重力坝的荷载及组合

《水工建筑物》教学文本《重力坝的荷载及组合》教学文本《水工建筑物》教学资源库工程组编写20239月-1-版权全部，仿冒及翻印必究《水工建筑物》教学文本名目1.教案打算表....................................................................................................................................................-2-2.教学实施........................................................................................................................................................-4-【步骤L】复习稳固和引入课.................................................................................................................-4-【步骤2】课程介绍及学问讲授.................................................................................................................-4-【步骤3】应用案例讲解...........................................................................................................................-13-【步骤4】实训任务布置〔或提问〕.......................................................................................................-14-【步骤5】学生实训...................................................................................................................................-15-【步骤6】评价及反响...............................................................................................................................-15-教案打算表-2-版权全部，仿冒及翻印必究《水工建筑物》教学文本表1 单元3的教案打算表单元名称重力坝的荷载及组合学时4工程名称重力坝设计教学地点多媒体教室学生角色设计关心人员学问目标技能目标态度目标⑴理解作用在重力坝荷载的类型和计算内容；⑵把握自重的计算；⑴会确定重力坝荷载计算对象；⑵能进展静水压力、动水压力计算；课堂纪律，乐观答复课堂问题，按时上交作业；

绘制及计算；布图的绘制及计算⑸把握不同波浪形态浪压力的分布图及计算；⑹把握根本荷载和偶然荷载的组合方法及计算。

⑶能进展扬压力计算；⑷能进展浪压力计算；然荷载的组合方法及计算。

⑵课下能乐观认真任务；⑶认真完成教师布置的预习任务。及案例教学组织过程

⑴完成案例任务：非溢流坝自重的计算；⑵完成案例任务：非溢流坝静水压力计算；波浪要素计算；⑶完成案例任务：实体重力坝坝基面上扬压力计算；⑷完成案例任务：非溢流坝浪压力〔深水波〕计算。削减扬压力的措施、扬压力分布图的绘制及计算，浪压力的计算。案例法，讲练结合法，黑板、多媒体课件，动画。答案，评价此过程。件作

工程案例；练习题；课程相关课件。根底试题〔填空、选择题等、技能训练习题-3-版权全部，仿冒及翻印必究《水工建筑物》教学文本教学实施【l】复习稳固和引入课教学地点

教师任务

学生任务

教学条件

时间〔分钟〕10⑴复习稳固：非溢流重力坝根本剖面的主要参数及确定方法，波浪要素计算，有用剖面确定的内容和方法，剖面图的绘制。⑵引入课：作用在重力坝荷载有哪些？如何计算？为什么要对作用在重力坝荷载进展组合？怎么组合？2】课程介绍及学问讲授教学地点 教师任务⑴理解作用在重力坝荷载的类型和计算内容；※⑵把握自重的计算；

学生任务 教学条件 时间〔分钟〕听课，猎取有多媒体教室 ※⑷把握削减扬压力的措施，扬压力分布图的绘制 多媒体课件关学问和信息

120及计算⑸把握不同波浪形态浪压力的分布图及计算；⑹把握根本荷载和偶然荷载的组合方法及计算。泥沙压力以及地震荷载等。荷载计算包括确定荷载的大小、方向、作用点。一般按单位坝进步行分析，对溢流坝段则通常-4-版权全部，仿冒及翻印必究《水工建筑物》教学文本取一个坝段进展计算。⑴自重〔包括永久设备重〕坝体自重是维持大坝稳定的主要荷载，其大小可依据坝的体积和材料重度计算。G= cV式中G——坝体自重，kN；V——坝的体积，m3；c——筑坝材料的重度，kN／m3。筑坝材料重度选用的是否适宜，直接影响坝的安全和经济，对此必需慎重。在初步设计阶段可9选取，施工图设计阶段应通过现场试验确定。表9 筑坝材料的重度⑵水压力挡水坝段的静水压力0 静水压力可按水力学的原理计算。坝面上任意一点的静水压强为p= y，其中 0 y为该点距水面深度。当坝面倾斜或为折面时，为了计算便利，常将作用在坝面上的水压力分为水平水压力和垂直水压力分别计算〔见图。1 1 1P

H2 P H2

W

mh2

〔W、W

的计算类似〕1 2 0 1

2 2 0 2

3 2 0 1 2溢流坝的水压力溢流坝段坝顶闸门关闭挡水时，静水压力计算与挡水坝段完全一样。在泄水时，作用在上游坝2所示，荷载计算见下式： 图1 挡水坝的静水压力 图 1P 12 0

H2h21-5-版权全部，仿冒及翻印必究《水工建筑物》教学文本1式中P——单位坝长的上游水平压力，kN／m，作用在压力图形的形心；H——上游水深，m；1h——坝顶溢流水深，m；m——下游坝坡的边坡系数；0 9.81kN／m3。3〕溢流坝下游反弧段的动水压力0可依据流体动量方程求得。假设假设反弧段始、末两断面的流速相等，则单位坝长在该反弧段上PxPy的计算公式如下：P 0

cos

〔KN〕x g 2qv

1〔KN〕P 0y g

sin2

sin1式中q——鼻坎处单宽流量，m3／s；v——反弧段上的平均流速，m／s；θθ1 2x P，P的作用点，可近似地认为作用在反弧段中心，其方向以图1x ⑶扬压力坝基面上的扬压力①坝基设有防渗帷幕和排水幕的实体重力坝防渗帷幕和排水幕是重力坝减小渗透压力的常用措施。防渗帷幕的渗透系数远小于四周岩石的渗透系数，渗透水流绕过或渗过帷幕时要消耗很大的能量，从而使帷幕后的渗透压力大为降低。排水幕能使局部渗透水流自由排出，使渗透压力进一步降3所示。0图中矩形局部是由下游水深H2产生的浮托力，在水平坝基上任一点的压强为γH0

；折线局部2是由上下游水位差H产生的渗透压力，上游压强为γH，下游为零，排水幕处为αγH。α为剩余0 0水头系数，河床坝段承受α=0.25，岸坡坝段承受α=0.35。在特别状况下，也可只设灌浆帷幕或排水幕，相应的扬压力图形与图3类似，其剩余水头系数α可以结合特地论证确定。②承受抽排降压措施的实体重力坝防渗帷幕和排水幕不能降低浮托力，当下游水深较大时，浮托力对扬压力的影响显著。为了更-6-版权全部，仿冒及翻印必究《水工建筑物》教学文本4所示。图中α1为主排水幕处扬压力剩余系数，一般取α=0.2，α为坝基面上剩余扬压力系数，可承受0.5。当有特地论证时，系数1 2α1、α2可承受论证后的值。图3 设有防渗帷幕和排水幕 图4承受抽排降压措施的的实体重力坝坝基面扬压力 实体重力坝坝基面扬压力坝体内部的扬压力渗透水流除在坝基面产生渗透压力外，渗入坝体内部的水流也会产生渗透压力。为减小坝体内的渗透压力，常在坝体上游面四周的3～5m范围内，提高混凝土的防渗性5所示的分布图形进展计算，图中α30.2。当坝内无排水管时，则取渗透压力为三角形分布。⑷泥沙压力水库建成蓄水后，入库水流挟带的泥沙将逐年淤积在坝前，对坝体产生泥沙压力。取淤积计算年50～100年，参照阅历数据，按主动土压力公式计算泥沙压力：1 P 2

h2tan245 nn n n 2-7-版权全部，仿冒及翻印必究《水工建筑物》教学文本n式中P——泥沙压力，kN/m；nnγ6.5～9.0kN/m3；5坝体内部的扬压力nnh——泥沙的淤积厚度，m；n n——泥沙的内摩擦角。对于淤积时间较长的粗颗粒泥沙n =18°～20°；对于粘土质泥 沙n=12°～14°；对于淤泥、粘土和胶质颗粒n=0°。Pn按作用在坝面上的土重计算。⑸浪压力当重力坝的迎水面为铅直或接近铅直时，波浪推动到坝前，受到坝的阻挡，而使波浪壅高行成驻波。计算浪压力和坝顶超高时，坝前波浪在静水位以上的高度为h1%+hz。此外，随着建筑物迎水面前水深的不同，可能产生三种波态：深水波、浅水波和裂开波〔，浪压力计算时需依据不同波态选择相应的计算公式。H11〕H≥H1

1crH≥1

图6 直墙式挡水面浪压力分布图L/2时［见图〔，单位长度上的浪压力计算公式为：Lp wk 4 m 1%

hzH2 H2 cr

＜/2时［见图〔，单位长度上的浪压力计算公式为：L1p 1hH p Hp L1wk 2 1%

1

1 1fp h1f 1%

2Hsech 1Lm式中p1fkpa。H3〕H＜H1

时［见图〔，单位长度上的浪压力计算公式为：6 6 p 1pwk 2 0

1%

1-8-版权全部，仿冒及翻印必究《水工建筑物》教学文本p K0

hi 1%式中λ——H1≤1.7h1%时，λ0.6，H1＞1.7h1%时，λ0.5；P0kpa；Ki底坡影响系数，查表2〔i为坝前肯定距离库底纵坡平均值〕。表2 底坡影响系数Ki取值表i1/101/201/301/401/501/601/801/100Ki⑹地震力1.891.611.481.411.361.331.291.25在地震区筑坝，必需考虑地震的影响。地震对建筑物的影响程度常用地震烈度表示。地震烈度划分为12度，烈度越大，对建筑物的影响越大。在抗震设计中常用到根本烈度和设计烈度两个概50p500.10的地震烈度。设计烈度是指设计时承受的地震烈度。一般状况下，承受根本烈度作为设计烈度；但对I级建筑物，可依据工程重要性和患病震害的危急性，在根本烈度的根底上提高一度作为设计烈度。设计烈度为7度及以上的地震区应考虑地震力，设计烈度超过9度时，应进展特地争论。设计烈度为6度及以下时，一般不考虑地震力。地震力包括由建筑物重量引起的地震惯性力、地震惊水压力和动土压力。地震对扬压力、坝前泥沙压力和浪压力的影响可不考虑。《水工建筑物抗震设计标准〔SL203—97〕〔根本烈度≥6度的1级坝〕时，其地震作用效应计算应承受动力分析方法；对于设防类别为乙、丙级，设计烈8度，且坝高小于或等于70m的重力坝可承受拟静力法计算；对于丁级〔根本烈度≥7度的4，5级坝〕建筑物，可以用拟静力法计算或着重实行措施而不用计算。具体计算方法可参阅《水工建筑物抗震设计标准SL209。⑺冰压力静冰压力库水结冰后，当气温上升时，冰层膨胀对坝面产生的压力称作静冰压力。静冰压力的大小取决3查得单位面积上的静冰压力，乘以冰厚即为作用在单位坝长上的静冰压力。当水库在冬季承受破冰、融冰措施时，可不考虑坝体上的冰压力。-9-版权全部，仿冒及翻印必究《水工建筑物》教学文本表3 静冰压力标准值动冰压力当冰盖裂开后发生冰块流淌，流冰撞击坝面而产生的冲击力称为动冰压力。动冰压力的大小与冰块撞击在铅直坝面时的动冰压力可按下式计算：P 0.07Vdbd b b

Afh icbd式中P ——冰块撞击在铅直坝面时的动冰压力，kN；bdfic——冰的抗压强度，对于水库可取0.3Mpa，对于河流，流冰初期取0.45Mpa，后期可取0.3Mpa；bV——冰块流速，对于大水库应通过争论确定，一般不大于0.6m/s；bbA——冰块的面积，m2；bbd——冰块的厚度，m。b冰块撞击在铅直闸墩上的动冰压力按下式计算P mRBdbd b bbd式中P′——冰块撞击在铅直闸墩上的动冰压力，kN；bdbR——冰的抗压强度，当无资料时，在结冰初期取750kPa450kPa；bB——闸墩在冰层处的前沿宽度，m；m——闸墩的平面外形系数，按表4承受。-10-版权全部，仿冒及翻印必究《水工建筑物》教学文本其他符号意义同前。表4 闸墩的平面外形系数㈢荷载组合⑴荷载组合的目的作用在重力坝上的各种荷载，除坝体自重外，都有肯定的变化范围。例如在正常运行、放空水库、设计或校核洪水等状况，其上下游水位各不一样。当水位发生变化时，相应的水压力、扬压力亦随之变化。又如在短期宣泄最大洪水时，就不肯定会同时发生猛烈地震。再如当水库水面封冻，坝面受静冰压力作用时，波浪压力就不存在。因此，在进展坝的设计时，应当依据“可能性和最不利”的原则，把各种荷载合理地组合成不同的设计状况，然后进展安全核算，以妥当解决安全和经济的冲突。⑵荷载组合的类型荷载类型。作用于重力坝上的荷载，按其消灭的几率和性质，可分为根本荷载〔消灭时机较多的荷载〕和特别荷载〔消灭时机很少的荷载，如校核洪水位及地震时的荷载。根本荷载包括：⑴坝体及其上永久设备自重；⑵正常蓄水位或设计洪水位时大坝上、下游面的静水压力〔选取一种掌握状况；⑶相应于正常蓄水位或设计洪水位时扬压力；⑷大坝上游淤沙压力；⑸相应于正常蓄水位或设计洪水位时的浪压力；⑹冰压力；⑺土压力；⑻设计洪水位特别荷载包括：⑴校核洪水位时的大坝上、下游面的静水压力；⑵相应于校核洪水位时的扬他消灭时机很少的荷载。组合类型。重力坝抗滑稳定及坝体应力计算的荷载组合分为根本组合和特别组合两种状况。5的规定进展(表中数字即荷载的序号)。-11-版权全部，仿冒及翻印必究《水工建筑物》教学文本表5 荷载组合注：①应依据各种荷载同时作用的实际可能性，选择计算中最不利的组合。组合。-12-版权全部，仿冒及翻印必究《水工建筑物》教学文本【步骤3】应用案例讲解教学地点教学内容及要求：

教师任务

学生任务学问和信息

教学条件背景资料

时间〔分钟〕20㈣案例分析案例3：依据“单元2”所给的条件和拟定的非溢流坝根本剖面，计算“正常蓄水位状况”下作用在重力坝上的荷载〔10KN/m324KN/m3，泥沙浮重度为9.5KN/3，泥沙内摩擦角为1°，剩余水头系数取0.2。解：正常蓄水位状况作用在非溢流坝的荷载如图76：7正常蓄水位状况非溢流坝荷载计算简图6正常蓄水位状况非溢流重力坝荷载计算表〔取单位坝长计算〕符号↓↑→号↓↑→←／+-\自 重G1242×0.15×24／2 1034.816.92－3.6×2/3=14.4215025

垂直力〔KN〕

水平力〔KN〕

对坝底面中点的偏心距〔m〕

力矩〔KN。m〕-13-版权全部，仿冒及翻印必究《水工建筑物》教学文本G242×5×24504016.92－3.6－5/2=10.8254533G335.06×0.72×24／210620.316.92－35.06×0.72×2/3=0.09956G40.5×1.2×2414.416.92－3.6－0.5/2=13.07188〔3.14×1.252／2+2.5G5 ×1.75〕×24

163.9

16.92－〔7－2.5/2〕=11.17

1831上游水平水压力P110×392／2760539/3=1398865下游水平水压力P210×1.82／216.2 1.8/3=0.610上游水重W210×24×3.6上游水重W210×24×3.6／243216.92－3.6/3=15.726791下游水重W310×1.82×0.72／211.716.92－1.8×0.72/3=16.49193浮托力U110×33.84×1.8609.1000U210×6.85×37.2×0.25637.116.92－6.85/2=13.508598渗透压力U310×9.3×26.99/2125516.92－26.99×2/3=－1.07134