第2章重力坝

第二章岩基和的重力坝第一节概述图2.1 混凝土重力坝示意图一、重力坝的工作原理及其特点1、工作原理①利用自重在坝基面产生的摩擦力以及坝与地基间的凝聚力来抵抗水平水压力而维持稳定②利用自重引起的压应力来抵消由水压力产生的拉应力2、工作特点①断面尺寸大，抵抗渗漏、漫顶破坏的能力强，在各种坝型中失事率最低②对地形地质条件适应性强③泄流问题容易解决④施工导流容易解决⑤体积大便于机械化施工⑥结构作用明确⑦因为体积大，材料强度不能充分利用⑧底部扬压力大，对稳定不利⑨因为体积大，水化热不易散发，温控要求高二、重力坝的型式(见图2.2>按作用分非溢流重力坝溢流重力坝按建筑材料分混凝土重力坝碾压混凝土重力坝浆砌石重力坝按内部结构分实体重力坝宽缝重力坝空腹重力坝三、重力坝设计的主要内容1、总体布置: 坝轴线组成建筑物的位置2、剖面设计3、稳定分析4、应力分析5、构造设计6、地基处理7、溢流坝或泄水孔设计8、监测设计第二节重力坝的荷载及其组合一、荷载荷载 -----→作用不随时间变化的----永久作用如自重、土压力等随时间变化的------可变作用如水压力、扬压力、温度、孔隙水压力等；偶然发生的--------偶然作用如地震、校核水位下的水压力等.可变作用是指在设计基准期内作用的量值随时间变化与平均值之比不可忽略的作用。

作用在重力坝上的主要荷载有:坝体自重、上下游坝面上的水压力、扬压力、浪压力、泥沙压力、地震荷载及冰压力等(图2.3>.图2.3 重力坝上作用力示意图自重坝体自重是重力坝的主要荷载之一。

W=γ×A+ωω--坝上永久设备重①沿坝基面滑动，仅计坝体重量；②沿深层滑动，需计入滑体内岩体重；③用有限单元法计算时，应计入地基初始应力的影响；假定：1°地基中任一点的垂直应力σ(y>=γh2°水平应力σ(x>=λγh3°剪应力τ(xy>=0静水压力1°上游面垂直2°上游面倾斜①挡水坝段②溢流坝段3°水的容重①清水γ②浑水γ(按实际情况考虑>扬压力(含坝基和坝体内扬压力>*坝基扬压力:坝基扬压力包括两部分①下游水深引起的浮托力；②由水头差引起的渗透压力.渗透压力从上游向下游逐渐消减，其变化呈抛物线分布。

扬压力对坝体稳定不利. 见图2.4为减小扬压力需采取项目措施：设帷幕.用折减系数α表示岩体构造、性质、帷幕的深度、厚度、灌浆质量、排水孔直径、间距、深度等因素。

.设排水.见图2.5.图2.4 无防渗排水措施时坝底扬压力分布图2.5有防渗排水时坝底扬压力分布规范规定：河床坝段：α=0.2～0.3岸坡坝段：α=0.3～0.4需要指出：原型观测资料表明：扬压力因受泥沙淤积的影响随时间延长而减小，对稳定有利。

坝体内扬压力:坝体混凝土也具有一定的渗透性,在水头作用下,库水仍然会从上游坝面渗入坝体,并产生扬压力,见图2.6.图2.6 坝体水平截面上扬压力分布4、动水压力溢流坝泄水时，溢流面上作用有动水压力，其中坝顶曲线段和下游直线段上的动水压力较小，可忽略不计。

在反弧段上需根据水流动力方程求解动水压力。

计算假定：水流为均匀流，动水压力分布亦均匀；水重、侧向水压力F1、F2不计；根据动量冲量原理：单位时间内物体动量的增量等于该物体所受外力的合力。

即反弧段上总水平分力和垂直分力为：冰压力冰压力包括静冰压力和动冰压力静冰压力：寒冷地区，水库表面将结冰，当气温升高时，冰层膨胀，对建筑物产生的压力。

大小：取决于冰层厚度、开始升温时的气温及温升率。

动冰压力：当冰破碎后，受风和水流的作用而漂流，当冰块撞击在坝面或闸墩上时将产生动冰压力。

说明:1°冰压力对高坝可以忽略，因为一方面水库开阔，冰易凸起破碎，另一方面在总荷载中所占比例较小；2°对低坝、闸较为重要，它占总荷载的比重大；3°某些部位如闸门进水口处及不宜承受大冰压力的部位，可采取冲气措施等。

泥沙压力①成因: 水库蓄水后，入库水流流速降低并趋于零，挟带的泥沙随流速减小而沉积于坝前，其过程是先沉积大颗粒，而后沉积细颗粒。

②计算a、淤积高程坝前淤积逐年增高，可根据河流的挟沙量进行估算，估算年限通常为50-100年。

b、指标淤积的泥沙逐年固结，容重和内摩擦角也在逐年变化，很难算准，设计时可根据经验取定，象黄河这样的多沙河流应由实验定出。

C、计算公式7、浪压力成因:空气流动，带动水体，形成波浪。

波浪三要素:波高, 波长, 波浪中心线距静水面的距离(图2.7>图2.7 风成波及立波示意图波浪涌高2h L波浪运动不受库底影响----深水波波浪运动受库底影响，且库水深小于临界深度时-----破碎波水深在上两者之间时--------浅水波b、波长2Lc、波浪中心线距静水面的距离h波浪中心线距静水面的距离h。

③风浪压力计算影响波浪的因素很多，目前大都采用半经验公式来确定波长、波高，我国《混凝土重力坝设计规范》推荐官厅水库公式。

深水波压力计算公式：浅水波压力计算公式：若坝的迎水面倾斜，波浪的反射作用将减弱当α＞45°时与铅直面情况相近当α＜45°时按斜坡上的波浪考虑8、地震荷载地震荷载包括:地震惯性力地震动水压力(激荡力>地震动土压力( 地震对扬压力、泥沙压力的影响一般不考虑>计算方法：动力法一般用拟静力法计算:F=ma, a为坝址处的地震加速度.地震烈度：(表示地震时在一定地点的地面震动的强烈程度，分0～12度>地震荷载的大小与建筑物所在地区的烈度有关，烈度又分基本烈度和设计烈度两种.基本烈度系指建筑物所在地区今后一定时期(一般指100年左右>内可能遭遇的地震最大烈度。

设计烈度系指抗震设计时实际采用的烈度。

(震级≠烈度>一般情况下：设计烈度=基本烈度特殊情况下：设计烈度=基本烈度+1°(如特别重要的坝、地质条件复杂、失事后影响巨大>①地震惯性力用拟静力法计算地震作用效应式中: ---水平向地震系数, 为地面水平最大加速度的统计平均值与重力加速度的比值.---综合影响系数, 取0.25F---地震惯性力系数, 反映结构的弹性对动力反映的影响.W---坝体总重量.②地震动水压力地震时，坝前坝后的水随之震动，形成作用在坝面上的激荡力。

在水平地震作用下坝面上的地震动水压力沿高度变化，水深y处的动水压力强度为总的动水压力为其作用点位于水面以下的0.54H处.水深y处以上单位宽度地震动水压力合力及其作用点见图2.8图2.8 水深y处以上地震动水压力合力及其作用点位置水深为y的截面以上单宽地震动水压力的合力及其作用点深度可查现成图表。

说明：1°倾斜的迎水面，用上述公式求得的动水压力应乘以折减系数ψ/90°；2°迎水面有折坡时，直立部分等于或大于水深的一半，按直立面计算，否则用直连接水面与坡脚按倾斜面计算；3°对宽高比B/H＜5的梯形河谷或V形河谷，按上述公式求得的地震动水压力偏大，故需乘以折减系数C1；4°作用在坝体上下游的地震动水压力均垂直于坝面，且二者作用方向一致；二、荷载(作用>组合1、基本概念除自重外，作用在重力坝上的荷载和如下特点：时大时小、时有时无、此出彼没。

2、荷载组合定义将可能作用在建筑物上的所有荷载按出现的时间(机率>是否相同进行分组，然后将各组荷载分别作用在所设计的建筑物上，研究建筑物的稳定和强度，并给以不同的安全系数。

这种分组的方法即为荷载组合。

荷载(作用>组合分类结构设计时需对不同的作用进行组合即分基本组合和偶然组合基本组合：可能同时出现永久作用和可变作用的组合。

分长期组合:持久发生(持久状态>如正常挡水位短期组合:短暂发生(短暂状态>如设计洪水位偶然组合：基本组合与一种偶然作用同时出现的组合。

上述组合都需按承载能力极限状态和正常使用极限状态进行设计。

设计工况正常使用极限状态下分：长期组合短期组合承载能力极限状态下分：基本组合(不分长短期>偶然组合分项系数:是考虑结构安全级别(>、设计状态(>、作用(荷载>(>、材料性能变异性(>以及计算模式不定性(>.1.结构重要性系数( >用以反映不同结构安全级别对结构可靠度的不同要求，安全级别为一级时，=1.1安全级别为二级时，=1.0安全级别为三级时，=0.92.设计状况系数( >用以反映不同设计状况的目标可靠指标不同，分别对应持久状况、短暂状况、偶然状况。

对重力坝 (=1.0>、(=0.95>、(=0.85>3.作用分项系数(>用以反映作用(荷载>对其标准值F k的不利变异，由作用设计值F d与标准值之比来定义:随作用的概率分布不同而不同。

4.材料性能分项系数(>用以反映材料性能对其标堆值f k的不利变异，可由材料性能设计值f d与标准值之比的倒数来定义:5.结构系数( >用以反应作用效应计算模式不定性和抗力计算模式不定性，还包括反映前4个分项系数未反映的其他不定性-------(用计算得到>.r d1----承载能力极限状态基本组合的结构系数r d2----承载能力极限状态偶然组合的结构系数r d3----正常使用极限状态短期组合的结构系数r d4----正常使用极限状态长期组合的结构系数式中 S(*>为作用效应函数； R(*>为结构抗力函数；G k、Q k、分别为永久作用的标准值和可变作用的标准值；A k------为偶然作用代表值；f k、a k、分别为材料性能标准值、几何参数标准值；C------ 为结构的功能限值；第三节重力坝的稳定分析重力坝主要是依靠自重维持稳定，其可能出现的破坏型式(见图2.9>：滑动：坝体沿抗剪能力不足的薄弱而产生滑动。

倾复：抗倾力矩小于倾复力矩.下游地基差易出现.图2.9 重力坝失稳破坏示意图因此, 抗滑稳定是重力坝设计中的一个重要内容.计算假定1、河床坝段作为平面问题处理，岸坡坝段按空间问题处理；2、略去横缝作用，以单宽计；3、假定为一根固结于基础上的变截面悬臂梁稳定分析目的: 验算重力坝在各种可能荷载组合下的稳定安全度.(一>沿坝基面的抗滑稳定分析假定坝体与坝基的连接有三种物理模式:“触接”、“粘接”、“咬接”. 简单接触----摩擦公式认为坝底光滑，坝基光滑，坝直接放置在基岩上----“触接”故当滑动面为水平面时,抗滑稳定计算公式：当滑动面为倾向上游的倾斜面时:图2.10 重力坝沿坝基抗滑稳定计算示意图2、抗剪断公式假定坝体与坝基之间涂有一层砂浆----“粘接”计算时考虑粘结力的作用，故抗剪断公式为:计算时考虑粘结力的作用，故抗剪断公式为:3、剪摩公式假定坝体坝基之间凸凹不平，相互咬合在一起，计算时考虑纯剪强度说明:1、上述三个抗滑稳定计算公式是在不同的假定前提下得到的摩擦公式：形式简单，概念明确，计算方便，多年来积累了丰富的经验，公式中不考虑粘结力与实际不符，(安全裕度含在假定中，k=1.0并不意味着处于临界状态；>剪摩公式：考虑抗滑力时，人为地把阻滑力看作为摩擦力与抗剪能力之和，己挖掘了维持稳定的所有潜力。