàn),4.5壩肩巖體穩(wěn)定,計(jì)算：FEF 剛體極限平衡法：概率方法穩(wěn)定可靠度 圖解法 三維分析法 數(shù)解法：空間整體 平面穩(wěn)定 整體轉(zhuǎn)動(dòng) 本課程主要介紹：剛體極限平衡法中的數(shù)解法。 四、剛體極限平衡法(板書) 1基本假定：共4條，

27、其中1，2，4是剛體本身的假定。3是對(duì)拱壩具體問題做的假定。 2平面穩(wěn)定分析,4.5壩肩巖體穩(wěn)定,認(rèn)為拱肩巖體內(nèi)成組的陡傾角和組成的緩傾角結(jié)構(gòu)面所切割，致使整個(gè)拱壩帶的部分巖體一起向下滑動(dòng)。計(jì)算穩(wěn)定時(shí)，只在幾個(gè)特定的切取一定高度的水平拱出來進(jìn)行分析。 如當(dāng)沿組成的鉛直和水平面切割時(shí)，計(jì)算簡圖：,4.5壩肩巖體穩(wěn)定,Fz=0，R2=(G+W)tg-U2 Fy=0，R1=N-U1 Fz=0，S1 +S2=Q 其穩(wěn)定安全系數(shù)： 3整體穩(wěn)定分析：(板書) 設(shè)壩肩有如圖所示的可能滑動(dòng)體，其作用的力有：壩體傳來的3個(gè)力，巖體自重，滑面上的反力，滑面上的壓力。 如果這些力均能求及，則穩(wěn)定問題也就解決了。下面

28、看壩體傳給巖體的力的求法： 關(guān)鍵是不同失穩(wěn)拱端作用力方向不一致，因此求時(shí)不能,4.5壩肩巖體穩(wěn)定,直接求代數(shù)和，具體辦法可采用： 已知：特定失穩(wěn)拱端力HVVG求GN 步驟：1）將各層拱端力均向G,N,Q方向投影 2）做G,N,Q隨Z的變化圖形 3）求陰影部分的面積，即為N 求出GQN后，則可以求出R1,，R2 S1+S2 求的結(jié)果，R1可能大于0，也可能小于0，即可能為拉，當(dāng)小于0時(shí)表明側(cè)裂面上不產(chǎn)生抗滑力，這時(shí)為單面滑動(dòng)，應(yīng)考慮側(cè)裂面為拉列面。當(dāng)R1大于0時(shí)，表示滑動(dòng)為雙面滑動(dòng)，其滑動(dòng)方向?yàn)閮蓚€(gè)面的交線方向。,4.5壩肩巖體穩(wěn)定,4公式選用及允許安全系數(shù)(板書) 1） 規(guī)范規(guī)定：對(duì)類工程和高

29、壩用抗剪公式，其他可用抗剪或摩擦公式 2） 允許安全系數(shù)【Kc】。具體使用時(shí)查規(guī)范 3） 安全判別K【Kc】 5改善穩(wěn)定的措施(板書) 主要有三方面： 1） 改變拱座承受荷載，包括：改變拱壩壩型或拱圈的平面布置及尺寸等，采用對(duì)穩(wěn)定較有利的壩型及布置，如：變厚度，變曲率的扁平拱等 做好壩肩的防滲排水設(shè)置，組成為U 人工擴(kuò)大基礎(chǔ)或加深開挖，以增大滑動(dòng)體的自重.,4.5壩肩巖體穩(wěn)定,2) 加強(qiáng)壩肩巖體的抗滑能力 改善巖體結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)性能指標(biāo)，如：開挖，灌漿 采用混凝土置換的方法，提高滑動(dòng)面的fc法 控制總體變形，如：擋墻，撐竿，錨桿，應(yīng)力錨固等,4.6 拱壩的壩身泄水,一、拱壩泄洪水消能所要解決的

30、問題及特點(diǎn) 1、與重力壩相同的問題：(板書) 泄洪型式選擇 孔口尺寸及布置 體形設(shè)計(jì) 泄洪能力 消能防沖 高速水流的問題,4.6 拱壩的壩身泄水,2、特有的問題：(板書) 單薄 A、 不能形成完整的溢流面產(chǎn)生新的型式 B、 壩體削弱 C、 泄水振動(dòng) 曲線向心集中產(chǎn)生新的消能型式 高？壩平面對(duì)沖 拱壩一般地處高山峽谷，要解決？及泄洪沖刷岸坡的問題。,4.6 拱壩的壩身泄水,二、泄水方式：(板書) 1、型式：(板書) 1) 壩頂溢流：自由跌落式，鼻坎挑流式 2) 壩身孔口泄流：中孔、低孔 3) 壩身一邊或二邊滑雪道式泄流 4) 壩后廠頂溢流(廠前挑流) 2、選擇考慮因素：(板書) 拱壩體形、壩高、

31、泄洪量、廠房位置、可考慮的其它泄洪方式，以及壩址、地形、地質(zhì)、施工導(dǎo)流等 具體如下：,4.6 拱壩的壩身泄水, 薄拱壩：H不太大，5000M2/S，滑雪道。 雙曲拱：Q不太大，壩頂或壩身孔口 雙曲拱：當(dāng)面不薄，Q大幾種型式的聯(lián)合泄洪 3、拱壩消能型式及選擇(板書) 1)常見型式：(板書) 挑流：最多 跌流：適于壩頂溢流，且Q15M2/S,下游水深大或河床有條件加以保護(hù)的情況 底流：適于重力拱壩，且下部巖石條件較差時(shí)，或有通航要求時(shí) 面流、戽流：用的很少,4.6 拱壩的壩身泄水,2)型式選擇考慮的因素：(板書) 壩型、壩高、壩扇、壩基以及下部河床及兩岸的地形、地質(zhì) 泄量大小及下部河道水深及水位變化情況 通船、通水、排冰等要求 3)增加排流消能效果的措施：(板書) 橫向擴(kuò)散 縱向拉開 a、窄縫式 b、出口高低壩 c、差動(dòng)式鼻坎。,4.6 拱壩的壩身泄水, 高低壩垂直對(duì)沖，白山，風(fēng)灘。 橫向