2 重力坝设计(参考教材)

2 重力坝设计2.1 重力坝设计的基本内容重力坝设计是在全面掌握和认真分析坝址地区的水文、泥沙、地形、地质、地震资料和综合利用要求、运用要求、水库淹没情况、施工条件以及所在河段上下游河流规划要求的基础上，在认真研究渡讯方案的基础上，进行枢纽布置，以及确定枢纽中各种建筑物(非溢流坝、溢流坝、泄水孔、水电站、通航建筑物、取水建筑物、过木建筑物、过鱼建筑物的型式、尺寸、结构等，通过详细的稳定和应力分析，确定出既满足安全要求，经济实用，并且便于施工的建筑物。

2.1.1 枢纽布置2.1.1.1 坝型、坝轴线选择坝型坝址选择是水利枢纽设计的重要内容。

不同的坝址可以选用不同的坝型，同一个坝址也可考虑几种不同的枢纽布置方案。

坝址和坝型的选择主要是根据地形、地质和河势等条件，并结合考虑施工、建材等因素而确定，在枢纽规划阶段、可行性研究阶段、技术设计与施工详图设计阶段，由于工作的深度的要求不同，应是一个反复比较和论证的过程。

(1)地质条件重力坝一般应建在岩基上，且坝址必须是稳定的。

坝址地基要力求完整、坚硬，地质构造简单，尽量避开裂隙、节理密集区，特别是要避开可有倾向下游的缓倾角，且又含有夹泥的裂隙节理区。

(2)地形条件重力坝的坝轴线一般是直线，与河流流向近于正交，既使由于要避开不利的地质条件需要斜交时，交角也不易太小，以免下泄洪水不畅。

若坝址有横河向断裂，则坝轴线易放在断裂下游。

横河断面上。

对于高山峡谷区，坝址选在峡谷地段，坝轴线短，坝体工程量小。

(3)筑坝材料坝址附近应有足够的符合要求的建筑材料(4)施工条件坝址附近应有开阔地形，便于布置施工场地，距离交通干线近，便于交通运输。

(5)综合效益选择坝址应综合考虑防洪、发电、航运、旅游、环境等各部门的经济效益。

一般地，混凝土重力坝应选择河谷宽阔，地质条件较好，当地有充足的砂卵石或碎石料场。

坝轴线宜采用直线。

2.1.1.2 枢纽的总体布置拦河坝在水利枢纽中占主要地位。

在确定枢纽工程位置时，一般先确定建坝河段，进一步确定坝轴线，同时还要考虑拟采用的坝型和枢纽中建筑物的总体布置，合理解决综合利用要求。

一般地，泄洪建筑物和电站厂房应尽量布置在主河床位置，供水建筑物位于岸坡。

(1)溢流坝的布置溢流坝的位置应使下泄洪水、排冰时能与下游平顺连接，不致冲淘坝基和其它建筑物的基础，其流态和冲淤不致影响其它建筑物的使用。

(2)泄水孔及导流底孔的布置泄水孔一般设在河床部位的坝段内，进口高程、孔数、尺寸、形式应根据主要用途来选择。

狭窄河谷泄水孔宜与溢流坝段相结合，宽敞河谷二者可分开，排沙孔应尽量靠近发电进水口、船闸等需要排沙的部位。

导流底孔宣泄施工期的流量，在通航河床上应考虑施工期的航运及过木。

一般地，导流底孔应尽量和永久建筑物结合，做到一孔多用。

当导流底孔出口流速较大而冲刷岩石时，应采取保护措施，更应防止泄洪时冲坏永久建筑物。

(3)非溢流坝的布置非溢流坝一般布置在河岸部分并与岸坡相连，非溢流坝与溢流坝或其它建筑物相连处，常用边墙、导墙隔开。

连接处尽量使迎水面在同一平面上，以免部分建筑物受侧向水压力作用改变坝体的应力。

在宽阔河道上以及岸坡覆盖层、风化层极深时，非溢流坝段也可采用土石坝。

2.1.2 非溢流坝剖面设计重力坝的强度和稳定性主要靠坝的重量保证，而坝的重量主要取决于坝的形状和尺寸。

设计重力坝的断面，需先粗略地选取一个基本断面，并根据运用需要，把基本断面修正为实用断面，然后再进行详细的应力和稳定分析，据此，再修正实用断面，使之既能满足安全要求，又要结构合理，运用方便，便于施工。

也可参照已建重力坝实例初步选定一个，经过稳定及强度验算，分析是否满足安全和经济的要求，然后修改已拟定的剖面，重复以上过程直至得到一个经济的剖面，这是一个反复修改的过程。

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 工程量小，造价低；③ 结构合理，运用方便；④ 利于施工，方便维修。

2.1.2.1 剖面尺寸的拟定非溢流坝剖面初步拟定的主要内容有：坝顶高程的确定，坝顶宽度的拟定，坝坡的确定及上、下游起坡点位置的确定。

1．坝顶高程的确定坝顶应高于校核洪水位，坝顶上游防浪墙顶的高程应高于波浪顶高程，其与正常蓄水位或校核洪水位的高差可按式2-1计算。

c z h h h h ++=∆%1 ( 2—1)式中: Δh ----库水位以上的超高, m ；h 1%---- 波浪高度，m ；h z ----波浪中心线超出静水位的高度，m ； h c ----安全超高，m ，可以在表2-1中查找；波浪要素按照《水工建筑物荷载设计规范》(DL5077-1997)附录G 规定的公式计算。

表 2-1 非溢流坝坝顶安全超高值(m)坝顶或防浪墙顶高程=静水位＋相应的库水位以上的超高Δh 。

比较在正常蓄水位和校核洪水位求得的坝顶高程，取较大值，减去防浪墙高度(1.2m 左右)，则可以得到带有防浪墙的坝顶高程。

对于1、2级坝，坝顶高程不得低于校核洪水位。

2．坝顶宽度坝顶宽度应根据设备布置、运行、检修、施工和交通等要求确定，并应满足抗震、特大洪水时抢护等要求。

在严寒地区，当冰压力很大时，还要核算断面的强度。

一般地，坝顶宽度取最大坝高的8%~10%，且不小于3m 。

若有交通要求或有移动式启闭机设施时，应根据实际需要确定。

3．坝坡的拟定常态混凝土重力坝非溢流坝段的上游面可为铅直面、斜面或折面。

根据工程实践，上游边坡系数宜采用1:0~1:0.2，当设置纵缝时，应考虑其对纵缝灌浆前施工期坝体应力的影响，坝坡不宜过缓。

下游边坡系数m＝0.6~0.8。

对横缝设有键槽进行灌浆的整式策略坝，坝坡可适当变陡。

4．上、下游起坡点位置的确定上游起坡点位置应结合应力控制标准和发电引水管、泄水孔等建筑物的进口高程来确定，一般起坡点在坝高的1/3~2/3附近。

下游起坡点的位置应根据坝的实用剖面型式、坝顶宽度、结合坝的基本剖面计算得到(最常用的是其基本剖面的顶点位于校核洪水位处)。

由于起坡点处的断面发生突变，故应对该截面进行强度和稳定校核。

根据以上几个方面，初拟非溢流重力坝实用剖面如图2-1。

图2-1非溢流坝剖面设计2.1.2.2 荷载计算及组合1．荷载计算荷载是重力坝设计的主要依据之一，荷载按作用随时间的变异分为三类：永久作用、可变作用、偶然作用。

设计时应正确选用其标准值、分项系数(从表2-2中选用)、有关参数和计算方法。

按设计情况、校核情况分别计算荷载作用的标准值和设计值(设计值＝其标准值×分项系数)。

荷载作用标准值的计算方法见水工建筑物教材或设计手册。

表2-2 荷载作用分项系数2．荷载组合按承载能力极限状态设计时，应考虑基本组合和偶然组合两种作用效应组合；按正常使用极限状态设计时，应考虑短期组合和长期组合两种作用效应组合。

它们分别考虑的荷载见表2-3。

表2-3 重力坝荷载组合注：1 应根据各种作用同时发生的实际可能性，选择计算中的最不利的组合；2 表中的“+”表示应考虑的荷载，“0”表示不考虑的荷载。

2.1.2.3 稳定分析稳定分析的主要目的是验算重力坝在各种可能荷载作用下的稳定安全度，工程实践和试验研究证明，岩基上的重力坝的失稳破坏有两种类型：一是坝体沿抗剪能力不足的薄弱层面产生的滑动，包括沿坝与岩基接触面的滑动及沿坝基岩体内连续软弱结构面产生的深层滑动；另一种是在荷载作用下，上游坝踵以下岩体受拉产生倾斜裂缝以及下游坝址岩体受压产生压碎区而引起倾倒滑移破坏。

根据《混凝土重力坝设计规范》(DL 5108-1999)混凝土重力坝应分别按承载力极限状态和正常使用极限状态进行计算和验算，其计算方法和计算公式参见水工建筑物教材或设计手册。

下面说明几个需要注意的问题。

(1) 滑动面的选择是稳定分析的重要环节。

其基本原则是：研究坝基地质条件和坝体剖面形式，选择受力较大、抗剪强度低、最容易产生滑动的截面作为设计截面。

一般有以下几种情况：①坝基面；②坝基内软弱层面；③基岩缓倾角结构面；④不利的地形；⑤碾压混凝土层面等。

(2) 核算坝基面及坝基面混凝土层面的抗滑稳定极限状态时，应按材料的标准值和作用的标准值或代表值分别计算基本组合和偶然组合。

(3) 当坝基岩体存在软弱结构面、缓倾角裂隙及坝下游经冲刷形成临空面等情况时，需核算深层抗滑稳定。

根据滑动面，临空面、围岩抗力条件综合分析基本地质结构模型后，分单斜面、双斜面和多斜面计算模式，除用刚体极限平衡法(见《混凝土重力坝设计规范》(DL 5108-1999)符录F)计算外，必要时，可辅以有限元法、地质力学模型试验等核算深层抗滑稳定，并进行综合评定。

经过计算分析，若满足抗滑稳定要求，则所拟定的剖面尺寸已经能达到抗滑稳定要求。

否则需要修改尺寸，重新计算。

但应注意剖面与设计有一个优化过程，抗力函数计算值不能过大（相对效应函数计算值）,否则会造成投资额增大。

2.1.2.4 坝体强度验算坝体强度验算包括坝体强度极限状态验算和坝体上、下游面拉应力正常使用极限状态验算，其中坝体强度极限状态验算内容包括坝趾抗压强度承载能力极限状态和坝体选定截面下游端点的抗压强度承受能力极限状态。

正常使用极限状态计算包括坝体上、下游面拉应力正常使用极限状态计算。

此外，对短期荷载组合下游坝面的垂直拉应力也要进行验算。

具体的计算公式参见水工建筑物教材或设计手册。

通过上述计算分析，若满足抗滑稳定及承载能力要求，则所拟定剖面尺寸已经能达到稳定要求。

2.1.3 溢流坝设计2.1.3.1 泄水方式的选择溢流重力坝既要挡水又要泄水，不仅要满足稳定和强度要求，还要满足泄水要求。

因此需要有足够的孔口尺寸、较好体型的堰型，以满足泄水的要求；且使水流平顺，不产生空蚀破坏。

溢流坝的泄水方式主要有以下两种：1．开敞溢流式除泄洪外，它还可排除冰凌或其它漂浮物。

堰顶可设置闸门，也可不设。

不设闸门时，堰顶高程等于水库的正常高水位，泄洪时库水位雍高，从而加大了淹没损失，但结构简单，管理方便，适用于泄洪量不大、淹没损失小的中小型工程；设置闸门的溢流坝，闸门顶高程大致与正常高水位齐平，堰顶高程较低，可利用闸门的开启高度调节库水位和下泄流量，适用于大型工程及重要的中型工程。

2．孔口溢流式为了降低堰顶闸门的高度，增大泄流，可采用带有胸墙的溢流堰。

这种型式的溢流孔可按洪水预报提前放水，从而腾出较大库容蓄纳洪水，提高水库的调洪能力。

为使水库具有较大的泄洪潜力，宜优先考虑开敞式溢流孔。

2.1.3.2 孔口设计1．洪水标准的确定根据建筑物的级别及运用情况确定洪水标准(见表2-4)。

表2-4 山区、丘陵区水利工程水工建筑物洪水标准2．设计流量的确定确定设计流量时，先拟定溢流坝的泄水方式，然后进行调洪演算，求得各方案的防洪库容、设计洪水位和校核洪水位及其相应的下泄流量；然后估算淹没损失、枢纽造价、效益，进行综合比较，选出最优方案。