表5-3-3表明,重力坝在设计和校核洪水位情况下均满足承载能力极限状态下的抗滑稳定要求。
5.4 应力计算
5.4.1 分析的目的与过程
应力分析的目的是为了检验大坝在施工期和运行期是否满足强度要求,同时也是为研究、解决设计和施工中的某些问题,如为坝体混凝土标号分区和某些部位的配筋等提供依据。
应力分析的过程是:首先进行荷载计算和荷载组合,然后选择适宜的方法进行应力计算,最后检验坝体各部分的应力是否满足强度要求。 5.4.2 计算方法
①重力法:又称材料力学方法。它计算简便,适用范围广,已经过模型试验和工程实践的验证,有一套成熟的应力控制标准。重力法的主要假定是:坝体水平截面上的垂直正应力σy呈直线分布
②有限单元法:弹性理论中的一种数值解法。将结构划分为若干结点联系的有限个单元,利用边界条件和连续条件,根据弹性理论列出单元的应力、应变、位移关系式和全部结点平衡方程组。依靠电子计算机计算出坝体和坝基内各点的应力和变形。对于实体重力坝的应力分析,一般可采用二维有限元法,属于空间性质的问题,可采用三维有限元法。
本次设计采用材料力学方法。 5.4.3 材料力学法的基本假设
1、坝体混凝土为均质、连续、各向同性的弹性材料;
2、视坝段为固接于地基上的悬臂梁,不考虑地基变形对坝体应力的影响,并认为各坝段独立工作,横缝不传力;
3、假定坝体水平截面上的正应力?y按直线分布,不考虑廊道等对坝体应力的影响。 5.4.4 荷载组合
1、正常蓄水情况:自重+正常蓄水位对应的静水压力+扬压力+浪压力;
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2、设计洪水情况:自重+设计洪水位对应的静水压力+扬压力+浪压力; 3、校核洪水情况:自重+校核洪水位对应的静水压力+扬压力+浪压力;
因正常蓄水位与设计洪水位相差不大,根据《SDJ21-78(试行)补充规定》可不予计算。 5.4.5 应力计算
在一般情况下,坝体的最大和最小应力都出现在坝面,所以,在重力坝设计规范中规定,首先应校核坝体边缘应力是否满足强度要求。计算公式如下:
1)计入扬压力
1、水平截面上的正应力?y,因为假定正应力?y按直线分布,所以按偏心受压公式
?yu??W6?M?W6?M; ;来计算上下游边缘应力,其中: ????yd22BBBB?W——作用于计算截面以上全部荷载的铅直分力的合力,kN;
?M——作用于计算截面以上全部荷载对截面垂直水流流向形心轴的力矩总和,kNm; B——计算截面的长度,
2、剪应力?
?u??Pu?puu??yu?n
Pu——上游面水压力强度(有泥沙压力ps时,应计入在内), n——下游坝坡坡率
?d???yd?pud?pd?m
Pd——上游面水压力强度(有泥沙压力ps时,应计入在内), m——上游坝坡坡率
3、水平正应力?x
?xu?(pu?puu)?(pu?puu??yu)n2 ?xd?(pd?pud)?(?yd?pud?pd)m2 4、主应力
?1u?(1?n2)?yu?(pu?puu)n2 ?2u?Pu?puu ?1d?(1?m2)?yd?(pd?pud)m2 ?2d?pd?pud
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2)不计入扬压力
水平截面上的正应力?y,因为假定正应力?y按直线分布,所以按偏心受压公式
?yu??W6?M?W6?M; ;来计算上下游边缘应力,其中: ????ydBB2BB2?W——作用于计算截面以上全部荷载的铅直分力的合力,kN;
?M——作用于计算截面以上全部荷载对截面垂直水流流向形心轴的力矩总和,kNm; B——计算截面的长度,
2、剪应力?
?u??pu??yu?n
Pu——上游面水压力强度(有泥沙压力ps时,应计入在内), n——下游坝坡坡率
?d???yd?pd?m
Pd——上游面水压力强度(有泥沙压力ps时,应计入在内), m——上游坝坡坡率
3、水平正应力?x
?xu?pu??un ?xd?pd??dm 4、主应力
?1u?(1?n2)?yu?pun2 ?2u?pu
?1d?(1?m2)?yd?pdm2 ?2d?pd
重力坝非溢流坝段的荷载主要有:自重、静水压力、浪压力、泥沙压力、扬压力,常取1m坝长进行计算。
应力计算结果如下:(以下应力单位均为KPa) 1)计扬压力
由上面的公式计算出各个应力,分析可看出由以上可以看出坝体边缘应力状态良好,未出现拉应力的情况。 2)不计扬压力
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不计扬压力时其应力计算与计扬压力是计算方法一样,主要分析①垂直正应力?yu和
?yd、②剪应力?u,?d、③水平正应力?xu, ?xd、④第一主应力?1u,?1d、⑤第二主应力五种应力,详情见计算说明书。
由成果分析,以上可以看出坝体边缘应力状态良好,未出现拉应力的情况。
6 溢流坝段设计
6.1 泄水建筑物方案比较
6.1.1 布置原则
由溢流坝下泄的水流具有巨大的能量,必须妥善进行处理,否则势必导致下游河床被严重冲刷,甚至造成岸坡坍塌和大坝失事。所以消能措施的合理选择和设计,对枢纽、大坝安全及工程量都有重要意义。
通过溢流坝顶下泄的水流,具有很大的能量,必须采取有效地消能措施,保护下游河床免受冲刷。消能设计的原则是:消能效果好,结构可靠,防止空蚀和磨损,以保证坝体和有关建筑物的安全。设计时应根据坝址地形,地质条件,枢纽布置,坝高,下泄流量等综合考虑。
挑流消能适用于坚硬岩石上的高、中坝,低坝需经论证才能选用。当坝基有延伸至下游的缓倾角软弱结构面,可能被冲坑切断而形成临空面,危及坝基稳定,或岸坡可能被冲塌时,不宜采用挑流消能,或须做专门的防护措施
底流消能适用于中、低坝或基岩较软弱的河道;高坝采用底流消能需经论证,但不宜用于排漂和排冰。
面流消能适用于水头较小的中、低坝,河道顺直,水位稳定,尾水较深,河床和两岸在一定范围内有较高抗冲能力,可排漂和排冰。
消力戽消能适用于尾水较深且下游河床和两岸有一定抗冲能力的河道。
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联合消能适用于高、中坝,泄洪量大,河床相对狭窄,下游地质条件较差或单一消能型式经济合理性差的情况。联合消能应经水工模型试验验证。
根据工程地质条件,选取挑流消能。 6.1.2 泄洪方案选择
由第三章中的调洪演算中可知,洪水频率为设计频率是选取第一个方案为最终方案:1个表孔,孔口净宽12m,设计洪水位为647.8m,相应下泄量q为1155.727m3/s,洪水频率为校核频率是选取第二个方案为最终方案:2个表孔,孔口净宽24m,校核洪水位为649.8m,相应下泄量q为2898.584 m3/s。
6.2 工程布置
6.2.1 溢流表孔
2个表孔布置于河床中间坝段,孔口单净宽12m,墩厚0.267×12= 3.204m,取3.2m,总30.2m。堰顶高程635m,堰顶上游为三圆弧曲面,堰顶下游面为“WES”曲面,与下游坝坡相切。坝址部位用圆弧段衔接。堰顶上游部位设平板闸门,尺寸为12×13m(宽×高),坝顶用2×800KN的单向移动式门机启闭,堰顶设弧形工作闸门,尺寸为12×13m(宽×高),用坝顶排架上2×800KN弧形启闭机启闭。
具体数据祥见后文和图纸。
闸墩剖面图
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