第二章重力坝 第一节概述 引言: 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。 本节主要介绍: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 图示讲解: 上游水位P网门 非流段 横缝 溢流坝段 排水管 多必下游水位 廊道 帷幕灌浆孔、排水孔 混凝土重力坝示意图
1 第二章 重力坝 第一节 概述 引言： 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。 本节主要介绍：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 图示讲解： 混凝土重力坝示意图
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 重力坝的特点 1.优点: ●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 料强度较髙,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。 ●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。 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 ●施工方便,维护简单。大体积混凝土,可以采用机械化施工,在放 样、立模和混凝土浇筑等环节都比较方便。在后期维护,扩建,补强,修复 等方面也比较简单。 ●受力明确,结构简单。重力坝沿坝轴线用横缝分成若干坝段,各坝 段独立工作,结构简单,受力明确,稳定和应力计算都比较简单。 2.缺点 坝体剖面尺寸大,材料用量多,材料的强度不能得到充分发挥 2
2 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。 一、重力坝的特点 1.优点： ● 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。 ● 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。 ● 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。 ● 施工方便，维护简单。大体积混凝土，可以采用机械化施工，在放 样、立模和混凝土浇筑等环节都比较方便。在后期维护，扩建，补强，修复 等方面也比较简单。 ● 受力明确，结构简单。重力坝沿坝轴线用横缝分成若干坝段，各坝 段独立工作，结构简单，受力明确，稳定和应力计算都比较简单。 2.缺点： ● 坝体剖面尺寸大，材料用量多，材料的强度不能得到充分发挥
●坝体与坝基接触面积大,坝底扬压力大,对坝体稳定不利。 ●坝体体积大,混凝土在凝结过程中产生大量水化热和硬化收缩,将 引起不利的温度应力和收缩应力。因此,在浇筑混凝土时,需要有较严格的 温度控制措施。 二.重力坝的分类 ●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30m7Om之间的为中坝。坝髙是指坝基最低面(不含局部有深槽或井、洞 部位)至坝顶路面的高度。 ●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。 ●按筑坝材料分类。有混凝土重力坝和浆砌石重力坝。 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)。 ●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。 3
3 ● 坝体与坝基接触面积大，坝底扬压力大，对坝体稳定不利。 ● 坝体体积大，混凝土在凝结过程中产生大量水化热和硬化收缩，将 引起不利的温度应力和收缩应力。因此，在浇筑混凝土时，需要有较严格的 温度控制措施。 二．重力坝的分类 ● 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。 ● 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。 ● 按筑坝材料分类。有混凝土重力坝和浆砌石重力坝。 ● 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）。 ● 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
第二节非溢流坝的剖面设计 剖面设计的基本原则 1.基本原则 ●满足稳定和强度要求,保证大坝安全; ●工程量小,造价低 ●结构合理,运用方便 ●利于施工,方便维修 2.剖面拟定的步骤 ●拟定基本剖面 ●根据运用以及其它要求,将基本剖面修改成实用剖面 ●对实用剖面进行应力分析和稳定验算, ●按规范要求,经过几次反复修正和计算后,得到合理的设计剖面 重力坝的基本剖面 图示讲解:
4 第二节 非溢流坝的剖面设计 一．剖面设计的基本原则 1.基本原则 ●满足稳定和强度要求，保证大坝安全； ●工程量小，造价低； ●结构合理，运用方便； ●利于施工，方便维修。 2.剖面拟定的步骤 ●拟定基本剖面； ●根据运用以及其它要求，将基本剖面修改成实用剖面； ●对实用剖面进行应力分析和稳定验算， ●按规范要求，经过几次反复修正和计算后，得到合理的设计剖面。 二．重力坝的基本剖面 图示讲解：
重力坝的基本剖面 重力坝的基本剖面:重力坝承受的主要荷载是静水压力,控制剖面尺寸 的主要指标是稳定和强度要求。作用于上游面的水平水压力呈三角形分布, 而且三角形剖面外形简单,底面和基础接触面积大,稳定性好,重力坝的基 本剖面是上游近于垂直的三角形 理论分析和工程实践证明,混凝土重力坝上游面可做成折坡,折坡点一 般位于1/32/3坝高处,以便利用上游坝面水重增加坝体的稳定性;上游坝 坡系数常采用n=0~0.2,下游坝坡系数常采用m=0.60.8,坝底宽约为B= (0.70.9)H(H为坝高或最大挡水深度),基本剖面的拟定,采用工程类比 法,确定具体尺寸,简便合理,成功率高。 三.非溢流重力坝的实用剖面 基本剖面拟定后,要进一步根据作用在坝体上的全部荷载以及运用条 件,考虑坝顶交通、设备和防浪墙布置、施工和检修等综合需要,把基本剖 面修改成实用剖面 1.坝顶宽度 为了满足运用、施工和交通的需要,坝顶必须有一定的宽度。当有交通 要求时,应按交通要求布置。一般情况坝顶宽度可采用坝高的810%,且不 小于3m。碾压混凝土坝坝顶宽不小于5m;当坝顶布置移动式启闭机时,坝
5 重力坝的基本剖面 重力坝的基本剖面：重力坝承受的主要荷载是静水压力，控制剖面尺寸 的主要指标是稳定和强度要求。作用于上游面的水平水压力呈三角形分布， 而且三角形剖面外形简单，底面和基础接触面积大，稳定性好，重力坝的基 本剖面是上游近于垂直的三角形。 理论分析和工程实践证明，混凝土重力坝上游面可做成折坡，折坡点一 般位于 1/3~2/3 坝高处，以便利用上游坝面水重增加坝体的稳定性；上游坝 坡系数常采用 n=0~0.2，下游坝坡系数常采用 m=0.6~0.8，坝底宽约为 B= （0.7~0.9）H（H 为坝高或最大挡水深度），基本剖面的拟定，采用工程类比 法，确定具体尺寸，简便合理，成功率高。 三．非溢流重力坝的实用剖面 基本剖面拟定后，要进一步根据作用在坝体上的全部荷载以及运用条 件，考虑坝顶交通、设备和防浪墙布置、施工和检修等综合需要，把基本剖 面修改成实用剖面。 1.坝顶宽度 为了满足运用、施工和交通的需要，坝顶必须有一定的宽度。当有交通 要求时，应按交通要求布置。一般情况坝顶宽度可采用坝高的 8~10%，且不 小于 3m。碾压混凝土坝坝顶宽不小于 5m；当坝顶布置移动式启闭机时，坝
顶宽度要满足安装门机轨道的要求。 2.坝顶高程 为了交通和运用管理的安全,非溢流重力坝的坝顶应高于校核洪水位 坝顶上游的防浪墙顶的髙程应高于波浪髙程,其与正常蓄水位或校核洪水位 的高差△h: △h=h1%+hz+h 式中△h-一防浪墙顶至正常蓄水位或校核洪水位的高差。(m); h1%—一超值累积频率为1%时波浪高度(m) hz—一波浪中心线高出正常蓄水位或校核洪水位的高度(m) hc—一安全超高(m) 图示讲解:波浪的几何要素(波高h1为波峰到波谷的高度;波长L为 波峰到波峰的距离;波浪中心线高出静水面一定高度hz。) 库水面线 库水面线 波浪中心 波浪 波浪几何要素及风区长度 (a)波浪要素;(b)、(c)风区长度 官厅水库公式(适用于峡谷水库) 0.00761012( 10(m) gL =0.33125( (m)
6 顶宽度要满足安装门机轨道的要求。 2.坝顶高程 为了交通和运用管理的安全，非溢流重力坝的坝顶应高于校核洪水位， 坝顶上游的防浪墙顶的高程应高于波浪高程，其与正常蓄水位或校核洪水位 的高差△h： △h=h1%+hz+hc 式中 △h——防浪墙顶至正常蓄水位或校核洪水位的高差。（m）； h1%——超值累积频率为 1%时波浪高度（m）； hz——波浪中心线高出正常蓄水位或校核洪水位的高度（m）； hc——安全超高（m）。 图示讲解：波浪的几何要素（波高 hl 为波峰到波谷的高度；波长 L 为 波峰到波峰的距离；波浪中心线高出静水面一定高度 hz。） 波浪几何要素及风区长度 （a）波浪要素；（b）、（c）风区长度 官厅水库公式（适用于峡谷水库） 3 1 2 0 12 1 2 0 0 0.0076 ( ) V gD V V ghl − = （m） 3.75 1 2 0 2.15 1 2 0 0 0.331 ( ) V gD V V gL − = （m）
式中V0一计算风速(m),是指水面以上10m处10min的多年风速平 均值,水库为正常蓄水位和设计洪水位时,宜采用相应洪水期多年平均最大 风速的1.52.0倍,校核洪水位时,宜采用相应洪水期最大风速的多年平均 值 D一风区长度(有效吹程)(m),是指风作用于水域的长度,为自 坝前沿风向到对岸的距离;当风区长度内水面由局部缩窄,且缩窄处的宽度 B小于12倍计算波长时,用风区长度D=5B(也不小于坝前到缩窄处的距离); 水域不规则时,按规范要求计算。 27H h th L L 式中H—一坝前水深,(m)。 坝顶髙程或坝顶上游防浪墙墙顶髙程按下式计算,并选用较大值: 坝顶或防浪墙顶髙程=设计洪水位+△h设 坝顶或防浪墙顶高程=设计洪水位+△h校 当坝顶设防浪墙时,坝顶高程不得低于相应的静水位,防浪墙顶髙程不 得低于波浪顶高程。 3.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 4.实用剖面形式 图示讲解:坝体实用剖面的上游坝面型式 7
7 式中 V0 —计算风速（m），是指水面以上 10m 处 10min 的多年风速平 均值，水库为正常蓄水位和设计洪水位时，宜采用相应洪水期多年平均最大 风速的 1.5~2.0 倍，校核洪水位时，宜采用相应洪水期最大风速的多年平均 值； D—风区长度(有效吹程)（m），是指风作用于水域的长度，为自 坝前沿风向到对岸的距离；当风区长度内水面由局部缩窄，且缩窄处的宽度 B 小于 12 倍计算波长时，用风区长度 D=5B（也不小于坝前到缩窄处的距离）； 水域不规则时，按规范要求计算。 L H cth L h h l z 2 2 = 式中 H——坝前水深，（m）。 坝顶高程或坝顶上游防浪墙墙顶高程按下式计算，并选用较大值： 坝顶或防浪墙顶高程=设计洪水位+△h 设 坝顶或防浪墙顶高程=设计洪水位+△h 校 当坝顶设防浪墙时，坝顶高程不得低于相应的静水位，防浪墙顶高程不 得低于波浪顶高程。 3.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。 4.实用剖面形式 图示讲解：坝体实用剖面的上游坝面型式
非溢流坝剖面形状 ●铅直坝面,上游坝面为铅直面,便于施工,利于布置进水口、闸门 和拦污设备,但是可能会使下游坝面产生拉应力,此时可修改下游坝坡系数 值 ●斜坡坝面,当坝基条件较差时,可利用斜面上的水重,提高坝体的 稳定性 ●折坡坝面,是最常用的实用剖面。既可利用上游坝面的水重增加稳 定,又可利用折坡点以上的铅直面布置进水口,还可以避免空库时下游坝面 产生拉应力,折坡点(1/32/3坝前水深)处应进行强度和稳定演算。 坝底一般应按规定置于坚硬新鲜岩基上,100m以下重力坝坝基灌浆廊道 距岩基和上游坝面应不小于5 实用剖面应该以剖面的基本参数为依据,以强度和稳定为约束条件,建 立坝体工程量最小的目标函数,进行优化设计,确定最终的设计方案和相关 尺寸。 8
8 非溢流坝剖面形状 ● 铅直坝面，上游坝面为铅直面，便于施工，利于布置进水口、闸门 和拦污设备，但是可能会使下游坝面产生拉应力，此时可修改下游坝坡系数 m 值； ● 斜坡坝面，当坝基条件较差时，可利用斜面上的水重，提高坝体的 稳定性； ● 折坡坝面，是最常用的实用剖面。既可利用上游坝面的水重增加稳 定，又可利用折坡点以上的铅直面布置进水口，还可以避免空库时下游坝面 产生拉应力，折坡点（1/3~2/3 坝前水深）处应进行强度和稳定演算。 坝底一般应按规定置于坚硬新鲜岩基上，100m 以下重力坝坝基灌浆廊道 距岩基和上游坝面应不小于 5m。 实用剖面应该以剖面的基本参数为依据，以强度和稳定为约束条件，建 立坝体工程量最小的目标函数，进行优化设计，确定最终的设计方案和相关 尺寸
第三节重力坝的荷载及组合 引言 荷载是重力坝设计的主要依据之一,荷载可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代表值、分项系 数、有关参数和计算方法。首先应按规范选用;其次参考设计手册;若有些 荷载的代表值不易确定,常采用工程类比法,借助已建工程的观测资料,模 型实验,经验公式,取最不利的情况综合分析确定。 本节主要介绍:.坝体自重、静水压力、动水压力、淤沙压力、浪压力、 扬压力、冰压力、地震作用、其它荷载的作用、计算及其组合 重力坝的荷载 图示讲解 重力坝的荷载主要:①自重;②静水压力;③动水压力;④淤沙压力 ⑤浪压力;⑥扬压力;⑦冰压力:⑧地震荷载;⑨土压力;⑩其它荷载。 取单位坝长(1m)计算 ∴2 坝体自重和坝面水压力计算图 1.自重(包括永久设备自重) 9
9 第三节 重力坝的荷载及组合 引言 荷载是重力坝设计的主要依据之一，荷载可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代表值、分项系 数、有关参数和计算方法。首先应按规范选用；其次参考设计手册；若有些 荷载的代表值不易确定，常采用工程类比法，借助已建工程的观测资料，模 型实验，经验公式，取最不利的情况综合分析确定。 本节主要介绍：. 坝体自重、静水压力、动水压力、淤沙压力、浪压力、 扬压力、冰压力、地震作用、其它荷载的作用、计算及其组合 一．重力坝的荷载 图示讲解： 重力坝的荷载主要：①自重；②静水压力；③动水压力；④淤沙压力； ⑤浪压力；⑥扬压力；⑦冰压力；⑧地震荷载；⑨土压力；⑩其它荷载。 取单位坝长（1m）计算 坝体自重和坝面水压力计算图 1.自重（包括永久设备自重）
坝体自重W标准值计算公式: W=v yc (kN/m) 式中:V一一坝体体积(m3),常将坝体断面分解成矩形、三角形计算。 γc—一坝体混凝土的重度(kN/m3)。根据选定的配合比通过实验确定, 一般采用23.524.0kN/m3。 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。 2.静水压力 静水压力是作用在上下游坝面的主要荷载。分解为水平水压力(PH)和 垂直水压力(PV)。溢流堰前水平水压力以(PH1)表示 PV=Vw (kN/m) PH= 2H2 (kN/m) PH1=2(H2-h2) (kN/m) 式中Ww一斜坡面上水体体积(m3) H一计算点处的作用水头(m); h—一堰顶溢流水深(m) 水的重度(kN/m3)。 静水压力分项系数采用1.0。合力作用点在压力图剖面形心处。 3.动水压力 溢流坝下游反弧段,在高速水流作用下的时均压力和脉动压力叫动水压 力。动水压力的水平分力代表值Pxr和垂直分力代表值Pyr为 Pxr=qpwv(cosφ2-cosφ1) (N/m)
10 坝体自重 W 标准值计算公式： W=V c （kN/m） 式中：V——坝体体积（m3），常将坝体断面分解成矩形、三角形计算。 c——坝体混凝土的重度（kN/m3）。根据选定的配合比通过实验确定， 一般采用 23.5~24.0 kN/m3。 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。 2.静水压力 静水压力是作用在上下游坝面的主要荷载。分解为水平水压力（PH）和 垂直水压力（PV）。溢流堰前水平水压力以（PH1）表示 PV=Vw w （kN/m） PH= w 2 1 H2 （kN/m） PH1= w 2 1 （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）； w——水的重度（kN/m3）。 静水压力分项系数采用 1.0。合力作用点在压力图剖面形心处。 3.动水压力 溢流坝下游反弧段，在高速水流作用下的时均压力和脉动压力叫动水压 力。动水压力的水平分力代表值 Pxr 和垂直分力代表值 Pyr 为 Pxr=qρwv（cosφ2-cosφ1） （N/m）