重力壩荷載及組合

第二節(jié)重力壩荷載及其組合作用是指外界環(huán)境對水工建筑物(水工結(jié)構(gòu))的影響。設(shè)計基限期內(nèi)只可能短暫出現(xiàn)(且量值很大)或可能不出現(xiàn)的作用稱。(地震和校核洪水)作用分類設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)量值基本不變的作用(自重、土壓力等)永久作用可變作用設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)量值隨時間的變化而與平均值之比不可忽略的作用(水荷載、溫度荷載等)偶然作用（按隨時間變異分）作用永久作用可變作用偶然作用結(jié)構(gòu)自重永久設(shè)備自重、土壓力、淤沙壓力(樞紐建筑物有排沙設(shè)施時可列為可變作用)、預(yù)應(yīng)力、地應(yīng)力、圍巖壓力等。靜水壓力、揚壓力、動水壓力、浪壓力、風(fēng)荷載、雪荷載、冰壓力、凍脹力、樓面(平臺)活荷載、橋機(jī)門機(jī)荷載、溫度作用、灌漿壓力等。地震作用、校核洪水位時的靜水壓力等。各種作用都有變異性或隨機(jī)性荷載類型和計算方法(一)自重(包括永久設(shè)備自重)重力是作用在重力壩上的主要荷載，大小由壩體體積V與材料容重的乘積求得。建筑物的結(jié)構(gòu)自重標(biāo)準(zhǔn)值，可按結(jié)構(gòu)設(shè)計尺寸及材料重度計算確定。一般混凝土的重度為23.0~23.5kN/m3，其他材料的重度可查閱有關(guān)資料。如果在壩體內(nèi)埋設(shè)塊石（一般不超過10%），將影響容重，其值可按塊石容重及埋石率計算。在計算壩體重量時，一般可忽略不同標(biāo)號混凝土密度間的微小差別。重力壩中配置的鋼筋數(shù)量不多，因此常忽略其影響。式中：

H——計算點處的作用水頭。即計算水位與計算點之間的鉛直高差，m；

r——水的容重。一般取9.8kN／m3，對于多泥沙渾水情況另定。(二)靜水壓力垂直作用于壩體表面某點處的靜水壓強(qiáng)p為作用于壩面的總靜水壓力，常分解為水平及豎向分力進(jìn)行計算水平力豎直力(三)動水壓力(三)動水壓力反弧段上動水壓力的總水平分力P

和垂直分力V分別為：

q—單寬流量V—反弧段最低點處斷面的平均流速

—反弧段起始半徑和末端半徑與鉛垂線間的夾角(四)揚壓力混凝土和地基都有一定的透水性，在上下游水位差作用下，會形成一個穩(wěn)定滲流場。揚壓力包括滲透壓力和浮托力兩部分。滲透壓力由壩體上下游水位差引起，而浮托力是由下游水位淹沒部分壩體時產(chǎn)生。揚壓力分布及數(shù)值的影響因素很多，設(shè)計時應(yīng)根據(jù)壩基地質(zhì)條件、防滲和排水措施、壩體的結(jié)構(gòu)型式，分別計算圖形。為了減小揚壓力，改善壩的應(yīng)力和穩(wěn)定條件，常在壩踵附近的壩基中灌漿，形成防滲帷幕，阻攔滲水，消減水頭；同時在防滲帷幕后邊鉆孔，形成排水孔幕，將滲過、繞過防滲帷幕的滲水排至廊道，輸送到下游。后者減壓效果往往更為顯著。1．壩基面上的揚壓力(四)揚壓力壩底揚壓力形成原因：①上下游水位差；②砼、巖石都是透水材料。由于基巖節(jié)理裂隙很不規(guī)則，難以求出壩底揚壓力的準(zhǔn)確分布，故通常假定揚壓力從壩踵到壩趾成直線變化。一般揚壓力強(qiáng)度可以用水的容重乘以水頭得到。(四)揚壓力

1．壩基面上的揚壓力（1）當(dāng)壩基設(shè)有防滲帷幕和排水孔時，下游壩趾處（浮托力壓力強(qiáng)度）為γwH2；滲透壓力呈折線分布，壩底面上游壩踵處全水頭為γw（H1—H2）=γwH，排水孔中心線處為αγwH，在壩址處為零，其間各段依次以直線連接。α為揚壓力折減系數(shù)，與巖體的性質(zhì)和構(gòu)造，帷幕深度和厚度，灌漿的質(zhì)量，排水孔的直徑、間距、深度等有關(guān)。規(guī)范規(guī)定：河床壩段α=0.2~0.3

岸坡壩段α=0.3~0.4（2）當(dāng)壩基僅設(shè)有防滲帷幕而無排水孔時，滲透壓力分布為：壩踵處全水頭為γwH，帷幕中心線處為αγwH，α=0.5~0.7，在壩址處為零。（3）當(dāng)壩基僅設(shè)有排水孔而無防滲帷幕時，滲透壓力分布為：壩踵處全水頭為γwH，排水孔中心線處為αγwH，α=0.3~0.5，在壩址處為零。（4）為了有效地減小壩基揚壓力，還可在壩基面設(shè)置縱、橫排水廊道和基面排水孔。但在設(shè)計中通常不考慮它們的排水減壓作用，僅作為安全儲備。當(dāng)下游尾水位較高，壩基條件較好，可采用抽排降壓措施，即在壩基內(nèi)設(shè)置低于上述排水系統(tǒng)的集水井和自動抽水設(shè)備，在下游壩趾增設(shè)一道防滲帷幕和排水孔幕。揚壓力分布為：壩踵處全水頭為γwH1，在排水孔幕處為α1γwH1，排水廊道段為α2γwH2，壩址處為γwH2。其中α1，α2為揚壓力折減系數(shù)。

α1在河床段取0.2~0.3，在岸坡壩段取0.3~0.4；α2=0.3~0.5。2、壩身揚壓力（見下左圖）。

壩身排水管折減系數(shù)α3=0.15~0.3為了減小壩體內(nèi)揚壓力，常在上游壩面附近3~5m范圍內(nèi)提高混凝土的防滲性能，形成防滲層，其后設(shè)置壩身排水管。H1’當(dāng)計算截面在下游水位以下時，上游面為γwH’1，壩體排水管幕處為γw(H’2+αH’1)

，一般采用α=0.15~0.3，下游壩面處為γwH’2，其中H’1是計算截面以上的上游水深，H’2是計算截面以上的下游水深。當(dāng)計算截面在下游水位以上時，上游面為γwh’1，壩體排水管幕處為αγwh’1

，下游壩面處為0，排水管幕與下游壩面之間按直線變化。壩體內(nèi)計算截面的揚壓力分布圖形，可根據(jù)壩型及其壩內(nèi)排水管的設(shè)置情況確定。(五)淤沙壓力淤沙壓力是擋水建筑物前由于河流泥沙淤積而在淤積厚度范圍內(nèi)作用于壩面的一種土壓力。由于淤沙壓力淤積高程隨時間逐年增加，因此在確定淤沙壓力時，先要規(guī)定一個淤積年限，然后再根據(jù)河流的挾沙量估算壩前淤積高程。淤積計算年限可取為50～100年，對于多泥沙河流應(yīng)專門研究。由于壩前泥沙是逐年淤高逐年固結(jié)的，淤沙重度和內(nèi)摩擦角亦逐年變化，且各層不同，因而淤沙壓力難以精確確定，根據(jù)朗肯主動土壓力公式，作用于單位長度擋水結(jié)構(gòu)上的水平淤沙壓力標(biāo)準(zhǔn)值可按下式計算：（六）浪壓力由于風(fēng)的作用，在水庫內(nèi)形成波浪，它不但給閘壩等擋水建筑物直接施加浪壓力，而且波峰所及高程也是決定壩高的重要依據(jù)；浪壓力與波浪要素有關(guān)，波浪要素包括波浪的長度、高度及波浪中心線高出靜水位的高度。壩前水深不小于半波長水域的底部對波浪運動沒有影響，這時鉛直壩面上的浪壓力分布應(yīng)按立波概念確定。壩前水深小于半波長，但不小于使波浪破碎的臨界水深淺水波，水域底部對波浪運動有影響，浪壓力分布也到達(dá)底部壩前水深小于臨界水深為破碎波浪壓力分布（七）冰壓力在氣候嚴(yán)寒地區(qū)，冬季水庫表面結(jié)成冰蓋，但當(dāng)氣溫回升時（仍低于0℃），冰蓋膨脹對邊界（岸坡、壩面等）產(chǎn)生的擠壓力稱為靜冰壓力。當(dāng)冰蓋解陳后，冰塊隨水流漂移。流冰撞擊壩面等建筑物上產(chǎn)生的撞擊力，稱為動冰壓力。冰壓力包括靜冰壓力和動冰壓力。

1．靜冰壓力靜冰壓力沿冰厚方向的分布，基本上呈現(xiàn)上大下小的倒三角形，故可認(rèn)為靜冰壓力的合力作用點在冰面以下冰厚的1/3處。靜冰壓力的大小與建筑物形態(tài)以及冰本身的抗擠壓強(qiáng)度有關(guān)。

2．動冰壓力作用于鉛直壩面的動冰壓力，與冰塊抗壓強(qiáng)度、冰塊厚度、平面尺寸和運動速度有關(guān)。冰壓力在較高的重力壩設(shè)計荷載中常不起控制作用，特別是當(dāng)水庫操作頻繁或冬季水位長期較低時，?？珊雎圆挥嫛τ诘蛪?、閘墩、胸墻等結(jié)構(gòu)，當(dāng)冰層較厚或水庫吹程不大時，冰壓力可能成為主要荷載，設(shè)計時應(yīng)加以考慮。（八）地震荷載地震會引起對水工建筑物的動力作用，包括地震慣性力、地震動水壓力和動土壓力。在考慮地震作用時，常用到地震的基本烈度和設(shè)計烈度兩個概念。根據(jù)SL203-97《水上建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，水工建筑物的工程抗震設(shè)防類別，應(yīng)根據(jù)其重要性和工程場地基本烈度確定。各類工程抗震設(shè)防類別的水工建筑物，除土石壩、水閘應(yīng)按其相關(guān)規(guī)定外，抗震作用效應(yīng)的計算方法，應(yīng)按照表1-7的規(guī)定采用。荷載組合按承載力極限狀態(tài)設(shè)計時，應(yīng)考慮兩種作用組合，即基本組合和偶然組合，在設(shè)計壩體斷面時，應(yīng)計算下列兩種組合?；窘M合是在持久狀況或短暫狀況下，永久作用與可變作用的(效應(yīng))組合。(1)壩體及其上永久設(shè)備自重。(2)靜水壓力。(3)相應(yīng)正常蓄水位或防洪高水位時的揚壓力