第3章 重力坝5-10

1、3.5 3.5 重力坝的渗流分析重力坝的渗流分析 混凝土和岩体都是透水性材料，坝建成蓄水运行混凝土和岩体都是透水性材料，坝建成蓄水运行一段时间，在坝体及坝基形成稳定渗流后，按弹性一段时间，在坝体及坝基形成稳定渗流后，按弹性理论分析坝体应力时，应将渗流压力按渗流体积力理论分析坝体应力时，应将渗流压力按渗流体积力计算。岩体属于裂隙介质，渗流情况比较复杂，在计算。岩体属于裂隙介质，渗流情况比较复杂，在实际计算中，常假定岩体是均匀渗流介质，并遵循实际计算中，常假定岩体是均匀渗流介质，并遵循达西定律。当边界条件比较复杂时，用解析法很难达西定律。当边界条件比较复杂时，用解析法很难求解，用有限元法则可得到较

2、为满意的结果。求解，用有限元法则可得到较为满意的结果。3.6 3.6 重力坝的重力坝的温度应力、温度控制和裂缝防止温度应力、温度控制和裂缝防止 水化热水化热混凝土固化过程中由于水泥的水化作用混凝土固化过程中由于水泥的水化作用产生的热量叫水化热。产生的热量叫水化热。 如果修建一座坝混凝土如果修建一座坝混凝土V=100V=100万万m m3 3 、含水泥、含水泥200kg/m200kg/m3 3, ,则水泥的水化热所产生的热量相当于燃烧则水泥的水化热所产生的热量相当于燃烧2000t2000t煤所释放的热量。煤所释放的热量。国产部分水泥的水化热：国产部分水泥的水化热： 7 7天（天（kJ/kgkJ/

3、kg）2828天（天（kJ/kgkJ/kg） 硅酸盐水泥：硅酸盐水泥：325# 209 272325# 209 272 425# 251 314 425# 251 314 525# 293 355 525# 293 355矿渣硅酸盐水泥：矿渣硅酸盐水泥：325# 188 230325# 188 230低热微膨胀水泥：低热微膨胀水泥：425# 167 188425# 167 188一、坝体温度状况一、坝体温度状况 图图338338（P72P72）是）是USAUSA海瓦西坝的实测温度过程海瓦西坝的实测温度过程线，图中线，图中A1A1和和A2A2分别代表坝内和靠近坝面某点的温分别代表坝内和靠近坝面某

4、点的温度曲线。度曲线。 1 1温度随时间的变化温度随时间的变化 (1)(1)温升阶段温升阶段 主要在主要在3 37 7天内；天内； TjTj砼入仓温度；砼入仓温度； TmaxTmax入仓后，使砼温度从入仓后，使砼温度从TjTj至最高值；至最高值； 温差温差 TrTrTmaxTjTmaxTj 称为水化热温升，一般为称为水化热温升，一般为15152525，最高可达，最高可达3636。图图3-38 3-38 美国海瓦西坝的实测温度过程线美国海瓦西坝的实测温度过程线（2 2）温降阶段）温降阶段 温度达到了温度达到了TmaxTmax后，逐渐散热冷却，温度下降。后，逐渐散热冷却，温度下降。（3 3）稳定期

5、）稳定期 靠近坝体表面的温度随外界温度变化而波动，靠近坝体表面的温度随外界温度变化而波动，坝体内部一般接近坝址的年平均气温坝体内部一般接近坝址的年平均气温TdTd。 实体重力坝从实体重力坝从TmaxTdTmaxTd所需的时间，视散热条所需的时间，视散热条件，自几件，自几年年至几十年不等。至几十年不等。 温降：温降： T TTmaxTmax一一Td Td 是温度控制的一个是温度控制的一个重要指标。重要指标。2 2温度在空间的变化温度在空间的变化 靠近坝体表面由于水化热散逸较快，该部位的温度较靠近坝体表面由于水化热散逸较快，该部位的温度较早地达到稳定温度，如图早地达到稳定温度，如图3-383-38

6、中中A2A2的的PFPF段段(P71)(P71)。 坝体内部由于水化热不易散发，温度下降缓慢，需要坝体内部由于水化热不易散发，温度下降缓慢，需要较长时间才能到达稳定温度，如图中的较长时间才能到达稳定温度，如图中的A1A1所示。所示。3 3温度的周期性变化温度的周期性变化 （1 1）年变化）年变化 365365天天 （2 2）日变化）日变化 2424小时小时 （3 3）寒潮）寒潮热潮热潮 7 71414天天二、施工期的温度应力二、施工期的温度应力 坝体浇筑块的温度变化引起体积变形，如坝体浇筑块的温度变化引起体积变形，如变形受到地基或内部约束便产生温度应力。施变形受到地基或内部约束便产生温度应力。

7、施工期的温度应力包括地基约束引起的应力和内工期的温度应力包括地基约束引起的应力和内外温差引起的应力。外温差引起的应力。1 1、地基约束引起的应力、地基约束引起的应力 设靠近基岩的混凝土入仓温度为设靠近基岩的混凝土入仓温度为TjTj，最大温升为，最大温升为TrTr，在温升过程中，浇筑块底部受基岩约束不能自由，在温升过程中，浇筑块底部受基岩约束不能自由膨胀，将承受水平压应力。由于混凝土浇筑初期弹性膨胀，将承受水平压应力。由于混凝土浇筑初期弹性模量较低，因而压应力不高。混凝土达到最高温度模量较低，因而压应力不高。混凝土达到最高温度TmaxTmax后，开始下降，直到稳定温度后，开始下降，直到稳定温度T

8、dTd，总降温为，总降温为T= T= Tj+ TrTj+ Tr-Td-Td。在降温过程中，如不受基岩约束，浇筑块。在降温过程中，如不受基岩约束，浇筑块自由收缩，如图自由收缩，如图3-393-39（a a）中）中abab和和c cd d所示，所示，实际上受到基岩约束后的变形为实际上受到基岩约束后的变形为abab和和cdcd。图图339 339 受地基约束砼浇注块由温度下降产生的变形及应力示意图受地基约束砼浇注块由温度下降产生的变形及应力示意图在浇筑块底部，由于砼温度下降而产生的水平拉应力在浇筑块底部，由于砼温度下降而产生的水平拉应力x x为为rqpcdjcPxATkkETTREk1)(1式中式中

9、 EcEc砼的弹性模量，砼的弹性模量，kPakPa； 砼的泊松比；砼的泊松比； 砼的线胀系数，砼的线胀系数，1/1/；k kP P由砼徐变引起的应力松弛系数，如无专门试由砼徐变引起的应力松弛系数，如无专门试验资料，可取验资料，可取0.50.5；k kq q考虑早期升温阶段的压应力折减系数，可用考虑早期升温阶段的压应力折减系数，可用0.750.750.850.85； RR反应基岩对砼块体约束程度的约束系数，见反应基岩对砼块体约束程度的约束系数，见表表3737和表和表3838； AA系数，可从系数，可从图图340340中查得。中查得。 同样，新浇砼受老砼（龄期超过同样，新浇砼受老砼（龄期超过28d

10、28d）约束）约束也将产生温度应力。也将产生温度应力。rqpcdjcPxATkkETTREk1)(12.2.内外温差（自生）应力内外温差（自生）应力 砼块在浇筑初期，由于表面温度降低，在块体内砼块在浇筑初期，由于表面温度降低，在块体内外形成的温差将使外部收缩受拉而内部受压，当拉应外形成的温差将使外部收缩受拉而内部受压，当拉应力超过材料的抗拉强度时，将产生表面裂缝。施工期力超过材料的抗拉强度时，将产生表面裂缝。施工期坝体温度取决于砼入仓时的浇筑温度坝体温度取决于砼入仓时的浇筑温度TjTj和水化热温升，和水化热温升，由于水化热温升和边界温度都在随时间而变化，因而由于水化热温升和边界温度都在随时间而

11、变化，因而求解施工期的坝体温度场是很复杂的，一般多采用简求解施工期的坝体温度场是很复杂的，一般多采用简化的计算方法，参见化的计算方法，参见砼重力坝设计规范砼重力坝设计规范（SDJ2178SDJ2178）。）。贯穿性裂缝和表面裂缝。贯穿性裂缝和表面裂缝。 危害：横向贯穿性裂缝会导致漏水和渗流侵蚀性破坏；危害：横向贯穿性裂缝会导致漏水和渗流侵蚀性破坏； 纵向贯穿性裂缝会损坏坝的整体性；纵向贯穿性裂缝会损坏坝的整体性； 水平向贯穿性裂缝会降低大坝的抗剪强度。水平向贯穿性裂缝会降低大坝的抗剪强度。三、重力坝的温度裂缝和温控措施三、重力坝的温度裂缝和温控措施 1.1.裂缝的分类裂缝的分类 为防止大坝裂缝

12、，除适当分缝分块和提高混凝土质量为防止大坝裂缝，除适当分缝分块和提高混凝土质量外，还应对混凝土进行温度控制。外，还应对混凝土进行温度控制。 当坝体某部位的拉应力超过混凝土的抗拉强度时，就当坝体某部位的拉应力超过混凝土的抗拉强度时，就会出现裂缝。会出现裂缝。 图图342 342 重力坝裂缝型式重力坝裂缝型式 ll横向竖直贯穿性裂缝；横向竖直贯穿性裂缝；22纵向竖直贯穿性裂缝；纵向竖直贯穿性裂缝； 33水平贯穿性裂缝；水平贯穿性裂缝；44坝表面裂缝；坝表面裂缝；55仓面裂缝仓面裂缝2.2.温度控制的目的温度控制的目的 （1 1）防止砼温升过高、内外温差过大及气温骤）防止砼温升过高、内外温差过大及气

13、温骤降产生各种温度裂缝；降产生各种温度裂缝； （2 2）为做好接缝灌浆，满足结构受力要求，提）为做好接缝灌浆，满足结构受力要求，提高施工工效，简化施工程序提供依据。高施工工效，简化施工程序提供依据。3.3.温度控制标准温度控制标准 （1 1）地基容许温差）地基容许温差 砼最高温度与稳定温度之差，按砼最高温度与稳定温度之差，按P74P74表表3939的的数值控制。数值控制。表表39 39 地基容许温差地基容许温差T T（0 0C C） （2 2）上、下层容许温差）上、下层容许温差 系指其接触面（先浇砼龄期超过系指其接触面（先浇砼龄期超过28d28d）上、下层）上、下层各各l/4l/4范围内范围内

14、, ,先浇砼上层最高平均温度与新浇砼开始先浇砼上层最高平均温度与新浇砼开始浇筑时下层平均温度之差，建议不超过浇筑时下层平均温度之差，建议不超过15152020。（3 3）内外容许温差）内外容许温差 是指坝块中心温度与边界温度之差。内外容许温是指坝块中心温度与边界温度之差。内外容许温差大致和地基容许温差相当，一般不宜大于差大致和地基容许温差相当，一般不宜大于20202525。4.4.温度控制措施温度控制措施（1 1）降低入仓）降低入仓TjTj预冷骨料和加冰屑拌合等来降低砼的入仓温度；预冷骨料和加冰屑拌合等来降低砼的入仓温度；在运输中注意隔热保温在运输中注意隔热保温。（2 2）减少温升）减少温升T

15、rTr加入掺合料（如粉煤灰）和外加剂（如塑化剂）来尽加入掺合料（如粉煤灰）和外加剂（如塑化剂）来尽量减少水泥用量；量减少水泥用量；采用低热水泥；采用低热水泥； 冷却水管进行初期冷却；冷却水管进行初期冷却；减小浇筑层厚度，延长浇筑块之间的间歇时间，减小浇筑层厚度，延长浇筑块之间的间歇时间，利用仓面天然散热；利用仓面天然散热；在砼中埋大块石。在砼中埋大块石。（3 3）加强养护和保护）加强养护和保护 在砼浇筑后初期需要对坝块表面加覆盖、浇水在砼浇筑后初期需要对坝块表面加覆盖、浇水养护。冬季要抵御寒潮袭击，夏季防止热量回灌进养护。冬季要抵御寒潮袭击，夏季防止热量回灌进入砼。入砼。四、稳定温度场及温度应

16、力的有限元计算四、稳定温度场及温度应力的有限元计算3.7 3.7 重力坝的剖面设计重力坝的剖面设计 一、剖面设计原则一、剖面设计原则 设计原则：设计原则： 满足稳定满足稳定不滑动，不滑动，KKKK；满足强度满足强度不出现拉应力，不超过允许的压应力。不出现拉应力，不超过允许的压应力。【】；】； 工程量小（工程量小（VminVmin），使剖面尺寸最小；），使剖面尺寸最小； 外部形状简单，便于施工；外部形状简单，便于施工； 运用方便。运用方便。 二、基本剖面二、基本剖面（一）定义（一）定义 基本剖面是指坝体在自重、静水压力（水基本剖面是指坝体在自重、静水压力（水位与坝顶平齐）和扬压力三个主要荷载作用

17、下，位与坝顶平齐）和扬压力三个主要荷载作用下，满足稳定和应力要求并使其剖面最小的三角形满足稳定和应力要求并使其剖面最小的三角形剖面。见图剖面。见图3-443-44。（二）经济底宽的确定（二）经济底宽的确定 在已知坝高在已知坝高H H、水压力、水压力P P、抗剪强度参数、抗剪强度参数f f、c c和扬压力和扬压力U U的条件下，根据抗滑稳定和强度要求，的条件下，根据抗滑稳定和强度要求，可以求得工程量最小的三角形剖面尺寸。可以求得工程量最小的三角形剖面尺寸。1.1.按应力条件确定按应力条件确定minB求求 26BMBWdyu、121cBhW22122223212BhhBMcc(1)(1)满库时满库

18、时 把把M,WM,W代入代入y式有式有22121Bhhcyu23BhhCyd (2)(2)空库时空库时 令令0 0，由（，由（3 3）、（）、（4 4）式得：）式得：1cyuhcydh(3)(4)(5)(6)由（由（3 3）式）式 的条件有的条件有: :0yu1211chB(7)minB的条件为的条件为0ddB0212222311cchddB即：即：022c以以 3/24mkNc3/10mkN 代入可得代入可得2 . 00yd，就得有，就得有00；1chB应力。要使得应力。要使得 施工不便施工不便 一般令一般令0 0，代入（，代入（7 7）式得：式得：（3 3）分析）分析 由（由（6 6）式）

19、式 cydh2 . 0；这时；这时00n0。适用。适用f f、c c值较低的情况。值较低的情况。 特点：倾斜的上游坝面可以增加坝体自重和利特点：倾斜的上游坝面可以增加坝体自重和利用一部分水重，以满足抗滑稳定的要求。修建在地用一部分水重，以满足抗滑稳定的要求。修建在地震区的重力坝，可采用此种剖面。震区的重力坝，可采用此种剖面。图图345 345 非溢流坝剖面形态非溢流坝剖面形态3.8 3.8 重力坝的极限状态设计法重力坝的极限状态设计法 一、重力坝剖面设计原则一、重力坝剖面设计原则 水利水电工程结构可靠度设计统一标准水利水电工程结构可靠度设计统一标准（GB5019994GB5019994）、）、

20、砼重力坝设计规范砼重力坝设计规范（DL51081999DL51081999），规定采用概率极限状态设计原则，），规定采用概率极限状态设计原则，以分项系数极限状态设计表达式进行结构计算，并应以分项系数极限状态设计表达式进行结构计算，并应按材料的标准值和作用的标准值或设计值分别计算基按材料的标准值和作用的标准值或设计值分别计算基本组合和偶然组合。本组合和偶然组合。 剖面设计应遵循以下原则：剖面设计应遵循以下原则： （1 1）各基本变量均应做为随机变量。）各基本变量均应做为随机变量。 （2 2）以现行规范规定的计算方法为基础建立极限）以现行规范规定的计算方法为基础建立极限状态方程。状态方程。 （3

21、3）要同时满足抗滑稳定和坝趾抗压强度承载能）要同时满足抗滑稳定和坝趾抗压强度承载能力的极限状态以及坝踵应力约束条件的正常使用极限力的极限状态以及坝踵应力约束条件的正常使用极限状态。状态。 （4 4）重力坝按其所处的工作状况分为：持久状况、）重力坝按其所处的工作状况分为：持久状况、短暂状况和偶然状况。短暂状况和偶然状况。 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、温度作用水荷载、温度作用等；等； 偶然作用偶然作用偶然发生的，如偶然发生的，如 地震、校核水位下的地震、校核水

22、位下的水压力等。水压力等。作用组合作用组合基本组合按永久作用和可变作用的组合：基本组合按永久作用和可变作用的组合：（1 1）自重）自重 （6 6）动水压力）动水压力（2 2）土压力）土压力 （7 7）浪压力）浪压力（3 3）淤沙压力）淤沙压力 （8 8）冰压力）冰压力（4 4）静水压力）静水压力 （9 9）其它机会出）其它机会出 （5 5）扬压力）扬压力 出现较多的荷载出现较多的荷载偶然组合：偶然组合： 应在基本组合下计入下列一个偶然作用应在基本组合下计入下列一个偶然作用 （1 1）地震作用）地震作用 （2 2）校核洪水位时水荷载）校核洪水位时水荷载 （3 3）其它机会出现很少的荷载）其它机会

23、出现很少的荷载 长期组合：永久作用和可变作用的长期作用组合长期组合：永久作用和可变作用的长期作用组合 短期组合：永久作用和可变作用的短期作用组合短期组合：永久作用和可变作用的短期作用组合对处于长期使用的持久状况应考虑承载能力和正常对处于长期使用的持久状况应考虑承载能力和正常使用两种极限状态；使用两种极限状态；对短暂状况和偶然状况只考虑承载能力极限状态。对短暂状况和偶然状况只考虑承载能力极限状态。二、极限状态设计表达式二、极限状态设计表达式 承载能力极限状态：是指沿坝基面或地基中承载能力极限状态：是指沿坝基面或地基中软弱结构面滑动和坝趾因超过筑坝材料抗压强度而软弱结构面滑动和坝趾因超过筑坝材料抗

24、压强度而破坏的临界状态，破坏的临界状态，ymaxymax【RR压压】； 正常使用极限状态：是指坝踵不出现拉应力，正常使用极限状态：是指坝踵不出现拉应力，0yu1.1.承载能力极限状态承载能力极限状态),(0kdaFS ),(1kddafR式中式中 S()S()作用效应函数；作用效应函数； R()R()抗力函数；抗力函数； 0 0结构重要性系数；结构重要性系数； 设计状况系数，设计状况系数， F Fd d作用的设计值；作用的设计值； 几何参数；几何参数； f fd d材料性能的设计值；材料性能的设计值； d d结构系数。结构系数。ka（1 1）抗滑稳定极限状态作用效应函数）抗滑稳定极限状态作用效

25、应函数 S()S()PP（2 2）坝趾抗压强度计入扬压力情况下的极限状）坝趾抗压强度计入扬压力情况下的极限状 态作用效应函数态作用效应函数 S()S() = = （3 3）抗滑稳定极限状态抗力函数）抗滑稳定极限状态抗力函数 R()R() （4 4）坝趾抗压强度极限状态抗力函数）坝趾抗压强度极限状态抗力函数 R()R()式中式中 为砼的抗压强度；各基本变量为砼的抗压强度；各基本变量 、 、 及扬压力系数及扬压力系数 应以设计值代入计算。应以设计值代入计算。)1)(6(22mMWAcWfaRaRf caR2.2.正常使用极限状态正常使用极限状态),(k0afFSkk dc式中式中 F Fk k作用

26、的标准值；作用的标准值； f fk k材料性能的标准值；材料性能的标准值； cc结构功能的极限值。结构功能的极限值。式中的设计状况系数、作用分项系数、材料性能式中的设计状况系数、作用分项系数、材料性能分项系数均采用分项系数均采用1.01.0。 以坝踵不出现拉应力作为正常使用极限状态，以坝踵不出现拉应力作为正常使用极限状态，而作用效应函数而作用效应函数 S()= S()= )6(2BMBW 坝体应力规定压应力为正，拉应力为负。因此，坝体应力规定压应力为正，拉应力为负。因此，正常使用极限状态设计式为：正常使用极限状态设计式为：)6(20BMBW0 0对结构安全级别为对结构安全级别为级的建筑物级的建

27、筑物0 01.01.0，上式可写成：上式可写成：26BMBW0 0 与单一安全系数法的表达式完全相同。与单一安全系数法的表达式完全相同。坝体在施工和检修情况下应按短暂状况承载能坝体在施工和检修情况下应按短暂状况承载能力极限状态的基本组合和正常使用极限状态的短期力极限状态的基本组合和正常使用极限状态的短期组合进行设计，作用值大小及其组合应按照建筑物组合进行设计，作用值大小及其组合应按照建筑物施工与检修具体条件确定。施工与检修具体条件确定。 短期组合下游坝面的垂直拉应力，正常使用极短期组合下游坝面的垂直拉应力，正常使用极限状态设计式为：限状态设计式为：100100（kPakPa） 26BMBW3.

28、9 3.9 重力坝的抗震设计重力坝的抗震设计 一、抗震计算一、抗震计算抗震计算包括：抗震强度计算和抗震稳定计算。抗震计算包括：抗震强度计算和抗震稳定计算。DL50732000DL50732000水工建筑物抗震设计规范水工建筑物抗震设计规范规定：规定： 工程抗震类别为甲类的重力坝地震作用效应采用动工程抗震类别为甲类的重力坝地震作用效应采用动力法，工程抗震类别为乙、丙类的重力坝采用动力法或力法，工程抗震类别为乙、丙类的重力坝采用动力法或拟静力法，设计烈度小于拟静力法，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的可的可采用拟静力法。采用拟静力法。1.1.计算地震荷载及相应的坝

29、体动应力和地震总惯性力计算地震荷载及相应的坝体动应力和地震总惯性力 作用于质点作用于质点i i的的j j 振型沿地震方向的地震荷载振型沿地震方向的地震荷载 q qjeje（i i）可按下式计算可按下式计算)(1)()(ijeEijejjhjeAipgGiXgiqijeijejeiEiiijejeiEijAiXipiXGAipiXG)()()()()(2 算出各质点不同振型的地震荷载后，可用材料力算出各质点不同振型的地震荷载后，可用材料力学方法求解由各振型地震荷载产生的动应力，再用平方学方法求解由各振型地震荷载产生的动应力，再用平方和方根法，求得坝体动应力和方根法，求得坝体动应力S S。2jjS

30、S式中式中 SjSj由由j j振型地震荷载产生的动应力。振型地震荷载产生的动应力。将将S S与相应荷载组合下的静应力迭加，即为坝体在与相应荷载组合下的静应力迭加，即为坝体在地震作用下的总应力。地震作用下的总应力。作用在重力坝上沿地震方向的总惯性力作用在重力坝上沿地震方向的总惯性力220)()(1 iXiXGgQjejjjjejjiEih将将Q Q0 0与相应荷载组合下的滑动力迭加，即为坝与相应荷载组合下的滑动力迭加，即为坝体在地震作用下的总滑动力。体在地震作用下的总滑动力。2.2.材料强度和坝体强度、抗滑稳定验算材料强度和坝体强度、抗滑稳定验算 抗震强度计算中，砼的容许应力可比静力荷载情抗震强

31、度计算中，砼的容许应力可比静力荷载情况适当提高，但不超过况适当提高，但不超过3030； 允许出现瞬时拉应力，但从偏于安全角度出发，允许出现瞬时拉应力，但从偏于安全角度出发，需要核算仅由地震荷载引起的拉应力，抗拉需要核算仅由地震荷载引起的拉应力，抗拉 K2.5K2.5。 坝体强度和抗滑稳定应当满足坝体强度和抗滑稳定应当满足水工建筑物抗震水工建筑物抗震设计规范设计规范（DL50732000DL50732000）的要求，同时规定：）的要求，同时规定： （1 1）不同抗震设防等级的水工建筑物所应采用的）不同抗震设防等级的水工建筑物所应采用的地震反应计算方法，参见本章第二节地震荷载部分。地震反应计算方法

32、，参见本章第二节地震荷载部分。 （2 2）作为线弹性结构的砼重力坝，应采用振型）作为线弹性结构的砼重力坝，应采用振型分解反应谱法；对特殊重要的重力坝，宜补充采用时分解反应谱法；对特殊重要的重力坝，宜补充采用时程分析法。程分析法。 （3 3）采用振型分解反应谱法，其地震作用效应）采用振型分解反应谱法，其地震作用效应可由各振型反应按平方和方根法组合。当两个振型的可由各振型反应按平方和方根法组合。当两个振型的频率差的绝对值与其中一个较小的频率之比小于频率差的绝对值与其中一个较小的频率之比小于0.l0.l时，宜采用完全二次型方根法组合，具体计算公式见时，宜采用完全二次型方根法组合，具体计算公式见规范条

33、文。规范条文。 （4 4）抗滑稳定应按抗剪断公式计算。）抗滑稳定应按抗剪断公式计算。 （5 5）强度和抗滑稳定应采用分项系数极限）强度和抗滑稳定应采用分项系数极限状态设计方法，其设计表达式为状态设计方法，其设计表达式为: :),(0KEEQKQKGGaFFFS),(1KfKdafR式中式中:S():S()作用效应函数；作用效应函数； G G永久作用的分项系数；永久作用的分项系数； F FGKGK永久作用的标准值；永久作用的标准值； Q Q可变作用的分项系数；可变作用的分项系数； F FQKQK可变作用的标准值；可变作用的标准值； E E对应于设计烈度的地震作用分项系对应于设计烈度的地震作用分项

34、系数，数，E E1.01.0； F FE E对应于设计烈度的地震作用设计值；对应于设计烈度的地震作用设计值； 与地震作用组合的各个静态作用的分项系数及标准值，应与地震作用组合的各个静态作用的分项系数及标准值，应按重力坝设计规范选用。凡未作为随机变量的作用和抗力，在按重力坝设计规范选用。凡未作为随机变量的作用和抗力，在抗震计算中，其分项系数均取为抗震计算中，其分项系数均取为1.01.0。二、抗震措施二、抗震措施 对建筑物实际震害调查表明：地震时，坝体顶对建筑物实际震害调查表明：地震时，坝体顶部，特别是断面突变处，是容易出现裂缝的薄弱部部，特别是断面突变处，是容易出现裂缝的薄弱部位；原有裂缝将扩展

35、延伸；孔口及廊道附近容易开位；原有裂缝将扩展延伸；孔口及廊道附近容易开裂；接缝止水易遭破坏。为此需要采取以下工程和裂；接缝止水易遭破坏。为此需要采取以下工程和结构措施：结构措施：二、抗震措施二、抗震措施 1.1.做好地基处理做好地基处理 加强对断层、破碎带、软弱夹层的处理，适当提加强对断层、破碎带、软弱夹层的处理，适当提高底部砼标号，做好接触灌浆和固结灌浆。高底部砼标号，做好接触灌浆和固结灌浆。 2.2.确保砼的施工质量确保砼的施工质量 加强温控和养护，减少表面裂缝。加强温控和养护，减少表面裂缝。 3.3.在重量、刚度、地形、地质条件沿坝轴线方向在重量、刚度、地形、地质条件沿坝轴线方向有突变的

36、部位，均应设置横缝，并选用能适应较大变有突变的部位，均应设置横缝，并选用能适应较大变形的止水型式和材料。形的止水型式和材料。 有时横缝可做键槽。对设计烈度为有时横缝可做键槽。对设计烈度为9 9度的度的l l级坝，级坝，可根据具体情况进行横缝灌浆，将全坝或部分坝体连可根据具体情况进行横缝灌浆，将全坝或部分坝体连在一起。在一起。 4. 4.适当增大坝顶部位的刚度，减轻重量，提高砼适当增大坝顶部位的刚度，减轻重量，提高砼标号，必要时可在上、下游面布设钢筋。标号，必要时可在上、下游面布设钢筋。 在折坡处宜做成圆弧形，以减少应力集中；在折坡处宜做成圆弧形，以减少应力集中； 对溢流坝应做好闸墩与桥面板的连

37、接。对溢流坝应做好闸墩与桥面板的连接。 5.5.在坝内孔口和廊道附近的拉应力区，要适当增在坝内孔口和廊道附近的拉应力区，要适当增配钢筋，防止受震后裂缝发生和扩展。配钢筋，防止受震后裂缝发生和扩展。 6.6.为便于震后检查、修复和加固，可在下游面距为便于震后检查、修复和加固，可在下游面距坝顶约坝顶约l/4l/4坝高处设坝后桥。坝高处设坝后桥。3.10 3.10 泄水重力坝泄水重力坝 一、一、泄水重力坝泄水重力坝设计要点设计要点 1 1、泄水重力坝位置选择、泄水重力坝位置选择 避免与其他建筑物相互干扰，其下泄水流不致淘避免与其他建筑物相互干扰，其下泄水流不致淘刷坝基与其他建筑物的地基及岸坡。刷坝基

38、与其他建筑物的地基及岸坡。 2 2、泄水方式的组合与流量分配、泄水方式的组合与流量分配 选择好组成泄水系统的建筑物类别以及确定各泄选择好组成泄水系统的建筑物类别以及确定各泄水建筑物的泄流量。水建筑物的泄流量。 3 3、溢流坝堰顶和进水口高程的确定、溢流坝堰顶和进水口高程的确定 二、溢流重力坝二、溢流重力坝 （一）工作特点（一）工作特点 既是既是挡水建筑物挡水建筑物又是又是泄水建筑物泄水建筑物，应满足：，应满足： 1 1、稳定、强度要求稳定、强度要求； 2 2、泄水要求泄水要求： （1 1）泄的下泄的下（足够的孔口尺寸、体形、有较高的（足够的孔口尺寸、体形、有较高的流量系数）；流量系数）； （2

39、 2）不破坏不破坏（不产生不利的负压、振动、空蚀现（不产生不利的负压、振动、空蚀现象）；象）； （3 3）保证下游河床安全保证下游河床安全（不产生危及坝体安全的（不产生危及坝体安全的局部冲刷）；局部冲刷）； （4 4）互不影响互不影响（下游流态平顺，不产生折冲水流（下游流态平顺，不产生折冲水流, ,不影响其他建筑物的正常运行）；不影响其他建筑物的正常运行）； （5 5）便于管理便于管理（有灵活控制的闸门、启闭机等）。（有灵活控制的闸门、启闭机等）。（二）孔口设计（二）孔口设计 1.1.洪水标准洪水标准 根据根据水利水电枢纽工程等级划分及设计标准水利水电枢纽工程等级划分及设计标准（SL25220

40、00SL2522000）选用。）选用。表表312 312 山区、丘陵区水利水电工程永久性水工建筑物山区、丘陵区水利水电工程永久性水工建筑物洪水标准洪水标准 重现期（年）重现期（年） 对土石坝，如失事后下游将造成特别重大灾害对土石坝，如失事后下游将造成特别重大灾害时，时，1 1级建筑物的校核洪水标准，应取可能最大洪水级建筑物的校核洪水标准，应取可能最大洪水（PMFPMF）或）或1000010000年标准；年标准；2 24 4级建筑物的校核洪水标级建筑物的校核洪水标准，可提高一级。准，可提高一级。 对砼坝、浆砌石坝，如洪水漫顶将造成极严重对砼坝、浆砌石坝，如洪水漫顶将造成极严重的损失时，的损失时，

41、1 1级建筑物的校核洪水标准，经过专门论级建筑物的校核洪水标准，经过专门论证并报主管部门批准，可取可能最大洪水（证并报主管部门批准，可取可能最大洪水（PMFPMF）或）或重现期重现期1000010000年标准。年标准。 2. 2.孔口型式孔口型式 （1 1）开敞溢流式（表孔）开敞溢流式（表孔） 闸门承受的水头较小，孔口尺寸可以较大闸门承受的水头较小，孔口尺寸可以较大； QQH H 3/23/2成正比，超泄能力大，但不能预泄；成正比，超泄能力大，但不能预泄； 还能用于排冰和其他漂浮物；还能用于排冰和其他漂浮物； 闸门启闭操作方便，易于检修，工作安全可靠。闸门启闭操作方便，易于检修，工作安全可靠。

42、 2. 2.孔口型式孔口型式 （2 2）大孔口溢流（中孔）大孔口溢流（中孔） 上部设胸墙，堰顶高程较低，可满足预泄要求；上部设胸墙，堰顶高程较低，可满足预泄要求； 低水位时低水位时开敞（自由）溢流；开敞（自由）溢流； 高水位时高水位时大孔口泄流，大孔口泄流，QQH H 1/21/2成正比，超泄能力成正比，超泄能力不如开敞溢流式。不如开敞溢流式。3.3.孔口尺寸孔口尺寸 孔口尺寸拟定包括过水前缘总宽孔口尺寸拟定包括过水前缘总宽度，堰顶高程，孔口数目、尺寸等。度，堰顶高程，孔口数目、尺寸等。孔口拟定和布置涉及因素较多：如洪孔口拟定和布置涉及因素较多：如洪水设计标准、下游防洪要求、库水位水设计标准、

43、下游防洪要求、库水位壅高有无限制、过水方式以及枢纽地壅高有无限制、过水方式以及枢纽地形、地质条件等。形、地质条件等。3.3.孔口尺寸孔口尺寸（1 1）单宽流量的确定）单宽流量的确定0QQQ总溢（m m3 3/s/s）0Q经过电站和泄水孔等下泄的流量；经过电站和泄水孔等下泄的流量；式中：式中：系数，系数， 正常运用正常运用 0.750.750.90.9， 校核运用校核运用 1.01.0。LQq/溢 m m3 3 / /（s sm m）设设L L为溢流段净宽，则单宽流量为：为溢流段净宽，则单宽流量为：3.3.孔口尺寸孔口尺寸（1 1）单宽流量的确定）单宽流量的确定单宽流量的大小是溢流重力坝设计中一

44、个重要的单宽流量的大小是溢流重力坝设计中一个重要的控制性指标。单宽流量一经确定，就可以初步确定溢控制性指标。单宽流量一经确定，就可以初步确定溢流坝段的净宽和堰顶高程。单宽流量越大，下泄水流流坝段的净宽和堰顶高程。单宽流量越大，下泄水流的动能越集中，消能问题就越突出，下游局部冲刷会的动能越集中，消能问题就越突出，下游局部冲刷会愈严重，但溢流前缘短，对枢纽布置有利。因此，一愈严重，但溢流前缘短，对枢纽布置有利。因此，一个经济而又安全的单宽流量，必须综合地质条件、下个经济而又安全的单宽流量，必须综合地质条件、下游河道水深、枢纽布置和消能工设计等多种因素，通游河道水深、枢纽布置和消能工设计等多种因素，

45、通过技术经济比较后确定。过技术经济比较后确定。单宽流量的选取与地质条件有关，对单宽流量的选取与地质条件有关，对 一般软弱岩石：一般软弱岩石： q=30q=3050m50m3 3/ /（smsm）；）； 较好岩石：较好岩石： q=50q=5070m70m3 3/ /（smsm）；）； 坚固岩石：坚固岩石： q=70q=70130m130m3 3/ /（smsm）；）； 近年来，选用的单宽流量在不断增大，例：近年来，选用的单宽流量在不断增大，例： 龚嘴龚嘴q=254.2 mq=254.2 m3 3/ /（smsm），安康表孔），安康表孔q=282.7 mq=282.7 m3 3/ /（smsm）；

46、委内瑞拉的古里坝）；委内瑞拉的古里坝q q300 m300 m3 3/ /（smsm）。）。(2)(2)孔口尺寸孔口尺寸 溢流前沿总长溢流前沿总长L L0 0 若孔口宽度为若孔口宽度为b b，孔口数，孔口数n=L/bn=L/b，n n一般取单数。一般取单数。令闸墩厚度为令闸墩厚度为d d，则则L L0 0为：为：dnnbL) 1(0(2)(2)孔口尺寸孔口尺寸 开敞溢流时开敞溢流时2/302 HgmnbQ溢2/32设溢设HgmnbQqa a、孔口高、孔口高 H H3/22gmqH设设b b、堰顶高程、堰顶高程 堰堰设计设计H H设设 设闸门；设闸门； 堰堰正常正常 不设闸门。不设闸门。c c、

47、孔口宽、孔口宽 一般情况：一般情况：b b（8 81616）m m； 当有排浮要求时，可加大到（当有排浮要求时，可加大到（18182020）m m。在枢纽。在枢纽布置允许的前提下，闸门宜选用宽而扁，宽高比常采用布置允许的前提下，闸门宜选用宽而扁，宽高比常采用 b/H1.0b/H1.02.02.0；狭窄河道的溢流坝；狭窄河道的溢流坝, ,因溢流前沿宽度受因溢流前沿宽度受限限, ,孔口宽高比小于孔口宽高比小于1 1是经济合理的是经济合理的. .d d、校核水位下、校核水位下 校核过流量校核过流量 2/32校校HgmnbQ大孔口泄流大孔口泄流)(20aHgnbamQ溢（m m3 3/s/s）式中式中

48、 a 闸门开启高度，m；孔口垂直收缩系数，与比值 a/H 有关，见表表3 31212（P85P85页）页）。 确定孔口尺寸时应考虑以下因素：确定孔口尺寸时应考虑以下因素：a a、泄洪要求、泄洪要求 大型工程，应通过水工模型试验检验泄流能力。大型工程，应通过水工模型试验检验泄流能力。b b、枢纽布置、枢纽布置 宣泄同一流量，孔口高度越大宣泄同一流量，孔口高度越大, ,单宽流量越大单宽流量越大, ,溢溢流段越短流段越短; ;设有闸门的孔口宽度越小设有闸门的孔口宽度越小，孔数越多孔数越多，闸闸墩数也越多墩数也越多，溢流段总长度也相应加大溢流段总长度也相应加大；孔口宽度越孔口宽度越大大，启门力也越大启

49、门力也越大，工作桥跨度也相应增大工作桥跨度也相应增大。 确定孔口尺寸时应考虑以下因素：确定孔口尺寸时应考虑以下因素：c c、下游水流条件、下游水流条件 单宽流量越大，下游消能问题越突出。为了控制单宽流量越大，下游消能问题越突出。为了控制下游河床水流流态，闸门要对称均衡开启，孔口数目下游河床水流流态，闸门要对称均衡开启，孔口数目最好采用奇数。最好采用奇数。 当校核洪水和设计洪水相差较大时，应考虑非常当校核洪水和设计洪水相差较大时，应考虑非常泄洪设施，如适当加长溢流前沿长度；当地形、地质泄洪设施，如适当加长溢流前沿长度；当地形、地质条件适宜时，还可以像土坝枢纽一样，设置岸边非常条件适宜时，还可以像

50、土坝枢纽一样，设置岸边非常溢洪道。溢洪道。4 4闸门和启闭机闸门和启闭机4 4闸门和启闭机闸门和启闭机（1 1）闸门）闸门 按结构分按结构分 平面闸门平面闸门结构简单，闸墩受力条件好，共结构简单，闸墩受力条件好，共用一个活动启门机；用一个活动启门机； 缺点是：启门力大，闸墩较厚。缺点是：启门力大，闸墩较厚。 弧形闸门弧形闸门启门力较小，闸墩较薄，无门槽、启门力较小，闸墩较薄，无门槽、水流平顺；水流平顺； 缺点是：闸墩较长，受力条件较差。缺点是：闸墩较长，受力条件较差。按工作性质分按工作性质分 工作闸门工作闸门调节下泄流量，在动水中调节下泄流量，在动水中启闭，启门力较大。启闭，启门力较大。 常用

51、平面闸门和弧形闸门；常用平面闸门和弧形闸门； 检修闸门检修闸门用于短期挡水，以便进行检用于短期挡水，以便进行检修，静水中启闭，启门力较小。修，静水中启闭，启门力较小。 采用平面闸门、浮箱闸门，也可采用叠梁；采用平面闸门、浮箱闸门，也可采用叠梁； 事故闸门事故闸门是在建筑物或设备出现事故时紧是在建筑物或设备出现事故时紧急应用，要求能在动水中关闭；急应用，要求能在动水中关闭； 检修闸门和工作闸门之间应留有检修闸门和工作闸门之间应留有1 13m3m的净距，的净距，以便进行检修。以便进行检修。 全部溢流孔通常备有全部溢流孔通常备有1 12 2个检修闸门，交替使个检修闸门，交替使用。用。（2 2）启闭机

52、）启闭机 活动式活动式多用于平面闸门，可以兼用于启吊多用于平面闸门，可以兼用于启吊工作闸门和检修闸门。工作闸门和检修闸门。 固定式固定式固定在工作桥上，多用于弧形闸门。固定在工作桥上，多用于弧形闸门。5 5闸墩和工作桥闸墩和工作桥 (1) (1) 墩形墩形 11半圆曲线；半圆曲线； 22椭圆曲线；椭圆曲线； 33抛物曲线；抛物曲线； 44三圆弧曲线；三圆弧曲线； 55圆弧曲线；圆弧曲线； 66方形方形图349 常见的闸墩形状 1 1半圆曲线；半圆曲线； 22椭圆曲线；椭圆曲线； 33抛物曲线；抛物曲线； 44三圆弧曲线；三圆弧曲线； 55圆弧曲线；圆弧曲线； 66方形方形 （2 2）墩厚）墩厚

53、 平面闸门，工作闸门槽深平面闸门，工作闸门槽深0.50.52m2m，宽，宽1 14m4m，门槽处的闸墩厚度门槽处的闸墩厚度1 11.5m1.5m； 弧形闸门闸墩的最小厚度为弧形闸门闸墩的最小厚度为1.51.52m2m； 缝墩，墩厚要增加缝墩，墩厚要增加0.50.51m1m。 （3 3）长度和高度）长度和高度 应满足布置闸门、工作桥、交通桥和启闭机械的应满足布置闸门、工作桥、交通桥和启闭机械的要求要求。见图见图3-493-49（P87P87页）页） 。 （4 4）边墩（边墙）边墩（边墙） 溢流坝段两侧设边墩，也称边墙，一方面起溢流坝段两侧设边墩，也称边墙，一方面起闸墩作用，同时也起分隔溢流坝段和

54、非溢流坝段的闸墩作用，同时也起分隔溢流坝段和非溢流坝段的作用，见图作用，见图3-503-50（P87P87页）页） 。 边墩顶一般高出水面边墩顶一般高出水面1 1 1.5m1.5m； 底流消能时，需延长到消力池末端形成导墙；底流消能时，需延长到消力池末端形成导墙； 挑流消能时，需延长到挑坎末端；挑流消能时，需延长到挑坎末端； 当溢流坝与水电站并列时，导墙长度要延伸到当溢流坝与水电站并列时，导墙长度要延伸到厂房后一定的范围。厂房后一定的范围。 6 6横缝横缝 （1 1）缝在闸墩中间缝在闸墩中间 优点：坝段间产生不均匀沉降时，不影响闸优点：坝段间产生不均匀沉降时，不影响闸门启闭，工作可靠；门启闭，

55、工作可靠； 缺点：闸墩厚度较大，溢流前缘长。缺点：闸墩厚度较大，溢流前缘长。 （2 2）缝在溢流孔跨中）缝在溢流孔跨中 优点：闸墩薄，受力条件好；优点：闸墩薄，受力条件好； 缺点：易受地基不均匀沉降的影响。缺点：易受地基不均匀沉降的影响。 图352 溢流坝段横缝的布置 （三）高速水流的几个问题（三）高速水流的几个问题 1 1空化和空蚀空化和空蚀 空化空化水体中含有许多气核，当过坝水流中某点水体中含有许多气核，当过坝水流中某点的压力降至饱和蒸汽压强时，气核迅速膨胀为小空泡，这的压力降至饱和蒸汽压强时，气核迅速膨胀为小空泡，这种现象称为空化。种现象称为空化。 空蚀空蚀当低压区的空化水流流经下游高压

56、区时，当低压区的空化水流流经下游高压区时，空泡遭受压缩而溃灭，由于溃灭时间极为短暂（一般只有空泡遭受压缩而溃灭，由于溃灭时间极为短暂（一般只有千分之几秒），会产生一个很高的局部冲击力（可达几千千分之几秒），会产生一个很高的局部冲击力（可达几千个大气压）。若空泡溃灭发生在靠近过水坝面，局部冲击个大气压）。若空泡溃灭发生在靠近过水坝面，局部冲击力大于材料的内聚力时，可使坝面遭到破坏，这种现象称力大于材料的内聚力时，可使坝面遭到破坏，这种现象称为空蚀。为空蚀。（三）高速水流的几个问题（三）高速水流的几个问题 1 1空化和空蚀空化和空蚀 国内外的工程运行经验和试验表明，当国内外的工程运行经验和试验表明

57、，当v15m/sv15m/s时，就有可能发生空蚀破坏，且空蚀强度与水流流时，就有可能发生空蚀破坏，且空蚀强度与水流流速的速的5 57 7次方成正比。溢流面不平整，往往是引起次方成正比。溢流面不平整，往往是引起空蚀破坏的主要原因。常见的空蚀部位及过流流态空蚀破坏的主要原因。常见的空蚀部位及过流流态如图如图3-523-52所示。所示。 水流空化数水流空化数gpp2/20式式中中水流未受到边界局部变化扰动处的绝对压强水流未受到边界局部变化扰动处的绝对压强汽化压强，汽化压强，kPakPa；水流未受到边界局部变化扰动处的流速水流未受到边界局部变化扰动处的流速当水流空化数当水流空化数小到某一临界值时，边壁

58、某处小到某一临界值时，边壁某处出现空化，这时的空化数称为该体形的初生空化数出现空化，这时的空化数称为该体形的初生空化数 , ,只与几何体形有关，可由减压试验求出。只与几何体形有关，可由减压试验求出。0ppii当当，不会发生空化水流，也就，不会发生空化水流，也就不会发生空蚀；不会发生空蚀；当当，产生空化水流，就可能发，产生空化水流，就可能发生空蚀；生空蚀；设计时应使设计时应使iii2 2掺气掺气 由溢流重力坝下泄的水流，当流速超过由溢流重力坝下泄的水流，当流速超过7 78m/s8m/s时，时，空气从自由水面进入水体，产生掺气现象。空气从自由水面进入水体，产生掺气现象。 高速水流掺气，对工程有利有

59、弊。溢流面底部掺气，高速水流掺气，对工程有利有弊。溢流面底部掺气，可以减免空蚀，射流在空气中扩散掺气和射流在水垫中可以减免空蚀，射流在空气中扩散掺气和射流在水垫中掺气，可以消耗大部分多余能量，有利于消能防冲。水掺气，可以消耗大部分多余能量，有利于消能防冲。水流掺气后，水体膨胀，水深增加，要求溢流坝边墙加高；流掺气后，水体膨胀，水深增加，要求溢流坝边墙加高；对明流隧洞要求加大洞顶净空；水流掺气后，水滴飞溅，对明流隧洞要求加大洞顶净空；水流掺气后，水滴飞溅，会形成雾化区，对工程、设备及工作与生活都有不利的会形成雾化区，对工程、设备及工作与生活都有不利的影响。影响。2 2掺气掺气 溢洪道设计规范溢洪

60、道设计规范（SL2532000SL2532000）规定：）规定： 掺气水深掺气水深 式中式中 未计入波动及掺气的水深，未计入波动及掺气的水深，m m； 未计入波动及掺气计算断面上未计入波动及掺气计算断面上 的平均流速，的平均流速，m/sm/s； 修正系数，一般修正系数，一般1.01.01.41.4， 当当v20m/sv20m/s时，采用较大值。时，采用较大值。hha)1001(h3 3水流脉动水流脉动 泄水建筑物中的水流属于高度紊动的水流泄水建筑物中的水流属于高度紊动的水流, ,其基其基本特征是流速和压力随时间在不断变化的本特征是流速和压力随时间在不断变化的, ,即所谓脉即所谓脉动。水流对泄水