水工建筑物——重力坝.

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1、第一节 概述 重力坝是利用结构自重来维持稳定的一种古老坝形。 我国著名的重力坝：丹江口水库大坝、宜昌葛洲坝、三峡大坝。 第一章第一章 重力坝重力坝 第一节 概述 第一章第一章 重力坝重力坝 一、重力坝的特点 重力坝的基本剖面接近直角三角形，这是由重力坝的工作特点决定的 。 第一章第一章 重力坝重力坝 一、重力坝的特点 重力坝依靠自重维持稳定 上游坝面受三角形分布的水平水压力的作用；坝底受到梯形分布或 近乎三角形分布的扬压力作用。重力坝利用自重来抵抗水平水压力和扬 压力，保证大坝抗滑稳定和抗倾稳定，所以重力坝剖面近似三角形。 重力坝可采用河床是溢洪道 坝顶允许溢流，可以建河床式溢洪道，这意味着免

2、除河岸溢洪道工 程量、便于枢纽布置、便于施工导流 。 设计、施工都比较简单 抵御特殊灾害的能力比较强 坝顶允许溢流遇到超标准洪水不易垮坝 坝体厚实、采用胶结材料抗震能力强 、 、 正是重力坝得到广泛采用的原因。 第一章第一章 重力坝重力坝 断面较大，带来一系列问题 需要更多的建筑材料，坝体内部应力小，材料强度得不到充分发挥 混凝土硬化时散发的大量水化热难以向外扩散，需大量冷却设备 扬压力大 二、重力坝的改进与发展 为了克服重力坝大块体结构带来的一系列弊端，国内外水利水电工 程技术人员对重力坝做出了许多改进。 第一章第一章 重力坝重力坝 二、重力坝的改进与发展 1. 结构方面的改进 采用宽缝重力

3、坝和空腹重力坝。 第一章第一章 重力坝重力坝 二、重力坝的改进与发展 2. 材料方面的改进 减少水泥用量，采用掺合料和外加剂，以减少混凝土硬化时产生的水 化热。 3.浇筑方式上的改进 采用碾压式快速浇筑方法，即在混凝土入仓后，用车碾子使混凝土 碾压密实代替振捣棒振捣密实，采用振动刀片切缝代替分块浇筑。当然 ，碾压式混凝土大坝要求采用干硬性贫混凝土 。 第一章第一章 重力坝重力坝 三、重力坝的组成与布置 重力坝通常由溢流坝段和非溢流坝段组成，两者之间设连接边墩和 导墙。溢流坝段通常设闸门控制，坝顶有闸墩和交通桥。 第一章第一章 重力坝重力坝 三、重力坝的组成与布置 第一章第一章 重力坝重力坝 三

4、、重力坝的组成与布置 重力坝坝址一般选在狭窄河谷，以节省工程量。但是有些工程为了布 置河床式溢洪道、坝后式水电站厂房和通航船闸，有时也选择在比较宽 的河谷建坝（如葛洲坝工程和三峡工程）。 重力坝的坝轴线一般采用直线布置，与河流流向垂直。这主要是避免 不良的受力条件 。 为了避免不均匀沉陷和控制温度应力，混凝土坝体通常沿坝轴线方向 设置垂直于坝轴线的永久性横缝，将大坝分割成许多坝段 。 第二节第二节 重力坝的荷载及荷载组合重力坝的荷载及荷载组合 一、重力坝的荷载 自重 静止水压力 扬压力 淤沙压力 浪压力 冰压力 土压力 动水压力 其他荷载 校核洪水静止水压力 校核洪水扬压力 校核洪水浪压力 校

5、核洪水动水压力 地震荷载 第二节第二节 重力坝的荷载及荷载组合重力坝的荷载及荷载组合 一、重力坝的荷载 1. 坝体及坝上永久设备的自重 坝体自重按坝体结构尺寸和材料容重计算。 坝上永久性设备包括闸门、固定式启门机等。 2. 静止水压力 作用于上下游坝面的静止水压力 按水力学公式计算，若上游坝面有折 坡，要分解为水平静止水压力和竖直 静止水压力 。 3.动水压力 动水压力是指水流流经建筑物表 面时，由于流速方向和大小发生改变 而对建筑物产生的作用力，垂直于建 筑物表面，多发生于溢流坝面 。 第二节第二节 重力坝的荷载及荷载组合重力坝的荷载及荷载组合 3. 动水压力 第二节第二节 重力坝的荷载及荷

6、载组合重力坝的荷载及荷载组合 4 .扬压力 （1）坝底扬压力 根据水力学知识，挡水建筑物在上下游水头差的作用下会发生地基渗流， 渗流对建筑物底部施加渗流压力。所谓扬压力就是渗流压力的竖直分量。显然 ，当坝底水平时，扬压力=渗流压力。 扬压力=渗透压力+浮压力 第二节第二节 重力坝的荷载及荷载组合重力坝的荷载及荷载组合 重力坝底部较宽，扬压力较大，不利于稳定。因此，中型以上重力坝 要采取防渗、排水措施。 第二节第二节 重力坝的荷载及荷载组合重力坝的荷载及荷载组合 （2）坝体扬压力 大坝挡水时，坝体存在渗流 坝体渗透压力（孔隙水压力）的 存在 增大了坝体应力水平 上游坝面采用防渗混凝土，形成 防渗

7、层，在防渗层之后设置排水管 同一水平截面孔隙水压力近似按 直线分布（有防渗排水设施时按折 线分布）考虑。 第二节第二节 重力坝的荷载及荷载组合重力坝的荷载及荷载组合 5.淤沙压力 泥沙压力计算类似土压力，但是淤沙的高度逐年变化、逐年固结，泥沙 的容重和内摩擦角也逐年变化，所以难于精确计算。 对于大中型水库，通过模型试验， 并参考类似已建水库的实测资料，综 合分析确定淤积年限的坝前泥沙淤积 高程 。小型水库，一般淤沙年限20 25年 第二节第二节 重力坝的荷载及荷载组合重力坝的荷载及荷载组合 6. 浪压力 由于风的作用，在水域内形成波浪，对坝面产生作用力。 水的阻力比空气阻力大，因而波峰比较尖锐

8、，波谷比较平坦，导致波 浪中心线高出静水面 。 浪压力与波浪要素有关，波浪要素包括波浪长度、高度及波浪中心线 高出静水面的高度、波速及波的周期 。 第二节第二节 重力坝的荷载及荷载组合重力坝的荷载及荷载组合 （1）波浪要素计算 水电工程设计规范建议： 对于平原、滨海地区水库，采用莆田（福建地名）试验站公式计算波高 和波长； 对于丘陵、平原地区水库，采用鹤地（湛江地区）水库公式计算波高和 波长； 对于内陆狭长水库，采用官厅水库（位于河北）公式计算波高和波长。 下面以官厅公式为例说明波浪要素的计算: 第二节第二节 重力坝的荷载及荷载组合重力坝的荷载及荷载组合 （1）波浪要素计算官厅水库公式: 第二

9、节第二节 重力坝的荷载及荷载组合重力坝的荷载及荷载组合 （1）波浪要素计算官厅水库公式: 第二节第二节 重力坝的荷载及荷载组合重力坝的荷载及荷载组合 （1）波浪要素计算风区长度D（有效吹程m）的确定 当坝前水域较宽，并且主风向大致迎大坝正面吹来时，吹程D为计算点至对岸的 直线距离； 当坝前水域狭窄或沿风向局部缩窄且缩窄处的宽度B小于12倍计算波长时，取 D=5B，同时不小于计算点至缩窄处的距离； 当沿风向两侧的水域不规则时，按主风向和两侧射线方向吹程和夹角计算等效 风区长度： 第二节第二节 重力坝的荷载及荷载组合重力坝的荷载及荷载组合 （1）波浪要素计算波浪中心线高出静水位的高度 （2）浪压力

10、计算 作用于铅直迎水面建筑物的浪压力计算，按三种情况考虑： 第二节第二节 重力坝的荷载及荷载组合重力坝的荷载及荷载组合 （2）浪压力计算 深水波 第二节第二节 重力坝的荷载及荷载组合重力坝的荷载及荷载组合 （2）浪压力计算 浅水波 第二节第二节 重力坝的荷载及荷载组合重力坝的荷载及荷载组合 （2）浪压力计算 破碎波 第二节第二节 重力坝的荷载及荷载组合重力坝的荷载及荷载组合 7.冰压力 （1）静冰压力 寒冷地区水库表面冬季结成冰盖，气温回升时，冰盖会发生膨胀， 如果建筑物限制了冰盖膨胀，冰盖将对建筑物表面产生作用力。 目前没有合适的公式计算静冰压力，规范建议作用于单位长度坝面 的静冰压力按P3

11、0表1-3取值。 冰压力与温度回升的速度有关，如果温升比较慢，冰盖产生塑性变形 ，使膨胀力得到释放，作用在建筑物表面的压力就会减小。 冰盖的膨胀作用力大小还与冰盖的支撑条件有关，譬如对于土质水库 岸坡，冰盖膨胀时使土壤发生变形，并且冰盖还会沿坡上爬，也就是说 土坡对冰盖膨胀的阻力较小，因此，冰盖膨胀对土坡的作用力也比较小 。 第二节第二节 重力坝的荷载及荷载组合重力坝的荷载及荷载组合 7.冰压力 （2）动冰压力 第二节第二节 重力坝的荷载及荷载组合重力坝的荷载及荷载组合 8. 地震荷载 地震荷载是一种瞬时发生的特殊荷载，对重力坝而言主要有地震惯性力（ 水平、铅直）和地震动水压力。 我国“水工建

12、筑物抗震设计规范”规定： 建筑物抗震设计中对地震烈度6度以下地区，不考虑地震影响。 水工建筑物一般只考虑危害最大的水平方向地震作用；对设计烈度为8、9度 的I、II级挡水建筑物，同时计入水平、竖直方向的地震惯性力，但是竖向动水压 力一般不考虑。 水利水电工程的地震设防标准取决于当地的地震基本烈度和建筑物级别，划分 有甲、乙、丙、丁4个设防类别 。 地震荷载计算方法有拟静力法和动力法。对于地震设防为甲类的工程，采用动 力法计算；对于抗震设防为乙、丙类的设计烈度低于8度且坝高不超过70m的重 力坝可采用拟静力法。 拟静力法是将地震对建筑物的影响用等效静荷载代替从而可采用静力分析方 法。本课程只介绍

13、拟静力法计算重力坝地震荷载。 第二节第二节 重力坝的荷载及荷载组合重力坝的荷载及荷载组合 （1）地震惯性力 重力坝沿坝轴线方向刚度大，一般只考虑顺水流方向水平向地震荷载 。 对于顺河流水平方向的地震惯性力，满库时按地震波向上游传播考 虑，坝体受到指向下游的地震惯性力；库空时按地震波向下游传播，地 震惯性力指向上游。 第二节第二节 重力坝的荷载及荷载组合重力坝的荷载及荷载组合 （1）地震惯性力 （2）地震动水压力 第二节第二节 重力坝的荷载及荷载组合重力坝的荷载及荷载组合 （9）其他荷载 作用于重力坝其他荷载包括风荷载、雪荷载等，由于对重力坝的影 响比较小，一般情况下可以不考虑。 二、荷载组合

14、除自重荷载之外，前面介绍的重力坝荷载总是变化的，而且这些荷 载存在的概率也是变化的，设计时应考虑这些荷载同时出现的可能性， 也就是说要研究荷载的组合情况。 在规定的计算情况下，同时作用在结构上的荷载的集合，称 为荷载组合。 荷载组合的可能方式很多，一般选择建筑物在施工、运行、检修期 间可能出现的不利组合作为设计依据。建筑物设计时考虑的荷载组合通 常有基本荷载组合和特殊荷载组合。 第二节第二节 重力坝的荷载及荷载组合重力坝的荷载及荷载组合 二、荷载组合 1. 基本荷载组合 基本荷载组合是由经常出现的荷载组成的荷载集合，用于建筑物的正 常设计情况。由于出现的概率较大，设计规范中规定了较大的安全系数和 安全超高。 2.特殊荷载组合 特殊荷载组合是指包含特殊荷载（偶然出现的荷载）的组合，用于校 核情况。由于出现的概率小，故安全系数和安全超高均较小 。 混凝土重力坝设计规范SL319-2005规定了重力坝设计中应考虑的几 种基本荷载组合和特殊荷载组合，见表1-6 。