第二章 重力坝1

1、第二章第二章 重力坝重力坝v 在水利水电工程建设中，混凝土重力坝是在水利水电工程建设中，混凝土重力坝是最广泛采用的一种形式，在高坝枢纽中仍占最广泛采用的一种形式，在高坝枢纽中仍占有显著的优势。有显著的优势。v重力坝的工作原理重力坝的工作原理v 重力坝在水压力及其他荷载作用下，主要重力坝在水压力及其他荷载作用下，主要依靠坝体自重产生的抗滑力来满足稳定要求；依靠坝体自重产生的抗滑力来满足稳定要求；同时依靠坝体之中产生的压应力来减小库水同时依靠坝体之中产生的压应力来减小库水压力所引起的上游坝面拉应力以满足强度要压力所引起的上游坝面拉应力以满足强度要求。求。优点优点v（1 1）对地形、地质条件适应性强

2、）对地形、地质条件适应性强v（2 2）枢纽泄洪问题容易解决）枢纽泄洪问题容易解决 v（3 3）便于施工导流）便于施工导流v（4 4）结构作用明确）结构作用明确 断面形状简单，结构作用明确，施工方便，安断面形状简单，结构作用明确，施工方便，安全可靠。全可靠。 重力坝设有垂直坝轴线方向的横缝，将重力坝设有垂直坝轴线方向的横缝，将坝体分为若干个独立的坝段，各坝段独立工作，坝体分为若干个独立的坝段，各坝段独立工作，受力明确。受力明确。v（5 5）可利用块石筑坝）可利用块石筑坝v（6 6）安全可靠）安全可靠（7 7）施工方便）施工方便缺点：缺点： （1 1）剖面尺寸大，材料用量多）剖面尺寸大，材料用量多

3、v（2 2）坝底扬压力大，对稳定不利）坝底扬压力大，对稳定不利v（3 3）要有较严格的温度控制措施）要有较严格的温度控制措施重力坝的特点：v一：重力坝剖面尺寸大，建筑材料用量较多，坝体边缘应力较大，坝内应力较小。v二：坝体与坝基的接触面大，坝体承受的扬压力较大，抵消了坝体的部分重力。v三：坝体传给地基的压应力较大，一般要修建在岩基上，地基要求比土石坝高。v四：断面大，坝体抗冲能力强，适于在坝顶溢流河在坝身设置泄水孔。v五：坝体被横缝分成若干坝段，各坝段独立工作。v六：因混凝土在凝结过程中会产生水化热，施工期混凝土的温度应力和收缩应力较大，有时会造成坝体裂缝，故一般要采取温度控制和散热措施。设计

4、内容设计内容v（）选定坝轴线（）选定坝轴线v（）剖面设计（）剖面设计 参照已建工程经验，初步拟定剖面尺寸参照已建工程经验，初步拟定剖面尺寸 v（）稳定分析（）稳定分析 验算坝体沿建基面或地基中软弱结构面的验算坝体沿建基面或地基中软弱结构面的稳定安全度稳定安全度 v（）应力分析（）应力分析 使应力条件满足设计规范要求，保证大坝使应力条件满足设计规范要求，保证大坝和坝基有足够的强度和坝基有足够的强度 v（）构造设计（）构造设计 根据施工和运行要求，确定坝体的细部构造，如根据施工和运行要求，确定坝体的细部构造，如分缝、廊道系统、排水系统、止水系统等。分缝、廊道系统、排水系统、止水系统等。 v（）地基

5、处理（）地基处理 根据地质条件，进行地基的防渗、排水设计；进根据地质条件，进行地基的防渗、排水设计；进行断层等地质结构面的处理行断层等地质结构面的处理 v（）溢流重力坝和泄水孔的设计以及他们的消（）溢流重力坝和泄水孔的设计以及他们的消能设计和防冲设计能设计和防冲设计 包括泄水建筑物体型、溢流堰顶高程、溢流重力包括泄水建筑物体型、溢流堰顶高程、溢流重力坝前沿的宽度和泄水孔进口的高程、泄水孔口的坝前沿的宽度和泄水孔进口的高程、泄水孔口的尺寸。尺寸。 v（）监测设计（）监测设计 包括坝体内部和外部的观测设计包括坝体内部和外部的观测设计 溢流坝重力坝溢流坝重力坝非溢流重力坝荷载计算荷载计算 v沿坝轴线

6、方向取沿坝轴线方向取1 1米宽坝体为计算单元米宽坝体为计算单元荷载v自重自重: :坝体及其上永久性设施的重量坝体及其上永久性设施的重量 W=W=（iViiVi） v上、下游坝面的静水压力上、下游坝面的静水压力 v溢流坝反弧段上的动水压力溢流坝反弧段上的动水压力 溢流坝反弧段上的动水压力（离心力）合力的水溢流坝反弧段上的动水压力（离心力）合力的水平及垂直分力可按下式计算：平及垂直分力可按下式计算： 作用点：反弧段最低点；作用点：反弧段最低点； 方方 向：图示为正向：图示为正（1）坝基面上的扬压力）坝基面上的扬压力 v不设防渗排水设施的实体重力坝不设防渗排水设施的实体重力坝 渗透压力渗透压力 在下

7、、下游水位差的作用下，库水经过坝体在下、下游水位差的作用下，库水经过坝体和坝基的孔隙向下游渗透而形成渗透水流，和坝基的孔隙向下游渗透而形成渗透水流，渗透水流对计算截面产生的垂直指向该截面渗透水流对计算截面产生的垂直指向该截面的水压力为渗透压力。的水压力为渗透压力。v浮压力浮压力 若计算截面在下游水位之下，由下游水深对若计算截面在下游水位之下，由下游水深对该截面产生的垂直指向该截面的水压力为浮该截面产生的垂直指向该截面的水压力为浮压力。压力。 v设有防渗帷幕和排水设施的实体设有防渗帷幕和排水设施的实体重力重力坝坝 （防渗帷幕：防渗帷幕：在坝基岩中钻孔灌桨而形成一在坝基岩中钻孔灌桨而形成一道连续的

8、地下墙。道连续的地下墙。 排水幕：排水幕：在坝基岩中钻孔灌渠而形成一排水在坝基岩中钻孔灌渠而形成一排水孔。孔。 作用：作用： 阻止渗透水流，降低渗透压力，延长阻止渗透水流，降低渗透压力，延长渗径。）渗径。） 为扬压力折减系数，河床坝段采用为扬压力折减系数，河床坝段采用 0.20.30.20.3，岸坡坝段采用，岸坡坝段采用0.30.40.30.4。 v设有抽排降压设施的实体重力坝设有抽排降压设施的实体重力坝 抽排降压：抽排降压：在基础灌浆廊道下游设在基础灌浆廊道下游设置，一道排水廊道、钻设排水孔，由置，一道排水廊道、钻设排水孔，由抽水设备定时抽排。抽水设备定时抽排。 11为扬压力折减系数；为扬压

9、力折减系数； 22为残余扬压力系数。为残余扬压力系数。v（2 2）坝体内部的扬压力）坝体内部的扬压力 应分坝体内有排水管和坝体内无排水管两应分坝体内有排水管和坝体内无排水管两种情况考虑种情况考虑 v（3 3）讨论：）讨论： 扬压力始终垂直作用于计算截面。扬压力始终垂直作用于计算截面。 扬压力的作用面积，近似作用在扬压力的作用面积，近似作用在100%100%的面积上。的面积上。 当坝基条件复杂，需经专门研究确定扬压当坝基条件复杂，需经专门研究确定扬压力分布。力分布。v冰压力冰压力 （1 1）静冰压力）静冰压力 （2 2）动冰压力）动冰压力v泥沙压力泥沙压力 坝前的淤砂高程应按河流的特性和工程的坝

10、前的淤砂高程应按河流的特性和工程的具体情况计算确定，一般计算年限可采用具体情况计算确定，一般计算年限可采用年。对于多泥砂河流应经研究确定；当有年。对于多泥砂河流应经研究确定；当有可靠的排砂措施时，应考虑其作用。可靠的排砂措施时，应考虑其作用。作用在坝、水闸等挡水建筑物单位长度上的水平淤作用在坝、水闸等挡水建筑物单位长度上的水平淤沙压力，可按下式计算：沙压力，可按下式计算： （相当于主动土压力）（相当于主动土压力） 式中：式中： pnpn为泥沙对坝体某点的水平压力强度，为泥沙对坝体某点的水平压力强度，kN/m2kN/m2； 为泥沙的浮容重，为泥沙的浮容重，kN/m3kN/m3； hnhn为该点以

11、上的淤沙厚度，为该点以上的淤沙厚度，mm。 斜面上铅直的淤沙压力即为淤积在其上的泥沙重力斜面上铅直的淤沙压力即为淤积在其上的泥沙重力（按浮容重计算）。（按浮容重计算）。 浪压力浪压力v说明：说明： （1 1）水对波浪的）水对波浪的阻力大于空气对波阻力大于空气对波浪的阻力，所以波浪的阻力，所以波浪的中心线高于静浪的中心线高于静水位。水位。 （2 2）当建筑物的）当建筑物的迎风面是垂直面时，迎风面是垂直面时，波浪撞击在壁面上波浪撞击在壁面上产生反射波。反射产生反射波。反射波与入射波叠加产波与入射波叠加产生驻波，驻波波高生驻波，驻波波高为风成波波高的两为风成波波高的两倍倍。v波浪的要素（官厅水库公式

12、）波浪的要素（官厅水库公式） 当当 H1Ll/2 H1Ll/2 时波浪运动不受库底的约时波浪运动不受库底的约束，称为深水波束，称为深水波 v简化为：简化为：v当当 Hk H1 Ll/2Hk H1 Ll/2时波浪运动受到库底影响，时波浪运动受到库底影响，波速降低，波长缩短，波浪中心线增大，波速降低，波长缩短，波浪中心线增大，称为浅水波称为浅水波v简化为：简化为：v坝踵处浪压力的剩余强度为坝踵处浪压力的剩余强度为： v温度荷载温度荷载: : 对重力坝施工期进行适当温控，运对重力坝施工期进行适当温控，运用期设置永久性横缝，则温度荷载不用期设置永久性横缝，则温度荷载不列为主要荷载。列为主要荷载。 v地

13、震荷载：地震荷载： （1 1）地震惯性力）地震惯性力 （2 2）地震动水压力）地震动水压力荷载组合荷载组合v 混凝土重力坝设计规范混凝土重力坝设计规范属于安全系数属于安全系数设计法的规范，该规范将作用于坝体上荷设计法的规范，该规范将作用于坝体上荷载分为基本荷载和特殊荷载。载分为基本荷载和特殊荷载。 v基本荷载：基本荷载：v 坝体及其上永久性设备重；坝体及其上永久性设备重；v 正常蓄水位或设计洪水位时的静水压力（选择一种正常蓄水位或设计洪水位时的静水压力（选择一种控制情况）；控制情况）；v 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；v 泥砂压力；泥砂压力；v

14、 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；v 冰压力；冰压力；v 土压力；土压力；v 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；v 其他出现机会较多的荷载。其他出现机会较多的荷载。v特殊荷载特殊荷载：v 校核洪水位时的静水压力；校核洪水位时的静水压力；v 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；v 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；v 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；v 地震荷载；地震荷载；v 其他出现机会较少的荷载。其他出现机会较少的荷载。v荷载组合荷载组合： 将具有合

15、理的同时出现机率的荷载进行最将具有合理的同时出现机率的荷载进行最不利组合，作为建筑物上的设计荷载。不利组合，作为建筑物上的设计荷载。 混混凝土重力坝的荷载组合分基本组合和特殊凝土重力坝的荷载组合分基本组合和特殊组合。组合。 v 基本组合基本组合： 由基本荷载组合。由基本荷载组合。 v 特殊组合特殊组合： 由基本荷载和一种或几种特殊荷载组由基本荷载和一种或几种特殊荷载组合合重力坝的形状重力坝的形状 基本刨面呈三角形，上游坝面陡、下游坝面基本刨面呈三角形，上游坝面陡、下游坝面较缓。较缓。非溢流重力坝剖面非溢流重力坝剖面v基本剖面基本剖面v重力坝的主要荷载重力坝的主要荷载 有静水压力、自重、扬压力。

16、其中静水有静水压力、自重、扬压力。其中静水压力压力P P与与H2H2成正比，为维持坝体自身的稳定，成正比，为维持坝体自身的稳定，重力坝的主要荷载自重重力坝的主要荷载自重WW也应与也应与H2H2成正比。成正比。因此重力坝的基本剖面为三角形，其中因此重力坝的基本剖面为三角形，其中H H为为最高静水头。最高静水头。 v三角形基本剖面的三角形基本剖面的控制参数控制参数有：有：H H、B B、n n、mm，（其中，（其中H H由河流的水文水利规划确定，由河流的水文水利规划确定，T T可以表达为可以表达为n n、mm的函数式）在满足经济、的函数式）在满足经济、安全的条件下可以由：安全的条件下可以由：v 强

17、度条件：强度条件： v v 稳定条件：稳定条件： v联立求解联立求解n n、mm。 v 根据工程经验，一般上游坝坡根据工程经验，一般上游坝坡n n取取0 00.20.2，下游坝坡下游坝坡mm取取0.60.60.80.8，底宽取，底宽取B B（ 0.70.70.90.9）H H（坝高）。（坝高）。 实用剖面实用剖面v（1 1）坝顶的宽度）坝顶的宽度 v 根据施工、交通、设备安装等条件确定。根据施工、交通、设备安装等条件确定。 也可以由也可以由Bmin=(810)%HBmin=(810)%H初步拟定初步拟定（BminBmin最小坝顶的宽度）。最小坝顶的宽度）。 v 或根据漂浮物，冰压力等对坝体的冲

18、击力或根据漂浮物，冰压力等对坝体的冲击力情况确定。情况确定。v（2 2）坝顶高程）坝顶高程 v坝顶在最高静水位上的超高：坝顶在最高静水位上的超高： v h=h1+h0+hch=h1+h0+hc vh1h1为波浪高度。为波浪高度。 vh0h0为波浪的中心线超过静水位的高度。为波浪的中心线超过静水位的高度。 vhchc为安全超高。为安全超高。 v坝顶高程或坝顶上游防浪墙顶高程按下式坝顶高程或坝顶上游防浪墙顶高程按下式计算后选用较大值：计算后选用较大值： v v 注：在计算注：在计算h1h1和和h0h0时，设计和校核情况应时，设计和校核情况应采用不同的计算风速值。采用不同的计算风速值。（3）常用的实

19、用剖面的型式）常用的实用剖面的型式 v实用剖面（实用剖面（1 1）地基条件较好地基条件较好, ,坝体与基坝体与基岩间摩擦系数较大，坝体剖面由强度岩间摩擦系数较大，坝体剖面由强度条件控制。条件控制。 v实用剖面（实用剖面（2 2）地基条件较差地基条件较差, ,坝体与坝体与基岩间摩擦系数较小，坝体剖面由稳基岩间摩擦系数较小，坝体剖面由稳定条件控制。定条件控制。 v实用剖面（实用剖面（3 3）坝体剖面由稳定条件控坝体剖面由稳定条件控制，同时有利于利用水重和布置坝体制，同时有利于利用水重和布置坝体泄水孔。泄水孔。 重力坝的稳定分析重力坝的稳定分析v 重力坝稳定分析的目的是核算坝体沿坝重力坝稳定分析的目

20、的是核算坝体沿坝基面或沿坝基岩内体软弱面上的稳定安全度。基面或沿坝基岩内体软弱面上的稳定安全度。v2.4 刚体极限平衡法刚体极限平衡法v2.4.1 沿坝基面的抗滑稳定分析沿坝基面的抗滑稳定分析v2.4.2 深层抗滑稳定分析深层抗滑稳定分析v2.4.3 提高坝体抗滑稳定性的措施提高坝体抗滑稳定性的措施v2.4.1 (1) 纯摩擦理论分析纯摩擦理论分析 v 当坝基面为水平时：当坝基面为水平时： v 坝基面上的安全系数为：坝基面上的安全系数为： v(2)剪断强度公式剪断强度公式认为坝体与坝基为胶认为坝体与坝基为胶结状态结状态 坝基面上的抗滑安全系数：坝基面上的抗滑安全系数： f 为坝基面上的抗剪断摩

21、擦系数。为坝基面上的抗剪断摩擦系数。c为坝基面上的抗剪断凝聚力。为坝基面上的抗剪断凝聚力。 A为坝基面面积。为坝基面面积。（3） 极限状态分项系数方法v 我国我国混凝土重力坝设计规范混凝土重力坝设计规范中中规定采用极限状态设计法，利用分项系规定采用极限状态设计法，利用分项系数表达式来进行重力坝的抗滑稳定分析。数表达式来进行重力坝的抗滑稳定分析。v讨论：讨论： v 抗滑稳定分析应考虑任何可能出现的荷载抗滑稳定分析应考虑任何可能出现的荷载组合。组合。v 纯摩擦公式，形式简单，但没有考虑坝体与纯摩擦公式，形式简单，但没有考虑坝体与坝基的咬合、胶结作用，与实际情况出入较大。坝基的咬合、胶结作用，与实际

22、情况出入较大。v 抗剪断强度公式，抗剪断强度公式，假定坝体坝基之间凸凹不假定坝体坝基之间凸凹不平，相互咬合在一起，计算时考虑纯剪强度。平，相互咬合在一起，计算时考虑纯剪强度。计入了坝基面的全部抗滑潜力，较接近实际作计入了坝基面的全部抗滑潜力，较接近实际作用情况。用情况。因而要求的安全系数较大，在美、日等国因而要求的安全系数较大，在美、日等国家用得较多家用得较多。v公式的选用公式的选用: v 两种计算公式均为两种计算公式均为混凝土重力坝设计混凝土重力坝设计规范规范(SDJ21-1978)(SDJ21-1978)推荐的计算公式，推荐的计算公式，其安其安全系数只是一个抗滑稳定的安全指标，并全系数只是

23、一个抗滑稳定的安全指标，并不能反映坝体真实的安全程度。不能反映坝体真实的安全程度。 v WW和和P P基本是与坝高的平方成正比，基本是与坝高的平方成正比，而凝聚力而凝聚力cAcA则与坝高成正比，则与坝高成正比，因此按摩擦因此按摩擦公式核算坝体抗滑稳定时，高坝的安全储公式核算坝体抗滑稳定时，高坝的安全储备比低坝小。备比低坝小。v当坝基面为倾斜时当坝基面为倾斜时 ：v坝基面上阻滑力为坝基面上阻滑力为: v v坝基面上滑动力为：坝基面上滑动力为：v v坝基面上的抗滑安全系数为：坝基面上的抗滑安全系数为： v为坝基面与水平面间的夹角。为坝基面与水平面间的夹角。v当坝基面向下游倾斜时当坝基面向下游倾斜时

24、，为负，坝基面上的为负，坝基面上的滑动力滑动力 增加，对抗滑稳定不利增加，对抗滑稳定不利2.4.2 深层抗滑稳定分析深层抗滑稳定分析v 当坝基内存在岩体软弱结构面时，在水当坝基内存在岩体软弱结构面时，在水荷载作用下，坝体连同部分基岩有可能沿坝荷载作用下，坝体连同部分基岩有可能沿坝基内的软弱结构面产生滑动，即为深层滑动。基内的软弱结构面产生滑动，即为深层滑动。v2.4.2.1 单滑动面单滑动面v2.4.2.2 双滑动面双滑动面单滑动面单滑动面 v当坝基内只存在一个岩体软弱结构面，将当坝基内只存在一个岩体软弱结构面，将软弱结构面以上的坝体和地基作为整体，软弱结构面以上的坝体和地基作为整体，按刚体极

25、限平衡法，核算软弱结构面上的按刚体极限平衡法，核算软弱结构面上的抗滑安全系数。抗滑安全系数。v软弱结构面上的抗滑安全系数软弱结构面上的抗滑安全系数： v v K v式中式中fBfB、CBCB：滑动面上的抗剪断摩擦系数：滑动面上的抗剪断摩擦系数和凝聚力。和凝聚力。v 对安全系数的要求采用摩擦公式时，对安全系数的要求采用摩擦公式时，因软弱面的因软弱面的C C小，安全储备低，小，安全储备低，K K应适当应适当提高提高(25(2530)30)；采用抗剪断公式时，；采用抗剪断公式时，因软弱面的因软弱面的fcfc低，低，kk很难达到规范很难达到规范要求，可适当降低，但至少不低于要求，可适当降低，但至少不低

26、于2.0.2.0.双滑动面双滑动面v 实际工程中，坝基内往往存在多条相互实际工程中，坝基内往往存在多条相互切割交错的断层和软弱夹层。构成复杂的切割交错的断层和软弱夹层。构成复杂的滑动面。在深层抗滑稳定分析时，滑动面。在深层抗滑稳定分析时，应验算应验算所有可能的滑动通道，从中找出最不利的所有可能的滑动通道，从中找出最不利的滑动面组合和其上抗滑安全系数。滑动面组合和其上抗滑安全系数。一般：一般： v 将倾向下游的缓倾角断层、泥化夹层假设将倾向下游的缓倾角断层、泥化夹层假设为第一滑动面；为第一滑动面； v 将倾向上游的断层、泥化夹层假设为第二将倾向上游的断层、泥化夹层假设为第二滑动面；也可以假定多条

27、滑裂面，通过试滑动面；也可以假定多条滑裂面，通过试算确定一条最不利的第二滑动面。算确定一条最不利的第二滑动面。v 求解深层抗滑稳定问题的难点是由一个刚求解深层抗滑稳定问题的难点是由一个刚体极限平衡方程（抗剪断强度公式或摩擦体极限平衡方程（抗剪断强度公式或摩擦公式），不能同时求两个未知数：公式），不能同时求两个未知数：F1F1、F2F2，或或K1K1、K2K2。 v 深层抗滑稳定分析的简化计算方法是将滑深层抗滑稳定分析的简化计算方法是将滑移体分为两段，采用移体分为两段，采用被动抗力法、剩余推被动抗力法、剩余推力法、等安全系数法力法、等安全系数法。 v注：前两种方法现在已逐渐不采用注：前两种方法现

28、在已逐渐不采用v（1 1）被动抗力法）被动抗力法 v 假定抗力体的作用充分发挥，取其假定抗力体的作用充分发挥，取其K2=1K2=1。 v v 求出求出QQ，QQ为抗力体向坝体段提供的阻力。由此计为抗力体向坝体段提供的阻力。由此计算出坝体段的安全系数算出坝体段的安全系数K1K1，作为深层抗滑稳定安全系，作为深层抗滑稳定安全系数。数。 v 被动抗力法的概念清楚但理论依据不足；当抗力体被动抗力法的概念清楚但理论依据不足；当抗力体提供的提供的QQ较小，坝体段可能产生较大的位移，导致于较小，坝体段可能产生较大的位移，导致于上游帷幕破坏，而该现象无法定量分析，计算结果中上游帷幕破坏，而该现象无法定量分析，

29、计算结果中也不能反映出来。也不能反映出来。（2 2）常规法）常规法v 假定坝体段的稳定安全系数假定坝体段的稳定安全系数K1=1K1=1，求抗力，求抗力体上的推力体上的推力QQ；由此计算出抗力体的稳定安；由此计算出抗力体的稳定安全系数全系数K2K2，作为深层抗滑稳定安全系数。，作为深层抗滑稳定安全系数。 v 剩余推力法存在的问题是当坝体段的剩余推力法存在的问题是当坝体段的f1 f1较大较大时，时，QQ可能为负值或零，不符合实际情况；可能为负值或零，不符合实际情况；为承受为承受QQ，抗力体可能会产生较大的变形，抗力体可能会产生较大的变形，以至坝趾岩体压碎，计算结果中也不能反映以至坝趾岩体压碎，计算

30、结果中也不能反映出来出来（3）等安全系数法）等安全系数法 等安全系数法就是假定等安全系数法就是假定K1=K2K1=K2，分别由两个，分别由两个极限平衡方程求解极限平衡方程求解K K、QQ。 v 由于第一滑动面一般为断层、泥化夹层，产由于第一滑动面一般为断层、泥化夹层，产生塑性破坏，变形较大；第二滑动面一般处生塑性破坏，变形较大；第二滑动面一般处于完整岩体中，破坏形式为脆性破坏，变形于完整岩体中，破坏形式为脆性破坏，变形较小既破坏，因此两滑动面上的安全系数实较小既破坏，因此两滑动面上的安全系数实际不相同际不相同。 说明：说明：v 1 1上述三种方法求出的上述三种方法求出的k k差别较大；差别较大

31、；v 2 2R R的倾角对的倾角对K K的影响较大的影响较大=0=0时，时，K K最小；最小；v (与分界面上的摩擦特性有关，与分界面上的摩擦特性有关，较难精确确定较难精确确定) )；v 3 3上述方法在地基内设想增加了一上述方法在地基内设想增加了一个个BDBD软弱面，使软弱面，使K K降低，如岩体坚固降低，如岩体坚固完整，完整， BDBD面上的抗剪强度足以承担其面上的抗剪强度足以承担其剪力，则按整体深层失稳核算；剪力，则按整体深层失稳核算；2.4.2 有限单元法v 有限单元法分析提供了坝体及地基内各有限单元法分析提供了坝体及地基内各点的应力及变位值，可以了解破坏区的分点的应力及变位值，可以了

32、解破坏区的分布、范围，以便找出最危险的部位，并分布、范围，以便找出最危险的部位，并分析严重程度，进而可以分析各种加固措施析严重程度，进而可以分析各种加固措施的作用。的作用。v 具体分析时，常采用增量法，即将荷载具体分析时，常采用增量法，即将荷载分为若干级，逐级施加，可求得应力应变分为若干级，逐级施加，可求得应力应变的变化过程和破坏过程。的变化过程和破坏过程。2.4.3 模型试验方法模型试验方法 模型实验室研究坝体及地基的应力、变位和模型实验室研究坝体及地基的应力、变位和失稳问题的一种重要手段。静力试验中，我们失稳问题的一种重要手段。静力试验中，我们可以选择任意两个参数的模型比值，作为设计可以选

33、择任意两个参数的模型比值，作为设计模型的基准，其他参数间的比值可以有着两个模型的基准，其他参数间的比值可以有着两个基本比值导出，一般常以以下两个值为准。基本比值导出，一般常以以下两个值为准。v 几何比尺，即模型几何尺寸与原型之比。几何比尺，即模型几何尺寸与原型之比。v应力比尺，是其他以应力因次表达的各种参数应力比尺，是其他以应力因次表达的各种参数的比尺。的比尺。v注：如果模型材料能完全满足上述要求，则在注：如果模型材料能完全满足上述要求，则在理论上将，可以通过试验获得精确数据。理论上将，可以通过试验获得精确数据。措施：措施：提高坝体抗滑稳定性的措施提高坝体抗滑稳定性的措施v（1 1）利用水重。

34、利用水重。将坝体上游面做成倾斜，将坝体上游面做成倾斜，利用水重增加向下的垂直力。利用水重增加向下的垂直力。 v（2 2）开挖时将坝基面向上游倾斜，对抗滑开挖时将坝基面向上游倾斜，对抗滑稳定有利稳定有利。 v（3 3）在坝基面设置防渗排水设施，减少扬在坝基面设置防渗排水设施，减少扬压力。压力。 v（4 4）在坝踵处设深齿墙。在坝踵处设深齿墙。当软弱夹层埋藏当软弱夹层埋藏较浅时，将坝踵附近出露的软弱夹层开挖较浅时，将坝踵附近出露的软弱夹层开挖齿槽切断，并回填混凝土齿槽切断，并回填混凝土处理处理，施工简单，施工简单，工程量不大，有利于坝基防渗。工程量不大，有利于坝基防渗。 v（5 5）设置混凝土洞塞

35、设置混凝土洞塞。当软弱夹层埋藏较深时，厚度当软弱夹层埋藏较深时，厚度大且倾角较平缓大且倾角较平缓 ，全部挖出工程量大，可在软弱夹层，全部挖出工程量大，可在软弱夹层中放置数排混凝土洞塞，增加软弱夹层的抗剪能力。中放置数排混凝土洞塞，增加软弱夹层的抗剪能力。 v（6 6）在坝趾下游处修建深齿墙。在坝趾下游处修建深齿墙。在坝趾下游处修建深在坝趾下游处修建深齿墙可以增加尾岩抗力作用，在坝基开挖过程中出，发齿墙可以增加尾岩抗力作用，在坝基开挖过程中出，发现了原来没有预见到的夹层时适于该措施。现了原来没有预见到的夹层时适于该措施。 v（7 7）钢筋混凝土抗滑桩。钢筋混凝土抗滑桩。在坝基软弱夹层的下游坝趾、

36、在坝基软弱夹层的下游坝趾、抗力体部位，布置钢筋混凝土抗滑桩，深入到滑动面以抗力体部位，布置钢筋混凝土抗滑桩，深入到滑动面以下完整岩体中，利用桩体承受推力或剪力增加尾岩抗力。下完整岩体中，利用桩体承受推力或剪力增加尾岩抗力。 v（8 8）预应力锚索。预应力锚索。预应力锚索加固是在坝顶钻孔至基预应力锚索加固是在坝顶钻孔至基岩深部，孔内放置钢索，其下端锚固在夹层以下的完整岩深部，孔内放置钢索，其下端锚固在夹层以下的完整岩石中，而在坝顶锚索的另一端施加拉力，使坝体受压，岩石中，而在坝顶锚索的另一端施加拉力，使坝体受压，既可提高坝体的抗滑稳定性，又可改善坝踵的应力状态。既可提高坝体的抗滑稳定性，又可改善

37、坝踵的应力状态。v 某山区混凝土重力坝为四级建筑物，挡水坝河床坝段如图（1）基本资料：多年平均最大风速v=16m/s，吹程D=1.5km。坝底高程坝底高程180m，校核洪水位229m，正常水位227m，淤沙高程184m，泥沙浮容重是7kn/m3，内摩擦角是18度。混凝土容重取24kn/m3。坝基岩石f=1.0，c=0.9MP。扬压力系数v计算：1：重力坝的荷载计算。20. 0245. 01重力坝应力分析：重力坝应力分析：目的目的：v 检验坝体在施工期和运用期是否满足强度检验坝体在施工期和运用期是否满足强度方面的要求。方面的要求。v 确定坝体混凝土材料分区。确定坝体混凝土材料分区。v 为坝体的某

38、些部位配置钢筋提供依据为坝体的某些部位配置钢筋提供依据。v 为改进结构型式和科学研究提供依据为改进结构型式和科学研究提供依据。 4.3 应力分析方法应力分析方法 v 重力坝的应力分析方法可以分为两大类，重力坝的应力分析方法可以分为两大类，即即理论计算方法理论计算方法和和模型试验方法模型试验方法。这两类。这两类方法互相补充、互相验证，并受原形观测方法互相补充、互相验证，并受原形观测结果的检验。结果的检验。 v（1 1）模型试验法）模型试验法 常用的方法有电测法，可以进行弹性应力分析、常用的方法有电测法，可以进行弹性应力分析、破坏试验。常用的破坏试验。常用的方法方法有地质力学模型试验，有地质力学模

39、型试验，可以模拟复杂的地基。可以模拟复杂的地基。模型试验法在模拟材料特模型试验法在模拟材料特性、施加地基渗透体积力等方面还存在着一些问性、施加地基渗透体积力等方面还存在着一些问题，有待进一步以及解决。题，有待进一步以及解决。 v（3 3）弹性理论解析法弹性理论解析法 该方法在力学模型和数学解法上都是严该方法在力学模型和数学解法上都是严格的，格的，因此只有少数边界条件简单的典型因此只有少数边界条件简单的典型结构才有解答结构才有解答。通过对典型结构的计算分。通过对典型结构的计算分析，可以验证其他方法的正确性，弹性理析，可以验证其他方法的正确性，弹性理论解析法仍是一种有价值的分析方法。论解析法仍是一

40、种有价值的分析方法。 v（4 4）弹性理论的差分法）弹性理论的差分法 该方法在力学模型解法上是严格的，在数该方法在力学模型解法上是严格的，在数学的解法上采用差分格式，是近似的。学的解法上采用差分格式，是近似的。由由于差分法要求方型网格，对复杂边界适应于差分法要求方型网格，对复杂边界适应性差。性差。 v（5 5）弹性理论的有限元法）弹性理论的有限元法 v 有限元法在力学模型上是近似的，在有限元法在力学模型上是近似的，在数学的解法上是严格的。有限元法近期发数学的解法上是严格的。有限元法近期发展迅速，不仅能求解位移场、应力场，也展迅速，不仅能求解位移场、应力场，也可以求解温度场和渗流场；不仅能解决弹

41、可以求解温度场和渗流场；不仅能解决弹性问题，并可进而解决弹塑性问题、动力性问题，并可进而解决弹塑性问题、动力学问题或岩体力学问题，在水利水电工程学问题或岩体力学问题，在水利水电工程设计中的应用日趋广泛。设计中的应用日趋广泛。v 有限元的应力控制标准问题即单元格大有限元的应力控制标准问题即单元格大小的划分问题没有统一合理的说法。小的划分问题没有统一合理的说法。v（2 2）材料力学法）材料力学法 材料力学法是重力坝设计规范推荐的方法。材料力学法是重力坝设计规范推荐的方法。该方法不考虑地基的变形对坝体的应力的该方法不考虑地基的变形对坝体的应力的影响，使计算结果在地基附近约影响，使计算结果在地基附近约

42、1/31/3坝高范坝高范围内，与实际情况不符合。但该方法有长围内，与实际情况不符合。但该方法有长期的实践应用经验，对中等高度的坝，按期的实践应用经验，对中等高度的坝，按该方法和规定的指标进行设计，是可以保该方法和规定的指标进行设计，是可以保证工程的安全的。证工程的安全的。用材料力学法计算坝体的应力用材料力学法计算坝体的应力基本假定：基本假定：v （1 1）坝体材料为均质、连续、各向同性）坝体材料为均质、连续、各向同性的弹性材料。的弹性材料。 v （2 2）坝段为固结于地基上的悬臂梁，各）坝段为固结于地基上的悬臂梁，各坝段独立工作，横缝不传力。坝段独立工作，横缝不传力。v （3 3）地基的变形对

43、坝体的应力没有影响。）地基的变形对坝体的应力没有影响。v （4 4）水平截面上的垂直正应力呈直线分）水平截面上的垂直正应力呈直线分布（平面假定）。布（平面假定）。v （1 1）计算单元）计算单元 垂直坝轴线方向，取垂直坝轴线方向，取单位坝宽为计算单元。单位坝宽为计算单元。 v （2 2）计算截面）计算截面 在计算单元的横剖面在计算单元的横剖面上，截取若干个控制性水平截面进行上，截取若干个控制性水平截面进行应力计算。应力计算。v （3 3）一般选取坝基面、折坡处、坝）一般选取坝基面、折坡处、坝体削弱部位（廊道部位等）以及需要体削弱部位（廊道部位等）以及需要计算坝体应力的部位。计算坝体应力的部位。

44、计算单元，计算截面：计算单元，计算截面：截面核心计算图截面核心计算图26yuWMBBv2 2、坝面应力计算、坝面应力计算v 水平截面上的垂直正应力水平截面上的垂直正应力 偏心受压公式偏心受压公式 见下图见下图av 剪应力剪应力v 根据竖直方向上的平衡条件根据竖直方向上的平衡条件 见下图见下图b b 水平正应力水平正应力 根据水平方向上的平衡条件根据水平方向上的平衡条件 见下图见下图b 主应力主应力 根据上下游坝面微分体的平衡条件根据上下游坝面微分体的平衡条件 见见下图下图c：updxudyyudx 0yF updxudyyudx=+ udyupdxyudx= uuyuuyudxppndy上下游

45、边缘应力计算图上下游边缘应力计算图up dy udxxudy 0 xF uuxup dydxdy xuuudyp dydx xuuuuudxppndy 211coscoscosuuuuudxdxyudx 2sinsinsinuuuuupdxp dx0yF 221cossinyuuuuudxdxp dx 221cossinuuyuuudxdxp dx212222121cos11cosuyuuuuyuuyuuup np nnp n2uup3 3、考虑扬压力时的计算方法、考虑扬压力时的计算方法: : 有扬压力的边缘应力计算简图有扬压力的边缘应力计算简图杨压力分布图杨压力分布图 内部应力计算内部应力计

46、算 坝体微元体受力分析坝体微元体受力分析 y的计算, 的计算, x的计算, 坝内主应力计算应力的影响因素！应力的影响因素！非荷载因素对坝体应力的影响非荷载因素对坝体应力的影响地基变形示意图地基变形示意图 v难题：难题： 1 1）新旧混凝土结合问题以及他们不同的）新旧混凝土结合问题以及他们不同的变形所产生的约束应力；变形所产生的约束应力； 2 2）溢流堰的重新设计和施工；）溢流堰的重新设计和施工； 3 3）大坝孔口的加长和改建；）大坝孔口的加长和改建； 4 4）新坝基的开挖对老坝的不利影响；）新坝基的开挖对老坝的不利影响； 注：注：只有在万不得已的情况下才分期施工，只有在万不得已的情况下才分期施

47、工，一般应尽量避免。一般应尽量避免。v坝体混凝土分区坝体混凝土分区对坝体应力的影响：对坝体应力的影响： 坝体内部应力较低，对防渗、抗冻得要求也坝体内部应力较低，对防渗、抗冻得要求也低，内部要求低水化热，所以内部选择低标号的低，内部要求低水化热，所以内部选择低标号的混凝土。坝体内外的弹性模量不同，造成坝体外混凝土。坝体内外的弹性模量不同，造成坝体外部弹性模量愈高，上游坝面尤其是坝踵处愈容易部弹性模量愈高，上游坝面尤其是坝踵处愈容易产生拉应力，下游坝面也增加了压应力，产生拉应力，下游坝面也增加了压应力，施工过程温度变化施工过程温度变化对应力的影响：对应力的影响： 坝体裂缝多是有温度应力引起的。坝体

48、裂缝多是有温度应力引起的。注：初步设计的决定坝体断面时一般不考虑温度荷注：初步设计的决定坝体断面时一般不考虑温度荷载。施工期有温控措施，运行期温变仅限于表面，载。施工期有温控措施，运行期温变仅限于表面，内部变化很小。内部变化很小。v整体式重力坝整体式重力坝对坝体应力的影响：对坝体应力的影响： 温度变化对整体式重力坝沿轴向方向温度变化对整体式重力坝沿轴向方向的应力影响很大。的应力影响很大。2.6 2.6 重力坝的优化设计重力坝的优化设计v 重力坝断面设计必须遵循重力坝断面设计必须遵循两项基本原则两项基本原则：v 1 1）坝体和地基的应力不超过允许值；）坝体和地基的应力不超过允许值；v 2 2）抗

49、滑稳定满足规范要求；）抗滑稳定满足规范要求；v 33）不许发生倾覆破坏；）不许发生倾覆破坏； v优化设计优化设计：工程设计中，除了满足按要求外，：工程设计中，除了满足按要求外，往往还要考虑如何使设计最省，便于施工和往往还要考虑如何使设计最省，便于施工和运行管理等等。运行管理等等。v可行方法可行方法：材料力学法、刚体极限平衡法。材料力学法、刚体极限平衡法。 v优化设计：优化设计： v 1 1、确定描述坝体体形的设计参数；、确定描述坝体体形的设计参数；v 2 2、建立目标函数，一般取结构的重量和造价，因、建立目标函数，一般取结构的重量和造价，因重力坝的造价主要取决于坝体砼方量，故取坝体体积作重力坝

50、的造价主要取决于坝体砼方量，故取坝体体积作为目标函数；为目标函数；v 3 3、确定约束条件，如稳定约束、应力约束、几何、确定约束条件，如稳定约束、应力约束、几何约束等；如坝基岩体有易发生深层滑动的软弱结构面，约束等；如坝基岩体有易发生深层滑动的软弱结构面，还应再考虑深层抗滑稳定约束条件；还应再考虑深层抗滑稳定约束条件；v 4 4、优化计算方法，目标函数和约束条件都是设计、优化计算方法，目标函数和约束条件都是设计参数的非线性函数，因此重力坝的优化设计是一个非线参数的非线性函数，因此重力坝的优化设计是一个非线性规划问题。性规划问题。v注：在断面设计中不考虑浪压力或冰压力等很小的荷载，注：在断面设计

51、中不考虑浪压力或冰压力等很小的荷载，因为在后面求实用断面时，坝顶加高和加宽基本上抵消因为在后面求实用断面时，坝顶加高和加宽基本上抵消了浪压力和冰压力的负面作用，或略有余地了浪压力和冰压力的负面作用，或略有余地。2.7 施工期温度应力及防裂措施施工期温度应力及防裂措施 v（二）温度应力和温度裂缝的成因（二）温度应力和温度裂缝的成因:v1 1、温度应力及温度裂缝的、温度应力及温度裂缝的成因成因v 砼温度发生变化，其体积也随着胀缩，由于砼温度发生变化，其体积也随着胀缩，由于砼坝体不能自由伸缩，从而产生温度应力，而当砼坝体不能自由伸缩，从而产生温度应力，而当拉应力超过砼的抗拉能力时，出现裂缝。（拉应力

52、超过砼的抗拉能力时，出现裂缝。（基岩基岩或老混凝土约束引起的应力或老混凝土约束引起的应力）v a）基础温差引起的应力和裂缝基础温差引起的应力和裂缝v b b）坝块内外温差引起的应力和裂缝）坝块内外温差引起的应力和裂缝 v v 砼块体在温度变化过程中，其温度分砼块体在温度变化过程中，其温度分布实际上是不均匀的，施工期的温度布实际上是不均匀的，施工期的温度应力则是由在散热过程中所形成的内应力则是由在散热过程中所形成的内外温差引起的。由于内部砼的膨胀受外温差引起的。由于内部砼的膨胀受到外部砼的约束，产生压应力，而外到外部砼的约束，产生压应力，而外部砼受到内部砼的约束，产生拉应力，部砼受到内部砼的约束

53、，产生拉应力，若拉应力超过砼的抗拉强度，就产生若拉应力超过砼的抗拉强度，就产生裂缝，温度裂缝一般发生在砼表面裂缝，温度裂缝一般发生在砼表面. . v( (三三) )防止温度裂缝的防止温度裂缝的措施措施v v 加强温度控制；降低混凝土的浇筑温加强温度控制；降低混凝土的浇筑温度度TpTp；减少混凝土水化热温升；减少混凝土水化热温升TrTr。v v 提高砼的抗裂强度；提高砼的抗裂强度；v v 保证砼的施工质量和采用合理的分缝、保证砼的施工质量和采用合理的分缝、分块等；加强对混凝土表面的养护和保护。分块等；加强对混凝土表面的养护和保护。v(二)坝体砼的分区v v坝体材料分区：坝体材料分区： v1 1区

54、区：上下游水位以上坝体表层混凝土，以抗冻：上下游水位以上坝体表层混凝土，以抗冻性能控制。性能控制。v2 2区区：上下游水位变化区的坝体表层混凝土，以：上下游水位变化区的坝体表层混凝土，以抗冻性能控制。抗冻性能控制。v3 3区区：上、下游最低水位以下坝体表层混凝土，：上、下游最低水位以下坝体表层混凝土，以抗渗性能控制。以抗渗性能控制。v4 4区区：坝基部位混凝土，以强度性能控制。：坝基部位混凝土，以强度性能控制。v5 5区区：坝体内部混凝土，以强度性能控制。：坝体内部混凝土，以强度性能控制。v6 6区区：有抗冲刷要求部位的混凝土（例如溢流面，：有抗冲刷要求部位的混凝土（例如溢流面，泄水孔，导墙和

55、闸墩等），以抗冲刷性能控制。泄水孔，导墙和闸墩等），以抗冲刷性能控制。材料材料三、砼重力坝的构造三、砼重力坝的构造v 构造包括构造包括：坝顶结构、坝体分缝、止水、坝顶结构、坝体分缝、止水、排水、廊道布置等内容。排水、廊道布置等内容。 v（一）坝顶结构（一）坝顶结构v 一般用实体结构，见下图，顶面按路面一般用实体结构，见下图，顶面按路面设计，在坝顶上布置排水系统和栏杆或防设计，在坝顶上布置排水系统和栏杆或防浪墙等以及照明设备。也可采用轻型结构浪墙等以及照明设备。也可采用轻型结构, ,如下图所示如下图所示. .v( (二二) )坝体分缝坝体分缝v v 为适应施工期砼的浇筑能力和温度控制以为适应施工

56、期砼的浇筑能力和温度控制以及防止地基可能产生不均匀沉陷而引起裂及防止地基可能产生不均匀沉陷而引起裂缝，因而要分缝。常设垂直于坝轴线的横缝，因而要分缝。常设垂直于坝轴线的横缝和平行于坝轴线的纵缝、横缝是永久缝，缝和平行于坝轴线的纵缝、横缝是永久缝，纵缝则属于临时缝；有时砼分层浇筑的层纵缝则属于临时缝；有时砼分层浇筑的层面也是一种临时性水平施工缝，见下图。面也是一种临时性水平施工缝，见下图。v1、横缝及止水、横缝及止水v 永久性横缝将坝体沿坝轴线分成若干坝段，其缝面常永久性横缝将坝体沿坝轴线分成若干坝段，其缝面常为平面为平面v 横缝主要用于减少坝体的纵向约束，以适应运用期地横缝主要用于减少坝体的纵

57、向约束，以适应运用期地基的不均沉降及温度变化。基的不均沉降及温度变化。v 横缝间距一般为横缝间距一般为12m20m12m20m。 v 横缝缝面通常采用可靠的止水设备，为适应缝的变形，横缝缝面通常采用可靠的止水设备，为适应缝的变形，缝中需要填充沥青油毡，沥青麻片或其它柔性填料。缝中需要填充沥青油毡，沥青麻片或其它柔性填料。v2、纵缝、纵缝v 纵缝是为适应砼的浇筑能力和减小施工期温度应力而纵缝是为适应砼的浇筑能力和减小施工期温度应力而设置的临时缝。设置的临时缝。v 纵缝的设置为平行于坝轴线方向，将坝段分成若干纵缝的设置为平行于坝轴线方向，将坝段分成若干坝块。坝块。v 纵缝的布置型式有三种：纵缝的布

58、置型式有三种：垂直纵缝、斜缝和错缝垂直纵缝、斜缝和错缝v纵缝键槽纵缝键槽v3. 水平施工缝水平施工缝v 水平施工缝是指下、上层浇筑块之间的水平施工缝是指下、上层浇筑块之间的新老混凝土的结合面。下、上层浇筑块之新老混凝土的结合面。下、上层浇筑块之间的间歇时间一般为间的间歇时间一般为3737天。天。 v 水平施工缝缝面的处理是先在老混凝土面水平施工缝缝面的处理是先在老混凝土面凿毛、冲洗；在已清理的干燥表面上敷一凿毛、冲洗；在已清理的干燥表面上敷一层层23cm23cm的富水泥砂浆，用钢丝刷抹后，的富水泥砂浆，用钢丝刷抹后，立即浇上层混凝土；上层混凝土需防止振立即浇上层混凝土；上层混凝土需防止振捣过度

59、，造成水泥砂浆泌出。捣过度，造成水泥砂浆泌出。v( (三）坝体排水三）坝体排水 v 为了减小渗水对坝体和坝基的有害影响，为了减小渗水对坝体和坝基的有害影响，降低坝体和坝基的渗透压力，在靠近上游降低坝体和坝基的渗透压力，在靠近上游面处设置排水管，将渗水通过排水管排入面处设置排水管，将渗水通过排水管排入廊道，汇集于集水井内，用水泵或自流排廊道，汇集于集水井内，用水泵或自流排向下游。向下游。v 坝内排水管布置在距上游坝面约为水头坝内排水管布置在距上游坝面约为水头1/15-1/251/15-1/25处，且不小于处，且不小于2 2米，排水管间距米，米，排水管间距米，用各孔砼做成。（见图用各孔砼做成。（见

60、图2.322.32）。排水管施）。排水管施工时必须防止水泥浆漏入，防止堵塞。工时必须防止水泥浆漏入，防止堵塞。v1 1、基础灌浆廊道、基础灌浆廊道v 灌浆廊道随坝基面由河床向两岸逐渐升高，坡灌浆廊道随坝基面由河床向两岸逐渐升高，坡度不宜陡于度不宜陡于40454045度，以便钻孔、灌浆及其设备度，以便钻孔、灌浆及其设备的搬运。的搬运。v2 2、基础排水廊道、基础排水廊道v3 3、坝体检查和排水廊道、坝体检查和排水廊道v 用于排水、观测、检查、坝内交通等目的的廊用于排水、观测、检查、坝内交通等目的的廊道一般沿坝高每隔道一般沿坝高每隔15m20m15m20m高程设置一层。高程设置一层。 v4 4、廊