第三章补充材料1 重力坝非溢流剖面设计实例
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01岩基上的重力坝解析
（三）横缝的布置 溢流坝段的横缝有两种布置方式：①缝设在闸墩中间；②缝设在溢流孔跨中。
四、溢流面曲线和剖面设计 （一）溢流面曲线
溢流坝面曲线由顶部曲线段、中间直线段、和下部反弧段三部分组成。
（二）溢流重力坝剖面设计
五、消能工的形式与设计
（一）概述
（1）消能工的设计原则。①尽量使下泄水流的大部分动能消耗于水流内部紊动及水流与空气的摩擦 中；②不产生危及坝体安全的河床冲刷或岸坡局部冲刷；③下泄水流平稳，不影响枢纽中其他建筑 物的正常运行；④结构简单，工作可靠；⑤工程量小，经济。
-
2（4） 1（7）
-
殊
组
合
（2）地震 情况
1（1） 1（2） 1（3） 1（4） 1（5）
-
-
1（7） 2（5）
第四节 重力坝的稳定分析
岩基上的重力坝常见的失稳形式有两种。一种是沿坝体抗剪能力不足的薄弱面滑动，这种薄弱面 包括坝体与坝基的接触面和坝基岩体内有连续的断层破碎带。另一种是在各种荷载作用下，上游坝 踵出现拉应力导致裂缝，或下游坝趾压应力过大，超过坝基岩体或坝体混凝土的允许强度而被压碎， 从而产生倾覆破坏。
（2）消能工形式。常用的消能工型式有底流消能、挑流消能、面流消能及消力戽消能及联合式消能。 （3）设计洪水标准。
（二）挑流消能
挑流消能是通过挑流鼻坎将高速水流自由抛射远离坝体，并利用水舌在空中扩散、掺气以及水 舌跌入下游水垫内的紊动扩散消耗能量。
这种消能方式具有结构简单、工程造价省、施工检修方便等优点；但下泄水流会形成雾化，尾水 波动较大，且下游冲刷较严重，冲刷坑后形成堆丘等。
第二节 溢流重力坝
一、溢流重力坝的工作特点 （1）有足够的孔口尺寸、良好的孔口体型和较大的流量系数，以满足泄洪能力要求。 （2）体型和流态良好，使水流平顺地流过坝体，控制不利的负压和振动，避免产生空蚀现象。 （3）满足消能防冲要求，保证下游河床不产生危及坝体安全的局部冲刷。 （4）溢流坝段在枢纽中的布置，应使下游流态平顺，不产生折冲水流，不影响枢纽中其他建筑物的正 常运行。 （5）有灵活控制水流下泄的机械设备，如闸门、启闭机等。
四、溢流面曲线和剖面设计 （一）溢流面曲线
溢流坝面曲线由顶部曲线段、中间直线段、和下部反弧段三部分组成。
（二）溢流重力坝剖面设计
五、消能工的形式与设计
（一）概述
（1）消能工的设计原则。①尽量使下泄水流的大部分动能消耗于水流内部紊动及水流与空气的摩擦 中；②不产生危及坝体安全的河床冲刷或岸坡局部冲刷；③下泄水流平稳，不影响枢纽中其他建筑 物的正常运行；④结构简单，工作可靠；⑤工程量小，经济。
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2（4） 1（7）
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殊
组
合
（2）地震 情况
1（1） 1（2） 1（3） 1（4） 1（5）
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1（7） 2（5）
第四节 重力坝的稳定分析
岩基上的重力坝常见的失稳形式有两种。一种是沿坝体抗剪能力不足的薄弱面滑动，这种薄弱面 包括坝体与坝基的接触面和坝基岩体内有连续的断层破碎带。另一种是在各种荷载作用下，上游坝 踵出现拉应力导致裂缝，或下游坝趾压应力过大，超过坝基岩体或坝体混凝土的允许强度而被压碎， 从而产生倾覆破坏。
（2）消能工形式。常用的消能工型式有底流消能、挑流消能、面流消能及消力戽消能及联合式消能。 （3）设计洪水标准。
（二）挑流消能
挑流消能是通过挑流鼻坎将高速水流自由抛射远离坝体，并利用水舌在空中扩散、掺气以及水 舌跌入下游水垫内的紊动扩散消耗能量。
这种消能方式具有结构简单、工程造价省、施工检修方便等优点；但下泄水流会形成雾化，尾水 波动较大，且下游冲刷较严重，冲刷坑后形成堆丘等。
第二节 溢流重力坝
一、溢流重力坝的工作特点 （1）有足够的孔口尺寸、良好的孔口体型和较大的流量系数，以满足泄洪能力要求。 （2）体型和流态良好，使水流平顺地流过坝体，控制不利的负压和振动，避免产生空蚀现象。 （3）满足消能防冲要求，保证下游河床不产生危及坝体安全的局部冲刷。 （4）溢流坝段在枢纽中的布置，应使下游流态平顺，不产生折冲水流，不影响枢纽中其他建筑物的正 常运行。 （5）有灵活控制水流下泄的机械设备，如闸门、启闭机等。
水利建筑物重力坝ppt课件
.
第二节 重力坝的稳定分析 四、提高坝体抗滑稳定性的工程措施
（1）利用水重 （2）将坝基开挖成倾向上游的斜面 （3）在坝踵下设齿墙 （4）抽水措施 （5）加固地基 （6）利用预应力
.
第二节 重力坝的稳定分析
.
固常 措用 施的
几 种 抗 滑 加
.
第二节 重力坝的稳定分析
.
第二节 重力坝的稳定分析
足强度要求
.
第三节 重力坝的应力分析 应力分析方法
理论计算和模型试验法 理论计算方法主要有： 材料力学法和有限元法
对于中、低坝，当地质条件较简单时， 可按材料力学方法计算坝体的应力，有 时可只计算坝体的边缘应力。
.
.
应力分析内容
确定计算工况； 选择计算方法； 确定计算截面； 计算选定截面上的应力：
.
第三节 重力坝的应力分析
一、概 述
• 目的：
1、为了检验大坝在施工期 和运用期是否满足强度要 求；
2、为解决设计和施工中的 某些问题，如砼分区，某 些部位的配筋等提供依据。
.
第三节 重力坝的应力分析
应力分析的过程：
1、进行荷载计算及荷载组合 2、选择合适的方法进行应力计算 3、检验大坝各部位的应力是否满
Ⅰ类基岩——很好的岩石， f ′＝1.2～1.5, c’＝1.3～1.5Mpa
Ⅱ类基岩——好的岩石， f ′＝1.0～1.3, c’＝1.1～1.3Mpa
Ⅲ类基岩——中等的岩石， f '＝0.9～1.2, c’＝0.7～1.1Mpa
Ⅳ 类基岩——较差的岩石， f ′＝0.7～0.9, c’＝0.3～0.7Mpa
.
原规范规定，f的最后选取应以野外和室内试验成 果为基础，结合现场实际情况，参照地质条件 类似的已建工程的经验等，由地质、试验和设 计人员研究确定。
第二节 重力坝的稳定分析 四、提高坝体抗滑稳定性的工程措施
（1）利用水重 （2）将坝基开挖成倾向上游的斜面 （3）在坝踵下设齿墙 （4）抽水措施 （5）加固地基 （6）利用预应力
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第二节 重力坝的稳定分析
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固常 措用 施的
几 种 抗 滑 加
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第二节 重力坝的稳定分析
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第二节 重力坝的稳定分析
足强度要求
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第三节 重力坝的应力分析 应力分析方法
理论计算和模型试验法 理论计算方法主要有： 材料力学法和有限元法
对于中、低坝，当地质条件较简单时， 可按材料力学方法计算坝体的应力，有 时可只计算坝体的边缘应力。
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应力分析内容
确定计算工况； 选择计算方法； 确定计算截面； 计算选定截面上的应力：
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第三节 重力坝的应力分析
一、概 述
• 目的：
1、为了检验大坝在施工期 和运用期是否满足强度要 求；
2、为解决设计和施工中的 某些问题，如砼分区，某 些部位的配筋等提供依据。
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第三节 重力坝的应力分析
应力分析的过程：
1、进行荷载计算及荷载组合 2、选择合适的方法进行应力计算 3、检验大坝各部位的应力是否满
Ⅰ类基岩——很好的岩石， f ′＝1.2～1.5, c’＝1.3～1.5Mpa
Ⅱ类基岩——好的岩石， f ′＝1.0～1.3, c’＝1.1～1.3Mpa
Ⅲ类基岩——中等的岩石， f '＝0.9～1.2, c’＝0.7～1.1Mpa
Ⅳ 类基岩——较差的岩石， f ′＝0.7～0.9, c’＝0.3～0.7Mpa
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原规范规定，f的最后选取应以野外和室内试验成 果为基础，结合现场实际情况，参照地质条件 类似的已建工程的经验等，由地质、试验和设 计人员研究确定。
第三章重力坝第二部分
Q∝H 3/2成正比，超泄能力大，但不能预泄； 还能用于排冰和其他漂浮物； 闸门启闭操作方便，易于检修，工作安全可靠。
（2）大孔口溢流（中孔）
上部设胸墙，堰顶高程较低，可满足预泄要求；
▽低水位时——开敞（自由）溢流；
▽高水位时——大孔口泄流，Q∝H 1/2成正比，超泄能力
不如开敞溢流式。
第三章重力坝第二部分
第三章重力坝第二部分
（2）减少温升Tr
冷却水管进行初期冷却； 减小浇筑层厚度，延长浇筑块之间的间歇时间，利用仓面 天然散热； 在砼中埋大块石。
（3）加强养护和保护
在砼浇筑后初期需要对坝块表面加覆盖、浇水养护。冬季 要抵御寒潮袭击，夏季防止热量回灌进入砼。
第三章重力坝第二部分
§3.6 重力坝的剖面设计
m3/（s·m），安康表孔q=282.7 m3/（s·m）；委内瑞拉的 古里坝q＞300 m3/（s·m）。
第三章重力坝第二部分
(2)孔口尺寸
① 溢流前沿总长L0
若孔口宽度为b，孔口数n=L/b，n一般取单数。令 闸墩厚度为d，
则L0为：
L0nb (n1)d
② 开敞溢流时 Q溢nbm2gH0 3/2
定的范围。
第三章重力坝第二部分
6．横缝 （1）缝在闸墩中间
优点：各坝段间产生不均匀沉降时，不影响闸门启闭， 工作可靠；
缺点：闸墩厚度较大。 （2）缝在溢流孔跨中
优点：闸墩薄，受力条件好； 缺点：易受地基不均匀沉降的影响。
第三章重力坝第二部分
图 3–52 溢流坝段横缝的布置
第三章重力坝第二部分
（三）高速水流的几个问题
图3–45 非溢流坝剖面形态
第三章重力坝第二部分
§3.7 泄水重力坝
03第三章--重力坝课件(3
x
kP
REc 1
(T j
Td )
Eck p kq 1
ATr
式中 Ec——砼的弹性模量，kPa； µ——砼的泊松比； α——砼的线胀系数，1/℃；
kP——由砼徐变引起的应力松弛系数，如无 专门试验资料，可取0.5； kq——考虑早期升温阶段的压应力折减系数， 可用0.75～0.85； R——反应基岩对砼块体约束程度的约束系 数，见表3–7和表3–8； A——系数，可从图3–40中查得。
三个未知数，因此，还需要补充一个条件。根据假定
σy按直线分布，且已知
W 6 M
yu、d B B2
的边界条件，因此可先
确定σy，再确定σx、
1．坝内水平截面上的正应力σy 假定σy在水平截面上按直线分布，即
y a bx
当x=0时，
y d a
W 6M
a
B
B2
当x=B时，
y
u
a
bB
W B
一、坝体温度状况 图3—38是USA海瓦西坝的实测温度过程线，图中A1和A2分
别代表坝内和靠近坝面某点的温度曲线。海瓦西坝：坝高 93.7m,底宽68m，1938.4－1940.1共22个月修成，V=61万m3, 通仓浇注，冷水拌制，入仓温度↓3.4℃。 1．温度随时间的变化 (1)温升阶段 主要在3～7天内 Tj——砼入仓温度； Tmax——入仓后，使砼温度从Tj↑至最高值； 温差 Tr＝Tmax—Tj 称为水化热温升，一般为15～25℃， 最高可达36℃。
yu
2）、同理，由下游坝面微分体可以解出
yu
由（3–40）式可以看出，当上游坝面倾向上游 （坡率n＞0）时，即使 ≥0，只要
则 ＜0，即σ1u为拉应力。 愈大，主拉应 力也愈大。因此，重力坝上游坡角 不宜太大，常把上游面做成铅直的。
第三章 重力坝
2
1
pR(con 2 con1 ) q v (con 2 con1 ) g
q
g
v (sin 1 sin 2 )
3.2.1.5 波浪压力
波浪压力作为静水压力之外的一种附加水压力计算。
波浪三要素：波高
hl 、波长 L
、雍高
hz
。
确定波浪要素，是为了计算波浪压力；也用于计算坝顶超高 （防浪墙顶高程）。
瑞士大狄克桑斯混凝土重力坝（285米）
三峡混凝土重力坝（181米）
安康重力坝（128m）
池潭水电站混凝土重力坝（78米）
丹江口混凝土宽缝重力坝（97m）
新安江宽缝重力坝 （105m）
枫树坝水电站宽缝重力坝（95.4m）
3.2
重力坝的荷载及荷载组合
3.2.1 作用与荷载
作用：外界环境对水工建筑物的影响，也就是使结构产生内力 和变形的各种原因。 直接作用：直接作用于结构上的各种集中力、分布力（又称为
（1）混凝土重力坝；（2）浆砌石重力坝
3.1.1 重力坝的特点
现代重力坝构造特点： （1）基本剖面为三角形。 （2）坝轴线一般为直线，也可为折线或曲率不大的拱形（向 上游）。 （3）一般分成若干独立坝段。 （4）坝体内设置排水管幕，设置各种廊道；坝基内设置防渗 帷幕、排水孔幕。
重力坝基本剖面为三角形
系数
一般高于河床坝段）
坝体内部截面上的渗流压力分布按图所示。
3 0.15 ~ 0.20
3.2.1.4 动水压力
水流流经曲面由于方向改变对曲面产生的压力。 圆弧曲面动水压力公式: （可以由动量方程 或离心力公式得到）
[当反弧段上水深较大时水体重量不能忽略。]
质量为m、半径为R、速度为V的圆周运动：
1
pR(con 2 con1 ) q v (con 2 con1 ) g
q
g
v (sin 1 sin 2 )
3.2.1.5 波浪压力
波浪压力作为静水压力之外的一种附加水压力计算。
波浪三要素：波高
hl 、波长 L
、雍高
hz
。
确定波浪要素，是为了计算波浪压力；也用于计算坝顶超高 （防浪墙顶高程）。
瑞士大狄克桑斯混凝土重力坝（285米）
三峡混凝土重力坝（181米）
安康重力坝（128m）
池潭水电站混凝土重力坝（78米）
丹江口混凝土宽缝重力坝（97m）
新安江宽缝重力坝 （105m）
枫树坝水电站宽缝重力坝（95.4m）
3.2
重力坝的荷载及荷载组合
3.2.1 作用与荷载
作用：外界环境对水工建筑物的影响，也就是使结构产生内力 和变形的各种原因。 直接作用：直接作用于结构上的各种集中力、分布力（又称为
（1）混凝土重力坝；（2）浆砌石重力坝
3.1.1 重力坝的特点
现代重力坝构造特点： （1）基本剖面为三角形。 （2）坝轴线一般为直线，也可为折线或曲率不大的拱形（向 上游）。 （3）一般分成若干独立坝段。 （4）坝体内设置排水管幕，设置各种廊道；坝基内设置防渗 帷幕、排水孔幕。
重力坝基本剖面为三角形
系数
一般高于河床坝段）
坝体内部截面上的渗流压力分布按图所示。
3 0.15 ~ 0.20
3.2.1.4 动水压力
水流流经曲面由于方向改变对曲面产生的压力。 圆弧曲面动水压力公式: （可以由动量方程 或离心力公式得到）
[当反弧段上水深较大时水体重量不能忽略。]
质量为m、半径为R、速度为V的圆周运动：
非溢流段混凝土重力坝设计
网络教育学院《水工建筑物课程设计》题目：非溢流段混凝土重力坝设计学习中心：安徽**奥鹏学习中心专业：水利水电工程年级： 2012年春季学号：学生：指导教师：《水工建筑物》课程设计基本资料1.1 气候特征根据当地气象局50年统计资料，多年平均最大风速14 m/s，重现期为50年的年最大风速23m/s，吹程：设计洪水位 2.6 km，校核洪水位3.0 km 。
最大冻土深度为1.25m。
河流结冰期平均为150天左右，最大冰厚1.05m。
1.2 工程地质与水文地质1.2.1坝址地形地质条件（1）左岸：覆盖层2～3m，全风化带厚3～5m，强风化加弱风化带厚3m，微风化厚4m。
（2）河床：岩面较平整。
冲积沙砾层厚约0～1.5m，弱风化层厚1m左右，微风化层厚3～6m。
坝址处河床岩面高程约在38m左右，整个河床皆为微、弱风化的花岗岩组成，致密坚硬，强度高，抗冲能力强。
（3）右岸：覆盖层3～5m，全风化带厚5~7m，强风化带厚1～3m，弱风化带厚1～3m，微风化厚1～4m。
1.2.2天然建筑材料粘土料、砂石料和石料在坝址上下游2～3km均可开采，储量足，质量好。
粘土料各项指标均满足土坝防渗体土料质量技术要求。
砂石料满足砼重力坝要求。
1.2.3水库水位及规模①死水位：初步确定死库容0.30亿m3，死水位51m。
②正常蓄水位：80.0m。
注：本次课程设计的荷载作用只需考虑坝体自重、静水压力、浪压力以及扬压力。
表一本设计仅分析基本组合(2)及特殊组合(1)两种情况：基本组合(2)为设计洪水位情况，其荷载组合为：自重+静水压力+扬压力+泥沙压力+浪压力。
特殊组合(1)为校核洪水位情况，其荷载组合为：自重+静水压力+扬压力+泥沙压力+浪压力。
2.1 坝高计算按照所给基本资料进行坝高计算，详细写明计算过程和最终结果。
2.2 挡水坝段剖面设计按照所给基本资料进行挡水坝段剖面设计，详细写明计算过程和最终结果。
2.3 挡水坝段荷载计算按照所给基本资料进行挡水坝段荷载计算，详细写明计算过程和最终结果。
第三章_重力坝5-10
3.6 温度应力、温度控制和裂缝防止
水化热——混凝土固化过程中由于水泥的水化热产 生的热量叫水化热。 如果修建一座坝的混凝土V=100万m3 、含水泥 200kg/m3,则水泥的水化热所产生的热量相当于燃烧 2000t煤所释放的热量。
国产部分水泥的水化热：
7天（kJ/kg）28天（kJ/kg）
硅酸盐水泥：325#
件，自几年至几十年不等。
温降： △T＝Tmax一Td 是温度控制的一个
重要指标。
2．温度在空间的变化
★靠近坝体表面由于水化热散逸较快，该 部位的温度较早地达到稳定温度，如图3-38 中A2的PF段(P71)。 ★坝体内部由于水化热不易散发，温度下 降缓慢，需要较长时间才能到达稳定温度，如 图中的A1所示。
砼最高温度与稳定温度之差，按P74表3–9的
数值控制。
表3–9
离建基面高 度h （0～0.2）l (0.2～0.4)l
地基容许温差△T（0C）
浇筑块长边 l（m） 16 以下 26～25 28～27 17～20 24～22 26～25 21～30 22～19 25～22 31～40 19～16 22～19 通仓长块 16～14 19～17
3.5 重力坝的渗流分析
混凝土和岩体都是透水性材料，坝建成蓄水运行 一段时间，在坝体及坝基形成稳定渗流后，按弹性
理论分析坝体应力时，应将渗流压力按渗流体积力
计算。岩体属于裂隙介质，渗流情况比较复杂，在
实际计算中，常假定岩体是均匀渗流介质，并遵循
达西定律。当边界条件比较复杂时，用解析法很难
求解，用有限元法则可得到较为满意的结果。
永久作用－－不随时间变化的，如 自重、土压力等； 可变作用－－随时间变化的，如 水荷载、温度作用
2019-重力坝剖面和消能工设计-文档资料
（2）面流消能（适用于中小型工程，水头低，下游水 深大且变幅小）
• 消能特点:利用鼻坎将主流挑至水面，在鼻坎附近 表面主流与河床之间形成逆向旋滚。使高速水流与 河床隔开，避免对坝趾附近河床的冲刷，主流在水 面逐渐扩散消能，反向旋滚也可消除一部分能量。
• 优点:面流消能不需设护坦和其他加固措施。
• 缺点:高速水流在表面、伴有强烈的波浪、绵延数里， 影响电站运行及下游通航，易冲刷两岸。
二、溢流重力坝断面设计
溢流重力坝既能挡水又能通过坝顶溢流。因此，坝体 设计除要满足稳定和强度要求外，还要满足泄水要求。 在溢流坝段位置确定以后，应合理选择泄水方式，并 根据洪水标准和运用要求确定孔口尺寸。
（一）、溢流重力坝的剖面设计
•溢流重力坝的孔口型式有 开敞式坝顶溢流和大孔口溢 流式两种。其中大孔口溢流 式可降低溢流堰顶高程，增 大单宽流量，减小溢流坝段 长度。 •溢流面由顶部溢流面曲线 段、中间直线段和下部反弧 段组成 。 一）、溢流堰面曲线
① Q——h”和Q——t重合。 表明任何情况下均产生 临界水跃，无须修消力 池，只须在水跃范围内 修护坦即可。
这是最理想情况，实际 很少见。
hc h" t
h" t
h"-Q t-Q
h" t
t-Q h"-Q
③
Q ①
h" t
t-Q
h"-Q
Q>Qk" t
h"-Q t-Q
② h" t
Q h"-Q
第六节 重力坝的剖面及优化设计 一、非溢流重力坝剖面设计
（一）、设计原则 1、满足稳定和强度要求 2、工程量少 3、便于施工 4、运用方便