第四章支墩壩

第四章支墩壩

(CHAPTER4BUTTRESSDAM)§4-1概述一、支墩壩的工作原理

1、問題的提出重力壩的二個主要缺點：

①材料強度不能充分利用；

②底部揚壓力大；寬縫重力壩在一定程度上克服了這兩個缺點，我們設想：①能否最大限度地利用材料強度；

②能否最大限度地減小揚壓力；

③能否充分利用水重來節(jié)省砼方量；2.工作原理①組成支墩壩由一系列獨立的支墩和擋水面板組成，支墩順壩軸線排列，上游面設擋水面板，遮斷河谷，形成擋水面。②傳力方式庫水壓力由面板→支墩→地基③工作原理利用水重和自重在壩基面產(chǎn)生的摩擦力來抵抗水平水壓力維持穩(wěn)定二、支墩壩的型式根據(jù)擋水面板的形狀可將支墩壩分為如下三種型式：1、平板壩這是支墩壩的最早型式，常用的是簡支式平板壩。它的面板是一個平面，平板與支墩在結(jié)構(gòu)上互不相連。優(yōu)點：①平板的迎水面上不產(chǎn)生拉應力；

②對溫度變化的敏感性差；

③地基變形對壩身應力分布影響不大對地基要求不十分嚴格；適用場合：

①地基不均勻變化較大時；

②適用于壩高40m以下的壩；這是由于面板受力

條件的限制(跨中彎矩大1/8ql2)

2、連拱壩

一方面由于平板壩的面板受力條件不好，需將面板的形式加以改進，砼的抗壓性能好，所以可以把平面的面板改為圓弧面板(拱)，即連拱壩；

另一方面在河谷較寬時，若采用拱壩，拱作用得不到充分發(fā)揮，且砼方量多(中心角越大，弧長越長)；將面板做成拱型的，其受力條件較好能較好地利用材料強度。如我國的梅山連拱壩1956年建成，壩高88.24m是當時世界上最高的，它比美國1938年建造的巴特勒(Bartlett)壩(87.19m)高1.05m；佛子嶺連拱壩高74.4m，現(xiàn)在世界上最高的是六十年代初期開始建造的加拿大旦尼爾約翰遜(DanielJohnson)連拱壩，高214m。它的混凝土體積僅為同等高度重力壩的一半。適用場合：連拱壩是空間超靜定結(jié)構(gòu)，對地基變形、溫度變化較敏感，故對地基要求相對要高。3、大頭壩這是一種較為優(yōu)越的壩型，它既能充分利用材料的強度，鋼筋用量又少。已建的大頭壩有

國內(nèi)：廣東新豐江單支墩大頭壩，壩高105m

湖南柘溪單支墩大頭壩，壩高104m國外：巴西--巴拉圭80年代修建的伊太普

(Itaipa)雙支墩大頭壩，壩高185m。

日本火田薙笫一單雙支墩大頭壩，高

125m。三、支墩壩的特點

1、穩(wěn)定性特點

①抗滑穩(wěn)定

a、因支墩間有空隙滲水易排，揚壓力減??；

b、上游邊坡加緩(0.4～0.9)，可利用水重，節(jié)省砼；

②側(cè)向穩(wěn)定

支墩因本身單薄，又相互分立，側(cè)向剛度比

縱向(上下游方向)剛度低，地震時順壩軸線方向抗震能力明顯低于重力壩。③彈性穩(wěn)定因支墩壩是一塊單薄的受壓板，當作用力超過臨界值時，盡管應力分析所求得的支墩內(nèi)應力未超過材料的破壞強度，但支墩卻因喪失縱向彎曲穩(wěn)定而失穩(wěn)。所以對支墩壩還應進行彈性穩(wěn)定計算。2、應力特點支墩可以隨受力情況調(diào)整厚度，以充分利用砼的容許抗壓強度，連拱壩把蓋板做成壓力結(jié)構(gòu)。3、施工特點

①地基開挖支墩壩的基礎一般不需全部開挖，只需開挖支墩部分，特別是在新鮮巖面埋藏較深的情況下，可節(jié)省大量的開挖工作量。

②散熱條件及模板用量因與外界接觸面增加，施工散熱相對容易，故溫度收縮應力較小，溫控措施簡單，可加快壩塊上升速度，但模板用量大且復雜(尤以連拱壩為甚)砼標號較重力壩高，單方造價也高。③施工導流大頭壩、平板壩可利用支墩間隔布置導流底孔或采用梳齒法施工，但遇到意外洪水而未完建之壩體被迫過水時，存在壩體震動，基礎沖刷，支墩側(cè)向穩(wěn)定等方面的問題。4、溢流特點

大頭壩接近于寬縫重力壩，單寬流量可以較大，隨基巖條件而定，如湖南柘溪單支墩大頭壩為136方/sec，平板頂也可以溢流，但因結(jié)構(gòu)簡單，單寬流量較大易引起壩身振動，連拱壩一般不溢流。連拱壩漫頂1969.7.14淮河上游發(fā)生大洪水，佛子嶺水庫溢洪道全部開啟，仍不能泄走上游來水，將庫水位逼至130.64m，超過壩頂1.08m，時間長達25小時15分鐘，測得壩頂最大位移12.1mm。大壩安然無恙。5、鋼筋用量平板壩、連拱壩鋼筋用量較多，達30～40kg/方砼；大頭壩不用鋼筋，僅在大頭局部和洞周邊布置2～3kg/(方砼)的鋼筋

，與寬縫重力壩相近。

6、砼方量節(jié)省與實體重力壩相比，大頭壩可節(jié)省20～40％，連拱壩可節(jié)省30～60％。

§4-2大頭壩一、大頭壩的工作特點

大頭壩介于寬縫重力壩和輕型支墩壩(平板壩和連拱壩)之間，屬于大體積砼結(jié)構(gòu)，它具有寬縫重力壩和輕型支墩壩兩者的優(yōu)點，表現(xiàn)在：①鋼筋用量少(2～3kg/方砼)，平、連30～

40kg/方砼；

②砼體積小砼體積隨壩高變化，H↑V砼↓

H=40m節(jié)省30％

H=100m節(jié)省40％③壩頂可以溢流單寬流量q可達100方/sec，如湖南柘溪單寬流量為136方/sec。二、大頭型式1°平頭式施工方便，但應力條件不好，擋水面常有抗應力，近代較少采用；

2°圓頭式水壓力環(huán)向輻射，應力情況好，但模板復雜；

3°折線式(或叫鉆石式)兼有以上兩者優(yōu)點，應力情況接近圓頭式，施工也較方便，我國己建的大頭壩都采用這種型式；

三、支墩型式開敞式單支墩

優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，施工方便，便于觀察檢修；

缺點：側(cè)向剛度較低，寒冷地區(qū)保溫條件差；封閉式單支墩這種型式是將支墩下游面擴大后互相緊貼而成，較為多用。

優(yōu)點：側(cè)向剛度較高，墩間空腔封閉保溫條件好，適用于地震地區(qū)和寒冷地區(qū)，溢流布置方便

采用最廣泛。開敞式雙支墩

優(yōu)點：側(cè)向剛度高，可改變頭部應力狀態(tài)，導

流底孔、壩身引水管可以從兩墩之間的

空腔穿過，多用于高壩。缺點：施工復雜；封閉式雙支墩

側(cè)向剛度最高；施工最復雜，目前采用不多；四、大頭壩的剖面設計分兩步進行：第一步將壩體看成厚度均一的三角形剖面，定出壩的基本尺寸，如大頭跨度(擋水面寬度)L、支墩平均厚度B、上下游邊坡n、m--以解決穩(wěn)定和強度問題。第二步擬定大頭形狀和尺寸將等厚的三角形剖面

轉(zhuǎn)化為實用剖面再進行靜力校核。1、大頭跨度影響因素：地形、地質(zhì)、施工、經(jīng)濟一般來說，跨度大，支墩數(shù)目就少，支墩相對要加厚，側(cè)向剛度大，便于砼施工。存在缺點是大頭面積加大，對支墩應力不利，頭部澆筑倉面也增大，要求砼的澆筑能力高，壩塊散熱困難，導致溫度應力大。根據(jù)經(jīng)驗：壩高＜45m，大頭跨度L=9～12m

壩高45～60m大頭跨度L=12～16m

壩高＞60m大頭跨度L=16～18m甚者單支墩壩L=14～18m

雙支墩壩L=18～25m如巴西巴拉圭的伊太

普雙支墩大頭壩L=34m。特殊壩段：溢流壩段廠房壩段2、支墩的平均厚度B

用S表示大頭跨度與平均厚度之比S=L/B當L一定時，S↑B↓過于單薄，側(cè)向剛度不足；S↓B↑對側(cè)向剛度有利，揚壓力加大砼方量增加，支墩壩的優(yōu)點不顯著。根據(jù)經(jīng)驗：壩高H=40mS=1.4～1.6

壩高H=60mS=1.6～1.8壩高H=60～100mS=1.8～2.03、上下游邊坡n、m(即確定基本剖面)

在初定L、B的條件下，上下游的邊坡由穩(wěn)定和強度兩個條件來確定穩(wěn)定條件強度條件σ2≥0說明：1°Smin=？

2°假定s1→n1、m1、┅v1s2→n2、m2、┅v2┋┋┋┋

sn→nn、mn、┅vn

取min｛V1、V2、┅Vn｝

3°n、m的變化范圍1：0.4～1：0.6壩高H＞100mS=2.0～2.44、擬定大頭頭部尺寸

原則：上游面不出現(xiàn)拉應力σ≥0

步驟：①初步擬定大頭尺寸a、b、c、d、e

②按偏心受壓公式計算應力，以保證上游面不出現(xiàn)拉應力；

③計算上游面的抗應力，當σ≥0時，初擬尺寸有效。否則重新假定尺寸，直至滿足要求為止

。說明：1°以上尺寸都是用不等號或≈來表示的，它們只能用于初估，具體設計時還得參考同類工程的經(jīng)驗。尺寸擬定后，要用有限元法或光彈性試驗來較準確地分析頭部應力，并反復修改，直至滿足要求為止。

2°從圖中可看出：不出現(xiàn)拉應力的有利因

素是Q，所以使b盡量大，不利因素是Wφ，

為了減小Wφ，可采取設排水管和在大頭

內(nèi)部開孔的措施，防止由于滲流引起

“劈頭縫”。

3°“劈頭縫”是當時大頭壩難以推廣的原因之一。引起劈頭縫的主要原因有二：①滲流力；

②溫度作用；五、實用剖面設計(同重力壩)六、靜力校核

1、穩(wěn)定校核

2、強度校核

計算內(nèi)容：a、頭部應力計算

b、支墩應力計算

c、支墩縱向穩(wěn)定計算

d、抗震計算

計算方法：初步設計階段用材力法技術(shù)設計階段用三維有限元法或結(jié)構(gòu)模型試驗縱向彎曲的概念：在材料力學中，某些受壓桿件，它的破壞并非強度不足而引起，而是由于縱向彎曲的原因而失穩(wěn)。支墩壩的支墩，水壓力經(jīng)擋水面板傳給支墩，支墩實際上成為一中面受壓的板，它也會因縱向彎曲而失穩(wěn)。因此需要進行縱向彎曲的穩(wěn)定分析。

§4-3平板壩一、組成

平板壩由支墩和面板組成，平(面)板支承于支墩。二、連接方式

簡支式連續(xù)式三、面板的厚度

頂部滿足構(gòu)造和施工要求，一般不小于0.2～