第三章重力壩

第三章重力壩第一節(jié)概述一、發(fā)展概況根據(jù)歷史記載，最早的重力壩是公元前古埃及在尼羅河上修建的一座高15米、頂長450米的擋水壩。人類歷史上修建的第一批堰、壩，都是利用結(jié)構(gòu)自重來維持穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，安全可靠。

1962年瑞士建成了世界上最高重力壩壩高285米。從1949--1985年，我國在已建成的壩高30米以上的113座混凝土壩中，重力壩達(dá)58座，占總數(shù)的51%。50年代首先建成了高105m的新安江和高71m的古田一級兩座寬縫重力壩。二、研究技術(shù)早期：理論計算和模型試驗相結(jié)合的方法設(shè)計。80年代后針對專門問題：現(xiàn)代設(shè)計理論和分析方法設(shè)計。三、重力壩工作特點1、重力壩的工作原理重力壩－－依靠自重維持穩(wěn)定。工作原理概括為穩(wěn)定和強度兩點要求。（1）穩(wěn)定依靠壩體自重在壩基面上產(chǎn)生摩擦阻力來抵抗水平水壓力以達(dá)到穩(wěn)定要求。（2）強度（應(yīng)力）利用壩體自重在水平截面上產(chǎn)生的壓應(yīng)力來抵消由于水壓力所引起的拉應(yīng)力，以滿足強度要求。2、重力壩的工作特點

(1)斷面尺寸大，抗沖能力強，抵抗?jié)B漏、漫頂破壞的能力強，在各種壩型中失事率最低;(2)對地形地質(zhì)條件適應(yīng)性強;

(3)泄流和施工導(dǎo)流問題容易解決;

(4)結(jié)構(gòu)作用明確，便于機械化施工;

(5)材料強度不能充分利用;(6)底部揚壓力大，對穩(wěn)定和應(yīng)力不利;

(7)體積大，水化熱不易散發(fā)，溫控要求高;四重力壩類型(一）按結(jié)構(gòu)分1實體重力壩（solidgravitydam)優(yōu)點：設(shè)計施工方便，結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)力分布明確。缺點：內(nèi)部應(yīng)力小，材料浪費，壩基揚壓力大。2寬縫重力壩（slottedgravitydam）優(yōu)點：揚壓力小，工程量小，便于壩內(nèi)檢查。缺點：施工復(fù)雜，模板用量大。3空腹重力壩（lacedgravitydam）優(yōu)點：進一步降低揚壓力，內(nèi)部可設(shè)廠房。缺點：施工復(fù)雜，腹孔附近存在一定的拉應(yīng)力區(qū)，需配鋼筋。4預(yù)應(yīng)力重力壩、裝配式重力壩（二）按作用分非溢流重力壩、溢流重力壩（三）按材料分混凝土、漿砌石重力壩等深式泄水孔+溢流壩=泄水壩，完全不泄水=擋水壩五、重力壩的布置1重力壩的組成由溢流壩段、非溢流壩段和兩者之間的連接邊墩、導(dǎo)墻以及壩頂建筑物等組成。2重力壩的布置六、重力壩的設(shè)計內(nèi)容①總體布置:壩軸線、組成建筑物的位置；②剖面設(shè)計；③穩(wěn)定分析；④應(yīng)力分析；⑤構(gòu)造設(shè)計；⑥地基處理；

⑦溢流壩或泄水孔設(shè)計；⑧監(jiān)測設(shè)計；⑨施工方法；⑩施工組織設(shè)計第二節(jié)重力壩的荷載一、荷載荷載－－作用；作用在重力壩上的主要荷載有:壩體自重、上下游壩面上的水壓力、揚壓力、浪壓力、土壓力（泥沙壓力）、地震荷載及冰壓力等。1自重（deadload/deadweight）壩體自重W是重力壩的主要荷載之一。W=γ×V+ωγ為材料容重，V為壩的體積，ω為壩上永久設(shè)備重。2、壩面上的水壓力（water/hydraulicpressure）（1）靜水壓力（static～）水面下水深y處的壓強為壩面上的靜水壓力，為水的容重。上游面傾斜可將水壓力分解為水平水壓力和垂直水壓力。

（2）動水壓力（dynamic～）3、揚壓力（upliftpressure)定義：揚壓力是作用在壩基面和壩體內(nèi)部的一種重要荷載。壩基揚壓力包括兩部分①下游水深引起的浮托力；②由水頭差引起的滲透壓力。滲透壓力從上游向下游逐漸消減，揚壓力對壩體穩(wěn)定和應(yīng)力不利。（1）壩基揚壓力定義：壩底水平面承受垂直向上的總水壓力稱為壩底揚壓力。（2）壩體內(nèi)部揚壓力（3）減小揚壓力的措施

①設(shè)帷幕

②設(shè)排水4、浪壓力（1）波高2hL、波長2LL及h0（1）壩前水深H1>LL

（書P21公式2-6）注：靜水面處波浪壓強最大5、土壓力（earth/soilpressure）主動土壓力、被動土壓力－根據(jù)壩外是否有填土而定。泥沙壓力－6、地震荷載（earthquake/seismicload）地震荷載包括:地震慣性力（～inertiaforce）地震動水壓力(激蕩力)（～hydrodynamicforce/pressure)地震動土壓力（～dynamicsoilpressure）(地震對揚壓力、泥沙壓力的影響一般不考慮)。地震荷載的大小與建筑物所在地區(qū)的烈度有關(guān)，烈度又分基本烈度和設(shè)計烈度兩種。.計算方法①擬靜力法——把地震荷載以靜力形式加到建筑物上適用H≤150米（H壩高）②動力分析法——振型疊加求地震荷載一般可按“水工建筑物抗震規(guī)范”的擬靜力法計算。7、冰壓力（icepressure）（1）靜冰壓力目前還沒有系統(tǒng)的理論分析，可查表2-5（P26）。可從表中選用單位面積的冰壓力乘以冰厚即為作用在每米壩長的靜冰壓力

P冰=f(T0,VT,h)式中：T0,VT,h分別為升溫時氣溫、升溫速率和冰厚。（2）動冰壓力當(dāng)冰塊的運動方和與壩軸線的交角80o~90o時，動冰壓力為式中：Vb－冰塊流速，一般不大于0.6m/s；db和Ab分別為冰塊厚度和面積；Kb為系數(shù)，與冰的抗碎強度有關(guān)。

二、荷載組合1、荷載特點（1）除自重外，其它荷載是隨機變量（2）荷載的遇合機率校核水位、地震；浪壓力等（與靜冰壓力不同時存在）。2、荷載分類舊規(guī)范（SDJ21-1978和1984補充規(guī)定)：(P28表2-6)（1）基本荷載（base/basicload)—作用在壩上的機率較多的荷載（2）特殊荷載（specialload）—作用在壩上的機率比較小的荷載新規(guī)范（DL5108-1999):（1）永久作用荷載－不隨時間變化的－－如自重、土壓力等（2）可變作用荷載－隨時間變化的如水壓力、揚壓力、溫度等；（3）偶然作用荷載－偶然發(fā)生的如地震、校核水位下的水壓力等.可變作用是指在設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)作用的量值隨時間變化與平均值之比不可忽略的作用。3、荷載組合舊規(guī)范（SDJ21-1978和1984補充規(guī)定)：(P28表2-6)基本組合：水庫處于正常運用情況下，可能發(fā)生的荷載組合。由基本荷載組成，又稱設(shè)計情況。特殊組合：水庫處于非常運用情況下，可能發(fā)生的荷載組合。由基本荷載＋一種或幾種特殊荷載組成，又稱校核情況。新規(guī)范（DL5108-1999):按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計：

基本組合：持久或短暫狀況下，永久作用和可變作用的效應(yīng)組合。偶然組合：偶然狀況下，永久作用、可變作用與一種偶然作用的效應(yīng)

組合。按正常使用極限狀態(tài)設(shè)計：短期組合：持久或短暫狀況下，可變作用的短期效應(yīng)與永久作用效應(yīng)的組合。長期組合：持久狀況下，可變作用的長期效應(yīng)與永久作用效應(yīng)的組合?；窘M合：式中分項系數(shù)是考慮結(jié)構(gòu)安全級別（重要性）(γ0)、設(shè)計狀態(tài)(ψ)、作用(荷載)(γf)、材料性能變異性(γm)以及計算模式不定性(γd)的修正系數(shù)。結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)(γ0)－用以反映不同結(jié)構(gòu)安全級別對結(jié)構(gòu)可靠度的不同要求，對應(yīng)結(jié)構(gòu)安全級別為

Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的結(jié)構(gòu)及構(gòu)件，可分別取1.1，1.0，0.9；設(shè)計狀況系數(shù)(ψ)－用以反映不同設(shè)計狀況的目標(biāo)可靠指標(biāo)不同，

分別對應(yīng)持久狀況、短暫狀況、偶然狀況。對重力壩

ψ分別為1.0，0.95，0.85；S(?)－作用效應(yīng)函數(shù)；R(?)－結(jié)構(gòu)及構(gòu)件抗力函數(shù)。γG，GK－永久作用分項系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)值；γQ，QK－可變作用分項系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)值；fK，γm－材料性能標(biāo)準(zhǔn)值和分項系數(shù)；αK，γd1－幾何參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值、基本組合結(jié)構(gòu)系數(shù)。（1）承載能力極限狀態(tài)偶然組合：式中：AK，γd2－偶然作用代表值、偶然組合結(jié)構(gòu)系數(shù)。（2）正常使用極限狀態(tài)短期組合：長期組合：式中：C1、C2－結(jié)構(gòu)的功能限值；

Ss(?)、S1(?)－作用效應(yīng)的短期組合、長期組合時的效應(yīng)函數(shù)。γd3、γd4－正常使用極限狀態(tài)短期組合、長期組合時的結(jié)構(gòu)系數(shù)；ρ－可變作用標(biāo)準(zhǔn)值的長期組合系數(shù)，現(xiàn)規(guī)范取1。4、設(shè)計狀況根據(jù)“水利水電工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)”（GB50199-94)，結(jié)構(gòu)設(shè)計按以下三種狀況設(shè)計：（1）持久狀況：正常使用過程中，一定出現(xiàn)且持續(xù)時間很長。（2）短暫狀況：施工、檢修或使用過程中短暫出現(xiàn)。（3）偶然狀況：出現(xiàn)幾率很小，持續(xù)時間短。三種狀況均應(yīng)按承載能力極限狀態(tài)進行設(shè)計。同時（1）持久狀況，尚應(yīng)按正常使用極限狀態(tài)設(shè)計；（2）短暫狀況，可根據(jù)需要按正常使用極限狀態(tài)設(shè)計；（3）偶然狀況，可不按正常使用極限狀態(tài)設(shè)計；第三節(jié)重力壩的穩(wěn)定分析一、穩(wěn)定分析(stabilityanalysisagainstsliding）的目的驗算重力壩在各種可能荷載組合下的穩(wěn)定安全度。二、失穩(wěn)破壞的可能類型1、滑動：壩體沿抗剪能力不足的薄弱層面產(chǎn)生滑動，包括沿壩基面滑動和深層地質(zhì)結(jié)構(gòu)面滑動。2、傾倒滑移：荷載作用下，上游壩踵區(qū)受拉裂開，下游壩址區(qū)壓碎產(chǎn)生傾倒滑移。三、分析方法舊規(guī)范：安全系數(shù)法即抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)（safetyfactoragainstsliding）等于抗滑力與所受的滑動力之比。新規(guī)范：承載能力極限狀態(tài)法計算。四、沿壩基面的抗滑穩(wěn)定分析1、抗滑穩(wěn)定計算公式(安全系數(shù)法)（1）摩擦公式當(dāng)滑動面為水平面時當(dāng)滑動面為傾向上游的傾斜面時（2）抗剪斷強度公式(滑動面為水平面)2、對摩擦公式和抗剪斷公式的討論抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K和K′取值不同（P30,表2-7）。（1）摩擦公式忽略了壩體與基巖的膠結(jié)作用，沒考慮c′的作用不能，因此，K取的較小。（2）抗剪斷強度公式考慮了壩體與基巖的膠結(jié)作用，計入了全部抗滑潛力，且c′現(xiàn)場測值不穩(wěn)，因此，K′取值較大。3、計算參數(shù)確定

f′、c′和f的大小對抗滑穩(wěn)定影響很大，若取大則安全沒有保證，取小了浪費。如何選取C、f值是計算穩(wěn)定安全系數(shù)的關(guān)鍵。

f′、c′和f值以野外現(xiàn)場試驗成果為基礎(chǔ)，結(jié)合室內(nèi)試驗結(jié)果，由地質(zhì)、試驗和設(shè)計人員共同分析確定。其中現(xiàn)場試驗成果，f′、c′采用測定峰值的小值平均值；f采用屈服極限值或比例極限值。五沿壩基深層的抗滑穩(wěn)定分析1、方法（1）剛體極限平衡法優(yōu)點：概念清楚，計算簡便，任何工程均可采用。缺點：不能考慮受力后變形的影響，極限狀態(tài)和允許工作狀態(tài)有出入。（2）有限單元法超載法：滑動面處于臨界狀態(tài)時，外荷載增大倍數(shù)作為安全系數(shù)。強度儲備法：滑動面處于臨界狀態(tài)時，抗剪參數(shù)的降低倍數(shù)作為安全 系數(shù)。剪力比例法：有限元法計算滑動面正應(yīng)力和剪應(yīng)力，求出滑動面上滑動力和抗滑力的比值作為安全系數(shù)優(yōu)點：可以分析計算位移場和應(yīng)力場以及破壞發(fā)展情況。缺點：模型建立和參數(shù)取值困難，計算工作量大。（3）地質(zhì)力學(xué)模型試驗法優(yōu)點：可以模擬基巖結(jié)構(gòu)、強度和變形特性以及顯示滑移破壞過程。缺點：模擬內(nèi)容不完善。2、剛體極限平衡法基于剛體極限平衡原理的抗滑穩(wěn)定分析方法有被動抗力法、剩余推力法和等安全系數(shù)法等。（1）被動抗力法假定BC面處于極限平衡狀態(tài)，求出抗力R；然后將R作用在滑動塊ABD，按抗剪斷公式（或摩擦公式）求出滑動體ABD的穩(wěn)定安全系數(shù)。（如右圖）（2）剩余推力法與被動抗力法相反，假定AB面處于極限平衡狀態(tài)，求出抗力R；然后將R作用在滑動塊BDC，按抗剪斷公式（或摩擦公式）求出滑動體BDC的穩(wěn)定安全系數(shù)。（3）等安全系數(shù)法將滑動塊和阻滑塊具有相等的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)來計算。用試算法或迭代法聯(lián)立求解以下方程式，求得整個滑動體的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。滑動塊(ABD)：阻滑塊(BCD):3深層整體抗滑穩(wěn)定分析若滑動巖體比較完整堅固，BD面上的抗剪強度足以承擔(dān)其剪力，則應(yīng)按整體深層滑動穩(wěn)定計算。最大抗滑力矩和滑動力矩之比即為深層整體抗滑穩(wěn)定的安全系數(shù)。六、岸坡壩段的抗滑穩(wěn)定分析重力壩岸坡壩段的壩基面是一個傾向河床的斜面，則在水壓力作用下有向下游的滑動趨勢，在自重作用下還有向河床滑動的趨勢。七、提高抗滑穩(wěn)定性的工程措施（1）將近水面做成傾斜或折坡形，利用水重來增加壩體的抗滑定，但坡控制在1：0.1~1:0.2）否則上游面出現(xiàn)拉應(yīng)力；適用于f較小的情況。（2）將壩基礎(chǔ)面開挖成傾向上游的斜面，將岸坡開挖成若干高差不大的平臺，增加側(cè)向抗滑力。（3）利用地形地質(zhì)特點，在壩踵和壩趾設(shè)置齒墻。（4）防滲排水或抽水措施，降低揚壓力。（5）預(yù)加應(yīng)力提高抗滑穩(wěn)定性。第四節(jié)重力壩的應(yīng)力分析一、應(yīng)力分析的目的與方法

（一）目的檢驗大壩在施工期與運用期是否滿足強度要求；同時也是為了解決設(shè)計與施工中的某些問題。（二）方法應(yīng)力分析方法分為理論計算和模型試驗兩大類。理論計算又分為材料力學(xué)法和彈性理論法等。理論計算方法常用的有材料力學(xué)法、彈性理論的解析法、有限單元法。強度要求判別：安全系數(shù)法和極限狀態(tài)法。（三）過程(1)先進行荷載計算和荷載組合；(2)選擇適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM行應(yīng)力計算；(3)檢驗壩體各部位的應(yīng)力是否滿足強度要求。二、應(yīng)力分析的材料力學(xué)法假定：(1)壩體混凝土為均質(zhì)、連續(xù)、各向同性的彈性材料。(2)壩段為固接于地基上的懸臂梁。(3)壩體水平截面上的正應(yīng)力按直線分布。（一） 邊緣應(yīng)力的計算1、水平截面上的邊緣正應(yīng)力和式中：ΣW－作用于計算截面上全部荷載的垂直分量的總和;ΣM－作用于計算截面上全部荷載對截面垂直水流流向形心距的力矩總和；

B－計算截面長度。水平外力向上游為正，鉛值向下為正；力矩逆時針為正，正應(yīng)力壓為正，剪應(yīng)力以拉伸對角線在一、三像限為正2、邊緣剪應(yīng)力3、鉛垂截面上的邊緣正應(yīng)力4、邊緣主應(yīng)力5、有揚壓力時邊緣應(yīng)力的計算式中：ΣW、ΣM計入相應(yīng)揚壓力荷載。（二） 內(nèi)部應(yīng)力的計算原則：在邊緣應(yīng)力求得以后，利用平衡條件推算壩體內(nèi)部應(yīng)力1、壩體內(nèi)部應(yīng)力的平衡條件如圖為壩內(nèi)微元體受力狀態(tài)2、壩內(nèi)水平截面上的正應(yīng)力根據(jù)σy在水平面上呈直線分布假定a、b可由邊界條件和邊緣應(yīng)力得到。3、壩內(nèi)剪應(yīng)力將代入微元體的平衡方程，可得剪應(yīng)力τ沿x軸呈二次拋物線分布。即4、壩內(nèi)正應(yīng)力5、壩內(nèi)主應(yīng)力求得把內(nèi)各點的三個應(yīng)力分量σy、τ、σx后，可根據(jù)材料力學(xué)公式求得該點的主應(yīng)力σ1、

σ2和第一主應(yīng)力方向φ1。式中φ1以順時針方向為正，σy>σx,自鉛直線量?。沪襶<σx,自水平線量取。6、有揚壓力的壩內(nèi)應(yīng)力實際上由于壩體及壩基的防滲、排水等作用，水平截面上的揚壓力一般呈折線分布。計算時，可將揚壓力分解為一個全截面呈梯形或三角形分布和一個在上游部分呈局部三角形分布的圖形。三、重力壩的應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)通過應(yīng)力分析，求出壩體斷面內(nèi)的應(yīng)力場，就可據(jù)以判斷重力壩是否滿足強度要求。應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)與計算的方法有關(guān)，重力壩設(shè)計規(guī)范（DL5108-1999)規(guī)定的應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)是按材料力學(xué)法計算的應(yīng)力指標(biāo)。有限元計算的應(yīng)力，其控制標(biāo)準(zhǔn)參照類似工程。（一）壩基面應(yīng)力的控制標(biāo)準(zhǔn)1、運用期在各種荷載作用下，壩基面下游邊緣的最大垂直正應(yīng)力小于基巖容許壓應(yīng)力力（分別計入和不計入揚壓力）；壩基面上游邊緣最小正應(yīng)力應(yīng)大于零（計入揚壓力），即不產(chǎn)生拉應(yīng)力，以防壩體與地基接觸面被拉裂而導(dǎo)致防滲帷幕的破壞。2、施工期對下游壩基面的垂直正應(yīng)力允許有不大于0.1MPa的拉應(yīng)力。壩基面的容許壓應(yīng)力是根據(jù)巖石抗壓強度結(jié)合壩基地質(zhì)條件除以安全系數(shù)確定（二）壩體應(yīng)力的控制標(biāo)準(zhǔn)壩體應(yīng)力以主應(yīng)力控制。最大壓應(yīng)力即

，最大拉應(yīng)力即

，其中

，K-安全系數(shù)。1、運用期（1）當(dāng)計入揚壓力時：上游面及壩體內(nèi)部的≥0;（2）未計入揚壓力，≥(0.25~0.4)γ0h，γ0－水的容重，h－壩面計算點靜水頭；（3）壩體下游面的最大主壓應(yīng)力。寬縫重力壩在離上游面較遠(yuǎn)區(qū)域最大拉應(yīng)力，特殊細(xì)部結(jié)構(gòu)宜配筋?？箟汉奢d基本組合K4.0，特殊組合（除地震）K3.5；抗拉K4.02、施工期壩體任何截面上的主壓應(yīng)力；壩體下游面可容許不大于0.2MPa的主拉應(yīng)力。地震荷載時，；允許出現(xiàn)瞬時的拉應(yīng)力，抗拉K2.5

。(三）有限元計算的應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)1.上游垂直應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)（1）壩基上游面計揚壓力時，拉應(yīng)力區(qū)寬度宜小于壩底的0.07倍（垂直拉應(yīng)力分布寬度/壩底面寬度）或壩踵至帷幕中心線的距離。（2）壩體上游面計揚壓力時，拉應(yīng)力區(qū)寬度宜小于計算截面寬度的0.07倍或計算截面上游面至排水孔（管）中心線的距離。2.其它應(yīng)力按極限狀態(tài)法控制，作用按DL5073的規(guī)定取標(biāo)準(zhǔn)值，材料、地基性能參照類似工程。四、各種非荷載因素對壩體應(yīng)力的影響主要討論：地基變形、地基不均勻性、施工縱縫及分期施工等因素。（一）地基變形對壩體應(yīng)力的影響

(1)壩基變形對壩體應(yīng)力分布的影響只限于壩體下部(壩底至底面以上1/3~1/4壩高)，而壩體的中、上部分基本上符合直線變化規(guī)律。(2)壩體下部應(yīng)力分布與壩體材料彈性模量Ec和地基彈性模量Er的比值有關(guān)。(3)Ec/Er=(1~2)范圍，對應(yīng)力分布有利。（二）地基不均勻性對壩體應(yīng)力的影響（1)壩踵附近地基的剛度較大時，上游壩踵有可能產(chǎn)生拉應(yīng)力；（2)壩踵附近地基的剛度較小，靠近壩趾附近的地基剛度較大時，上游壩踵的應(yīng)力狀態(tài)較均勻地基有所改善，增加了壓應(yīng)力，而下游壩趾的壓應(yīng)力有所減小。因而，下游壩體布置在較堅硬的巖基上，這樣可避免或降低壩踵處的拉應(yīng)力。（三）施工縱縫對壩體應(yīng)力的影響設(shè)置縱縫對自重應(yīng)力分布有影響。（1）當(dāng)n=0時，不考慮縱縫與考慮縱縫的自重應(yīng)力基本相同。（2）n>0，上游壩面為正坡，考慮縱縫時上游壩踵的自重應(yīng)力減小了，與水壓力引起應(yīng)力疊加的結(jié)果，壩踵處的應(yīng)力狀況明顯惡化，可能發(fā)生拉應(yīng)力。故上游壩坡不宜過緩。(3)n<0，即上游壩面形成倒坡，考慮縱縫影響時，自重應(yīng)力增大，與水壓力引起應(yīng)力疊加的結(jié)果，對壩踵處的應(yīng)力有利。但倒坡過大，施工期壩趾容易產(chǎn)生過大拉應(yīng)力。（四）分期施工對壩體應(yīng)力的影響分期施工對壩踵應(yīng)力的影響是趨于不利的。第五節(jié)重力壩的剖面設(shè)計原則：在滿足運用、穩(wěn)定和強度要求的前提下，盡量減少工程量、造價、縮短工期。過程：先考慮壩體主要的荷載，按安全和經(jīng)濟要求，擬定基本剖面，再根據(jù)運用及其他要求，將基本剖面修改成為實用剖面，最后對其進行應(yīng)力分析和穩(wěn)定驗算，確定合理的壩體剖面。一、基本剖面（baseprofile)

作用在重力壩上的主要外力是上游水壓力。上游水壓力是三角形分布的，因而根據(jù)穩(wěn)定和強度所得出的重力壩基本剖面也應(yīng)是三角形的?；酒拭娴姆治鋈蝿?wù)－滿足穩(wěn)定和強度要求下，根據(jù)給定的壩高H，求得最小壩底寬B，即確定三角形上下游坡度。

（一）按應(yīng)力條件確定壩底最小寬度假定上游庫滿水位平三角形頂點，荷載只考慮水平水壓力P（假設(shè)下游無水），水重Q和壩體自重G以及揚壓力U。在壩軸線方向取單位長度壩體，其上下游面的水平投影長度分別為λB，和（1-λ）B。1設(shè)計工況滿庫和空庫兩種工況2強度標(biāo)準(zhǔn)重力壩上下游邊緣不出現(xiàn)拉應(yīng)力。3方法根據(jù)偏心受壓公式，可求得λ：庫空：0λ1滿庫：，當(dāng)λ＝0時，（二）按穩(wěn)定條件確定壩底最小寬度當(dāng)f較大時，B由應(yīng)力條件控制；當(dāng)f較小時，B由穩(wěn)定條件控制。（1）加大λ，可以利用上游傾斜壩面上的水重增加壩體穩(wěn)定，減小壩底寬度B；由于應(yīng)力條件的限制，λ值不能隨意加大。（2）最優(yōu)的λ的值，應(yīng)通過應(yīng)力和穩(wěn)定條件聯(lián)立求解。（3）根據(jù)經(jīng)驗，一般n=0~0.2，m=0.6~0.85，B約為H的0.7~0.9倍二、實用剖面（一）壩頂寬度（1）滿足設(shè)備布置、運行、交通及施工的要求，非溢流壩的壩頂寬度一般可取壩高的8~10%，并不小于2米。（2）若作交通要道或有移動式啟閉機設(shè)施時，應(yīng)根據(jù)實際需要確定，當(dāng)有較大的冰壓力或漂浮物撞擊力時，壩頂最小寬度還應(yīng)滿足強度的要求。（二）壩頂高程壩頂或壩頂上游防浪墻頂高出水庫靜水位高度h＝2hl＋h0＋hc；式中：2hl－波浪高度，h0－波浪中心線高出靜水位高度；hc

－安全超高。由于設(shè)計和校核采用的風(fēng)速不同，設(shè)計和校核情況的2hl、

h0值不同。設(shè)計洪水位計算的壩頂高程h設(shè)=設(shè)計洪水位+h設(shè)校核洪水位計算的壩頂高程h校=校核洪水位+h校壩頂高程＝max（h設(shè)，h校），同時防浪墻高度1.2m（三）剖面形態(tài)由基本剖面修改為實用剖面，有三種常用的形態(tài)。（1）鉛直上游壩面適用：壩基f、c較大，剖面由應(yīng)力條件控制。優(yōu)點：便于布置和操作壩身過水管道進口控制設(shè)備。缺點：庫空時下游壩面可能產(chǎn)生拉應(yīng)力。（2）上游壩面上部鉛直、下部傾斜優(yōu)點：利用部分水重增加壩的穩(wěn)定性，便于管道進口布置和操作。缺點：上游折坡點要結(jié)合應(yīng)力和管道進口布置高程選定，要驗算折坡點截面的強度和穩(wěn)定。一般在壩高的1/3~2/3的范圍內(nèi)。（3）上游壩面略呈傾斜優(yōu)點：增加壩體自重，利用部分水重增加壩的穩(wěn)定性，可避免庫空時下游產(chǎn)生過大拉應(yīng)力。適用：f、c較小情況。三、優(yōu)化設(shè)計（一）水工建筑物優(yōu)化內(nèi)容布局優(yōu)化－在結(jié)構(gòu)類型和材料已定的情況下，選定結(jié)構(gòu)布置。體型優(yōu)化－結(jié)構(gòu)布局巳定的條件下，優(yōu)化幾何形狀和外形尺寸。斷面優(yōu)化－布局和幾何輪廓已定的情況，選定構(gòu)件或壩體剖面的最優(yōu)尺寸。（二）重力壩優(yōu)化設(shè)計（1）確定描述壩體體形的設(shè)計參數(shù)，如重力壩的上下游折坡點位置（4個坐標(biāo)變量）；（2）建立目標(biāo)函數(shù)，取壩體體積作為目標(biāo)函數(shù)；（3）確定約束條件，如穩(wěn)定約束、應(yīng)力約束、幾何約束等；（4）優(yōu)化計算方法，目標(biāo)函數(shù)和約束條件都是設(shè)計參數(shù)的非線性函數(shù)，可以采用序列二次規(guī)劃法迭代逼近求解。（參閱“優(yōu)化方法及其在水工中的應(yīng)用”浙江大學(xué)汪樹玉主編，水利電力出版社）第六節(jié)泄水重力壩的剖面設(shè)計及消能防沖

壩身設(shè)有溢流面、底孔、中孔的重力壩稱為泄水重力壩。它既是泄水建筑物，又是擋水建筑物。應(yīng)滿足穩(wěn)定、強度、水流條件及和消能防沖要求。一、泄水重力壩的泄水方式1、壩頂溢流式①閘門承受水頭較小，孔口尺寸可以較大；②下泄流量大；③閘門啟閉方便，易于檢查修理；④可以排冰及其他漂浮物，但不能預(yù)泄；2、大孔口溢流式布置在壩頂帶胸墻的泄水建筑物①可滿足預(yù)泄要求；②利用胸墻擋水減小閘門高度；③低水位時胸墻不影響泄流，和堰頂泄流相同；④胸墻可以做成活動式的，當(dāng)遇特大洪水時，可將胸墻吊起來；⑤庫水位較低時，不能供水和放空檢修；3、深式泄水孔按孔內(nèi)流態(tài)可分為有壓泄水孔和無壓泄水孔①流量與水頭的二分之一次方成比例，超泄能力??；②閘門承受水頭高，操作、檢修都比較復(fù)雜；③可向下游供水、預(yù)泄、放空、排沙和施工導(dǎo)流；二、混凝土溢流重力壩設(shè)計溢流重力壩設(shè)計內(nèi)容包括溢流壩孔口尺寸、剖面布置、結(jié)構(gòu)布置和消能防沖等。（一）孔口尺寸影響因素：設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)、下游防洪要求、地形地質(zhì)條件(單寬流量)、總泄量。設(shè)計內(nèi)容：溢流前緣總寬度、堰頂高程、孔口數(shù)目和尺寸。1、下泄流量確定Q=Qs-αQ0，Q0－經(jīng)由水電站、泄水孔及其他泄水建筑物的下泄流量，Qs允許下泄流量

α

－安全系數(shù)。2.溢流前緣凈寬由地形地質(zhì)先定q→L＝Q/q，L－溢流前緣總凈寬5.未知設(shè)計洪水位和允許下泄流量根據(jù)洪水設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)和洪水過程線以及允許下泄量，通過調(diào)洪演算，確定設(shè)計和校核洪水位，擬定孔口尺寸。6.溢流孔布置：橫縫設(shè)于閘墩中間和橫縫設(shè)于閘孔中間。（二）剖面布置溢流壩基本剖面的確定原則與非溢流壩完全相同，為滿足泄水的要求，其實用剖面將壩體下游斜面修改成溢流面。溢流面形狀應(yīng)具有較大的流量系數(shù)，泄流暢，壩面不發(fā)生空蝕。3.溢流孔數(shù)、尺寸和閘墩厚n一般單數(shù)，b＝8～20m，按規(guī)范推薦尺寸溢流前緣總寬度L0＝L+(n-1)d=nb+(n-1)d

，d－閘墩厚度，n－孔數(shù)，b＝L/n－孔口寬。4.堰頂高程（溢流壩）

→H0→堰頂高程=設(shè)計洪水位－H，H=H0－2溢流重力壩剖面布置溢流重力壩的實用剖面也是由三角形基本剖面修改而成。在溢流面曲線段、直線段和反弧段根據(jù)水力學(xué)條件確定后，可用基本剖面與溢流面曲線相擬合形成。1溢流面曲線溢流壩面由頂部曲線段，中間直線段和下部反弧段組成。根據(jù)在設(shè)計水頭下堰面是否允許出現(xiàn)真空（負(fù)壓），分為真空剖面和非真空剖面堰兩種類型。（三）溢流壩頂部結(jié)構(gòu)布置包括閘門、啟閉機、閘墩、工作橋、公路橋和交通等結(jié)構(gòu)和設(shè)備等。1閘門（1)作用①關(guān)閉－擋水，水壓力閘門閘墩壩或其他穩(wěn)定設(shè)備。②開啟－泄流，排除漂浮物、泥沙等。（2）類型按功用分：溢流壩上的閘門有工作閘門和檢修閘門。①工作閘門－正常運用條件下使用，在靜、動水中啟閉。工作閘門一般布置在溢流堰頂點，偏下游位置。工作閘門的型式有平面閘門和弧形閘門。平面閘門－擋水面板是平面的，結(jié)構(gòu)簡單，閘墩受力條件好，但閘墩厚，水流條件差。型式可整體，可迭梁；啟閉可鉛直、可升臥或翻倒?；⌒伍l門－擋水面板是弧形的，整體式。啟閉力小，閘墩薄，水流條件好，但閘墩較長。②檢修閘門－工作閘門檢修時，臨時擋水，能動水中關(guān)閉，靜水中開啟。按位置分：有表孔閘門和深孔閘門。表孔閘門－控制上游水位附近的孔口，如溢流堰、水閘孔口等。特點：水頭小、承受水壓力小、尺寸大。深孔閘門－控制水面以下的水流，如泄水孔、引水孔等水流。特點：水頭大，受水壓力大，尺寸小2閘墩、導(dǎo)墻和工作橋閘墩和導(dǎo)墻要滿足強度、水流和布置要求。工作橋要滿足啟閉機械的安裝、運行要求。（四）溢流壩面的空蝕及減蝕措施溢流面及溢流壩反弧段易產(chǎn)生空蝕減免空蝕措施：①合理設(shè)計流體型；提高流表面的平整度；③采用工程措施，促使水流摻氣減蝕；④提高過流表面材料的抗蝕性能。缺點：（1）深式泄水孔閘門承受的水壓力很大，故門體結(jié)構(gòu)、止水和啟閉都復(fù)雜，造價高。（2）孔內(nèi)流速大，易產(chǎn)生負(fù)壓、空蝕和振動。（二）組成由進口段、閘門段、孔身段和出口段三部分組成。分有壓泄水孔和無壓泄水孔。三重力壩泄水孔可設(shè)在溢流壩段和非溢流壩段，主要組成進口段、閘門段、孔身段、出口段和下游消能設(shè)施等。（一）作用1和溢洪道一起渲泄洪水，進口高程低，可預(yù)泄庫水，增大調(diào)蓄能力。2防空水庫，以便檢修大壩；沖砂、沖泥，減少水庫淤積；隨時泄水，以滿足航運、灌溉要求3施工導(dǎo)流1進口段（1）進口不發(fā)生淤堵，進口盡量低，與用途、壩后引水等工程協(xié)調(diào)。（2）進口越低，造價越高。不同高程布置，以適應(yīng)不同水位。（3）進口為有壓水流，應(yīng)盡量平順。2.閘門段設(shè)置工作閘門和檢修閘門。深水閘門常布置平壓管；閘門后布設(shè)通氣孔；有壓洞：工作閘門設(shè)在下游，檢修閘門設(shè)在上游。無壓洞：工作閘門和檢修門均設(shè)在上游進口段。閘門型式：平面閘門、弧形閘門。平面閘門槽易發(fā)生空蝕破壞。3.孔身段－削弱壩體結(jié)構(gòu)，孔邊常配筋，必要時考慮襯砌。有壓－圓形；無壓－矩形或城門洞形；4.出口段有壓洞－出口壓坡，防止洞頂負(fù)壓；無壓洞－出口擴散，減輕沖刷。（三）泄水孔的應(yīng)力分析（1）三維有限元按整體結(jié)構(gòu)計算（2）彈性力學(xué)無限域中的小孔口計算先計算孔口形心處的應(yīng)力，作為孔口計算荷載，與內(nèi)水壓力一起計算孔口周邊應(yīng)力。（四）泄流能力的計算Ac－泄水孔出口斷面面積；μ－流量系數(shù)：H－水庫水位與出口水面之間的高差四消能和防沖通過壩體的下泄水流具有很大的能量，必須要有合適的消能設(shè)施，否則會沖刷下游河床，影響正常運行，危及建筑物安全。水流的能量消耗主要為兩個方面：

（1）水流的內(nèi)部損耗，如摩擦、沖擊、紊動、漩渦；

（2）水流與固體邊界作用，如摩擦、沖刷等；消能設(shè)計原則：（1）盡量增加水流的內(nèi)部紊動（2）限制水流對河床的沖刷范圍消能設(shè)計的主要內(nèi)容：（1）建立特定邊界條件，對水流起擴散、反擊和導(dǎo)流作用（2）分析水流狀態(tài)對邊界的反作用，合理設(shè)計消能工和防沖措施消能方式：底流消能、挑流消能、面流消能、消力戽消能（一）底流消能在壩址下游設(shè)置混凝土護坦，過壩水流在護坦上發(fā)生水躍（hydraulicjump），形成旋滾，水流通過摻氣，水分子互相撞擊、摩擦，消耗能量。要求：護坦厚度應(yīng)滿足穩(wěn)定要求，在揚壓力和脈動壓力作用下不浮起。適用：各種水頭的溢流壩和水閘以及各種河床的地質(zhì)情況，特別適用地質(zhì)條件差，河床抗沖能力差的情況。優(yōu)點：下游流態(tài)平穩(wěn)，消能運行可靠。缺點：土石方開挖量，混凝土澆筑用。（二）面流消能在壩址處設(shè)置鼻坎，利用鼻坎將水流挑至水面(不是空中)，形成波浪，在主流下面形成旋滾，從而達(dá)到消能的目的。條件：下游尾水較深，水位變幅小。適用：較低水頭，下游水深大，水位變幅小，有排木排冰等要求。缺點：下游面波動強烈，影響電站穩(wěn)定運行和通航，易沖刷兩岸。（三）挑流消能利用鼻坎將水流挑向空中，并使其擴散，摻入大量空氣，然后落入下游河床水墊，形成旋滾，消耗能量約20％。起初沖刷河床，形成沖坑，達(dá)一定深度后，水墊加厚沖坑趨于穩(wěn)定。特點：構(gòu)造簡單，工程投資省，檢修施工方便。適用：高水頭，下游水深大，河床基巖完整。鼻坎型式：連續(xù)式和差動式。1鼻坎的型式和尺寸鼻坎的型式主要有連續(xù)式和差動式兩種。連續(xù)式：優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，施工方便，水流平順，射程遠(yuǎn)。缺點：水舌在空中擴散摻氣的消能作用相對差，沖刷坑較深。差動式：優(yōu)點：加劇水舌在空中擴散、摻氣、碰撞，消能效果好，減小沖坑深度。缺點：沖坑最深點離壩腳較近，流態(tài)復(fù)雜，易引起空蝕破壞。其它改進的鼻坎型式有：擴散坎、斜挑坎、扭曲坎、高低坎、窄縫坎、分流墩和寬尾墩等。2挑射距離和沖刷坑深度的估算（1）挑射距離連續(xù)式挑流鼻坎的水舌挑射距離，可按質(zhì)點拋射原理計算。據(jù)經(jīng)驗，沖刷坑最深點大約在水舌外緣的延長線上。水舌挑距公式：式中：L－水舌挑距（m），鼻坎末端至沖刷坑最深點的水平距離；v1－坎頂流速（m/s），一般取坎頂平均流速的1.1倍；α

－挑射角；h1－坎頂平均水深在鉛直方向的投影；h2－坎頂至河床表面高差；g－重力加速度。（2）沖刷坑深度式中各項意義見P197（3）安全挑距：L(2.5~5.0)tr（四）戽流消能利用戽坎在水下的特點，使水流分別在戽內(nèi)和戽后漩滾，形成“三滾一浪”，進而達(dá)到消能目的。優(yōu)點：工程量比消力池省，沖刷坑比挑流消能小，不存在霧化問題。缺點：下游水位波動較大，延綿范圍較長，易沖刷河岸，對航運不利，底部漩滾會把河床砂石帶入戽內(nèi)，磨損戽面，增加維修費用。適用：下游水深變幅小，無排冰、漂木要求，且下游河床有一定的抗沖能力。（五）下游水流條件消能后的水流仍具有相當(dāng)能量，會造成一定程度沖刷，并影響下游水流條件。

1成因底流，下泄的高速水流帶動廠房尾水產(chǎn)生反向回流。

2防治措施（1）溢流壩布置在下游河槽（原來河槽），盡量使水流平順；（2）運行：各孔隔孔同步開啟；（3）分水墻－減少溢流對發(fā)電尾水的干擾；（4）消力壩－進一步削減水流能量，保持水流平穩(wěn)，減少沖刷。第七節(jié)重力壩的材料和構(gòu)造

一、砼重力壩的材料（一）水工砼的特性指標(biāo)1、強度標(biāo)準(zhǔn)立方體極限強度分為12種強度等級，重力壩常用C10、C15、C20、C25等級別，砼的強度隨齡期增加，對壩體提出強度要求時，應(yīng)指出其對應(yīng)的齡期，壩體砼抗壓設(shè)計齡期一般采用90天，最多不宜超過180天，同時規(guī)定相應(yīng)28天齡期的強度，作為早期強度的控制。抗拉強度一般采用28d齡期，可用抗壓強度的8~12%折算。2、抗?jié)B性大壩防滲部位如上游面、基礎(chǔ)層和下游水位以下的壩面，其砼應(yīng)具有抵抗壓力水滲透的能力。用抗?jié)B標(biāo)號如S4、S6、S8等表示(新規(guī)范用抗?jié)B等級，如W4、W6、W8等)。根據(jù)允許的滲透坡降選用?？?jié)B標(biāo)號或等級也隨砼的齡期增長，一般取與強度的設(shè)計齡期（如90d）相同，根據(jù)SD105-82和DL5108-1999規(guī)定。3、抗凍性指飽和狀態(tài)下能經(jīng)受多次凍融循環(huán)而不破壞，不明顯降低強度的能力。用抗凍標(biāo)號如D50、D100、D150等表示(新規(guī)范用抗凍等級，如F50、F100、W150等)，根據(jù)砼試件在90d齡期承受的最大凍融循環(huán)次數(shù)來決定（SD105-82和DL5108-1999）。4、抗磨性指砼抵抗高速水流或挾沙水流的沖刷和磨損的性能。根據(jù)經(jīng)驗，對于有抗磨要求的砼，采用高標(biāo)號硅酸鹽水泥或硅酸鹽大壩水泥控制，其抗壓強度等級應(yīng)C20，且要求骨料質(zhì)地堅硬，施工振搖密實以提高其耐磨性。5、抗侵蝕性大壩砼可能遭受環(huán)境水中某些物質(zhì)的化學(xué)作用，引起侵蝕破壞。根據(jù)水質(zhì)分析，選擇恰當(dāng)?shù)乃嗥贩N，并盡量提高砼的密實性。（二）壩體砼的分區(qū)壩體各部位的工作條件不同，對砼材料性能指