非溢流重力坝的剖面设计
非溢流重力坝的剖面设计
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。
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1、设计变量
四、实用断面的优化设计
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)
3、确定约束条件
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，因此重力坝的优化设计是一个非线性规划问题。
下一节
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h1% —累积频率为1%时的波高，m。 hZ —波浪中心线至静水位的高度，m。 hc—安全超高m，见下表。
注：在计算h1%时，两种情况应采用不同的计算风速值。
相应水位
坝的安全级别
Ⅰ(1级)
Ⅱ(2、3级)
Ⅲ(4、5级)
正常蓄水位
ห้องสมุดไป่ตู้0.7
0.5
0.4
校核洪水位
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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。
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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。
授课题目：第二章 重力坝 第一节 概述 第二节 非溢流坝的剖面...
授课题目：第二章重力坝第一节概述第二节非溢流坝的剖面设计教学目的：掌握重力坝的特点、重力坝的分类、非溢流坝剖面设计的基本原则、基本剖面及实用剖面。
教学重点：重力坝的特点、重力坝的分类。
非溢流坝基本剖面及实用剖面。
教学难点：非溢流坝剖面设计的基本原则、基本剖面及实用剖面。
教学过程：组织教学：师生问好，清查人数。
复习提问：什么是水利枢纽？水利工程管理的内容是什么？导入新课：重力坝是主要依靠坝体自重所产生的抗滑力来满足稳定要求的挡水建筑物。
在世界坝工史上是最古老，也是采用最多的坝型之一。
非溢流坝剖面形式、尺寸的确定，将影响到荷载的计算、稳定和应力分析，因此，非溢流坝剖面的设计以及其它相关结构的布置，是重力坝设计的关键步骤。
讲授新课：第一节概述混凝土重力坝示意图一、世界上最高的重力坝我国已建的重力坝：刘家峡148m，新安江105m，三门峡106m，丹江口110m，丰满、潘家口等，其中，高坝有20余座。
其中三峡混凝土重力坝和龙滩碾压混凝土重力坝分别高达175米和216.5米。
重力坝坝轴线一般为直线，垂直坝轴线方向设横缝，将坝体分成若干个独立工作的坝段，以免因坝基发生不均匀沉陷和温度变化而引起坝体开裂。
为了防止漏水，在缝内设多道止水。
垂直坝轴线的横剖面基本上是呈三角形的，结构受力形式为固接于坝基上的悬臂梁。
坝基要求布置防渗排水设施。
二、重力坝的特点（一）优点：1、工作安全，运行可靠。
重力坝剖面尺寸大，坝内应力较小，筑坝材料强度较高，耐久性好。
因此，抵抗洪水漫顶、渗漏、侵蚀、地震和战争等破坏的能力都比较强。
据统计，在各种坝型中，重力坝失事率相对较低。
2、对地形、地质条件适应性强。
任何形状的河谷都可以修建重力坝。
对地质条件要求相对较低，一般修建在岩基上，当坝高不大时，也可修建在土基上。
3、泄洪方便，导流容易。
可采用坝顶溢流，也可在坝内设泄水孔，不需设置溢洪道和泄水隧洞，枢纽布置紧凑。
在施工期可以利用坝体导流，不需另设导流隧洞。
非溢流重力坝设计知识
非溢流重力坝设计知识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：（一）满足稳定和强度要求；（二）工程量少；（三）便于施工；（四）运用方便。
二、基本剖面（一）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。
1.规律：①施工运用方便多做成a=90；②f较低时，为满足稳定，减小a角，利用水重；③工程经验：m=0.6—0.8（下游坡）n=0—0.2（上游坡）； 2.一般情况,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，T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。
★三、实用剖面（一）坝顶宽度（课本49页）；（二）坝顶高程（课本49页）；（三）剖面选择（课本51页）（四）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。
四、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。
（一）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。
1.溢流堰面曲线★常采用非真空剖面曲线。
①开敞式溢流堰面曲线②大孔口堰面曲线★③堰顶附近允许出现的负压值为：在常遇洪水位闸门全开时不得出现负压；校核洪水位闸门全开时出现的负压值不得超过3m～6m水柱；正常蓄水位或常遇洪水位闸门局部开启时（以运用中较常出现的开度为准），可允许有不大的负压值，其值应经论证后确定。
★常遇洪水位，系指频率为20年一遇以下洪水时的水库水位，在常遇水位下，溢流堰运用机会较多，容易遭受空蚀，特别在门槽部位，应引起注意。
2.溢流面中间直线段；3.溢流坝下游反弧段半径；4.溢流坝剖面布置五、溢流坝孔口设计（一）孔口设计涉及因素 （二）设计步骤（三）孔口型式1.坝顶溢流式优点：①闸门承受的水头较小，孔口尺寸可以较大； ②闸门全开时，下泄流量与堰顶水头H 03/2成正比，超泄能力强； ③闸门在顶部，操作方便，易于维修，安全可靠； ④能排水及其他漂浮物。
非溢流重力坝设计
第三章 非溢流重力坝设计3.1基本剖面设计3.1.1剖面设计原则重力坝的设计断面应由基本荷载组合控制，并以特殊荷载组合复合。
设计断面要满足强度和强度要求。
非溢流坝剖面设计的基本原则是：①满足稳定和强度要求，保证大坝安全；②工程量最小；③优选体形，运用方便；④便于施工，避免出现不利的应力状态。
3.1.2基本剖面拟定图3.1重力坝的基本剖面是指坝的基本剖面是指在自重、静水压力（水位与坝顶齐平）和扬压力三项主要荷载作用下，满足稳定和强度要求，并使工程量最小的三角形剖面，如图3.1。
在已知坝高H 、水压力P 、抗剪强度参数f 、c 和扬压力U 的条件下，根据抗滑稳定和强度要求，可以求的工程量最小的三角形剖面尺寸。
3.1.3实用剖面的拟定一、坝顶高程的拟定坝顶高程应高于校核洪水位，坝顶上游防浪墙顶高程应高于波浪顶高程。
坝顶高程由静水位+相应情况下的风浪涌高和安全超高定出。
即∇＝静+h ∆式中：h ∆＝l z c h h h ++。
式中：l h ----为波浪高度；z h ----为波浪中心线超出静水位的高度；c h ----为安全超高。
1、超高值h ∆的计算（1）基本公式坝顶应高于校核洪水位，坝顶上游防浪墙顶高程应高于波浪顶高程，h ∆可由式计算，应选择三者中防浪墙较高者作为选定高程。
c z h h h h ++=∆%1 （2.1）式中h ∆—防浪墙顶与设计洪水位或校核洪水位的高差m ；%1h —累计频率为1%的波浪高度m ；z h —波浪中心线至设计洪水位或校和洪水位的高差m ；c h ——安全超高 ；c h 的取值，根据下表3.1表3.1故本设计坝的级别为2级，所以设计安全超高为0.5m ，校核安全超高为0.4m 。
对于h l%和h z 的计算采用官厅公式计算：3/14/500166.0D V h l =，0.810.4()c L h = 22l z h H h cth L Lππ= 式中： 0V ----计算风速，m/s, 在计算%1h 和z h 时，设计洪水位和校核洪水位采用不同的计算风速值。
水工建筑物重力坝剖面设计+构造+地基处理
hh1h0hc
式中：
h1——波浪高度； h0——波浪中心线高出静水位的高度； hc——安全超高，按表6-2采用。
注：在计算h1和h0时，设计和校核情况应采用不同的计算风速值。
表6-2 安全超高值（单位：m）
坝的级别 运用情况
1
2
3
设计情况 （基本组合）
0.7
0.5
0.4
校核情况 （特殊组合）
0.5
0.4
道进口布置和操作。 缺点：上游折坡点要结合应力和管道进口布置高程选定，
要验算折坡点截面的强度和稳定。一般在坝 高的 1/3~2/3的范围内。 （3）上游坝面略呈倾斜 （实用剖面（3）） 优点：增加坝体自重，利用部分水重增加坝的稳定 性， 可避免库空时下游产生过大拉应力。 缺点：不便于布置和操作坝身过水管道进口控制设备 适用：fˊ、c ˊ 较小情况。
可采用优化方法，进行重力坝剖面优化设计。
1. 确定描述坝体体形的设计参数； 2. 建立目标函数：一般取结构的重量和造价，因重力坝的
造价主要取决于坝体砼方量，故取坝体体积作为目标函 数； 3. 确定约束条件：如稳定约束、应力约束、几何约束等； 4. 优化计算：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。
不影响枢纽中其它建筑物的正常运行。
一、孔口设计
（一）孔口型式 （枢纽泄水方式 ） 根据泄水孔的位置以及坝顶是否有胸墙，泄水重力坝孔
口型式 （泄水方式 ）可分为坝顶溢流式（或称表孔溢 流）、大孔口溢流式和深式泄水孔三种。
（1）坝顶溢流式（表孔溢流） 特点： ① 下泄流量Q与成H03/2正比（H0为
水工建筑物
赖国伟
2020年5月21日
第一节 非溢流重力坝
（3）约束条件：求一组Xi→V(x)→最小
（4）选择求解方法：应用非线性规划问题求解法求解
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第一章 岩基上的重力坝
四、非溢流重力坝的剖面设计 （三）优化设计（了解）
第一节 非溢流重力坝
1、概念：在全部可行方案中，利用数学手段，按设计者预定的 要求，从中选择出一个最优方案。 2、内容 （1）设计变量：n、m、H、顶宽B、上、下游起坡点高度等。 其中：H、B→预定参数；n、m、yn，ym…… 设计变量 （2）目标函数：坝体体积:V（x）
震，特大洪水时抢护等要求。
2、常态砼坝坝顶最小宽度 3m ，碾压砼坝为 5m 。一般可采用B= (8％～10％)H，有交通要求时，按交通规定确定。
3、当有较大的冰压力或漂浮物撞击时，还应满足强度要求。
4、坝顶路面应具有横向坡度，并设置相应的排水系统。 5、有交通要求时，两侧宜设人行道，且高出路面 20～30cm。
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第一章 岩基上的重力坝
三、重力坝的设计内容
第一节 非溢流重力坝
5）构造设计。根据施工和运行要求，确定坝体细部构造，包括廊 道、排水、分缝、止水等。
6）地基处理。地基的开挖、防渗（帷幕灌浆）、排水、断层、破
碎带的处理等。 7）溢流重力坝和泄水孔的孔口设计。堰顶高程、孔口尺寸、体型、 消能防冲设计等。 8）监测设计。包括坝体内部和外部的观测设计，制定大坝的运行、 维护和监测条例。
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第一章 岩基上的重力坝
四、非溢流重力坝的剖面设计
第一节 非溢流重力坝
任务：重力坝剖面设计的任务是在满足稳定和强度要求
非溢流坝面设计
第一节非溢流坝剖面设计
非溢流坝段的基本断面呈三角形，其顶点宜在坝顶附近，基本断面上部设坝顶结构。
已知非溢流坝采用实体重力坝，基本剖面为上游坝坡采用1：0，下游坝坡采用1：0.6-1:0.8,坝顶宽度为坝高的8%-10%，且>3m，而坝高为157.2-68=89.2m，考虑通车情况取坝顶宽度为8m
坝底宽度计算采用公式（5）
(5)
式中T —坝底宽度
H —为坝高
—坝体混泥土容重取23.5KN/m3
—水的容重取10 KN/m3
β—坝上游面为铅垂面取0
a—扬压力折减系数取0.35
则由公式（5）计算可得下游坝底宽度为63.07m；
校核坝底宽度是否满足下游坝坡1：0.6-1：0.8的要求
H/(T-坝顶宽度)=1.57 满足要求
校核设计的剖面是否满足抗滑稳定安全不考虑动水压力和地震荷载
由书公式2—1，单位长度坝面自重=65436.7KN注：此式中H为校核洪水位156.3m；即A=（156.3-68）*0.5*63.07=2784.54m3；
单位长度静水总压力=36722.45KN注：此式的H用设计洪水位153.7m；
淤沙压力=3861.00KN
式中A为坝体面积，计算后得2859.60 m3
淤泥的浮重度取9KN/m3
挡水建筑物前泥沙的淤积高度取97.6m-68m=29.6m
淤泥的内摩擦角取1.2°
扬压力
=10382.63KN
浪压力
=39.76KN
校核代入公式（6）
带入以上数据得K=1.12 >1.10 满足要求。
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。
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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Δh按下式计算：
h h1% hz hc
h1% —累积频率为1%时的波高，m。
hZ —波浪中心线至静水位的高度，m。
hc—安全超高m，见下表。
相应水位
坝的安全级别 Ⅰ(1级) Ⅱ(2、3级) Ⅲ(4、5级)
正常蓄水位
0.7
校核洪水位
0.5
0.5
0.4
0.4
0.3
注：在计算h1%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：
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。
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。
一、 剖面设计原则
1）满足稳定和强度要求，保证大坝安全； 2）工程量小； 3）运用方便； 4）便于施工。
二、重力坝基本剖面
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 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。
2、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。
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，因此重力 坝的优化设计是一个非线性规划问题。
下一节Biblioteka • 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
防浪墙顶高程 = 正常蓄水位+△h正 防浪墙顶高程 = 校核洪水位+△h校 坝顶高程＝最大值 - 1.2 m
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。