重力坝剖面设计
重力坝剖面尺寸初拟
2.7.1坝顶高程的确定
坝顶高程由静水位、风浪涌高、安全超高几部分组成。
坝顶高出水库静水位的高度按下式计算：Δh=h1+h0+hc
式中h1 ——波浪高度，
h0 ——波浪中心线高出静水位的高度
二者按h1=0.0166V5/4*D1/3 ，L1=10.4h10.8 ，h0=πh12 /2L1 计算 V——库面风速D——库面的波浪吹程
hc——安全超高，按下表采用：
依据《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》DL5180—2003和《混凝土重力坝设计规范》DL 5108-1999，安全超高hc按下表确定。
安全超高hc值
坝顶高程或坝顶上游防浪墙顶高程按下列两式计算，并选用较大值：设计情况下V取多年平均风速的1.5~2.0倍，本设计取2倍。
校核情况下取多年平均风速。
由设计给出资料该水库最大吹程为10km,多年平均风速为16m/s.即对于设计情况V=32m/s，校核情况，V=16m/s. 坝顶高程=设计洪水位+Δh设坝顶高程=校核洪水位+Δh校
代入数值计算，设计情况下：h1=1.89h0=0.51 而hc=0.5
校核情况下：h1=1.14 h0=0.18 而hc=0.4，
代入数值计算取两者较大值。
重力坝的剖面详图
剖面选择：对中、低重力坝可以采用工程类比法，参照类 似的已建工程，拟定坝体剖面尺寸，然后对坝体控制截面 进行强度和稳定验算，并根据计算结果进行调整，直到满 足设计要求为止
第三节 重力坝的荷载及组合
• 重力坝的荷载
–作用于重力坝的主要荷载有：①自重；② 静水压力；③扬压力；④动水压力；⑤冰压 力；⑥泥沙压力；⑦浪压力；⑧地震力；⑨ 温度及其他荷载
坝顶布置
● 坝顶结构布置的原则：安全、经济、合理、实用。 ●坝顶结构型式：坝顶部分伸向上游；坝顶部分伸向下 游，并做成拱桥或桥梁结构型式；坝顶建成矩形实体结构， 必要时为移动式闸门启闭机铺设隐型轨道。 ● 坝顶排水：一般都排向上游。 ● 坝顶防浪墙：高度一般为1.2m，厚度应能抵抗波浪及 漂浮物的冲击，与坝体牢固地连在一起，防浪墙在坝体分 缝处也留伸缩缝，缝内设止水。
非溢流重力坝剖面设计
重力坝的基本断面一般是指在水压力(水位与坝顶齐平) 、自重和扬压力等主要荷载作用下，满足稳定、强度 要求的最小三角形断面。 • 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
基本剖面
因为作用于上游面的水压力呈三角形分布,所 以重力坝面是三角形。 当a>90时，即上游面为倒坡。库空时，三角形重 心可能超过底边三分点在下游面产生拉应力，而 且倒坡不便施工。 当a<90时，利用水重帮助稳定。但角度太小时， 库满时合力可能超过底边三分点（偏下游）在上 游面产生拉应力。上游面坡度越缓，第一主应力 越易成为拉应力，故a角不宜太小。
第二章 重力坝
第一节 概述
• 对坝的认识
1-非溢流重力坝； 2-溢流重力坝； 3-横缝； 4-导墙； 5-闸门； 6-坝内排水管； 7-检修、排水廊道； 8-基础灌浆廊道； 9-防渗帷幕； 10-坝基排水孔
1重力坝剖面设计原则2重力坝的基本剖面3实用剖面4实用剖面的优化
—1 重力坝剖面设计原则—2 重力坝的基本剖面—3 实用剖面—4 实用剖面的优化设计—一、优化设计的有关概念【设计变量、目标函数、约束条件】 —二、优化设计的数学模型及求解途径① 满足稳定和强度要求② 剖面最小，即工程量最小③ 便于施工④ 满足运行要求重力坝的基本剖面一般 是指在水压力(水位与坝顶齐平)、自重和扬压力等主要荷载作用下， 满足稳定、强度要求的 最小三角形剖面。
当α>90°时，即上游面为倒坡。
库空时，三角形重心可能超过底边三分点在下游面产生拉 应力，而且倒坡不便施工。
当α <90°时，利用水重帮助稳定。
但角度 太小时，库满时合力可能超过底边三分点（偏 下游）在上游面产生拉应力。
上游面坡度越缓， 第一主应力越易成为拉应力，故α角不宜太小。
工程经验m=0.6~0.8（下游坡）n=0~0.2（上 游坡）根据运用和交通要求，坝顶应有足够的宽度，无特殊要求，坝顶宽=810%坝高，但不得小于3m， 如有运用和交通要求，应满足这些要求。
坝顶高程或防浪墙顶高程，按设计洪水位、校 核洪水位两种情况分别计算，并选用较大值。
坝顶高于水库水位的高度△h 计算常用剖面形态：cz h hh h + + = D % 1例1-3设计资料同例11，要求拟定非溢流重力坝的 断面尺寸。
解：（1）坝顶高程的确定坝顶高程按正常蓄水位和校核洪水位两种情况， 用式157计算坝顶距水库静水位以上的高度∆h，并 据求得相应的坝顶高程，取两者的最大值作为选定 的坝顶高程。
枢纽位于高山峡谷地区，采用式11计算波高、波长。
v 0 在正常蓄水位取1.5倍，在校核洪水位取多年平均 最大风速。
安全超高h正常蓄水位取0.5m，校核洪c水位取0.4m。
正常蓄水位时：由于 ，h 相当于h 5% ，查表11， h 1%=0.87m ，波浪中心线在静水位以上的高度为 同理，校核洪水位h 1% =0.52m ，L m=5.26m ， h z=0.16m ∆h =0.52+0.16+0.4=1.08m1/3 1/12 22 02 1/3.75 1/2.15 22 09.81000 0.0076(1.3 1.5)0.00173 (13.3 1.5) 0.173(13.3 1.5)/9.80.70m9.81000 0.331(13.3 1.5)0.1943(13.3 1.5) 7.89mm m gh v h gL v L - éù ´ =´´´= êú ´ ëû \=´´= éù ´ =´´´= êú ´ ëû \= 2 0 /25.13 gD v = 2 1% 1% 0.30m0.870.300.5 1.67mz m z c h h L h h h h p »= D =++=++=两种情况的坝顶防浪墙顶部高度分别为正常蓄水位时：177.0+1.67=178.67m校核洪水位时：179.02+1.08=180.10m选取上述较大值，坝顶防浪墙高程为180.10m，防浪墙高度 取1.2m，并考虑到坝顶高程应高于校核洪水位，最后确定坝顶高 程为179.15m，最大坝高为30.05m。
重力坝的剖面详图
第一节 概述
• 对坝的认识
1-非溢流重力坝； 2-溢流重力坝； 3-横缝； 4-导墙； 5-闸门； 6-坝内排水管； 7-检修、排水廊道； 8-基础灌浆廊道； 9-防渗帷幕； 10-坝基排水孔
重力坝的剖面详图
基本概念
• 定义：是用混凝土或浆砌石筑的大体积挡水建 筑物.
• 工作原理:在水压力及其他荷载作用下,依靠坝体 自重在坝面产生的抗滑力来抵抗水平水压力产 生的滑动力以达到稳定要求;利用坝体自重在水 平截面上产生的压应力来抵消由于水压力所引 起的拉应力以满足强度要求. 1、重力坝的基本剖面：做成上游面接近铅直 的呈三角形断面，或稍倾向上游的三角形断 面。 2、受力简图可以视作倒置的悬臂梁
坝顶布置
● 坝顶结构布置的原则：安全、经济、合理、实用。
●坝顶结构型式：坝顶部分伸向上游；坝顶部分伸向下 游，并做成拱桥或桥梁结构型式；坝顶建成矩形实体结构， 必要时为移动式闸门启闭机铺设隐型轨道。
● 坝顶排水：一般都排向上游。
● 坝顶防浪墙：高度一般为1.2m，厚度应能抵抗波浪及 漂浮物的冲击，与坝体牢固地连在一起，防浪墙在坝体分 缝处也留伸缩缝，缝内设止水。
自重 初步设计时可取混凝土的重度 24kN/m³； 施工详图阶段由现场混凝土试验决定； 当计算深层滑动时，还应考虑岩体的自重。
（计算自重时，坝上永久性的固定设备，如闸门、固定式启闭 ） 机的重量也应计算在内，坝内较大的孔洞应该扣除。
溢流坝坝面水压力计算
静水压力
• 静水压力是作用在上下游坝面的主要荷载。分
一般情况,坝体与坝基接触面之间摩擦系数及粘结强度越大、 渗压折减系数越大，基本剖面底宽就越小，主要由强度条 件控制。反之，摩擦系数和粘结强度越小，渗压折减系数 越小，坝底宽度就越大，且主要由抗滑稳定条件控制。
重力坝的剖面详图
解溢为 流水 堰平 前水 水压 平力水（压力PH以）（和P垂H1直）水表压示力（PV）。
• PV=Vwγw
（kN/m）
• PH=½ γw H2
（kN/m）
• PH1 =½ γw （H2-h2） （kN/m）
• 式中 Vw——斜坡面上水体体积（m3）；
• H——计算点处的作用水头（m）；
• h——堰顶溢流水深（m）；
缺点
类型
• 按高度分： 30m 70m • 按泄水条件分：溢流 非溢流 • 按筑坝材料分：混凝土 浆砌石 • 按坝体的结构形式分：实体 宽缝 空腹
预应力锚固
重力坝的布置和设计内容
• 布置：轴线 溢流坝段 非溢流坝段 导 墙 边墩。。
• 设计内容：剖面设计 稳定分析 应力分 析 构造设计 地基处理 溢流重力坝和 泄水孔的孔口设计 检测设计
非溢流重力坝剖面设计
重力坝的基本断面一般是指在水压力(水位与坝顶齐平) 、自重和扬压力等主要荷载作用下，满足稳定、强度 要求的最小三角形断面。
• 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
基本剖面
因为作用于上游面的水压力呈三角形分布,所 以重力坝面是三角形。
当a>90时，即上游面为倒坡。库空时，三角形重 心可能超过底边三分点在下游面产生拉应力，而 且倒坡不便施工。
●坝顶结构型式：坝顶部分伸向上游；坝顶部分伸向下 游，并做成拱桥或桥梁结构型式；坝顶建成矩形实体结构， 必要时为移动式闸门启闭机铺设隐型轨道。
● 坝顶排水：一般都排向上游。
● 坝顶防浪墙：高度一般为1.2m，厚度应能抵抗波浪及 漂浮物的冲击，与坝体牢固地连在一起，防浪墙在坝体分 缝处也留伸缩缝，缝内设止水。
重力坝
一、对坝的认识
1 3
2
坝的剖面详图 1-非溢流重力坝； 2-溢流重力坝；3-横缝； 4-导墙； 5-闸门； 6-坝内排水管； 7-检修、排水廊道； 8-基础灌浆廊道； 9-防渗帷幕； 10-坝基排水孔
坝的平面布臵
坝的剖面位臵
用混凝土或浆砌石筑成，坝轴线一般为直线，并有垂直于坝 轴线方向的横缝将坝体分成若干段
六、 重力坝深式泄水孔
1、有压泄水孔 工作闸门布臵在出口，可以部分开启，出口低，利用的水头大，断 面尺寸较小。 缺点：闸门关闭时，孔内承受较大的内水压力对坝体应力和防渗都 不利，常需钢板衬砌。进口处设臵事故检修闸门、平常用来挡水。 2、无压泄水孔 工作闸门布臵在进口，为形成无压水流，需在闸门后将断面顶部升 高。（工作闸门前仍为有压段） 优点：闸门可以部分开启，明流段不用钢板衬砌，施工简便，干扰 少，有利于加快速度进度。 缺点：断面尺寸较大，削弱坝体。 国内重力坝多采用无压泄水孔。
十一、宽缝重力坝
（1）宽缝重力坝的特点 ①扬压力减小，抗滑稳定性相好 ②工程量节省约10%～20%； ③坝体混凝土的散热快； ④宽缝部位的模板用量大和宽缝倒坡部 位的立模复杂； ⑤分期导流不便。 （2）宽缝尺寸布臵 坝体上游坡通常取n=0.15～0.35， 下游坡取m=0.5～0.7，在强度容许 条件下，可适当加大缝宽比，放缓 上游坡。
优点：
1、安全可靠。但剖面尺寸较大，能抵抗水的渗漏，洪水漫顶， 地震或战争破坏的能力都比较强，因而失事率较低。
2、对地形、地质条件适应性强，坝体作用于地基面上的压应
力不高，所以对地质条件的要求也较低，低坝甚至可修建 在土基上。 3、枢纽泄洪容易解决，便于枢纽布臵；施工导流方便，便于 机械化施工。
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
第三章补充材料1重力坝非溢流剖面设计实例ppt课件
抗滑稳定和坝趾抗压强度极限状态属承载能力极限状态， 设计要求采用荷载设计值和材料强度设计值。荷载标准值乘以 荷载分项系数后的值为荷载设计值；材料强度标准值除以材料 性能分项系数后的值为材料强度设计值。本设计有关荷载的分 项系数查《混凝土重力坝设计规范（DL5108－1999）》：自 重为1.0；静水压力为1.0；渗透压力为1.2；浮托力为1.0；淤沙 压力为1.2；浪压力为1.2。混凝土材料的强度分项系数为1.5； 对于混凝土与岩基间抗剪强度摩擦系数为1.3，凝聚力为3.0。 上游坝踵不出现拉应力极限状态属正常使用极限状态，结 构功能极限值为0，设计要求采用荷载标准值和材料强度标准 值。 下游坝基不能被压坏而允许的抗压强度设计值为4000kPa。 实体重力坝扬压力折减系数为0.25。
（4）坝体防渗排水 根据上述尺寸算得坝体最大宽度为26.5m。分析地基条 件，要求设防渗灌浆帷幕和排水幕，灌浆帷幕中心线距上游 坝踵5.3m，排水孔中心线距防渗帷幕中心线1.5m。拟设廊道 系统，实体重力坝剖面设计时暂不计入廊道的影响。 拟定的非溢流坝剖面如图所示。确定剖面尺寸的过程归 纳为：初拟尺寸——稳定和应力校核——修改尺寸——稳定 和应力校核，经过几次反复，得到满意的结果为止。该例题 只要求计算一个过程。
2 1 % 2 1 % 2 z
L
L L
1 1 . 4 2 8
△h=1.395+0.535+0.5=2.43m 防浪墙高程=354+2.43=356.4m
2）校核洪水位情况 风区长度D为0.9km，V0计算风速在校核洪水位情况取多 年平均年最大风速15m/s。 5 / 4 1 / 3 5 / 4 1 / 3 ①波高 h 0 . 0 1 6 6 V D 0 . 0 1 6 6 1 5 （ 0 . 9 ） 0 . 4 7 3 m 5 % 0
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3、剖面形态 有基本剖面修改为适用剖面，有三种常 用的形态，如图：
图（a）
图（b）
图（c）
四、实用断面的优化设计
1、设计变量 上、下游坝面的坡率n、m，坝顶距上、下游起坡点的高度 yn和ym。 2、建立目标函数V(x) 建立目标函数V(x) 3、确定约束条件 如稳定约束、应力约束、几何约束等。 如稳定约束、应力约束、几何约束等。 4、选择求解方法 目标函数和约束条件都是设计参数的非线性函数， 目标函数和约束条件都是设计参数的非线性函数，因此重力 坝的优化设计是一个非线性规划问题。 坝的优化设计是一个非线性规划问题。
上游面呈倾斜的基本三角形加坝顶，适用于坝基础 摩擦系数较小的情况
倾斜的上游坝面可以增 加坝体自重和利用一部 分水重，以满足抗滑稳 定的要求。修建在地震 区的重力坝，可采用此 种剖面。
注：在计算h1%时，两种情况应采用不同的计算风速值。 在计算 时 两种情况应采用不同的计算风速值。
坝顶上游防浪墙顶高程按下式计算后选 用较大值： 用较大值： 防浪墙顶高程 = 正常蓄水位+△h正 正常蓄水位+ 校核洪水位+ 防浪墙顶高程 = 校核洪水位+△h校 坝顶高程＝ 坝顶高程＝最大值 - 1.2 m
下一节
• 采用铅直的上游坝面，适用于坝基摩擦系数较大， 由应力条件控制坝体剖面的情况。
优点：便于布置和 操作坝身过水管道进 口控制设备
缺点：由于在上游 面为铅直的基本三角 形剖面上增加坝顶重 量，空库时下游坝面 可能产生拉应力。
• 工程中经常采用的剖面形态
特点：上游坝面上部铅直 而下部呈倾斜，即可利用部 分水重来增加稳定性，又可 保留铅直的上部便于管道进 口布置设备和操作的优点。 上游折坡的起坡点位置应 结合应力控制条件和引水、 泄水建筑物的进口高程来选 定。一般在坝高的1/3~2/3 的范围内。设计时要验算起 坡点高程水平截面的强度和 稳定条件。
基本剖面是指坝 体在自重、静水压力 和扬压力3项主要荷载 3 作用下，满足稳定和 强度要求，并使工程 量最小的三角形剖面。 。 根据工程经验，一般上游坝坡坡率n=0～0.2， 常做成铅直或上部铅直下部倾向上游；下游坝坡坡 率m=0.6～0.8，底宽约为坝高的0.7～0.9倍。
三、实用剖面
1、 坝顶宽度 、 根据施工、交通、设备安装等条件确定。 一 般B=(8～10)%H，且不小于2m。 或根据漂浮物，冰压力等对坝体的冲击力情 况确定。 2、坝顶高程 坝顶高程应高于校核洪水位，坝顶上游防浪 墙顶的高程应高于波浪顶高程。防浪墙顶与正常 蓄水位或校核洪水位的高差则 二、重力坝基本剖面 三、实用剖面 四、实用断面的优化设计
一、 剖面设计原则
1）满足稳定和强度要求，保证大坝安全； ）满足稳定和强度要求，保证大坝安全； 2）工程量小； ）工程量小； 3）运用方便； ）运用方便； 4）便于施工。 ）便于施工。
二、重力坝基本剖面
∆h = h1% + hz + hc
h1% —累积频率为 时的波高，m。 累积频率为1%时的波高 累积频率为 时的波高， 。 hZ —波浪中心线至静水位的高度，m。 波浪中心线至静水位的高度， 。 波浪中心线至静水位的高度 hc—安全超高 ，见下表。 安全超高m，见下表。 安全超高 坝的安全级别 相应水位 正常蓄水位 校核洪水位 Ⅰ(1级) 级 0.7 0.5 Ⅱ(2、3级) 、 级 0.5 0.4 Ⅲ(4、5级) 、 级 0.4 0.3