重力坝荷载及组合课件

第二节 重力坝荷载及其组合作用是指外界环境对水工建筑物(水工结构)的影响。设计基限期内只可能短暂出现(且量值很大)或可能不出现的作用称。(地震和校核洪水地震和校核洪水)作用分类设计基准期内量值基本不变的作用(自重、土压力等自重、土压力等)永久作用永久作用可变作用可变作用设计基准期内量值随时间的变化而与平均值之比不可忽略的作用(水荷载、温度荷载等水荷载、温度荷载等)偶然作用偶然作用（按随时间变异分）作用永久永久作用作用可变可变作用作用偶然偶然作用作用结构自重永久设备自重、土压力、淤沙压力(枢纽建筑物有排沙设施时可列为可变作用)、预应力、地应力、围岩压力等。静水压力、扬压力、动水压力、浪压力、风荷载、雪荷载、冰压力、冻胀力、楼面(平台)活荷载、桥机门机荷载、温度作用、灌浆压力等。地震作用、校核洪水位时的静水压力等。各种作用都有变异性或随机性荷载类型和计算方法(一)自重(包括永久设备自重)重力是作用在重力坝上的主要荷载，大小由坝体体积V与材料容重 的乘积求得。建筑物的结构自重标准值，可按结构设计尺寸及材料重度计算确定。一般混凝土的重度为23.023.5kN/m3，其他材料的重度可查阅有关资料。如果在坝体内埋设块石（一般不超过10%），将影响容重，其值可按块石容重及埋石率计算。在计算坝体重量时，一般可忽略不同标号混凝土密度间的微小差别。重力坝中配置的钢筋数量不多，因此常忽略其影响。式中：H计算点处的作用水头。即计算水位与计算点之间的铅直高差，m；r水的容重。一般取9.8kNm3，对于多泥沙浑水情况另定。(二)静水压力垂直作用于坝体表面某点处的静水压强p为作用于坝面的总静水压力，常分解为水平及竖向分力进行计算水平力竖直力(三)动水压力(三)动水压力反弧段上动水压力的总水平分力P 和垂直分力V分别为：q单宽流量 V反弧段最低点处断面的平均流速 反弧段起始半径和末端半径与铅垂线间的夹角(四)扬压力 混凝土和地基都有一定的透水性，在上下游水位差作用下，会形成一个稳定渗流场。扬压力包括渗透压力和浮托力两部分。渗透压力由坝体上下游水位差引起，而浮托力是由下游水位淹没部分坝体时产生。扬压力分布及数值的影响因素很多，设计时应根据坝基地质条件、防渗和排水措施、坝体的结构型式，分别计算图形。为了减小扬压力，改善坝的应力和稳定条件，常在坝踵附近的坝基中灌浆，形成防渗帷幕，阻拦渗水，消减水头；同时在防渗帷幕后边钻孔，形成排水孔幕，将渗过、绕过防渗帷幕的渗水排至廊道，输送到下游。后者减压效果往往更为显著。1坝基面上的扬压力(四)扬压力 坝底扬压力形成原因：上下游水位差；砼、岩石都是透水材料。由于基岩节理裂隙很不规则，难以求出坝底扬压力的准确分布，故通常假定扬压力从坝踵到坝趾成直线变化。一般扬压力强度可以用水的容重乘以水头得到。(四)扬压力 1坝基面上的扬压力 （1）当坝基设有防渗帷幕和排水孔有防渗帷幕和排水孔时，下游坝趾处（浮托力压力强度）为w H2；渗透压力呈折线分布，坝底面上游坝踵处全水头为w（H1H2）=w H，排水孔中心线处为w H，在坝址处为零，其间各段依次以直线连接。为扬压力折减系数，与岩体的性质和构造，帷幕深度和厚度，灌浆的质量，排水孔的直径、间距、深度等有关。规范规定：河床坝段=0.20.3 岸坡坝段=0.30.4 （2）当坝基仅设有防渗帷幕而无排水孔有防渗帷幕而无排水孔时，渗透压力分布为：坝踵处全水头为w H，帷幕中心线处为w H，=0.50.7，在坝址处为零。（3）当坝基仅设有排水孔而无防渗帷幕有排水孔而无防渗帷幕时，渗透压力分布为：坝踵处全水头为w H，排水孔中心线处为w H，=0.30.5，在坝址处为零。（4）为了有效地减小坝基扬压力，还可在坝基面设置纵、横排水廊道和基面排水孔。但在设计中通常不考虑它们的排水减压作用，仅作为安全储备。当下游尾水位较高，坝基条件较好，可采用抽排降压措施，即在坝基内设置低于上述排水系统的集水井和自动抽水设备，在下游坝趾增设一道防渗帷幕和排水孔幕。扬压力分布为：坝踵处全水头为w H1，在排水孔幕处为1w H1，排水廊道段为2w H2，坝址处为w H2。其中1，2为扬压力折减系数。1在河床段取0.20.3，在岸坡坝段取0.30.4；2=0.30.5。2、坝身扬压力（见下左图）。坝身排水管折减系数3=0.150.3为了减小坝体内扬压力，常在上游坝面附近35m范围内提高混凝土的防渗性能，形成防渗层，其后设置坝身排水管。H1 当计算截面在下游水位以下时，上游面为w H1，坝体排水管幕处为w(H2+H1)，一般采用=0.150.3，下游坝面处为wH2，其中H1是计算截面以上的上游水深，H2是计算截面以上的下游水深。当计算截面在下游水位以上时，上游面为wh1，坝体排水管幕处为wh1，下游坝面处为0，排水管幕与下游坝面之间按直线变化。坝体内计算截面的扬压力分布图形，可根据坝型及其坝内排水管的设置情况确定。(五)淤沙压力 淤沙压力是挡水建筑物前由于河流泥沙淤积而在淤积厚度范围内作用于坝面的一种土压力。由于淤沙压力淤积高程随时间逐年增加，因此在确定淤沙压力时，先要规定一个淤积年限，然后再根据河流的挟沙量估算坝前淤积高程。淤积计算年限可取为50100年，对于多泥沙河流应专门研究。由于坝前泥沙是逐年淤高逐年固结的，淤沙重度和内摩擦角亦逐年变化，且各层不同，因而淤沙压力难以精确确定，根据朗肯主动土压力公式，作用于单位长度挡水结构上的水平淤沙压力标准值可按下式计算：（六）浪压力 由于风的作用，在水库内形成波浪，它不但给闸坝等挡水建筑物直接施加浪压力，而且波峰所及高程也是决定坝高的重要依据；浪压力与波浪要素有关，波浪要素包括波浪的长度、高度及波浪中心线高出静水位的高度。坝前水深不小于半波长水域的底部对波浪运动没有影响，这时铅直坝面上的浪压力分布应按立波概念确定。坝前水深小于半波长，但不小于使波浪破碎的临界水深浅水波，水域底部对波浪运动有影响，浪压力分布也到达底部坝前水深小于临界水深为破碎波浪压力分布（七）冰压力 在气候严寒地区，冬季水库表面结成冰盖，但当气温回升时（仍低于0），冰盖膨胀对边界（岸坡、坝面等）产生的挤压力称为静冰压力。当冰盖解陈后，冰块随水流漂移。流冰撞击坝面等建筑物上产生的撞击力，称为动冰压力。冰压力包括静冰压力和动冰压力。1静冰压力 静冰压力沿冰厚方向的分布，基本上呈现上大下小的倒三角形，故可认为静冰压力的合力作用点在冰面以下冰厚的1/3处。静冰压力的大小与建筑物形态以及冰本身的抗挤压强度有关。2动冰压力作用于铅直坝面的动冰压力，与冰块抗压强度、冰块厚度、平面尺寸和运动速度有关。冰压力在较高的重力坝设计荷载中常不起控制作用，特别是当水库操作频繁或冬季水位长期较低时，常可忽略不计。对于低坝、闸墩、胸墙等结构，当冰层较厚或水库吹程不大时，冰压力可能成为主要荷载，设计时应加以考虑。（八）地震荷载地震会引起对水工建筑物的动力作用，包括地震惯性力、地震动水压力和动土压力。在考虑地震作用时，常用到地震的基本烈度和设计烈度两个概念。根据SL203-97水上建筑物抗震设计规范规定，水工建筑物的工程抗震设防类别，应根据其重要性和工程场地基本烈度确定。各类工程抗震设防类别的水工建筑物，除土石坝、水闸应按其相关规定外，抗震作用效应的计算方法，应按照表1-7的规定采用。荷载组合按承载力极限状态设计时，应考虑两种作用组合，即基本组合和偶然组合，在设计坝体断面时，应计算下列两种组合。基本组合是在持久状况或短暂状况下，永久作用与可变作用的(效应)组合。(1)(1)坝体及其上永久设备自重。坝体及其上永久设备自重。(2)(2)静水压力。静水压力。(3)(3)相应正常相应正常蓄蓄水位或防洪高水位时的扬压力水位或防洪高水位时的扬压力 (4)(4)淤沙压力。淤沙压力。(5)(5)相应正常蓄水位或防洪高水位的重现期相应正常蓄水位或防洪高水位的重现期5050年年(6)(6)冰压力冰压力(与浪压力不并列与浪压力不并列)(7)(7)相应于防洪高水位时的动水压力相应于防洪高水位时的动水压力(8)(8)大坝上、下游侧土压力大坝上、下游侧土压力(9)(9)校核洪水位时上、下游静水压力校核洪水位时上、下游静水压力(10)(10)相应校核洪水位时的扬压力相应校核洪水位时的扬压力(11)(11)相应校核洪水位时的浪压力相应校核洪水位时的浪压力 (12)(12)相应校核洪水位时的动水压力：相应校核洪水位时的动水压力：(13)(13)地震作用地震作用(包括地震惯性力和地震动水比力包括地震惯性力和地震动水比力)。