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扬压力

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所属类别:水工建筑物

基本信息

中文名称:扬压力
外文名称:

渗入建筑物及其地基内的水作用于计算截面上的向上的水压力。对于岩基上的混凝土坝,扬压力是假定混凝土和基岩均不透水,由于水渗入建筑物和地基内的水平或接近水平的界面(含裂缝、建基面的接触缝和坝体的水平施工缝等)而产生的作用在缝面上的面力。一般把渗水作用在缓倾角裂隙面或夹层面上的面力也叫扬压力。实际上,混凝土和基岩都是透水材料,渗流水通过材料孔隙形成对材料骨架的作用力,是一种体积力。只有当缝隙的透水性远大于坝体和岩体的透水性时,上述假定才接近实际。实践表明,在抗滑稳定计算的刚体极限平衡法和应力分析的材料力学法中,把渗流水对建筑物的作用按面力来处理是一种近似但能基本满足要求的方法。

扬压力是浮托力和渗透压力的总和。岩基上实体重力坝的扬压力分布如图1所示。浮托力强度为γ0H2(γ0为水的容重,H2为截面所承受的下游水头);渗透压力强度则各点不同,截面的上游端点处最大,等于γ0H(H为上下游的水位差),下游端点处为零。扬压力将减小建筑物有效重量,降低抗滑能力,因而它是一种不利荷载。为此,常在建筑物及其地基内设置阻渗和排水设施以减小扬压力。通常在坝踵附近的基岩内灌浆形成防渗帷幕,并在防渗帷幕的下游侧钻孔形成排水孔幕;在距上游坝面3~5 m处设置坝身排水孔[图1(a)],有时还在孔前采用抗渗能力较强的混凝土形成防渗层。当下游尾水位较高、浮托力较大时,可采用抽排降压措施,以减小浮托力。对于土基,常在坝踵或闸的上游端附近采用防渗措施,如铺盖、板桩、混凝土防渗墙以及灌浆帷幕等;常用的排水措施为连续的基面排水[图2(a)]。

图1 岩基上实体重力坝的防渗排水措施和扬压力分布示意图

(a)防渗排水设施和坝体水平截面扬压力分布;(b)有一个折点的坝底扬压力分布;(c)有两个折点的坝底扬压力分布;(d)无折点的坝底扬压力分布1—坝身排水孔;2—坝体扬压力分布;3—廊道;4—坝基排水孔;5—防渗帷幕

坝底扬压力分布与基岩的节理、裂隙、断层、破碎带等的分布和防渗、排水设施情况有关,难以精确求得。各国均根据以往的大量观测资料,按如下方法近似确定实体重力坝的坝底扬压力分布:①坝基无防渗、排水设施,坝底扬压力为直线分布,如图1(b)中的ABCDA所示。②坝基有防渗帷幕和排水孔幕,坝底扬压力为折线分布,但各国的假定不尽相同。大多数国家只采用一个折点,取在排水孔中心线与坝底相交处,渗透压力强度系数为α,扬压力分布如图1(b)中的ABCEDA;原苏联还在帷幕中心线与坝底相交处增加一个折点,其渗透压力强度系数为α1,排水孔与坝底相交处的渗透压力强度系数为α2,扬压力分布如图1(c)中的ABCEFDA;还有的国家(如瑞士、德国)采用线性分布的假定,但对坝踵处的渗透压力乘以强度系数(α0),扬压力分布如图1(d)中的ABCDA。渗透压力强度系数的取值,各国也有所不同。中国DL 5077—1997《水工建筑物荷载设计规范》规定,河床坝段α=0.25,岸坡坝段α=0.35;美国垦务局取α=0.33;日本规定α>0.2;原苏联采用的强度系数随坝的级别而异,1级坝α1=0.4、α2=0.2,2级坝α1=0.4、α2=0.15,3级坝和4级坝α1=0.3、α2=0;瑞士取α0=0.7~0.85;德国则取α0=0.5。

实体重力坝坝体内水平截面上的扬压力分布如图1(a),渗透压力强度系数(α3)的取值,各国也不完全相同,中国上述规范中取α3=0.15,美国垦务局则取α3=0.33。

宽缝重力坝、大头支墩坝、空腹重力坝和拱坝的坝基面和坝体内部计算截面上的扬压力分布图形、强度系数的取值可参见相关规范。

土基上闸、坝底面的渗透压力可根据具体情况选用布莱法、莱恩法、阻力系数法和流网法等进行计算或通过试验确定。闸底的扬压力分布如图2(b)。

图2 土基上水闸的防渗、排水设施和闸底扬压力示意图

(a)闸基的防渗、排水布置;(b)闸底扬压力分布1—铺盖;2—板桩;3—闸底板;4—护坦;5—排水孔;6—基面排水;7—铺盖底浮托力;8—闸底浮托力;9—铺盖底渗透压力;10—闸底渗透压力

采用有限单元法计算岩基上重力坝的变形和应力时,若假定坝体和坝基均为透水体,通过渗流计算可得坝体和坝基不同位置的渗流体积力,称为渗透力,以等效渗流荷载作用在渗流域的结点上,不再计算扬压力。

用分项系数极限状态设计法进行设计,根据中国DL 5077—1997规定,计算截面上的扬压力分布图形中的矩形部分的合力为浮托力代表值,作用分项系数采用1.0;图中其余部分的合力为渗透压力代表值,作用分项系数采用:实体重力坝1.2,宽缝重力坝、大头支墩坝、空腹重力坝及拱坝1.1。

早在1882年,英国的G.F.迪肯就已认识到扬压力的存在。1885年法国的布泽(Bouzey)坝失事,进一步证实了扬压力的存在。1882~1891年英国建造高41m的凡威(Vyrnwy)坝,就在坝内设置了碎石排水孔系统以降低扬压力。第一座在设计中考虑扬压力的重力坝是1900~1906年美国建造的沃楚西特(Wachusett)坝。此后100多年来,人们虽已在这方面做了不少工作,但岩基上混凝土坝坝底的扬压力分布、作用面积以及如何控制等问题,仍有待于进一步探讨。特别是作用面积问题,20世纪60年代各国的坝工规范均采用1.0的有效作用面积系数,但在20世纪70年代,原苏联通过分析研究并进行大面积的原型观测,在1977年颁发的规范规定岩基上的混凝土坝采用0.5的有效作用面积系数,因而这一问题还有深入探索的必要。

  
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