第3章 重力坝1-4节

1、水工建筑物水工建筑物 水利水电工程系水利水电工程系 张晓飞张晓飞 2013年年3月月第三章第三章 岩基上的重力坝岩基上的重力坝 31 31 概述概述32 32 重力坝的荷载及其组合重力坝的荷载及其组合33 33 重力坝的抗滑稳定分析重力坝的抗滑稳定分析34 34 重力坝的应力分析重力坝的应力分析本章的主要内容：本章的主要内容：35 35 重力坝的渗流分析重力坝的渗流分析36 36 温度应力、温度控制和裂缝防止温度应力、温度控制和裂缝防止37 37 重力坝的剖面设计重力坝的剖面设计38 38 重力坝的极限状态设计法重力坝的极限状态设计法39 39 重力坝的抗震设计重力坝的抗震设计310 310

2、泄水重力坝泄水重力坝311 311 重力坝的地基处理重力坝的地基处理3 312 12 重力坝的材料及构造重力坝的材料及构造3 313 13 碾压砼重力坝碾压砼重力坝3 314 14 其他型式重力坝其他型式重力坝3.1 3.1 概述概述 一、重力坝的工作原理和特点一、重力坝的工作原理和特点 3.1 3.1 概述概述 公元前公元前29002900年埃及第一代王朝，曼奈斯王在首都孟年埃及第一代王朝，曼奈斯王在首都孟非斯城附近的尼罗河上，修建了一座高非斯城附近的尼罗河上，修建了一座高H H15m15m，L=240mL=240m的挡水坝。的挡水坝。 （1 1）利用自重在坝基面产生的摩擦力以及坝与地）利用

3、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；基间的凝聚力来抵抗水平水压力而维持稳定； （2 2）利用自重引起的压应力抵消由水压力产生的）利用自重引起的压应力抵消由水压力产生的拉应力。拉应力。 （3 3）基本剖面呈三角形。）基本剖面呈三角形。 （4 4）平面上，坝轴线通常呈直线，有时也布置呈折线）平面上，坝轴线通常呈直线，有时也布置呈折线或曲率不大的拱向上游的拱形。或曲率不大的拱向上游的拱形。 （5 5）用横缝（）用横缝（1-2cm1-2cm）将坝体分隔成若干个独立工作的）将坝体分隔成若干个独立工作的坝段，见图坝段，见图3131。 （6 6）靠近坝踵设防渗帷幕，帷幕

4、后设排水孔，见图）靠近坝踵设防渗帷幕，帷幕后设排水孔，见图3-23-2。图图3-33-3为三峡水利枢纽工程布置图。为三峡水利枢纽工程布置图。图3 1 重 力 坝 的 布 置 1 溢 流 坝 段 ； 2 非 溢 流 坝 段 ； 3 横 缝 纵缝横缝水平施工缝常态混凝土重力坝图常态混凝土重力坝图碾压混凝土重力坝图碾压混凝土重力坝图 优点：优点： （1 1）结构作用明确，设计方法简单，安全可）结构作用明确，设计方法简单，安全可靠靠 用横缝分成若干坝段，各坝段独立工作用横缝分成若干坝段，各坝段独立工作,结构作用结构作用明确，应力和稳定计算简单。剖面尺寸大，坝内应力明确，应力和稳定计算简单。剖面尺寸大，

5、坝内应力较低，材料强度高，耐久性好，因而抵抗洪水漫顶、较低，材料强度高，耐久性好，因而抵抗洪水漫顶、渗流、地震和战争破坏的能力都比较强。渗流、地震和战争破坏的能力都比较强。 优点：优点：（2 2）对地形地质条件适应性强）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。对地任何形状的河谷都可以修建重力坝。对地质条件的要求也较拱坝低，甚至在土基上也可质条件的要求也较拱坝低，甚至在土基上也可以修建高度不大的重力坝。以修建高度不大的重力坝。 优点：优点：（3 3）枢纽泄洪问题容易解决）枢纽泄洪问题容易解决 可以做成溢流的，也可以在坝内不同高度设可以做成溢流的，也可以在坝内不同高度设置泄水孔，一

6、般不需另设溢洪道或泄水隧洞，置泄水孔，一般不需另设溢洪道或泄水隧洞，枢纽布置紧凑。枢纽布置紧凑。 优点：优点： （4 4）便于施工导流）便于施工导流 可以利用坝体导流，一般不需要另开设导可以利用坝体导流，一般不需要另开设导流隧洞。流隧洞。 （5 5）施工方便）施工方便 大体积砼，可以采用机械化施工，在放样、大体积砼，可以采用机械化施工，在放样、立模和砼浇筑方面都比较简单，并且补强、立模和砼浇筑方面都比较简单，并且补强、修复、维护或扩建也比较方便。修复、维护或扩建也比较方便。 缺点：缺点： （1 1）坝体剖面尺寸大，材料用量大坝体剖面尺寸大，材料用量大 （2 2）坝体应力较低，材料强度不能充分发

7、挥坝体应力较低，材料强度不能充分发挥 （3 3）坝体与地基接触面积大，相应坝底扬压力大坝体与地基接触面积大，相应坝底扬压力大 （4 4）坝体体积大坝体体积大二、重力坝的类型二、重力坝的类型1.1.实体重力坝实体重力坝: :三峡、刘家峡、三门峡等三峡、刘家峡、三门峡等2.2.宽缝重力坝宽缝重力坝: :新安浆、丹江口、盐锅峡、新安浆、丹江口、盐锅峡、 潘家口等潘家口等3.3.空腹重力坝空腹重力坝: :石泉、岱峪（浆砌石）等石泉、岱峪（浆砌石）等三、重力坝的设计内容三、重力坝的设计内容 1. 1.剖面设计剖面设计。参照已建类似工程，拟定剖面。参照已建类似工程，拟定剖面尺寸。尺寸。 2.2.稳定分析稳

8、定分析。验算沿地基面或地基中软弱结。验算沿地基面或地基中软弱结构面的抗滑稳定。构面的抗滑稳定。 3.3.应力分析应力分析。保证坝体和坝基有足够的强度。保证坝体和坝基有足够的强度。 4.4.构造设计构造设计。根据施工和运用要求确定坝体。根据施工和运用要求确定坝体的细部构造，如廊道系统、排水系统、坝体分缝等。的细部构造，如廊道系统、排水系统、坝体分缝等。 5. 5.地基处理地基处理。进行地基的防渗、排水、。进行地基的防渗、排水、断层软弱带的处理等。断层软弱带的处理等。 6.6.溢流重力坝和泄水孔的孔口设计溢流重力坝和泄水孔的孔口设计。包。包括：堰顶高程、孔口尺寸、体形及消能、防括：堰顶高程、孔口尺

9、寸、体形及消能、防护设计等。护设计等。 7.7.监测设计监测设计。坝体内部和外部的观测设。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。计，制定大坝的运行、维护和监测条例。实际工作中，以上的内容在步骤上是相互交叉的。实际工作中，以上的内容在步骤上是相互交叉的。四、重力坝的建设情况四、重力坝的建设情况1919世纪以前，基本上都采用浆砌毛石；世纪以前，基本上都采用浆砌毛石；1919世纪后期才逐渐采用砼。进入世纪后期才逐渐采用砼。进入2020世纪后，随着砼世纪后，随着砼施工工艺水平的提高和施工机械的迅速发展；施工工艺水平的提高和施工机械的迅速发展；19621962年瑞士建成了世界上最高的

10、大狄克桑斯重力坝，年瑞士建成了世界上最高的大狄克桑斯重力坝，坝高达坝高达285m285m。进入进入2020世纪世纪8080年代，碾压砼技术开始运用于重力坝年代，碾压砼技术开始运用于重力坝建设。建设。5050年代首先建成了高年代首先建成了高105m105m的新安江和高的新安江和高71m71m的古田一级两的古田一级两座宽缝重力坝。座宽缝重力坝。6060年代建成了高年代建成了高97m97m的丹江口宽缝重力坝和高的丹江口宽缝重力坝和高147m147m的刘家的刘家峡重力坝。峡重力坝。7070年代建成了黄龙滩、龚嘴重力坝。年代建成了黄龙滩、龚嘴重力坝。8080年代建成了高年代建成了高165m165m的乌江

11、渡拱型重力坝和高的乌江渡拱型重力坝和高107.5m107.5m的潘的潘家口低宽缝重力坝等。家口低宽缝重力坝等。9090年代建成的有故县、铜街子、岩滩、水口、宝珠寺、漫年代建成的有故县、铜街子、岩滩、水口、宝珠寺、漫湾、五强溪、万家寨等重力坝。湾、五强溪、万家寨等重力坝。19941994年年1212月正式开工兴建月正式开工兴建的长江三峡水利枢纽重力坝，坝高的长江三峡水利枢纽重力坝，坝高181m181m，20032003年年7 7月第一月第一台机组已经并网发电。台机组已经并网发电。3.2 3.2 重力坝的荷载及其组合重力坝的荷载及其组合 一、作用与荷载一、作用与荷载作用作用：是指外界环境对水工建筑

12、物的影响。：是指外界环境对水工建筑物的影响。荷载荷载：进行结构分析时，如果开始即可用一个明确的外力：进行结构分析时，如果开始即可用一个明确的外力来代表外界环境的影响，则此作用（外力）可称为荷载。来代表外界环境的影响，则此作用（外力）可称为荷载。部分作用在结构分析开始时不能用力来代表，它的作用力及部分作用在结构分析开始时不能用力来代表，它的作用力及其产生的作用效应只能在结构分析中同步求出，如：温度作其产生的作用效应只能在结构分析中同步求出，如：温度作用、地震作用等。用、地震作用等。作用分为：作用分为： 永久作用永久作用：不随时间变化的，如：不随时间变化的，如 自重、土压力等；自重、土压力等； 可

13、变作用可变作用：随时间变化的，如：随时间变化的，如 水荷载、温度作用等；水荷载、温度作用等； 偶然作用偶然作用：偶然发生的，如：偶然发生的，如 地震、校核水位下的水地震、校核水位下的水压力等。压力等。为了与工程界习惯一致，除地震作用和温度作用外，为了与工程界习惯一致，除地震作用和温度作用外，其他作用可用外力来代表，则直接称为荷载。其他作用可用外力来代表，则直接称为荷载。 重力坝承受的荷载与作用主要有：重力坝承受的荷载与作用主要有： 自重（包括固定设备重）自重（包括固定设备重） 静水压力静水压力 扬压力扬压力 动水压力动水压力 浪压力浪压力 泥沙压力泥沙压力 冰压力冰压力 土压力土压力 地震作用

14、地震作用 温度作用温度作用 风作用风作用重力坝作用荷载图重力坝作用荷载图1.1.自重自重 G=VG=V* *ccVV坝体体积；坝体体积；cc材料容重（初设时取混凝土材料容重（初设时取混凝土c=24kN/mc=24kN/m3 3，施，施工详图阶段由现场混凝土试验决定）。工详图阶段由现场混凝土试验决定）。 沿坝基面滑动，仅计坝体重量；沿坝基面滑动，仅计坝体重量； 沿深层滑动，需计入滑动体中的岩体重沿深层滑动，需计入滑动体中的岩体重。2.2.静水压力静水压力水平力水平力： P P1 1=(1/2)H=(1/2)H1 12 2 P P2 2=(1/2)H=(1/2)H2 22 2 垂直力垂直力： W

15、W1 1、 W W2 2式中式中: H: H水深，水深，m m； 水的容重，取水的容重，取9.81kN9.81kNm3m3。图图34 34 静水压力静水压力 3.3.扬压力扬压力 （1 1）坝底扬压力）坝底扬压力 原因原因: :上下游水位差；上下游水位差；砼、岩石都是透水材料。砼、岩石都是透水材料。 包括两部分包括两部分: : 浮托力；浮托力；渗透压力。渗透压力。 扬压力折减系数。扬压力折减系数。 水工建筑物荷载规范水工建筑物荷载规范（DL5077DL507719971997）规定：）规定： 河床坝段河床坝段:=0.2:=0.20.250.25； 岸坡坝段岸坡坝段:=0.3:=0.30.35

16、0.35 （2 2）坝身扬压力）坝身扬压力 坝身排水管折减系数坝身排水管折减系数:3=0.15:3=0.150.20.2 选取坝基扬压力折点位置考虑：选取坝基扬压力折点位置考虑： （1 1）帷幕灌浆廊道设置在坝踵附近距上游坝面）帷幕灌浆廊道设置在坝踵附近距上游坝面0.050.050.10.1倍作用水头、且不小于倍作用水头、且不小于4 45m5m。 （2 2）廊道一般宽为）廊道一般宽为2.52.53.0m3.0m，高为，高为3 34m4m，底，底面距基岩面不宜小于面距基岩面不宜小于1.51.5倍廊道宽度。倍廊道宽度。 （3 3）排水孔与防渗帷幕下游面的距离，在坝基）排水孔与防渗帷幕下游面的距离，

17、在坝基面处不宜小于面处不宜小于2.0m2.0m。排水孔幕略向下游倾斜，与帷。排水孔幕略向下游倾斜，与帷幕成幕成10101515交角。交角。 选取坝体扬压力折点位置考虑：选取坝体扬压力折点位置考虑： 检查排水廊道多为城门洞型，最小宽度检查排水廊道多为城门洞型，最小宽度1.2m1.2m，最小高度，最小高度2.2m2.2m，至上游面距离应不小，至上游面距离应不小于于0.050.050.070.07倍水头，且不小于倍水头，且不小于3m3m。坝体排。坝体排水管至上游面的距离，一般要求不小于坝前水管至上游面的距离，一般要求不小于坝前水深的水深的1/101/101/12 1/12 。 4.4.动水压力动水压

18、力 溢流坝泄水时，水流流经曲面，由于流向改溢流坝泄水时，水流流经曲面，由于流向改变，在该处产生动水压力，见图变，在该处产生动水压力，见图3-7。溢流面上作。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。据水流动力方程求解动水压力。计算假定：计算假定： （1 1）水流为匀速流，动水压力分布亦均匀，）水流为匀速流，动水压力分布亦均匀，取取 V V1 1V V2 2V V； （2 2）不计水重）不计水重W W，侧面水压力，侧面水压力F F1

19、1和和F F2 2。 根据动量冲量原理：单位时间内物体动量的根据动量冲量原理：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：水平分力和垂直分力为： 式中式中 P PH H，P PV V总动水压力的水平和铅直分量，总动水压力的水平和铅直分量，kNkN； 1 1，2 2反弧最低点两侧弧段所对的中心角，反弧最低点两侧弧段所对的中心角，； qq单宽流量，单宽流量，m3m3(sm)(sm)； 水的容重，水的容重，kNkNm3m3； gg重力加速度，重力加速度，m ms s2 2； VV水的流速，水的流速，m/sm/s。 合力

20、作用点：可近似地取在反弧中点。合力作用点：可近似地取在反弧中点。5.5.波浪压力波浪压力成因成因: :空气流动，带动水体，形成波浪。空气流动，带动水体，形成波浪。波浪三要素：波高为波浪三要素：波高为h hl l，波长为，波长为L L，波浪中心线高，波浪中心线高于静水面产生的壅高为于静水面产生的壅高为hzhz。 （1 1）波高、波长波高、波长 当波浪推进到坝前，由于铅直坝面的反射作当波浪推进到坝前，由于铅直坝面的反射作用而产生驻波，波高为用而产生驻波，波高为2h2hl l，而波长仍保持，而波长仍保持L L不变。不变。 图38 波浪几何要素及吹程（a）波浪要素；（b）、（c）波浪吹程（波浪要素计算

21、波浪要素计算）官厅水库经验公式：）官厅水库经验公式：式中式中: : Vo Vo风速风速(m/s)(m/s)，水库为正常蓄水位和设计洪水位时，水库为正常蓄水位和设计洪水位时，宜采用相应季节宜采用相应季节5050年重现期的最大风速年重现期的最大风速；校核洪水位时，宜校核洪水位时，宜采用相应洪水期最大风速的多年平均值；采用相应洪水期最大风速的多年平均值； DD吹程吹程(km)(km)，为自坝前（风向）到对岸的距离，当吹，为自坝前（风向）到对岸的距离，当吹程内水面有局部缩窄，若缩窄处的宽度程内水面有局部缩窄，若缩窄处的宽度B B小于小于1212倍波长时，近倍波长时，近似地取吹程似地取吹程D D5B5B

22、。 壅高 式中式中:H:H坝前水深，以坝前水深，以m m计。计。官厅水库公式适用于官厅水库公式适用于Vo 20mVo 20ms s 及及 D 20kmD LH L2 2时，波浪运动不受库底的约束。时，波浪运动不受库底的约束。 浅水波：浅水波： L L2 H Ho 2 H Ho 时，波浪运动受到库底影响。时，波浪运动受到库底影响。 破碎波：破碎波： H Ho H Ho 时，波浪发生破碎，称为破碎波时，波浪发生破碎，称为破碎波。临界水深临界水深Ho为：为：22ln40llhLhLLH（1）深水波，见图（）深水波，见图（a）。）。)(4%1zlhhLP(2)浅水波，见图（浅水波，见图（b）。）。(由

23、学生推导完成由学生推导完成)2/ )(%1lslszlHppHhhPLHhhPls2sec%1式中式中 pls建筑物基面处浪压力的剩余强度。建筑物基面处浪压力的剩余强度。6.6.土压力及泥沙压力土压力及泥沙压力 土压力：当建筑物背后有填土，将受到不同土压力：当建筑物背后有填土，将受到不同的土压力作用。建筑物向前侧移动时承受主动土的土压力作用。建筑物向前侧移动时承受主动土压力，向后侧移动时承受被动土压力，不动时承压力，向后侧移动时承受被动土压力，不动时承受静止土压力。受静止土压力。 泥沙压力：泥沙压力： 成因成因: : 水库蓄水后，入库水流流速降低并趋水库蓄水后，入库水流流速降低并趋于零，挟带的

24、泥沙随流速减小而沉积于坝前，其于零，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。过程是先沉积大颗粒，而后沉积细颗粒。 计算计算 a a、淤积高程：坝前淤积逐年增高，可通过、淤积高程：坝前淤积逐年增高，可通过数学模型计算及物理模型试验，并比照类似工数学模型计算及物理模型试验，并比照类似工程经验，分析推定设计基准期内坝前的淤积高程经验，分析推定设计基准期内坝前的淤积高程。年限通常为程。年限通常为50-10050-100年。年。 b b、指标：淤积的泥沙逐年固结，容重和、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，一般按式内摩擦角也在逐年变化，很难算准

25、，一般按式（311311）计算。）计算。 式中式中:Ps:Ps坝面单位宽度上的水平泥沙压力，坝面单位宽度上的水平泥沙压力， kNkNm m； sbsb 淤沙的浮容重，淤沙的浮容重，kNkNm3m3； h hs s 坝段前泥沙淤积厚度，坝段前泥沙淤积厚度，m m； 淤沙的内摩擦角，淤沙的内摩擦角，s7.7.冰压力和冰冻作用冰压力和冰冻作用 （1 1）静冰压力）静冰压力 在寒冷地区，冬季水库表面结冰，当气温在寒冷地区，冬季水库表面结冰，当气温升高时，冰层膨胀，对建筑物产生的压力为静升高时，冰层膨胀，对建筑物产生的压力为静冰压力。大小取决于冰层厚度，参照表冰压力。大小取决于冰层厚度，参照表3131确

26、确定。静冰压力作用点在冰面以下定。静冰压力作用点在冰面以下1 13 3冰厚处。冰厚处。 表表31 31 静冰压力静冰压力注：对小型水库冰压力应乘以注：对小型水库冰压力应乘以0.870.87，对大型平原水库乘以，对大型平原水库乘以1.251.25。（2 2）动冰压力）动冰压力 当冰破碎后，受风和水流的作用而漂流，当冰当冰破碎后，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。块撞击在坝面或闸墩上时将产生动冰压力。 1 1）冰块垂直撞击坝面的动冰压力）冰块垂直撞击坝面的动冰压力式中式中:Fb1:Fb1冰块撞击坝面的动冰压力，冰块撞击坝面的动冰压力，MNMN； ViVi冰块流速，应

27、按实测资料确定，无实测冰块流速，应按实测资料确定，无实测 资料时，对于水库可取流冰期内保证率为资料时，对于水库可取流冰期内保证率为1 1的风速的风速的的3 3，一般不超过，一般不超过0.6m0.6ms s； didi计算冰厚，取当地最大冰厚的计算冰厚，取当地最大冰厚的0.70.70.80.8倍，倍，m m； AiAi冰块面积，冰块面积，m m2 2； ficfic冰块的抗压强度，宜由试验确定，当无冰块的抗压强度，宜由试验确定，当无试验资料时，可采用试验资料时，可采用0.30.30.4MPa0.4MPa。2 2）冰块撞击闸墩的动冰压力）冰块撞击闸墩的动冰压力式中式中:Fb2:Fb2冰块撞击闸墩的

28、动冰压力，冰块撞击闸墩的动冰压力，MNMN； fibfib冰块的挤压强度，流冰初期可取冰块的挤压强度，流冰初期可取0.75MPa0.75MPa，后期可，后期可取取0.45MPa0.45MPa； bb建筑物在冰作用处的宽度，建筑物在冰作用处的宽度，m m； didi计算冰厚，取当地最大冰厚的计算冰厚，取当地最大冰厚的0.70.70.80.8倍，倍，m m； mm与闸墩前沿平面形状有关的系数，对于半圆形墩头与闸墩前沿平面形状有关的系数，对于半圆形墩头m m可取可取0.90.9，对于矩形墩头，对于矩形墩头m m可取可取1.01.0，对于三角形墩头，对于三角形墩头m m可按有关可按有关规范选取。规范选

29、取。说明：说明： 1 1 冰压力对高坝可以忽略，因为一方面水库开阔，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；冰易凸起破碎，另一方面在总荷载中所占比例较小； 2 2 对低坝、闸较为重要，它占总荷载的比重大；对低坝、闸较为重要，它占总荷载的比重大； 3 3 某些部位如闸门进水口处及不宜承受大冰压力某些部位如闸门进水口处及不宜承受大冰压力的部位，可采取防冰、破冰措施。的部位，可采取防冰、破冰措施。8.8.温度作用温度作用 结构由于温度变化产生的应力、变形、位结构由于温度变化产生的应力、变形、位移等，称为温度作用效应。热量的来源主要为气移等，称为温度作用

30、效应。热量的来源主要为气温、日照、水温以及水泥的水化热等。温、日照、水温以及水泥的水化热等。年周期变化过程：年周期变化过程：式中式中:Ta:Ta多年月平均气温，多年月平均气温，； 时间变量，月；时间变量，月； 0 0初始相位，对于高纬度地区初始相位，对于高纬度地区( (纬度大于纬度大于3030) )，取，取006.5(6.5(月月) )，对于低纬度地区，取，对于低纬度地区，取006.76.7（月）；（月）； 圆频率，圆频率，221212； T Tamam多年年平均气温，多年年平均气温，； A Aa a多年平均气温年变幅，多年平均气温年变幅，。水库坝前的年水温过程：水库坝前的年水温过程：式中式中

31、:Tw(y:Tw(y，)水深水深y y处处时刻的多年月平均水温；时刻的多年月平均水温； 00气温年变化的初始相位；气温年变化的初始相位； Twm(y)Twm(y)水深水深y y处的多年年平均水温；处的多年年平均水温； Aw(y)Aw(y)水深水深y y处的多年平均水温年变幅；处的多年平均水温年变幅； (y)(y)水深水深y y处的水温与气温年变化间的相位差。处的水温与气温年变化间的相位差。 对于坝前水深超过对于坝前水深超过5050 60m60m的非多年调节的非多年调节水库，水库，TwmTwm、AwAw、等项可按式（等项可按式（316316）、）、（317317）确定：）确定：)01. 0exp

32、()75. 077. 7()(yTyTamWm（316） )025. 0exp()778. 094. 2()(*yAyAaW（317） 式中式中AaAa* *为坝址多年平均气温年变幅，但在寒冷地为坝址多年平均气温年变幅，但在寒冷地区（区（Taml0Taml0），水库表面在冬季结冰，冰盖减），水库表面在冬季结冰，冰盖减少了水库的热散失，应将少了水库的热散失，应将AaAa* *做如式（做如式（318318）的）的修正。修正。 （318） 式中式中 Ta77Ta77月份多年平均气温；月份多年平均气温； aa阳光辐射所引起的温度增量，可阳光辐射所引起的温度增量，可 取为取为1 12 2C C。9.9.

33、风作用风作用 风作用在建筑物表面产生风压力。迎风面为正压，在背风风作用在建筑物表面产生风压力。迎风面为正压，在背风面或角隅还可能产生负压。一般情况可以不计风压，但对高面或角隅还可能产生负压。一般情况可以不计风压，但对高耸孤立的水工建筑物则应予考虑。迎风面基本风压按（耸孤立的水工建筑物则应予考虑。迎风面基本风压按（320320）式计算。式计算。10.10.地震作用地震作用 地震引发地层表面做随机运动，能使水工建筑物产生严重地震引发地层表面做随机运动，能使水工建筑物产生严重破坏。破坏情况取决于地震过程特点和建筑物动态反应特征。破坏。破坏情况取决于地震过程特点和建筑物动态反应特征。 地震烈度：表示地

34、震时在一定地点的地面震动的强烈程地震烈度：表示地震时在一定地点的地面震动的强烈程度，我国分度，我国分0 01212度；地震荷载的大小与建筑物所在地区的烈度；地震荷载的大小与建筑物所在地区的烈度有关。度有关。 一般情况下：设计烈度一般情况下：设计烈度= =基本烈度；基本烈度； 特殊情况下：设计烈度特殊情况下：设计烈度= =基本烈度基本烈度+1+1( (如特别如特别重要的坝、地质条件复杂、失事后影响巨大重要的坝、地质条件复杂、失事后影响巨大) )。 基本烈度：系指建筑物所在地区今后基本烈度：系指建筑物所在地区今后5050年内可能遭遇的较大地震，其超越概率在百分年内可能遭遇的较大地震，其超越概率在百

35、分之十左右。查之十左右。查中国地震动参数区划图中国地震动参数区划图。 设计烈度：系指抗震设计时实际采用的烈度。设计烈度：系指抗震设计时实际采用的烈度。( (震级震级烈度烈度) ) （1 1）地震惯性力）地震惯性力 水工建筑物按其重要性及场地地震基本烈度按水工建筑物按其重要性及场地地震基本烈度按表表2727（P26P26）确定工程抗震设防等级。）确定工程抗震设防等级。表表27 27 工程抗震设防等级工程抗震设防等级 设计用地面（指基岩面）运动峰值加速度与重力加设计用地面（指基岩面）运动峰值加速度与重力加速度之比称为地震系数。与设计烈度对应的设计用水速度之比称为地震系数。与设计烈度对应的设计用水平

36、向地震加速度代表值平向地震加速度代表值hh见表见表2828（P26P26） 。设计用。设计用竖向地震加速度代表值竖向地震加速度代表值vv取取hh的的2 23 3。表表28 28 水平向设计地震加速度代表值水平向设计地震加速度代表值hh地震烈度 7 8 9 h 0.1g 0.2g 0.4g 水工建筑物抗震设计规范水工建筑物抗震设计规范（DL50732000DL50732000）规定：规定： 甲类的重力坝采用动力法；甲类的重力坝采用动力法； 乙、丙类的重力坝采用动力法或拟静力法，乙、丙类的重力坝采用动力法或拟静力法，设计烈度小于设计烈度小于8 8度且坝高小于、等于度且坝高小于、等于70m70m的可

37、采用拟的可采用拟静力法。静力法。：拟静力法：拟静力法： 混凝土重力坝沿高度作用于质点混凝土重力坝沿高度作用于质点i i的水平向的水平向地震惯性力代表值地震惯性力代表值FiFi： 式中式中 F Fi i作用在质点作用在质点i i的水平向地震惯性力代表值；的水平向地震惯性力代表值； h h 水平向设计地震加速度代表值，当设计烈水平向设计地震加速度代表值，当设计烈度为度为7 7、8 8、9 9度时，分别取度时，分别取0.lg0.lg、0.2g0.2g和和0.4g0.4g； 地震作用的效应折减系数，一般取地震作用的效应折减系数，一般取0.250.25； G GEiEi集中在质点集中在质点i i的重力作

38、用标准值；的重力作用标准值； gg重力加速度；重力加速度； i质点质点i i的动态分布系数：的动态分布系数： 当需要计算竖向地震惯性力时，仍可用式当需要计算竖向地震惯性力时，仍可用式（321321），但应以竖向地震系数代替。据统计，），但应以竖向地震系数代替。据统计，竖向地震加速度的最大值约为水平地震加速度最竖向地震加速度的最大值约为水平地震加速度最大值的大值的2/32/3。 当同时计入水平和竖向地震惯性力时，竖向当同时计入水平和竖向地震惯性力时，竖向地震惯性力还应乘以遇合系数地震惯性力还应乘以遇合系数0.50.5。（2 2）地震动水压力）地震动水压力 在水平地震作用下，重力坝铅直面上沿高度分

39、布在水平地震作用下，重力坝铅直面上沿高度分布的地震动水压力的代表值为的地震动水压力的代表值为: 单位宽度上的总地震动水压力为单位宽度上的总地震动水压力为: :作用点位于水面以下作用点位于水面以下0.54H10.54H1处处。表表32 32 水深水深y y处的地震动水压力分布系数表处的地震动水压力分布系数表 水深为水深为y y的截面以上单位宽度地震动水压力的截面以上单位宽度地震动水压力的合力及其作用点深度的合力及其作用点深度hyhy，见下图。，见下图。（3 3）地震动土压力）地震动土压力 地震主动动土压力代表值地震主动动土压力代表值FEFE按式（按式（325a325a）计算，）计算，应取式中应取

40、式中“”、“”号计算结果中的大值。号计算结果中的大值。其中二、荷载组合二、荷载组合 1 1、基本概念、基本概念 除自重外，作用在重力坝上的荷载有如下特点：除自重外，作用在重力坝上的荷载有如下特点：时大时小、时有时无。时大时小、时有时无。 2 2、荷载组合、荷载组合 定义：可能作用在建筑物上的所有荷载按出现定义：可能作用在建筑物上的所有荷载按出现的时间的时间( (机率机率) )是否相同进行分组，然后将各组荷载分是否相同进行分组，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度，并给以不同的

41、安全系数。这种分组的方法即为荷载组合。载组合。 3.3.荷载按性质分荷载按性质分 （1 1）基本荷载）基本荷载 坝体及其上固定设备的自重；坝体及其上固定设备的自重； 正常蓄水位或设计洪水位时的静水压力；正常蓄水位或设计洪水位时的静水压力； 相应于正常蓄水位或设计洪水位时的扬压力；相应于正常蓄水位或设计洪水位时的扬压力； 泥沙压力；泥沙压力； 相应于正常蓄水位或设计洪水位时的浪压力；相应于正常蓄水位或设计洪水位时的浪压力； 冰压力；冰压力； 土压力；土压力； 相应于设计洪水位时的动水压力；相应于设计洪水位时的动水压力； 其他出现机率较多的荷载。其他出现机率较多的荷载。 （2 2）特殊荷载）特殊荷

42、载 校核洪水位时的静水压力；校核洪水位时的静水压力； 相应于校核洪水位时的扬压力；相应于校核洪水位时的扬压力； 相应于校核洪水位时的浪压力；相应于校核洪水位时的浪压力； 相应于校核洪水位时的动水压力；相应于校核洪水位时的动水压力； 地震作用；地震作用； 其他出现机率很少的荷载。其他出现机率很少的荷载。4.4.荷载组合荷载组合基本组合基本组合属设计情况或正常情况，由同时出属设计情况或正常情况，由同时出现的基本荷载组成。现的基本荷载组成。特殊组合特殊组合属校核情况或非常情况，由同时出属校核情况或非常情况，由同时出现的基本荷载和一种或几种特殊荷载组成。现的基本荷载和一种或几种特殊荷载组成。表表333

43、3为（为（SL319SL31920052005）所规定的几种组合情况）所规定的几种组合情况。 表33 荷载组合3.3 3.3 重力坝的抗滑稳定分析重力坝的抗滑稳定分析 一、重力坝的稳定分析和稳定分析的目的、方法一、重力坝的稳定分析和稳定分析的目的、方法 1.1.失稳情况失稳情况 （1 1）滑动）滑动由于某截面上的抗剪强度不足而发由于某截面上的抗剪强度不足而发生滑动，设计必须考虑。生滑动，设计必须考虑。 （2 2）倾覆）倾覆绕下游坝址的倾覆力矩超过抗倾覆绕下游坝址的倾覆力矩超过抗倾覆力矩而发生倾倒。力矩而发生倾倒。 （3 3）浮起）浮起由于扬压力超过自重而浮起。对砼由于扬压力超过自重而浮起。对砼

44、重力坝，一般不会发生。但对护坦、分离式闸有可重力坝，一般不会发生。但对护坦、分离式闸有可能发生。能发生。 2.2.重力坝的稳定分析目的重力坝的稳定分析目的 (1)(1)核算沿坝基面抗滑稳定的安全度；核算沿坝基面抗滑稳定的安全度； (2)(2)坝基内部缓倾角软弱结构面抗滑稳定的安坝基内部缓倾角软弱结构面抗滑稳定的安全度。全度。 重力坝沿坝轴线方向用横缝分隔成若干个独立重力坝沿坝轴线方向用横缝分隔成若干个独立坝段，稳定分析可按照平面问题考虑。对于地基中坝段，稳定分析可按照平面问题考虑。对于地基中存在多条互相切割交错的软弱面构成空间滑动体或存在多条互相切割交错的软弱面构成空间滑动体或位于地形陡峻的岸

45、坡段，则按空间问题考虑。位于位于地形陡峻的岸坡段，则按空间问题考虑。位于均匀坝基上的混凝土重力坝沿坝基面的失稳机理是：均匀坝基上的混凝土重力坝沿坝基面的失稳机理是：首先在坝踵处基岩和胶结面出现微裂松弛区，随后首先在坝踵处基岩和胶结面出现微裂松弛区，随后在坝趾处基岩和胶结面出现局部区域的剪切屈服，在坝趾处基岩和胶结面出现局部区域的剪切屈服，进而屈服范围逐渐增大并向上游延伸，最后形成滑进而屈服范围逐渐增大并向上游延伸，最后形成滑动通道，导致坝的整体失稳。动通道，导致坝的整体失稳。3.3.重力坝的稳定分析方法重力坝的稳定分析方法单一安全系数法单一安全系数法 K=K=抗滑力抗滑力/ /滑动力滑动力R/

46、SR/S分项系数极限状态设计法分项系数极限状态设计法 滑动力滑动力S S（）抗滑力抗滑力R R（）二、沿坝基面的抗滑稳定分析二、沿坝基面的抗滑稳定分析 以一个坝段或取单宽作为计算单元，计算以一个坝段或取单宽作为计算单元，计算公式有抗剪强度公式和抗剪断公式。公式有抗剪强度公式和抗剪断公式。1.1.抗剪强度公式抗剪强度公式 将坝体与基岩间看成是一个接触面，而不是将坝体与基岩间看成是一个接触面，而不是胶结面。胶结面。 当坝基面呈水平时：当坝基面呈水平时：Ksf（WU）P 式中式中 WW坝基面以上的总铅直力；坝基面以上的总铅直力； PP坝基面以上的总水平力；坝基面以上的总水平力； UU作用在坝基面上的

47、扬压力；作用在坝基面上的扬压力； ff坝基面间的摩擦系数。坝基面间的摩擦系数。当坝基面倾向上游时：当坝基面倾向上游时：式中式中接触面与水平面间的夹角。接触面与水平面间的夹角。 接触面倾向上游时，对坝体接触面倾向上游时，对坝体抗滑有利；接触面倾向下游时，抗滑有利；接触面倾向下游时， 为负值，滑动力增大，对坝体为负值，滑动力增大，对坝体稳定不利。稳定不利。图图311 311 坝体抗滑稳定计算简图坝体抗滑稳定计算简图规范（规范（SL319SL31920052005）规定：）规定：f f值的选取：值的选取：规划阶段，参照附录规划阶段，参照附录D D选用；选用；可研以后，应以野外和室内试验确定；可研以后

48、，应以野外和室内试验确定；中型工程中、低坝，无条件进行野外试验时，宜进行中型工程中、低坝，无条件进行野外试验时，宜进行室内试验，并参照附录室内试验，并参照附录D D确定。确定。砼与基岩间的砼与基岩间的f f值常取在值常取在0.50.50.80.8之间。之间。（SL319SL31920052005）规定，安全系数：）规定，安全系数： 基本组合基本组合 KsKs1.101.101.051.05 特殊组合特殊组合 KsKs1.001.001.051.05详见表详见表34(P46)34(P46)。 摩擦系数摩擦系数f f的选定直接关系到大坝的造价与安的选定直接关系到大坝的造价与安全，全，f f值愈小，

49、为维持稳定所需的值愈小，为维持稳定所需的WW愈大，即坝愈大，即坝体剖面愈大。以新安江工程为例，若体剖面愈大。以新安江工程为例，若f f值减小值减小0.010.01，则坝体混凝土要增多则坝体混凝土要增多2 2万万m m3 3. . 抗剪强度公式未考虑坝体混凝土与基岩间的凝抗剪强度公式未考虑坝体混凝土与基岩间的凝聚力，而将其作为安全储备，因此，安全系数值聚力，而将其作为安全储备，因此，安全系数值不应再定的过高。不应再定的过高。2.2.抗剪断公式抗剪断公式 为抗剪断摩擦系数；为抗剪断摩擦系数； 为抗剪断凝聚力。为抗剪断凝聚力。 、 值的选取：规划阶段，参照附录值的选取：规划阶段，参照附录D选用；选用

50、；可研以后，应以野外和室内试验确定；可研以后，应以野外和室内试验确定；（SL3192005）规定，）规定， 应满：应满： 基本组合：基本组合： 3.0 特殊组合（特殊组合（1）：）： 2.5 特殊组合（特殊组合（2）：）： 2.3 抗剪强度公式形式简单，对摩擦系数抗剪强度公式形式简单，对摩擦系数f f的选择，的选择，多年来积累了丰富的经验；但该公式忽略了坝体与多年来积累了丰富的经验；但该公式忽略了坝体与基岩间的胶结作用，不能完全反映坝的实际工作性基岩间的胶结作用，不能完全反映坝的实际工作性态。态。 抗剪断公式直接采用接触面上的抗剪断强度抗剪断公式直接采用接触面上的抗剪断强度参数，物理概念明确，

51、比较符合坝的实际工作情况参数，物理概念明确，比较符合坝的实际工作情况。三、深层抗滑稳定分析三、深层抗滑稳定分析 深层滑动：当坝基内存在不利的缓倾角软弱结深层滑动：当坝基内存在不利的缓倾角软弱结构面时，在水荷载作用下，坝体有可能连同部分基岩构面时，在水荷载作用下，坝体有可能连同部分基岩沿软弱结构面产生滑移，即所谓的深层滑动。沿软弱结构面产生滑移，即所谓的深层滑动。 如：美国奥斯汀坝，就是沿着地基内被水软化如：美国奥斯汀坝，就是沿着地基内被水软化的页岩层面滑动破坏的。的页岩层面滑动破坏的。 表表3636给出了给出了3030多个大型水电工程多个大型水电工程452452组软弱组软弱夹层及硬性结构面的现

52、场大型和室内中型原状抗剪断夹层及硬性结构面的现场大型和室内中型原状抗剪断试验数据。试验数据。 设计时，首先要查明地基中的主要设计时，首先要查明地基中的主要缺陷，确定失稳边界，测定失稳边界上缺陷，确定失稳边界，测定失稳边界上的抗剪断强度参数；其次是选择合理的的抗剪断强度参数；其次是选择合理的计算方法并规定相应的安全系数；最后计算方法并规定相应的安全系数；最后是选择提高深层抗滑稳定性的措施以满是选择提高深层抗滑稳定性的措施以满足安全要求。足安全要求。 计算方法：刚体极限平衡法和有限元法。计算方法：刚体极限平衡法和有限元法。 对重要工程和复杂坝基，除采用刚体极限平衡法对重要工程和复杂坝基，除采用刚体

53、极限平衡法计算外，还要用有限元法和地质力学模型试验复核。计算外，还要用有限元法和地质力学模型试验复核。 1.1.刚体极限平衡法刚体极限平衡法 （1 1）单斜面深层抗滑稳定）单斜面深层抗滑稳定 在地基内只有一个软弱面。计算中将软弱面以上在地基内只有一个软弱面。计算中将软弱面以上的坝体和地基视作刚体，按式（的坝体和地基视作刚体，按式（327327）或（）或（328328）计算刚体沿软弱面的抗滑稳定安全系数。计算刚体沿软弱面的抗滑稳定安全系数。图图312 312 坝基内的软弱面坝基内的软弱面 有文献建议：有文献建议： 当整个可能滑动面基本上都由软弱结构当整个可能滑动面基本上都由软弱结构面构成时，宜用

54、抗剪强度公式计算，安全系数面构成时，宜用抗剪强度公式计算，安全系数采用采用1.051.051.31.3。 可能滑动面仅一部分通过软弱结构面，可能滑动面仅一部分通过软弱结构面，其余部分切穿岩体或混凝土，有条件提供一定其余部分切穿岩体或混凝土，有条件提供一定抗滑力的抗力体时，应采用抗剪断公式核算，抗滑力的抗力体时，应采用抗剪断公式核算，安全系数采用安全系数采用2.52.53.53.5。图图313 313 双斜面深层抗滑稳定计算简图双斜面深层抗滑稳定计算简图（2）双斜面深层抗滑稳定）双斜面深层抗滑稳定 （2 2）双斜面深层抗滑稳定）双斜面深层抗滑稳定 如图如图313313所示，所示，ABAB是一条缓

55、倾角夹层或是一条缓倾角夹层或软弱面，称为主滑裂面，软弱面，称为主滑裂面，BCBC是另一条辅助破裂是另一条辅助破裂面，切穿地表。面，切穿地表。 计算时将滑移体分成两块，在其分界面计算时将滑移体分成两块，在其分界面BDBD上引入一个需要事先假定与水平面成上引入一个需要事先假定与水平面成 角角的内力的内力R R（抗力）。（抗力）。 分别令分别令区或区或区处于极限平衡状态，区处于极限平衡状态，有剩余推力法、被动抗力法、等安全系数法。有剩余推力法、被动抗力法、等安全系数法。 1 1）剩余推力法）剩余推力法 先令先令区处于极限平衡状态，其沿区处于极限平衡状态，其沿ABAB面的面的K1K1l l，求得，求得

56、RR； 再计算再计算区沿区沿BCBC面的面的K2K2，K2K2即为整个坝段的抗即为整个坝段的抗滑稳定安全系数。滑稳定安全系数。 当当区处于极限平衡时，即区处于极限平衡时，即K1K1l l，由平衡条件，由平衡条件得：得：解出R： 将将R R加在加在区上，便可求得区上，便可求得区的抗滑稳区的抗滑稳定安全系数定安全系数：式中式中 f1f1、c1c1和和f2f2、c2c2区、区、区可能滑动面上区可能滑动面上的摩擦系数和凝聚力；的摩擦系数和凝聚力；A1A1、A2ABA2AB、BCBC可能滑动面的面积。其他符号的可能滑动面的面积。其他符号的意义，如图意义，如图313313所示。所示。 2 2）被动抗力法）

57、被动抗力法 与上述方法相反与上述方法相反 先令先令区处于极限平衡状态（区处于极限平衡状态（K2K21 1），求得抗），求得抗力力R R后；后； 再计算再计算区沿区沿ABAB面的面的K1K1，作为整个坝段的抗滑稳，作为整个坝段的抗滑稳定安全系数定安全系数K= K1K= K1。 3 3）等安全系数法）等安全系数法 令令区和区和区同时处于极限平衡状态，分别列出区同时处于极限平衡状态，分别列出两个区抗滑稳定安全系数两个区抗滑稳定安全系数K1K1、K2K2的计算式；的计算式； 然后令然后令K1=K2K1=K2，解出抗力，解出抗力R R，再将其代回原计算式，再将其代回原计算式，即可求出整个滑移体的抗滑稳定

58、安全系数。即可求出整个滑移体的抗滑稳定安全系数。 4 4）三种方法的讨论）三种方法的讨论 方法方法1 1和和2 2是先令一个区处于极限平衡状态，即相是先令一个区处于极限平衡状态，即相当于这一区的当于这一区的K Kl l，因而推算出的另一区的，因而推算出的另一区的K K值值作为整个滑移体的抗滑稳定安全系数；方法作为整个滑移体的抗滑稳定安全系数；方法3 3是按各是按各区具有相等的安全系数来计算，相比之下，等安全系区具有相等的安全系数来计算，相比之下，等安全系数法数法( (方法方法3)3)更为合理。更为合理。 2.2.有限元法有限元法 用有限元法分析坝体沿深层缓倾角软弱夹层抗用有限元法分析坝体沿深层

59、缓倾角软弱夹层抗滑稳定的安全度，可采用安全系数法或用限制位移滑稳定的安全度，可采用安全系数法或用限制位移值表示。值表示。 安全系数法有三种计算方法：安全系数法有三种计算方法： 应力代数和比值法。用计算得出的滑动面上应力代数和比值法。用计算得出的滑动面上的正应力和剪应力，求算滑动面上总的抗滑力与总的正应力和剪应力，求算滑动面上总的抗滑力与总的滑动力的比值；的滑动力的比值； 超载系数法。将作用在坝体外部的外荷载逐超载系数法。将作用在坝体外部的外荷载逐步放大，直至滑动面上的抗滑稳定处于临界状态，步放大，直至滑动面上的抗滑稳定处于临界状态，此时荷载的放大倍数即视为安全系数；此时荷载的放大倍数即视为安全

60、系数； 降低安全参数法。即降低滑动面上的抗剪断降低安全参数法。即降低滑动面上的抗剪断强度参数值，使其沿滑动面的抗滑稳定处于临界状强度参数值，使其沿滑动面的抗滑稳定处于临界状态，此时抗剪断强度参数降低前后的比值即视为安态，此时抗剪断强度参数降低前后的比值即视为安全系数。全系数。 我国工程界较多采用我国工程界较多采用。 四、岸坡坝段的抗滑稳定四、岸坡坝段的抗滑稳定 取取个坝段（三维问题），设岸坡倾角为个坝段（三维问题），设岸坡倾角为，坝，坝段总重为段总重为W W，坝基面上的扬压力为，坝基面上的扬压力为U U，上游坝面水压力，上游坝面水压力为为P P，坝基面的抗剪强度参数或抗剪断参数为，坝基面的抗剪