水工建筑物——重力坝课件

1、第一节第一节 概述概述 重力坝是利用结构自重来维持稳定的一种古老坝形。重力坝是利用结构自重来维持稳定的一种古老坝形。 我国著名的重力坝：我国著名的重力坝：丹江口水库大坝丹江口水库大坝、宜昌葛洲坝宜昌葛洲坝、三峡大坝三峡大坝。 第一节第一节 概述概述一、重力坝的特点一、重力坝的特点 重力坝的基本剖面接近直角三角形，这是由重力坝的工作特点决定的重力坝的基本剖面接近直角三角形，这是由重力坝的工作特点决定的 。一、重力坝的特点一、重力坝的特点 重力坝依靠自重维持稳定重力坝依靠自重维持稳定 上游坝面受三角形分布的水平水压力的作用；坝底受到梯形分布或上游坝面受三角形分布的水平水压力的作用；坝底受到梯形分布

2、或近乎三角形分布的扬压力作用。重力坝利用自重来抵抗水平水压力和扬近乎三角形分布的扬压力作用。重力坝利用自重来抵抗水平水压力和扬压力，保证大坝抗滑稳定和抗倾稳定，所以重力坝剖面近似三角形。压力，保证大坝抗滑稳定和抗倾稳定，所以重力坝剖面近似三角形。 重力坝可采用河床是溢洪道重力坝可采用河床是溢洪道 坝顶允许溢流，可以建河床式溢洪道，这意味着免除河岸溢洪道工坝顶允许溢流，可以建河床式溢洪道，这意味着免除河岸溢洪道工程量、便于枢纽布置、便于施工导流程量、便于枢纽布置、便于施工导流 。 设计、施工都比较简单设计、施工都比较简单 抵御特殊灾害的能力比较强抵御特殊灾害的能力比较强 坝顶允许溢流坝顶允许溢流

3、遇到超标准洪水不易垮坝遇到超标准洪水不易垮坝 坝体厚实、采用胶结材料坝体厚实、采用胶结材料抗震能力强抗震能力强 、 、 正是重力坝得到广泛采用的原因。正是重力坝得到广泛采用的原因。 断面较大，带来一系列问题断面较大，带来一系列问题需要更多的建筑材料，坝体内部应力小，材料强度得不到充分发挥需要更多的建筑材料，坝体内部应力小，材料强度得不到充分发挥混凝土硬化时散发的大量水化热难以向外扩散，需大量冷却设备混凝土硬化时散发的大量水化热难以向外扩散，需大量冷却设备扬压力大扬压力大二、重力坝的改进与发展二、重力坝的改进与发展 为了克服重力坝大块体结构带来的一系列弊端，国内外水利水电工为了克服重力坝大块体结

4、构带来的一系列弊端，国内外水利水电工程技术人员对重力坝做出了许多改进。程技术人员对重力坝做出了许多改进。二、重力坝的改进与发展二、重力坝的改进与发展 1. 结构方面的改进结构方面的改进 采用采用宽缝重力坝宽缝重力坝和和空腹重力坝空腹重力坝。二、重力坝的改进与发展二、重力坝的改进与发展 2. 材料方面的改进材料方面的改进 减少水泥用量，采用掺合料和外加剂，以减少混凝土硬化时产生的减少水泥用量，采用掺合料和外加剂，以减少混凝土硬化时产生的水化热。水化热。3.浇筑方式上的改进浇筑方式上的改进 采用碾压式快速浇筑方法，即在混凝土入仓后，用车碾子使混凝土采用碾压式快速浇筑方法，即在混凝土入仓后，用车碾子

5、使混凝土碾压密实代替振捣棒振捣密实，采用振动刀片切缝代替分块浇筑。当然，碾压密实代替振捣棒振捣密实，采用振动刀片切缝代替分块浇筑。当然，碾压式混凝土大坝要求采用干硬性贫混凝土碾压式混凝土大坝要求采用干硬性贫混凝土 。三、重力坝的组成与布置三、重力坝的组成与布置 重力坝通常由溢流坝段和非溢流坝段组成，两者之间设连接边墩和重力坝通常由溢流坝段和非溢流坝段组成，两者之间设连接边墩和导墙。溢流坝段通常设闸门控制，坝顶有闸墩和交通桥。导墙。溢流坝段通常设闸门控制，坝顶有闸墩和交通桥。三、重力坝的组成与布置三、重力坝的组成与布置 三、重力坝的组成与布置三、重力坝的组成与布置 重力坝坝址一般选在狭窄河谷，以

6、节省工程量。但是有些工程为了布重力坝坝址一般选在狭窄河谷，以节省工程量。但是有些工程为了布置河床式溢洪道、坝后式水电站厂房和通航船闸，有时也选择在比较宽置河床式溢洪道、坝后式水电站厂房和通航船闸，有时也选择在比较宽的河谷建坝（如葛洲坝工程和三峡工程）。的河谷建坝（如葛洲坝工程和三峡工程）。 重力坝的坝轴线一般采用直线布置，与河流流向垂直。这主要是避免重力坝的坝轴线一般采用直线布置，与河流流向垂直。这主要是避免不良的受力条件不良的受力条件 。 为了避免不均匀沉陷和控制温度应力，混凝土坝体通常沿坝轴线方向为了避免不均匀沉陷和控制温度应力，混凝土坝体通常沿坝轴线方向设置垂直于坝轴线的永久性横缝，将大

7、坝分割成许多坝段设置垂直于坝轴线的永久性横缝，将大坝分割成许多坝段 。 一、重力坝的荷载一、重力坝的荷载 自重自重静止水压力静止水压力扬压力扬压力淤沙压力淤沙压力浪压力浪压力冰压力冰压力土压力土压力动水压力动水压力其他荷载其他荷载校核洪水静止水压力校核洪水静止水压力校核洪水扬压力校核洪水扬压力校核洪水浪压力校核洪水浪压力校核洪水动水压力校核洪水动水压力 地震荷载地震荷载一、重力坝的荷载一、重力坝的荷载 1. 坝体及坝上永久设备的自重坝体及坝上永久设备的自重 坝体自重按坝体结构尺寸和材料容重计算。坝体自重按坝体结构尺寸和材料容重计算。 坝上永久性设备包括闸门、固定式启门机等。坝上永久性设备包括闸

8、门、固定式启门机等。2. 静止水压力静止水压力 作用于上下游坝面的静止水压力作用于上下游坝面的静止水压力按水力学公式计算，若上游坝面有折按水力学公式计算，若上游坝面有折坡，要分解为水平静止水压力和竖直坡，要分解为水平静止水压力和竖直静止水压力静止水压力 。3.动水压力动水压力 动水压力是指水流流经建筑物表动水压力是指水流流经建筑物表面时，由于流速方向和大小发生改变面时，由于流速方向和大小发生改变而对建筑物产生的作用力，垂直于建而对建筑物产生的作用力，垂直于建筑物表面，多发生于溢流坝面筑物表面，多发生于溢流坝面 。3. 动水压力动水压力 4 .扬压力扬压力（1）坝底扬压力）坝底扬压力 根据水力学

9、知识，挡水建筑物在上下游水头差的作用下会发生地基渗流，根据水力学知识，挡水建筑物在上下游水头差的作用下会发生地基渗流，渗流对建筑物底部施加渗流压力。所谓扬压力就是渗流压力的竖直分量。显然，渗流对建筑物底部施加渗流压力。所谓扬压力就是渗流压力的竖直分量。显然，当坝底水平时，扬压力当坝底水平时，扬压力=渗流压力。渗流压力。 扬压力=渗透压力+浮压力 重力坝底部较宽，扬压力较大，不利于稳定。因此，中型以上重力坝重力坝底部较宽，扬压力较大，不利于稳定。因此，中型以上重力坝要采取防渗、排水措施。要采取防渗、排水措施。 （2）坝体扬压力）坝体扬压力 大坝挡水时，坝体存在渗流大坝挡水时，坝体存在渗流 坝体渗

10、透压力（孔隙水压力）的坝体渗透压力（孔隙水压力）的存在存在 增大了坝体应力水平增大了坝体应力水平 上游坝面采用防渗混凝土，形成上游坝面采用防渗混凝土，形成防渗层，在防渗层之后设置排水管防渗层，在防渗层之后设置排水管 同一水平截面孔隙水压力近似按同一水平截面孔隙水压力近似按直线分布（有防渗排水设施时按折直线分布（有防渗排水设施时按折线分布）考虑。线分布）考虑。5.淤沙压力淤沙压力泥沙压力计算类似土压力，但是淤沙的高度逐年变化、逐年固结，泥沙泥沙压力计算类似土压力，但是淤沙的高度逐年变化、逐年固结，泥沙的容重和内摩擦角也逐年变化，所以难于精确计算。的容重和内摩擦角也逐年变化，所以难于精确计算。 对

11、于对于大中型大中型水库，通过模型试验，水库，通过模型试验，并参考类似已建水库的实测资料，综并参考类似已建水库的实测资料，综合分析确定淤积年限的坝前泥沙淤积合分析确定淤积年限的坝前泥沙淤积高程高程 。小型水库，一般淤沙年限。小型水库，一般淤沙年限2025年年 6. 浪压力浪压力由于风的作用，在水域内形成波浪，对坝面产生作用力。由于风的作用，在水域内形成波浪，对坝面产生作用力。 水的阻力比空气阻力大，因而波峰比较尖锐，波谷比较平坦，导致水的阻力比空气阻力大，因而波峰比较尖锐，波谷比较平坦，导致波浪中心线高出静水面波浪中心线高出静水面 。 浪压力与波浪要素有关，波浪要素包括波浪长度、高度及波浪中心浪

12、压力与波浪要素有关，波浪要素包括波浪长度、高度及波浪中心线高出静水面的高度、波速及波的周期线高出静水面的高度、波速及波的周期 。 （1）波浪要素计算）波浪要素计算水电工程设计规范建议：水电工程设计规范建议： 对于平原、滨海地区水库，采用莆田（福建地名）试验站公式计算波高对于平原、滨海地区水库，采用莆田（福建地名）试验站公式计算波高和波长；和波长； 对于丘陵、平原地区水库，采用鹤地（湛江地区）水库公式计算波高和对于丘陵、平原地区水库，采用鹤地（湛江地区）水库公式计算波高和波长；波长；对于内陆狭长水库，采用官厅水库（位于河北）公式计算波高和波长。对于内陆狭长水库，采用官厅水库（位于河北）公式计算波

13、高和波长。下面以官厅公式为例说明波浪要素的计算下面以官厅公式为例说明波浪要素的计算:（1）波浪要素计算）波浪要素计算官厅水库公式官厅水库公式:（1）波浪要素计算）波浪要素计算官厅水库公式官厅水库公式:（1）波浪要素计算）波浪要素计算风区长度风区长度D（有效吹程（有效吹程m）的确定）的确定 当坝前水域较宽，并且当坝前水域较宽，并且主风向主风向大致迎大坝正面吹来时，吹程大致迎大坝正面吹来时，吹程D为计算点至对岸为计算点至对岸的直线距离；的直线距离； 当坝前水域狭窄或沿风向局部缩窄且缩窄处的宽度当坝前水域狭窄或沿风向局部缩窄且缩窄处的宽度B小于小于12倍计算波长时，取倍计算波长时，取D=5B，同时不

14、小于计算点至缩窄处的距离；，同时不小于计算点至缩窄处的距离；当沿风向两侧的水域不规则时，按主风向和两侧射线方向吹程和夹角计算等效当沿风向两侧的水域不规则时，按主风向和两侧射线方向吹程和夹角计算等效风区长度：风区长度：（1）波浪要素计算）波浪要素计算波浪中心线高出静水位的高度波浪中心线高出静水位的高度 （2）浪压力计算）浪压力计算 作用于铅直迎水面建筑物的浪压力计算，按三种情况考虑：作用于铅直迎水面建筑物的浪压力计算，按三种情况考虑：（2）浪压力计算）浪压力计算 深水波深水波（2）浪压力计算）浪压力计算 浅水波浅水波 （2）浪压力计算）浪压力计算 破碎波破碎波 7.冰压力冰压力（1）静冰压力）静

15、冰压力 寒冷地区水库表面冬季结成冰盖，气温回升时，冰盖会发生膨胀，寒冷地区水库表面冬季结成冰盖，气温回升时，冰盖会发生膨胀，如果建筑物限制了冰盖膨胀，冰盖将对建筑物表面产生作用力。如果建筑物限制了冰盖膨胀，冰盖将对建筑物表面产生作用力。 目前没有合适的公式计算静冰压力，规范建议作用于单位长度坝面目前没有合适的公式计算静冰压力，规范建议作用于单位长度坝面的静冰压力按的静冰压力按P30表表1-3取值。取值。 冰压力与温度回升的速度有关，如果温升比较慢，冰盖产生塑性变形，冰压力与温度回升的速度有关，如果温升比较慢，冰盖产生塑性变形，使膨胀力得到释放，作用在建筑物表面的压力就会减小。使膨胀力得到释放，

16、作用在建筑物表面的压力就会减小。 冰盖的膨胀作用力大小还与冰盖的支撑条件有关，譬如对于土质水库冰盖的膨胀作用力大小还与冰盖的支撑条件有关，譬如对于土质水库岸坡，冰盖膨胀时使土壤发生变形，并且冰盖还会沿坡上爬，也就是说岸坡，冰盖膨胀时使土壤发生变形，并且冰盖还会沿坡上爬，也就是说土坡对冰盖膨胀的阻力较小，因此，冰盖膨胀对土坡的作用力也比较小。土坡对冰盖膨胀的阻力较小，因此，冰盖膨胀对土坡的作用力也比较小。7.冰压力冰压力（2）动冰压力）动冰压力 8. 地震荷载地震荷载 地震荷载是一种瞬时发生的特殊荷载，对重力坝而言主要有地震荷载是一种瞬时发生的特殊荷载，对重力坝而言主要有地震惯性力地震惯性力（水

17、平、铅直）和（水平、铅直）和地震动水压力。地震动水压力。 我国我国“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： 建筑物抗震设计中对地震烈度建筑物抗震设计中对地震烈度6度以下地区，不考虑地震影响。度以下地区，不考虑地震影响。 水工建筑物一般只考虑危害最大的水平方向地震作用；对设计烈度为水工建筑物一般只考虑危害最大的水平方向地震作用；对设计烈度为8、9度度的的I、II级挡水建筑物，同时计入水平、竖直方向的地震惯性力，但是竖向动水级挡水建筑物，同时计入水平、竖直方向的地震惯性力，但是竖向动水压力一般不考虑。压力一般不考虑。 水利水电工程的地震设防标准取决于当地的地震基本烈度和建筑物级

18、别，划水利水电工程的地震设防标准取决于当地的地震基本烈度和建筑物级别，划分有甲、乙、丙、丁分有甲、乙、丙、丁4个设防类别个设防类别 。 地震荷载计算方法有拟静力法和动力法。对于地震设防为甲类的工程，采用地震荷载计算方法有拟静力法和动力法。对于地震设防为甲类的工程，采用动力法计算；对于抗震设防为乙、丙类的设计烈度低于动力法计算；对于抗震设防为乙、丙类的设计烈度低于8度且坝高不超过度且坝高不超过70m的的重力坝可采用拟静力法。重力坝可采用拟静力法。 拟静力法是将地震对建筑物的影响用等效静荷载代替从而可采用静力分析方拟静力法是将地震对建筑物的影响用等效静荷载代替从而可采用静力分析方法。本课程只介绍拟

19、静力法计算重力坝地震荷载。法。本课程只介绍拟静力法计算重力坝地震荷载。 （1）地震惯性力）地震惯性力 重力坝沿坝轴线方向刚度大，一般只考虑顺水流方向水平向地震荷重力坝沿坝轴线方向刚度大，一般只考虑顺水流方向水平向地震荷载。载。 对于顺河流水平方向的地震惯性力，满库时按地震波向上游传播考对于顺河流水平方向的地震惯性力，满库时按地震波向上游传播考虑，坝体受到指向下游的地震惯性力；库空时按地震波向下游传播，地虑，坝体受到指向下游的地震惯性力；库空时按地震波向下游传播，地震惯性力指向上游。震惯性力指向上游。 （1）地震惯性力）地震惯性力 （2）地震动水压力）地震动水压力 （9）其他荷载）其他荷载 作用

20、于重力坝其他荷载包括作用于重力坝其他荷载包括风荷载风荷载、雪荷载等雪荷载等，由于对重力坝的，由于对重力坝的影响比较小，一般情况下可以不考虑。影响比较小，一般情况下可以不考虑。 二、荷载组合二、荷载组合 除自重荷载之外，前面介绍的重力坝荷载总是变化的，而且这些除自重荷载之外，前面介绍的重力坝荷载总是变化的，而且这些荷载存在的概率也是变化的，设计时应考虑这些荷载同时出现的可能性，荷载存在的概率也是变化的，设计时应考虑这些荷载同时出现的可能性，也就是说要研究荷载的组合情况。也就是说要研究荷载的组合情况。 在规定的计算情况下，同时作用在结构上的荷载的集合，称在规定的计算情况下，同时作用在结构上的荷载的

21、集合，称为荷载组合。为荷载组合。 荷载组合的可能方式很多，一般选择建筑物在施工、运行、检修期荷载组合的可能方式很多，一般选择建筑物在施工、运行、检修期间可能出现的不利组合作为设计依据。建筑物设计时考虑的荷载组合通间可能出现的不利组合作为设计依据。建筑物设计时考虑的荷载组合通常有常有基本荷载组合基本荷载组合和和特殊荷载组合特殊荷载组合。 二、荷载组合二、荷载组合1. 基本荷载组合基本荷载组合 基本荷载组合是由经常出现的荷载组成的荷载集合，用于建筑物的正基本荷载组合是由经常出现的荷载组成的荷载集合，用于建筑物的正常设计情况。由于出现的概率较大，设计规范中规定了较大的安全系数和常设计情况。由于出现的

22、概率较大，设计规范中规定了较大的安全系数和安全超高。安全超高。 2.特殊荷载组合特殊荷载组合 特殊荷载组合是指包含特殊荷载（偶然出现的荷载）的组合，用于校特殊荷载组合是指包含特殊荷载（偶然出现的荷载）的组合，用于校核情况。由于出现的概率小，故安全系数和安全超高均较小核情况。由于出现的概率小，故安全系数和安全超高均较小 。 混凝土重力坝设计规范混凝土重力坝设计规范SL319-2005规定了重力坝设计中应考虑的几规定了重力坝设计中应考虑的几种基本荷载组合和特殊荷载组合，见表种基本荷载组合和特殊荷载组合，见表1-6 。 之所以把设计洪水位情况列入基本荷载组合，主要是针对以防洪为主之所以把设计洪水位情

23、况列入基本荷载组合，主要是针对以防洪为主的水库，经常出现防洪水位。的水库，经常出现防洪水位。 设计洪水位情况与正常蓄水位情况相比，多了一项荷载：动水压力。设计洪水位情况与正常蓄水位情况相比，多了一项荷载：动水压力。因为水在设计洪水位时溢流坝必定溢流因为水在设计洪水位时溢流坝必定溢流 。 冰冻情况荷载组合中没有浪压力、动水压力，多了冰压力。冰冻情况荷载组合中没有浪压力、动水压力，多了冰压力。 地震地震情况与正常蓄水位组合，因此没有动水压力，没有冰压力，多了地情况与正常蓄水位组合，因此没有动水压力，没有冰压力，多了地震荷载震荷载 。 重力坝在水平推力的作用下有两种可能滑动方式，一种是重力坝在水平推

24、力的作用下有两种可能滑动方式，一种是沿坝基表面滑动沿坝基表面滑动，另，另一种是一种是沿坝基岩体内软弱结构面滑动沿坝基岩体内软弱结构面滑动，如果基岩中存在软弱结构面的话。，如果基岩中存在软弱结构面的话。一、沿坝基面抗滑稳定分析一、沿坝基面抗滑稳定分析 之所以要演算坝体与基岩接触面的抗滑稳定，原因有两点：其一，该面之所以要演算坝体与基岩接触面的抗滑稳定，原因有两点：其一，该面承受的水平推力最大；其二，坝体与坝基接触面是大坝最薄弱的截面。承受的水平推力最大；其二，坝体与坝基接触面是大坝最薄弱的截面。 抗滑稳定计算往往取单宽或一个坝段作为计算单元，计算公式有抗剪强抗滑稳定计算往往取单宽或一个坝段作为计

25、算单元，计算公式有抗剪强度公式和抗剪断公式两种。度公式和抗剪断公式两种。1. 抗剪强度公式抗剪强度公式 采用抗剪强度公式计算大坝抗滑稳定的基本假定在于把滑动面看成是采用抗剪强度公式计算大坝抗滑稳定的基本假定在于把滑动面看成是接触面，而不是胶结面。在滑动面上的阻力只考虑摩擦力，不考虑凝聚力。接触面，而不是胶结面。在滑动面上的阻力只考虑摩擦力，不考虑凝聚力。 验算抗滑稳定，就是要研究可能滑动面上摩擦力与滑动力的比值关系，验算抗滑稳定，就是要研究可能滑动面上摩擦力与滑动力的比值关系，即计算抗滑稳定安全系数。即计算抗滑稳定安全系数。一、沿坝基面抗滑稳定分析一、沿坝基面抗滑稳定分析1. 抗剪强度公式抗剪

26、强度公式 忽略坝体、坝基结合面的凝聚力是偏于保守，因此采用此法验算抗滑稳忽略坝体、坝基结合面的凝聚力是偏于保守，因此采用此法验算抗滑稳定时采用较低的安全系数。定时采用较低的安全系数。 大坝造价对摩擦系数的取值十分敏感（新安江水库大坝的值减小大坝造价对摩擦系数的取值十分敏感（新安江水库大坝的值减小0.01,坝坝体混凝土就增加体混凝土就增加20000m3，要增加，要增加600万元投资）。工程规模越大，取值就万元投资）。工程规模越大，取值就越要谨慎。越要谨慎。一、沿坝基面抗滑稳定分析一、沿坝基面抗滑稳定分析2. 抗剪断公式抗剪断公式 二、深层抗滑稳定分析二、深层抗滑稳定分析 当坝基岩体存在软弱结构面

27、时，坝体可能连同部分基岩沿该结构面滑移。当坝基岩体存在软弱结构面时，坝体可能连同部分基岩沿该结构面滑移。 天然的软弱结构面的几何形状通常是不规则的，经过综合分析可概化天然的软弱结构面的几何形状通常是不规则的，经过综合分析可概化为单一直线滑动面（下游有冲刷坑，形成临空面时，就可能是单一滑动面）为单一直线滑动面（下游有冲刷坑，形成临空面时，就可能是单一滑动面）和折线滑动面。和折线滑动面。 单一直线滑动面的计算比较简单，折线滑动面中双滑动面的情况最为单一直线滑动面的计算比较简单，折线滑动面中双滑动面的情况最为常见，所以下面主要介绍双滑动面的深层抗滑稳定计算。常见，所以下面主要介绍双滑动面的深层抗滑稳

28、定计算。 深层抗滑稳定计算以抗剪断强度公式为主。深层抗滑稳定计算以抗剪断强度公式为主。二、深层抗滑稳定分析二、深层抗滑稳定分析 双滑动面的深层抗滑稳定计算双滑动面的深层抗滑稳定计算 通常假定滑动面的起点在坝踵处，将滑动面的转折点假定在坝趾下方，为了便于通常假定滑动面的起点在坝踵处，将滑动面的转折点假定在坝趾下方，为了便于计算，从坝趾作铅直线将滑动岩体分割成两个块体，左边部分为主动滑动移体，右边计算，从坝趾作铅直线将滑动岩体分割成两个块体，左边部分为主动滑动移体，右边部分为抗力体。部分为抗力体。 滑动面的形状是根据软弱结构面的位置凭经验概化确定的，因此滑动体的最大深滑动面的形状是根据软弱结构面的

29、位置凭经验概化确定的，因此滑动体的最大深度以及两滑动面与水平面的夹角也就是已知的。度以及两滑动面与水平面的夹角也就是已知的。二、深层抗滑稳定分析二、深层抗滑稳定分析 双滑动面的深层抗滑稳定计算双滑动面的深层抗滑稳定计算 由此可见，上面的方法计算深层抗滑稳定有赖于计算人员计算经验由此可见，上面的方法计算深层抗滑稳定有赖于计算人员计算经验的可靠性，计算结果很难做到准确。因此对于大中型重力坝最好采用的可靠性，计算结果很难做到准确。因此对于大中型重力坝最好采用有有限元法限元法和和地质力学模型试验法地质力学模型试验法分析深层抗滑稳定分析深层抗滑稳定三、提高抗滑稳定性的工程措施三、提高抗滑稳定性的工程措施

30、 安全和经济的双重需要1. 把上游坝面做成向上游倾斜把上游坝面做成向上游倾斜（目的和注意事项）（目的和注意事项）2. 把坝基开挖成向上游倾斜把坝基开挖成向上游倾斜（图（图1-14(a)1-14(a)，(b)(b)）（作用和缺点）（作用和缺点）3.在坝踵处做齿墙在坝踵处做齿墙（图（图1-14(c)1-14(c)） （优点和注意事项）（优点和注意事项）4.采用抽水降压措施采用抽水降压措施（缺点）（缺点）5.采用预应力钢丝索将坝体锚固在基岩采用预应力钢丝索将坝体锚固在基岩一、应力分析的目的和方法一、应力分析的目的和方法1.目的目的为了核算坝体各部位的应力状态是否满足要求为了核算坝体各部位的应力状态是

31、否满足要求为了坝体材料分区为了坝体材料分区为孔口等应力集中部位配筋提供依据为孔口等应力集中部位配筋提供依据2.应力分析的方法应力分析的方法 选用什么方法进行重力坝应力分析，取决于建筑物级别（坝高）、选用什么方法进行重力坝应力分析，取决于建筑物级别（坝高）、地质条件和坝体结构。地质条件和坝体结构。 对于中等高度的坝，如果地质条件比较好，坝体结构不太复杂，可按对于中等高度的坝，如果地质条件比较好，坝体结构不太复杂，可按材料力学方法计算应力。材料力学方法计算应力。 对于坝内孔口和局部构件（如齿墙）可采用有限元法确定应力分布，对于坝内孔口和局部构件（如齿墙）可采用有限元法确定应力分布，作为配置钢筋的依

32、据。作为配置钢筋的依据。 对于高坝，尤其当地质条件复杂，坝体、坝基材料弹性模量相差较大对于高坝，尤其当地质条件复杂，坝体、坝基材料弹性模量相差较大时，应该采用有限元法或结构模型试验进行应力分析。时，应该采用有限元法或结构模型试验进行应力分析。二、应力分析的材料力学方法根据材料力学知识，对于一个矩形截面构件，如果已知作用在该截面上的轴根据材料力学知识，对于一个矩形截面构件，如果已知作用在该截面上的轴力和弯矩，就可以利用偏心受压公式求出该截面边缘处的最大、最小应力：力和弯矩，就可以利用偏心受压公式求出该截面边缘处的最大、最小应力：式中：式中：A为截面面积；为截面面积；W为抗弯截面模量；为抗弯截面模

33、量；b为截面宽度；为截面宽度；h为截面高度。为截面高度。 对于重力坝而言，坝体最大应力和最小应力一般都出现在上、下游坝对于重力坝而言，坝体最大应力和最小应力一般都出现在上、下游坝面，因此自然想到采用材料力学中的偏心受压公式这种简单方法来计算坝面，因此自然想到采用材料力学中的偏心受压公式这种简单方法来计算坝体应力。体应力。 为了便于能够运用偏心受压公式，做以下为了便于能够运用偏心受压公式，做以下简化处理和假定简化处理和假定：二、应力分析的材料力学方法简化处理和假定：简化处理和假定：沿坝轴线截取单位长度坝体，忽略两侧的约沿坝轴线截取单位长度坝体，忽略两侧的约束作用，把单位长度坝体作为固支在地基上的

34、束作用，把单位长度坝体作为固支在地基上的悬臂梁。悬臂梁。坝体材料为均质、连续、各向同性的弹性体坝体材料为均质、连续、各向同性的弹性体坝体任意水平截面上的正应力呈直线分布，坝体任意水平截面上的正应力呈直线分布，计算的水平截面一般选在坝面转折点或厚度突计算的水平截面一般选在坝面转折点或厚度突变处。变处。坐标原点选在计算截面与下游坝面的交点，坐标原点选在计算截面与下游坝面的交点，水平轴水平轴x向上游为正，竖直轴向上游为正，竖直轴y向下为正。正应向下为正。正应力以压为正，以拉为负力以压为正，以拉为负 。二、应力分析的材料力学方法1.水平截面上的正应力（铅直正应力）水平截面上的正应力（铅直正应力） 由于

35、悬臂梁沿坝轴线方向的长度为单位长度，所以这里偏心受压公式中由于悬臂梁沿坝轴线方向的长度为单位长度，所以这里偏心受压公式中的矩形截面宽度为的矩形截面宽度为1m。2. 边缘剪应力边缘剪应力 为了计算边缘剪应力，为了计算边缘剪应力，在计算截面的上、下游边在计算截面的上、下游边缘取如图缘取如图 (a)所示的三角形所示的三角形微单元体。微单元体。2.边缘剪应力边缘剪应力 上面的力平衡分析中，运上面的力平衡分析中，运用了用了剪应力双生互等定理剪应力双生互等定理：相：相互垂直的两个平面上，剪应力互垂直的两个平面上，剪应力必然成对存在，且数值相等；必然成对存在，且数值相等；两者都垂直于两个平面的交线，两者都垂

36、直于两个平面的交线，方向则共同指向或共同背离这方向则共同指向或共同背离这一交线。一交线。 同样，根据下游边缘微单元体的竖向受力平衡条件可求出下游边缘剪应力。同样，根据下游边缘微单元体的竖向受力平衡条件可求出下游边缘剪应力。3. 水平正应力水平正应力4.主应力主应力 计算主应力时，取如图计算主应力时，取如图 (b)所示的三所示的三角形微单元体。由于上、下游坝面没有剪角形微单元体。由于上、下游坝面没有剪应力，因此上、下游坝面为主应力面，另应力，因此上、下游坝面为主应力面，另一主应力面应与坝面垂直。根据上、下游一主应力面应与坝面垂直。根据上、下游微单元体的力平衡条件，可分别求得微单元体的力平衡条件，

37、可分别求得上、上、下游边缘主应力值为：下游边缘主应力值为： 上、下游边缘另一主应力值就是作用在坝面上的水压力强度：上、下游边缘另一主应力值就是作用在坝面上的水压力强度： 4.主应力主应力5. 考虑扬压力时的边缘应力计算考虑扬压力时的边缘应力计算6.考虑地震作用时的边缘应力计算考虑地震作用时的边缘应力计算考虑地震作用时：考虑地震作用时： 关于坝体内部应力的计算关于坝体内部应力的计算 以上介绍的都是大坝边缘应力计算。本教材没有介绍坝体内部应力计以上介绍的都是大坝边缘应力计算。本教材没有介绍坝体内部应力计算，主要是考虑到：算，主要是考虑到： (1) 对于中小型重力坝，大坝的安全和经济一般由边缘应力和

38、整体稳定性对于中小型重力坝，大坝的安全和经济一般由边缘应力和整体稳定性条件控制条件控制; (2) 对于高坝或者是地质条件复杂的中、低坝，规范要求采用有对于高坝或者是地质条件复杂的中、低坝，规范要求采用有限单元法进行应力分析。限单元法进行应力分析。 三、重力坝应力分析的有限元方法 根据重力坝的材料性能和变形特点，重力坝有限元法应力计算一般采用根据重力坝的材料性能和变形特点，重力坝有限元法应力计算一般采用比较简单的线弹性理论。比较简单的线弹性理论。 重力坝有限单元法的弹性分析大体包括以下步骤和内容：重力坝有限单元法的弹性分析大体包括以下步骤和内容： yu 自然界的许多物理现象，如结构受力自然界的许

39、多物理现象，如结构受力效应、流体运动、电流运动、温度扩散、效应、流体运动、电流运动、温度扩散、等等，都可以用数理方程来描述。这些数等等，都可以用数理方程来描述。这些数理方程都是理方程都是偏微分方程偏微分方程，不能直接求出，不能直接求出解解析解析解。需要：。需要：（1 1）将连续的）将连续的计算域离散化计算域离散化；（2）借助有限单元法）借助有限单元法将偏微分方程转化将偏微分方程转化成线性方程成线性方程才能求出才能求出数值解数值解。 三、重力坝应力分析的有限元方法 坝基应该包括主要的地质构造，而且要取足够大的范围，使得坝基边坝基应该包括主要的地质构造，而且要取足够大的范围，使得坝基边缘的位移小到

40、可以忽略不计。缘的位移小到可以忽略不计。 yu1 1、确定计算对象、确定计算对象 对于不是特别重要和复杂的重力坝，对于不是特别重要和复杂的重力坝，一般可以截取单位长度坝体和坝基，按照一般可以截取单位长度坝体和坝基，按照平面问题对待。平面问题对待。 坝体应力沿上下游方向及竖直方向变坝体应力沿上下游方向及竖直方向变化较大，沿坝轴线方向变化相对较小，可化较大，沿坝轴线方向变化相对较小，可以近似看成以近似看成平面应力问题平面应力问题。 坝基沿坝轴线方向的变形比其他两个坝基沿坝轴线方向的变形比其他两个方向小，所以可看成方向小，所以可看成平面应变问题平面应变问题。三、重力坝应力分析的有限元方法yu2 2、

41、结构离散化、结构离散化（1 1）将计算区域离散成有限个计算单元）将计算区域离散成有限个计算单元 通常将计算对象划分有限多个三角形通常将计算对象划分有限多个三角形或四边形单元，这些单元只在结点处相互或四边形单元，这些单元只在结点处相互联系联系结点相互铰接结点相互铰接。（2 2）在坝基边缘加上约束）在坝基边缘加上约束 由于截取的范围足够大，坝基边缘位由于截取的范围足够大，坝基边缘位移小得可以忽略不计，因此坝基约束为移小得可以忽略不计，因此坝基约束为固固定支撑约束定支撑约束。三、重力坝应力分析的有限元方法yu3 3、建立位移模式、建立位移模式 在式（在式（4）中代入三角形单元）中代入三角形单元3个结

42、点的坐标和位移，得到：个结点的坐标和位移，得到：三、重力坝应力分析的有限元方法yu3 3、建立位移模式、建立位移模式 三、重力坝应力分析的有限元方法yu3 3、建立位移模式、建立位移模式 三、重力坝应力分析的有限元方法yu3 3、建立位移模式、建立位移模式 三、重力坝应力分析的有限元方法yu3 3、建立位移模式、建立位移模式 三、重力坝应力分析的有限元方法yu4 4、应变、应变 三、重力坝应力分析的有限元方法yu5 5、变形本构关系、变形本构关系应力应变关系应力应变关系 三、重力坝应力分析的有限元方法yu5 5、变形本构关系、变形本构关系应力应变关系应力应变关系 三、重力坝应力分析的有限元方法

43、yu5 5、变形本构关系、变形本构关系应力应变关系应力应变关系 三、重力坝应力分析的有限元方法yu5 5、变形本构关系、变形本构关系应力应变关系应力应变关系 三、重力坝应力分析的有限元方法yu6 6、虚功原理、虚功原理推求推求单元刚度矩阵单元刚度矩阵（建立结点力与应变之间关系）（建立结点力与应变之间关系） 三、重力坝应力分析的有限元方法yu6 6、虚功原理、虚功原理推求推求单元刚度矩阵单元刚度矩阵（建立结点力与应变之间关系）（建立结点力与应变之间关系） 三、重力坝应力分析的有限元方法yu6 6、虚功原理、虚功原理推求推求单元刚度矩阵单元刚度矩阵（建立结点力与应变之间关系）（建立结点力与应变之间

44、关系） 三、重力坝应力分析的有限元方法yu6 6、虚功原理、虚功原理推求推求单元刚度矩阵单元刚度矩阵（建立结点力与应变之间关系）（建立结点力与应变之间关系） 三、重力坝应力分析的有限元方法yu6 6、虚功原理、虚功原理推求推求单元刚度矩阵单元刚度矩阵（建立结点力与应变之间关系）（建立结点力与应变之间关系） 三、重力坝应力分析的有限元方法yu7 7、力的平衡方程、力的平衡方程推求推求总体刚度矩阵总体刚度矩阵 三、重力坝应力分析的有限元方法yu7 7、力的平衡方程、力的平衡方程推求推求总体刚度矩阵总体刚度矩阵 三、重力坝应力分析的有限元方法yu8 8、求解求解节点位移节点位移与与节点应力节点应力三

45、、重力坝应力分析的有限元方法yu9 9、有限元应力分析成果、有限元应力分析成果比较图比较图(a)和图和图(b)可以发现，可以发现，温降荷载对该坝的应力有温降荷载对该坝的应力有很大影响。很大影响。这是由于这是由于Norfork坝施工中坝施工中采用通仓浇筑，坝内没有采用通仓浇筑，坝内没有纵缝，因而接缝灌浆前没纵缝，因而接缝灌浆前没有水管冷却，水库蓄水时，有水管冷却，水库蓄水时，坝内、坝面存在较大的温坝内、坝面存在较大的温差，因而产生了较大的温差，因而产生了较大的温度应力。度应力。该坝内逐渐形成了一条贯该坝内逐渐形成了一条贯穿性大裂缝。穿性大裂缝。三、重力坝应力分析的有限元方法yu9 9、有限元应力

46、分析成果、有限元应力分析成果图图1-20是某重力坝的是某重力坝的主应力轨迹线主应力轨迹线，实线为第一主应力轨，实线为第一主应力轨迹线（即作用方向线），虚线实线为第二主应力轨迹线。迹线（即作用方向线），虚线实线为第二主应力轨迹线。四、重力坝的应力控制标准四、重力坝的应力控制标准 1. 对于坝基面对于坝基面（1）运用期）运用期 在各种荷载组合下，上游端的铅直正应力均不得出现拉应力，即要求；下游端在各种荷载组合下，上游端的铅直正应力均不得出现拉应力，即要求；下游端的铅直正应力不得超过坝基的允许压应力。的铅直正应力不得超过坝基的允许压应力。（2）施工期）施工期 下游端坝基面的铅直正应力允许出现不大于下

47、游端坝基面的铅直正应力允许出现不大于0.1MPa的拉应力。的拉应力。2. 对于坝体对于坝体（1）运用期）运用期 上游面的铅直正应力不得出现拉应力，即要求；坝体最大主应力不得超过混凝土上游面的铅直正应力不得出现拉应力，即要求；坝体最大主应力不得超过混凝土的允许压应力。的允许压应力。（2）施工期）施工期 坝体最大主应力不得超过混凝土的允许压应力；下游坝面允许出现不大于坝体最大主应力不得超过混凝土的允许压应力；下游坝面允许出现不大于0.2MPa的主拉应力。的主拉应力。 在地震荷载作用下，坝基面和坝体的应力控制标准应符合在地震荷载作用下，坝基面和坝体的应力控制标准应符合水工建筑物抗震设计水工建筑物抗震

48、设计规范规范SL203-97的要求。的要求。一、水工建筑物安全度表示方法一、水工建筑物安全度表示方法 为了水工建筑物的安全，建筑物的设计方案应保证结构强度、稳定性等为了水工建筑物的安全，建筑物的设计方案应保证结构强度、稳定性等方面有一定的安全储备。方面有一定的安全储备。 目前在水利、电力两家行业对水工结构安全度的目前在水利、电力两家行业对水工结构安全度的表示存在两套方法，即单一安全系数法和极限状态可靠度设计法。表示存在两套方法，即单一安全系数法和极限状态可靠度设计法。一、水工建筑物安全度表示方法一、水工建筑物安全度表示方法一、水工建筑物安全度表示方法一、水工建筑物安全度表示方法2. 2. 极限

49、状态可靠度设计法极限状态可靠度设计法一、水工建筑物安全度表示方法一、水工建筑物安全度表示方法2. 2. 极限状态可靠度设计法极限状态可靠度设计法二、分项系数极限状态设计方法二、分项系数极限状态设计方法2. 2. 极限状态可靠度设计法极限状态可靠度设计法二、分项系数极限状态设计方法二、分项系数极限状态设计方法二、分项系数极限状态设计方法二、分项系数极限状态设计方法二、分项系数极限状态设计方法二、分项系数极限状态设计方法1. 作用与作用效应组合作用与作用效应组合（1）作用）作用 使结构产生内力和变形的原因称为作用。作用分为直接作用和间接作使结构产生内力和变形的原因称为作用。作用分为直接作用和间接作

50、用：用： 直接作用直接作用就是指直接施加在建筑物上的荷载，如水压力、浪压力、泥就是指直接施加在建筑物上的荷载，如水压力、浪压力、泥沙压力以及自重等。沙压力以及自重等。 间接作用间接作用是指混凝土收缩、温度变化、地基不均匀沉降、地震等能够是指混凝土收缩、温度变化、地基不均匀沉降、地震等能够引起结构附加应力和变形的外部作用因素，这些作用因素并非荷载，但是引起结构附加应力和变形的外部作用因素，这些作用因素并非荷载，但是能够产生荷载一样的作用效应，使结构产生内力和变形。能够产生荷载一样的作用效应，使结构产生内力和变形。二、分项系数极限状态设计方法二、分项系数极限状态设计方法1. 作用与作用效应组合作用

51、与作用效应组合（1）作用）作用 按作用持续的时间，作用分为永久作用、可变作用和偶然作用。按作用持续的时间，作用分为永久作用、可变作用和偶然作用。 永久作用永久作用是指在设计基准期内其值保持不变，如：自重、土压力等。是指在设计基准期内其值保持不变，如：自重、土压力等。 可变作用可变作用是指在设计基准期内作用长期存在，但其数值变动明显，如：是指在设计基准期内作用长期存在，但其数值变动明显，如：各种水荷载、温度作用、冰冻作用等。各种水荷载、温度作用、冰冻作用等。 偶然作用偶然作用是指在设计基准期内有一定遭遇机率（如大地震取是指在设计基准期内有一定遭遇机率（如大地震取2%10%），作用持续时间段，但结

52、构反应强度大，如地震、校核洪水及考虑），作用持续时间段，但结构反应强度大，如地震、校核洪水及考虑坝基排水设施与故障失效条件下的渗透压力。坝基排水设施与故障失效条件下的渗透压力。二、分项系数极限状态设计方法二、分项系数极限状态设计方法1. 作用与作用效应组合作用与作用效应组合（2）作用效应组合）作用效应组合 作用效应是指施加在结构上的作用应起的结构的反应，如轴力、弯矩、作用效应是指施加在结构上的作用应起的结构的反应，如轴力、弯矩、剪力、应力等内力和位移、应变、裂缝等变形。剪力、应力等内力和位移、应变、裂缝等变形。 所谓作用效应组合是指结构上几种可能同时出现的作用分别产生的作所谓作用效应组合是指结

53、构上几种可能同时出现的作用分别产生的作用效应的组合。用效应的组合。 进行水工结构设计时，应根据不同设计状况（持久状况、短暂状况、进行水工结构设计时，应根据不同设计状况（持久状况、短暂状况、偶然状况），对可能同时出现的作用，按偶然状况），对可能同时出现的作用，按承载力极限状态承载力极限状态和和正常使用极限正常使用极限状态状态分别进行作用效应组合，并采取各自最不利的组合进行设计。内力和分别进行作用效应组合，并采取各自最不利的组合进行设计。内力和变形。变形。二、分项系数极限状态设计方法二、分项系数极限状态设计方法1. 作用与作用效应组合作用与作用效应组合（2）作用效应组合）作用效应组合 基本组合：基

54、本组合：对以发电为主的水库：上游水位取正常蓄水位。对以发电为主的水库：上游水位取正常蓄水位。对以防洪为主的水库：上游水位取防洪高水位。对以防洪为主的水库：上游水位取防洪高水位。偶然组合：偶然组合：水荷载取坝上游校核洪水和相应情况泄洪时的上、下游水位的水压力、扬水荷载取坝上游校核洪水和相应情况泄洪时的上、下游水位的水压力、扬压力，动水压力与其它可变作用和永久作用组合压力，动水压力与其它可变作用和永久作用组合. 二、分项系数极限状态设计方法二、分项系数极限状态设计方法2. 分项系数分项系数 在分项系数极限状态设计式中设置了在分项系数极限状态设计式中设置了5种系数，分别用于考虑结构的安种系数，分别用

55、于考虑结构的安全级别、设计状况、荷载的变异型、材料性能的变异型和计算模式不定性全级别、设计状况、荷载的变异型、材料性能的变异型和计算模式不定性采取各自最不利的组合进行设计。采取各自最不利的组合进行设计。二、分项系数极限状态设计方法二、分项系数极限状态设计方法2. 分项系数分项系数持久状况持久状况是指结构使用时长期处于此状况。是指结构使用时长期处于此状况。短暂状况短暂状况是指结构在施工、检修期或使用过程中一定会遇到，但是持续时是指结构在施工、检修期或使用过程中一定会遇到，但是持续时间短、次数少的状况，如施工期的分期挡水等，其作用值及其组合与建筑间短、次数少的状况，如施工期的分期挡水等，其作用值及

56、其组合与建筑物施工和检修时的条件相适应。物施工和检修时的条件相适应。短暂状况短暂状况是在持久使用中出现的偶然现象，如地震、校核洪水和排水失效。是在持久使用中出现的偶然现象，如地震、校核洪水和排水失效。二、分项系数极限状态设计方法二、分项系数极限状态设计方法2. 分项系数分项系数二、分项系数极限状态设计方法二、分项系数极限状态设计方法2. 分项系数分项系数二、分项系数极限状态设计方法二、分项系数极限状态设计方法2. 分项系数分项系数二、分项系数极限状态设计方法二、分项系数极限状态设计方法2. 分项系数分项系数二、分项系数极限状态设计方法二、分项系数极限状态设计方法2. 分项系数分项系数二、分项系

57、数极限状态设计方法二、分项系数极限状态设计方法3. 极限状态设计表达式极限状态设计表达式 二、分项系数极限状态设计方法二、分项系数极限状态设计方法3. 极限状态设计表达式极限状态设计表达式 二、分项系数极限状态设计方法二、分项系数极限状态设计方法3. 极限状态设计表达式极限状态设计表达式 二、分项系数极限状态设计方法二、分项系数极限状态设计方法3. 极限状态设计表达式极限状态设计表达式 二、分项系数极限状态设计方法二、分项系数极限状态设计方法3. 极限状态设计表达式极限状态设计表达式 二、分项系数极限状态设计方法二、分项系数极限状态设计方法3. 极限状态设计表达式极限状态设计表达式 三、重力坝

58、的分项系数极限状态设计法三、重力坝的分项系数极限状态设计法 三、重力坝的分项系数极限状态设计法三、重力坝的分项系数极限状态设计法 三、重力坝的分项系数极限状态设计法三、重力坝的分项系数极限状态设计法 三、重力坝的分项系数极限状态设计法三、重力坝的分项系数极限状态设计法 一、基本剖面一、基本剖面 重力坝承受的主要荷载是上游水重力坝承受的主要荷载是上游水压力、坝底扬压力和自重，控制剖面压力、坝底扬压力和自重，控制剖面尺寸的主要因素是抗滑、抗倾稳定要尺寸的主要因素是抗滑、抗倾稳定要求。求。 为了抵抗水压力产生的滑动力以为了抵抗水压力产生的滑动力以及水压力与扬压力产生的倾覆力，重及水压力与扬压力产生的

59、倾覆力，重力坝的基本剖面应该是上游坡比较陡、力坝的基本剖面应该是上游坡比较陡、下游坡比较缓的三角形。下游坡比较缓的三角形。二、实用剖面二、实用剖面 1.1.坝顶高程坝顶高程二、实用剖面二、实用剖面 2.2.坝顶宽坝顶宽 坝顶应有一定宽度，以方便管理坝顶应有一定宽度，以方便管理和交通。和交通。无特殊要求时，坝顶宽采用坝高的无特殊要求时，坝顶宽采用坝高的8%10%,且不小于且不小于3m。当有交通要求时，坝顶宽按交通需当有交通要求时，坝顶宽按交通需要布置。要布置。二、实用剖面二、实用剖面 3.坝坡坝坡 对坝基承载能力强、摩擦系数对坝基承载能力强、摩擦系数大的情况，抗滑稳定有保障，可将大的情况，抗滑稳定有保障，可将上游面做成铅直的，避免上游产生上游面做成铅直的，避免上游产生拉应力。拉应力。 当坝基比较差，坝体剖面受控当坝基比较差，坝体剖面受控于抗滑稳定，上游面可做成稍微倾于抗滑稳定，上游面可做成稍微倾向上游，利用一部分水重增强抗滑向上游，利用一部分水重增强抗滑稳定性。稳定性。 通常上游坝坡系数通常上游坝坡系数 m1=00.3; 下游坝坡系数下游坝坡系数m2=0.60.9。 二、实用剖面二、实用剖面 4.4.上游折坡高度上游折坡高度上游折坡高度上游折坡高度h h的确定：的确定：（1 1）考虑取水管口、泄流孔口的布）