重力坝上的作用及作用效应组合
重力坝的荷载及其组合
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工程措施：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2.6.力,见图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。
02-重力坝1 概述荷载
(2) 结构简单，施工容易，有利于机械化施工
重力坝结构简单，施工技术比较容易掌握，在放样、立模 和混凝土浇捣方面都比较方便，有利于机械化施工。由于 断面尺寸大，材料强度高、耐久性能好，因而对抵抗水的 渗透、特大洪水的漫顶、地震和战争破坏能力都比较强， 安全性较高。
(3) 对地形、地质条件适应性好
（3）扬压力—坝基扬压力、坝体扬压力
作用在坝基面和坝体内部，很重要但难于精确计算。 影响因素很多：坝基地质条件、防渗排水措施、坝体结构 型式等 由两部分组成： 下游水深产生的浮托力（uplift pressure） 上下游水头产生的渗透压力（seepage pressure）
☻坝基扬压力（无帷幕）
§2 重力坝的荷载及组合
一、 主要荷载 （1）自重—dead load / dead weight （2）水压力—water pressure / hydraulic pressure （3）扬压力—uplift pressure （4）冰压力—ice pressure （5）土压力—earth pressure / soil pressure （6）地震荷载—earthquake load / seismic load （7）温度荷载—load of temperature variation 设计重力坝时，应根据具体的应用条件确定各种荷载的大小， 并选择不同的荷载组合，用以验算坝体的稳定和强度。
几乎任何形状的河谷都可以修建重力坝。对地基要求高于 土石坝，低于拱坝及支墩坝。一般来说，具有足够强度的 岩基均可满足要求，因为重力坝常沿坝轴线分成若干独立 的坝段，所以能较好地适应岩石物理力学特性的变化和各 种非均质的地质。
(4) 坝基面积大，扬压力的影响大
扬压力的作用会抵消部分坝体重量的有效压力，对坝的稳 定和应力情况不利，故需采取各种有效的防渗排水措施， 以削减扬压力，节省工程量。 防渗：帷幕 排水：排水孔幕（一排或多排）
重力坝上的作用
—§1-2 重力坝上的作用一、作用及其分类Ø作用：通常指对结构产生效应(内力、变形等)的各种原因的总和。
可分为直接、间接作用。
•直接作用：施加在结构上的外加力。
如集中力、 分布力•间接作用：使结构产生外加变形或约束变形的原因如地震作用、温度作用Ø作用效应：结构对外界的响应，即结构受到作用后所产生的内力、变形和振动等(如轴力、弯矩、位移、挠度、 裂缝和结构动力响应等)。
•按其随时间的变异分为：1.永久作用：设计基准期内量值不随时间变化，或 其变化与平均值相比可忽略的作用。
如结构及永久设备自重、土压力、淤沙压力、地应力、预应力 2.可变作用：设计基准期内量值随时间变化的作用如：静水压力、扬压力、动水压力、浪压力、冰压力、冻胀力、 温度作用3.偶然作用：设计基准期内出现概率很小，一旦出 现，其量值很大且持续时间很短的作用。
如：地震作用、校核洪水位时的静水压力等作用点、分布规律】【作用点、分布规律】二、作用计算【二、作用计算•坝体自重、上下游水压力、扬压力、浪 压力、泥沙压力、地震力、冰压力等。
（一）坝体自重坝体及附属永久设备的重量。
是维持重力坝稳定的主 要荷载，由坝的体积和材料重度计算确定。
较大孔洞应扣除，永久固定设备的重量应计入。
(二）静水压力按水力学原理计算，沿坝面积分，可分解成水平和 垂直两部分。
(三）扬压力包括：渗透压力(U2 )和浮托力 (U 1)两部分。
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。
1.坝基面扬压力(1)无防渗排水措施的情况(2)有防渗排水措施的情况:α=0.25岸坡坝段:α=0.352.坝体内部扬压力= 0.2α3(四）浪压力 波浪要素：波高2h l 、波长2L l 、波浪中心线超出静水面高度h 01.波浪要素计算( 经验公式)(1)官厅水库公式<与课本表达式不同> V f为计算风速、D 为风作用于水域的长度 适用于V f =<20m/s 、D <20 km 的内陆峡谷水库。
重力坝-第二节
（4）扬压力
4.1 坝底扬压力 包括两部分 ①下游水深引起的浮托力
②由上下游水头差引起的渗透压力
➢ 渗透水压力的实际分布比较复杂：基岩节理、 裂隙分布规律，难于理论计算。
➢ 通常由经验假定：若坝底面未做任何防渗排水处 理，则沿坝底面直线分布，即在坝底面沿程渗流 水头损失相等。
对设计烈度为8、9度的I、II级挡水建筑物， 水平、竖直方向的地震惯性力（YES）， 竖向动水压力（NO）。
地震荷载计算方法: ➢ 拟静力法＋动力法 ➢ 对于地震设防为甲类的工程，采用动力法 ➢ 对于抗震设防为乙、丙类的设计烈度低于8度
且坝高不超过70m的重力坝可采用拟静力法。
8.1 地震惯性力（考试内容）
最高烈度为12度。
地震荷载的大小与建筑物所在地区的烈度有关 基本烈度—某地区今后一定时期内（约100年）
可能遭遇到的最大地震烈度。 设计烈度—抗震设计中实际采用的地震烈度
＝基本烈度（一般） ＋1度（抗震设防类别为甲类）
《水工建筑物抗震设计规范》规定： ①对地震烈度6度以下地区（NO）。 ②一般只考虑危害最大的水平方向地震作用；
6.1 波浪要素计算 ➢ 官厅水库（位于河北）公式
ghp v02
1/3
0.0076v01/12gvD 02
累计频率为p的波高， 如h5% 20-250
1/3.75
gvL02m0.331v01/2.15gvD 02
累计频率波高与平均波高 比值可查教材表1-1得到
如h5%/hm=1.95 可得hm
无防渗排水措施时 坝底扬压力分布
坝基有帷幕和主排 水孔幕、2排副排水 孔幕，并采取抽排， 帷幕后坝基较大范 围的渗透压力得到 更大释放
重力坝的荷载及荷载组合
PH1
W3
PskH
W1
7000 3000 36680
U1
U2
U3
U4
316.35 PV1
PH 2 302.5
αγH
溢流坝段荷载计算示意图
图3-2-1溢流重力坝上基本作用和偶然作用
表3-2-1 承载能力极限状态作用的基本组合和偶然组合
作业
试根据教材P79【例1－1】已知条件计算 各项作用的标准值。
3、动水压力
溢流坝面动水压力计算图
（１）坝顶曲线段的动水压力 常忽略不计。
（２）斜坡直线段上的动水压力 动水压强：p=γ0hcos (kpa) 可忽略不计。
（３）反弧段水流离心力（见P36式3-3） PX、PY作用点：近似认为作用在反弧中点
４、扬压力 由挡水建筑物上下游静水头作用下的渗
▽
▽
主排水孔 防渗帷幕
▽ 副排水孔
(2)坝体防渗排水 在上游坝面部分浇筑抗渗标号高的混凝土 紧靠防渗层的下游侧设排水管
C20砼
坝体排水管
C15砼
坝底扬压力 (1)未设防渗帷幕和排水孔
▽
H1
E U1
γ0H2 γ0H1 γ0H
U2
H=H1-H2 ▽ H2
F
γ0H2 浮托力
渗透压力 U=U1+U2
Lm／2
H
单位长度上浪压力标准值Pwk(kN／m) ： 作用点位置呢？
7、冰压力 1.静冰压力 2.动冰压力 8、地震作用
1.几个术语 ▲抗震设计：一般包括抗震计算和抗震措施。
▲基本烈度：50年期限内，一般场地条件下，可
能遭遇超越概率P50为0.10的地震烈度。一般为《中国地 震烈度区划图(1990)》上所标示的地震烈度值，对重大 工程应通过专门的场地地震危险性分析工作确定。
重力坝构造的原理
重力坝构造的原理
重力坝是一种建筑结构，基于重力原理而设计。
其基本原理是利用坝体自身的重量来抵抗水压力，从而稳定地阻挡水流。
重力坝由大块的混凝土或石块构成，通常呈三角形或梯形的形状。
坝底较宽，逐渐向上收缩，顶部较窄。
坝体底部通常加入泄洪孔和泄水闸门，用于控制水位和洪水排放。
重力坝的工作原理可以描述如下：
1. 自重作用：重力坝由厚重的混凝土或石块构成，这些材料本身具有较大的质量和重量。
这些重物通过自身的重力效应使坝体保持稳定，防止水流对坝体施加的上游和下游水压力使其倒塌。
2. 反力作用：坝体以基础为支撑点，通过受到的水压力产生的反力来保持平衡。
水流对坝体施加的压力将被坝体的自重通过基础传递到地面上，地面上的地基承受这部分压力，从而保持稳定。
3. 水密性：重力坝的斜面通常非常陡峭，这种设计可以减小水压力对坝体的影响，因为坝体与水的接触面积较小。
同时，重力坝通常使用层叠的混凝土构建，以增加整体结构的密封性，减少水渗透。
重力坝是一种简单且可靠的建筑结构，适用于中小型水库和河流的水电站。
然而，它也有一些局限性，如对基础地质条件的要求较高，施工成本较高等。
重力坝的工作原理
重力坝的工作原理
重力坝是一种常见的水利工程结构，它的工作原理基于重力和物体稳定性的原理。
重力坝主要依靠自身的重量来承受水压力，并通过将这些压力传递到地基来保持其稳定性。
重力坝一般是由混凝土或大型石块等材料建造而成，通过筑坝来阻塞水流。
当水流经过坝体时，由于重力的作用，坝体对水流产生了阻碍作用。
这种阻碍作用使水流高度上升，从而形成了水库。
重力坝的工作原理主要可以概括为以下几个方面：
1. 抵抗水压：水压是指水体由于重力作用而产生的压力。
重力坝能够通过自身的重量来抵抗水压力，从而保持坝体的稳定性。
具体来说，坝体越重，所能承受的水压力就越大。
2. 平衡作用：重力坝是一个通过重力平衡来稳定自身的结构。
坝体上方的水压会通过重力传递到坝基，使坝体受力均衡，从而保持整个结构的稳定。
为了提高重力坝的稳定性，常常会在坝体内部设置一定数量的加固物，如钢筋混凝土墙等。
3. 溢流控制：重力坝通常会建在河道上，以形成水库。
当水位上升到一定程度时，超过坝顶高度的水会自动溢流，并通过坝体把溢流水流导入下游。
这样可以有效控制水库的水位，防止洪水泛滥。
4. 地基承载：地基是重力坝的支撑基础，承受着坝体的重量和
水力力。
为了确保坝体的稳定性，重力坝在设计和施工过程中会充分考虑地基的承载能力，采取加固措施，如在坝基周围设置岩石填料等。
总而言之，重力坝通过依靠自身的重量和地基的支撑来抵抗水压力，从而保持坝体的稳定性。
其主要工作原理是基于重力和物体稳定性的原理。
《水工建筑物》第二章 重力坝
五、重力坝的分类
• 1、 按坝的高度分类:坝高低于30m的为低坝，高于70m的 为高坝，介于30m～70m之间的为中坝。坝高是指坝基最 低面（不含局部有深槽或井、洞部位）至坝顶路面的高度。 • 2、按泄水条件分类:有溢流重力坝和非溢流重力坝。溢流 坝段和坝内设有泄水孔的坝段统称为泄水坝段，非溢流坝 段也叫挡水坝段。 • 3、按筑坝材料分类:有混凝土重力坝和浆砌石重力坝。 • 4、按坝体结构型式分类:实体重力坝宽缝重力坝；空腹 （腹孔）重力坝；预应力锚固重力坝；装配式重力坝；支 墩坝（大头坝、连拱坝、平板坝）。 • 5、按施工方法分类:有浇筑混凝土重力坝和碾压混凝土重 力坝。碾压混凝土重力坝剖面与实体重力坝剖面类似。
2.46 2.23 2.01 1.80 1.78 1.63 1.68 1.56 1.64 1.52 1.60 1.49 1.56 1.46 1.44 1.37 1.39 1.33 1.30 1.25
0.98 1.00 1.01 1.01
• 对计算风速，指水面以上10m高处10min多年最大平均风速， 当测点在水面上Zm处，应乘以高度修正系数KZ（见表2-2）
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
三峡水利枢纽溢流重力坝
三峡泄洪闸泄洪
尼尔基水利枢纽中的重力坝
一、对坝的认识
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.
vo gD 2 =250-1000时 ，为频率10%波高h10% vo
gh gD 3 12 0.0076 o ( 2 ) v 2 vo vo
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4、传力系统明确，便于分析与设计，运行期间的维护及 检修工作量较少。但需采用防渗排水设施及温控措施。
三峡坝水利枢纽总布置图（尺寸单位：m
(上）平面布置
（下）上游立视图
一、对坝的认识
三峡坝水利枢纽总布置图（尺寸单位：m (左）厂房坝段剖面图 右）溢流坝段剖面图
二、重力坝的主要内容
1、确定水利枢纽工程和水工建筑物的等级、洪水标准。 2、剖面尺寸拟定 3、溢流坝剖面的设计 4、重力坝的应力校核计算 5、重力坝的稳定校核计算 6、大坝的构造（分缝、止水、廊道系统） 7、坝基处理（坝基处理的技术）
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
三峡水利枢纽溢流重力坝
三峡泄洪闸泄洪
尼尔基水利枢纽中的重力坝
一、对坝的认识
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.
• 3、按筑坝材料分类:有混凝土重力坝和浆砌石重力坝。 • 4、按坝体结构型式分类:实体重力坝宽缝重力坝；空腹
（腹孔）重力坝；预应力锚固重力坝；装配式重力坝；支 墩坝（大头坝、连拱坝、平板坝）。 • 5、按施工方法分类:有浇筑混凝土重力坝和碾压混凝土重
力坝。碾压混凝土重力坝剖面与实体重力坝剖面类似。
一、自重
建筑物的结构自重标准值,可按结构设计及材料重 度计算确定，初步设计时可取砼重度为 C 24 K；N / m3 施工详图阶段由现场砼试验决定；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。坝体自重的作用分项系数 为1.0。永久设备自重的作用分项系数，当其作用效应 对结构不利时采用1.05，有利时采用0.95。
二、静水压力
• 作用在坝面上的静水压力可按静水力学 原理计算，分为水平及垂直力分别进行 计算。
三、重力坝的工作原理
• 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
五、重力坝的分类
• 1、 按坝的高度分类:坝高低于30m的为低坝，高于70m的 为高坝，介于30m～70m之间的为中坝。坝高是指坝基最 低面（不含局部有深槽或井、洞部位）至坝顶路面的高度。
• 2、按泄水条件分类:有溢流重力坝和非溢流重力坝。溢流 坝段和坝内设有泄水孔的坝段统称为泄水坝段，非溢流坝 段也叫挡水坝段。
• 包括：地震作用、校核洪水位时的静水压力等。
• 采用分项系数设计方法时，设计表达式中作用变量所采用 的值，称为设计代表值。
• 对永久作用和可变作用的代表值应采用作用的标准值，偶 然作用的代表值按有关规范确定。
第二节 重力坝上的作用及作用效应组合
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。
第二章 重力坝
第二章 重力坝
第一节 概 述 第二节 重力坝上的作用及作用效应组合 第三节 重力坝的可靠度设计原理简介 第四节 重力坝的稳定分析 第五节 重力坝断面设计
第一节 概 述
一、对坝的认识 二、重力坝的主要内容 三、重力坝的工作原理 四．重力坝的特点 五．重力坝的分类
第一节 概 述
一、对坝的认识
第二节 重力坝上的作用及作用效应组合
作用 自重 静水压力 动水压力 扬压力
பைடு நூலகம்
泥沙压力 浪压力 冰压力 地震力 重力坝荷载组合
第二节 重力坝上的作用及作用效应组合
• 作用： • 指外界环境对水工建筑物的影响。 • １、按时间的变异分永久作用、可变作用、偶然作用。 • ２、按建筑物对外界作用的效应的原因分：直接作用和
间接作用。 • 所谓直接作用是指直接施加在结构上的分布力或集中力，
亦可称“荷载”；间接作用则指因外部环境（改变）的 原因使结构产生附加变形或约束变形，如温度地震作用 等。 • 结构上的各种作用，按其随时间的变异分三种： • （1）永久作用：是指在设计基准期内，其量值不随时间 变化或其变化与平均值相比可忽略不计的作用。 包括：结构自重；土压力淤沙压力；围岩压力预应力等。
四、重力坝的特点
缺点：
1、剖面尺寸大，水泥石料等用量多。
2、坝体应力较低，材料强度能充分发挥。
3、坝底扬压力较大，对稳定不利。
重力坝坝体与地基的接触面积大，相应的坝底扬压力也大， 它会减轻坝体的有效重量，对坝体的稳定不利，因此要采 取有效防渗排水措施，减小扬压力，节省工程量。
4、水泥水化热较大，可能导致坝体裂缝。砼体积大，水泥 用量大，在施工期，水泥水化热引起的温度也很大，并将 引起坝体内温度和收缩应力，可能引起坝体产生裂缝，所 以要采取温控措施。
第二节 重力坝上的作用及作用效应组合
• （2）可变作用：指在设计基准期内量值随时间变化，且变 化与平均值相比不可忽略的作用；
包括: 静水压力、扬压力、动水压力、浪压力、外水压力、风 雪荷载、冰压力、温度作用、灌浆压力等。
• （3）偶然作用：指在设计基准期内出现概率很小，一旦出 现量值很大且持续时间很短的作用，
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
四、重力坝的特点
优点：
1、重力坝结构简单、体积大，有利于机械化施工。而且由 于断面尺寸较大，材料强度高耐久性能好，抵抗水的渗 漏，洪水漫顶，地震或战争破坏的能力都比较强，安全 可靠。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。