打造堅固的防線，堤防大壩設計七大要點

發(fā)布時(shí)間：2021-05-28  人浏覽

在水利工程建設中，堤防大壩是防汛的第一道(dào)防線，提防大壩的堅固程度事(shì)關生命安全，接下來我們就(jiù)來學(xué)習下堤防大壩設計七大要點。

一、主要荷載

根據《水工建築物荷載設計規範》，水工建築物的荷載按作用随時(shí)間的變異性，可分爲永久作用荷載、可變作用荷載和偶然作用荷載。

1.永久作用荷載：包括結構自重和永久設各自重、土壓力、淤沙壓力、地應力、圍岩壓力、預應力。

2.可變作用荷載：包括靜水壓力、揚壓力、動水壓力、水錘壓力、浪壓力、外水壓力、風荷載、雪荷載、冰壓力、凍脹力、溫度荷載、土壤孔隙水壓力、灌漿壓力等。

3.偶然作用荷載：包括地震作用、校核洪水位時(shí)的靜水壓力、揚壓力、浪壓力及水重等。

水工建築物設計時(shí)，首先要計算建築物上所承受的荷載，然後(hòu)再進(jìn)行荷載組合，以及進(jìn)行抗滑穩定分析、應力分析、滲流計算、沉降計算、應力應變計算和抗震設計等。

二、抗滑穩定分析

在各種(zhǒng)荷載組合情況下，水工建築物都(dōu)應保持其穩定。穩定分析是水工建築物設計的一項重要内容。目前水工建築物的穩定分析采用整體宏觀的半經(jīng)驗法。

例如，一般重力壩失穩發(fā)生在壩底與基岩的接觸面(miàn)，因爲此處受庫水壓力最大，壩底混凝土與岩基不易完全接觸好(hǎo)，或者混凝土凝固收縮和溫度收縮時(shí)，接觸面(miàn)産生局部的微小裂縫。在設計中，通常校核重力壩沿壩基面(miàn)的抗滑穩定;如果岩基内有軟弱夾層，則要核算沿軟弱夾層的抗滑穩定;對(duì)處于岸坡的壩段，當地形、地質條件不利于壩的穩定時(shí)，也要對(duì)在三向(xiàng)荷載作用下的穩定問題進(jìn)行研究。

三、應力分析

強度和穩定性是表示建築物安全的兩(liǎng)個重要方面(miàn)。強度問題的研究，通常包括對(duì)内力、應力、變形、位移和裂縫的研究。當應力不超過(guò)材料的強度，變形和位移不超過(guò)建築物正常工作狀态的允許值，以及在混凝土内不出現裂縫或限制裂縫在允許範圍以内時(shí)，就(jiù)認爲建築物處于正常運行狀态。因此，應力分析是校核強度和穩定的前提。

重力壩應力分析的方法可歸納爲理論計算和模型試驗兩(liǎng)大類。目前常用的模型試驗方法有偏光彈性試驗、激光全息試驗和脆性材料試驗。對(duì)于中、小型工程，一般可隻進(jìn)行理論計算，而對(duì)于十分重要的工程或在情況比較複雜時(shí)才進(jìn)行模型試驗。理論計算方法主要有材料力學(xué)法、有限元法。材料力學(xué)方法比較常用，用于中、低壩且地質條件較簡單時(shí);對(duì)于高壩尤其是當地質條件複雜時(shí)，除用材料力學(xué)法計算外，宜同時(shí)進(jìn)行模型試驗或采用有限元法進(jìn)行計算。設計的壩體斷面(miàn)需滿足規定的應力條件。在基本荷載組合下，重力壩壩基面(miàn)的最大垂直正應力應小于壩基容許壓應力，最小垂直正應力應大于零;在地震情況下，壩基容許出現不大的拉應力。對(duì)于壩體應力，在基本荷載組合下，下遊面(miàn)最大主壓應力不大于混凝土允許壓應力;上遊面(miàn)的最小主壓應力應大于零。

四、滲流分析

對(duì)于土石壩，因它的壩體材料在一定程度上是透水的，一般允許有限的水流通過(guò)其壩體而運動，所以土石壩除研究地基的滲流外，還(hái)要研究土石壩壩體中的滲流以及壩體内産生的孔隙壓力。

導緻大壩災難性破壞的原因及基本模式有五種(zhǒng)：①溢洪道(dào)的洩洪能(néng)力不足，洪水漫過(guò)原來按不過(guò)水壩設計的壩頂，溢流而下;②壩體連同部分地基沿軟弱面(miàn)發(fā)生滑移破壞;③壩體因揚壓力過(guò)大而沿壩基面(miàn)滑動;④壩體或壩基因管湧或流土而破壞;⑤壩的上、下邊坡發(fā)生滑移破壞。滲流在後(hòu)四種(zhǒng)模式中起(qǐ)著(zhe)重要的作用。此外，水庫水的過(guò)量滲漏、水庫岸坡的穩定性、水庫誘發(fā)地震等，也都(dōu)與滲流的作用密切相關。根據大壩的結構特點和設計要求，進(jìn)行如下三方面(miàn)的計算就(jiù)可達到選取恰當的防滲措施和校驗建築物在滲流作用下是否安全的目的。

(一)确定滲透壓力

對(duì)于混凝土壩(或水閘)地基中的有壓滲流，要确定沿建築物地下輪廓線的滲透壓力分布，計算揚壓力，以便驗算建築物的穩定性。對(duì)于土石壩的無壓滲流，應确定浸潤線位置和壩體、壩基内的滲透力分布，以便驗算壩坡和壩基的穩定，确定防滲體(防滲鋪蓋、斜牆、心牆或截水牆等)的長(cháng)度和厚度等幾何尺寸。

(二)确定滲透坡降(或流速)

首先應确定滲流的出逸坡降，驗算出口處有無發(fā)生局部流土和管湧破壞的危險。對(duì)于粗細粒兩(liǎng)層土的交界面(miàn)，以及壩底與地基的接觸面(miàn)，則應檢驗是否會(huì)發(fā)生接觸沖刷和流土。對(duì)于土石壩壩體中的各種(zhǒng)防滲體，也應驗算其抗滲強度是否滿足要求。

(三)确定滲流量

需要計算流入下遊地基或排水設備的滲流量，以便爲估算水庫的漏水損失和确定排水設各提供可靠的設計依據。

岩體的滲流問題，實質上是通過(guò)裂隙介質的水的流動問題，要正确計算上述三項指标是比較困難的，隻能(néng)作近似計算。對(duì)于某些松散的岩體，以及節理裂隙發(fā)育且無規律的岩體，也可視爲多孔介質進(jìn)行計算。

對(duì)于十分重要或地質條件複雜的水利水電樞紐，宜選取足夠大的滲流域，進(jìn)行樞紐壩區的三維滲流計算，确保滿足上述三項指标。

對(duì)土石壩，還(hái)應确定浸潤線的位置。

五、沉降計算

土石壩設計時(shí)要确定壩體和壩基在自重作用下的沉降量與時(shí)間的關系及完工後(hòu)的總沉降量。據此計算竣工後(hòu)爲抵消沉降而預留的壩頂超填，預測不均勻沉降量，判斷壩體産生裂縫的可能(néng)性和預防措施。常用分層總和法計算，即把壩體壩基分爲若幹層，根據壩體和壩基土的壓縮曲線計算時(shí)刻t各層中心所受豎向(xiàng)總應力、孔隙壓力、有效應力及相應沉降量;將(jiāng)各層沉降量疊加，得到時(shí)刻t及完工後(hòu)壩體和壩基的沉降量。

六、應力應變計算

高土石壩一般要用有限元法計算壩體壩基及岸坡接頭在填土自重及其他荷載作用下的填土應力應變，以判斷是否發(fā)生剪切破壞、有無過(guò)量的變形、是否存在拉力區和裂縫、防滲土體是否發(fā)生水力劈裂，爲壩體穩定分析和與土壩連接建築物設計提供依據。

七、抗震設計

強烈的地震往往造成(chéng)極大的破壞，水庫的修建往往可以誘發(fā)地震。水庫誘發(fā)地震主要是指由于水庫蓄水後(hòu)，庫水滲透到岩石中，使岩體孔隙水壓力增大，導緻斷層面(miàn)的有效應力減小、抗剪強度降低，以至産生滑動。通過(guò)抗震計算使水工建築物滿足穩定要求和強度要求。

爲了減小地震荷載，應將(jiāng)壩址選在地震運動較弱，對(duì)壩體抗震有利的地段，避開(kāi)不利的地段，不得在危險地段建壩。地震震級是表示地震時(shí)釋放能(néng)量大小的尺度。地震烈度是指某一地區地面(miàn)和各類建築物遭受一次地震影響的強弱程度。一次地震隻有一個震級，然而随震中距離的遠近，卻可以有不同的烈度。

地震荷載是大壩遭受地震時(shí)所承受的荷載，包括地震慣性力、水平向(xiàng)地震動水壓力和地震動土壓力。其大小與建築物所在地區的地震烈度有關。地震荷載計算方法有動力法和拟靜力法兩(liǎng)種(zhǒng)。

抗震設計時(shí)常用到基本烈度和設計烈度。基本烈度是指建築物所在地區在今後(hòu)一定時(shí)期内可能(néng)遭遇的最大地震烈度。作爲抗震設計中實際采用的烈度，稱爲設計烈度。對(duì)于重要建築物的設計烈度可在基本烈度的基礎上提高1度。

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