重力坝概述和荷载解析

1、重力坝概述和荷载解析1 概述重力坝主要依靠自重维持稳定，是一种古老而应用广泛的坝型。19世纪以前，基本上采用毛石砌体筑坝。19世纪后期，由于新材料出现，逐渐采用混凝土筑坝。在筑坝实践和科学试验的基础上，设计理论也不断提高。20世纪以来，由于混凝土工艺和施工机械的迅速发展，逐渐形成现代重力坝，特点是采用有效的防渗排水措施减小扬压力，在施工中采用分缝、灌浆和温度控制技术，可以修建高坝。特别是1930年代以后，高重力坝日益增多，混凝土浇筑工艺日臻完善，出现了一些新坝型。据统计自1860年至1959年，世界上修建高度在30m以上的重力坝始终占建坝总数的50左右。从60年代开始，由于土石坝设计理论和施工

2、机械的发展及地质条件的限制，国外修建重力坝的数量比例减少，但在技术上却继续进展。如瑞士修建了目前世界上最高的大狄克逊(Grand Dixence)重力坝，坝高达285m，并发展了分期加高的筑坝技术；意大利修建了阿尔卑吉拉(Alpa Gera)坝，应用低热水泥，取消分块浇筑，采用自卸卡车入仓卸料，推土机平仓，连续通仓浇筑，振动刀片切成伸缩缝等施工新工艺；罗马尼亚建成了127m高的山泉(Izvroul Muntetui)坝，发展一种分层错接、斜缝不灌浆的混凝土施工方法。70年代以来，由于碾压混凝土筑坝技术的发展，进一步降低了重力坝的造价和缩短施工工期，提高了重力坝在坝型选择中的竞争力，促进了重力坝

3、的发展。中国1950年代以来，随着水利水电事业蓬勃发展，重力坝也大量兴建。通过建坝实践和研究，在坝体结构型式、建筑材料、枢纽布置、泄洪消能、地基处理、施工技术和设计理论等方面都有较大的发展。据统计，19491985年建成坝高30m以上的重力坝58座，占混凝土坝总数的51。 已建成的有：坝高147m的刘家峡实体重力坝，坝高105m的新安江宽缝重力坝，坝高165m的乌江渡拱形重力坝，坝高的潘家口宽缝重力坝、坝高的牛路岭空腹重力坝以及坝高175m的三峡混凝土实体重力坝等。目前正在施工中的龙滩碾压混凝土重力坝，坝高192m。此外，根据实际情况，建造了高度在15m以上的浆砌石重力坝300余座，最大坝高。

4、重力坝研究发展趋势用现代的设计理论和分析方法解决一些专门的问题。例如：用有限单元法分析坝体及坝基的应力状态，用断裂力学研究坝体裂缝的发展和稳定，重力坝地震反应的精确分析，复杂地基对坝体工作性态的影响，重力坝的可靠度分析，坝基渗流场与应力场相互作用，重力坝的最优化设计和新的泄洪消能措施的应用，在施工技术上则研究温度控制的新理论和综合措施，大型施工机械设备的研制与发展，碾压混凝土筑坝技术以及整个施工过程的计算机管理等。一、重力坝的工作原理稳定依靠坝体自重在坝基面上产生摩阻力来抵抗水平水压力，以达到稳定的要求。应力利用坝体自重在水平截面上产生的压应力来抵消由于水压力所引起的拉应力，以满足强度的要求。

5、二、重力坝的特点(1) 筑坝材料抗冲能力强施工期可以利用较低的坝块或底孔导流。坝体断面形态适于在坝顶布置溢洪道和坝身设置泄水孔，一般不需要另设河岸溢洪道或泄洪隧洞。在坝址河谷狭窄而洪水流量大的情况下，可以较好地适应这种自然条件，如：三峡、新安江、三门峡、潘家口等。(2) 结构简单，施工容易，有利于机械化施工重力坝结构简单，施工技术比较容易掌握，在放样、立模和混凝土浇捣方面都比较方便，有利于机械化施工。由于断面尺寸大，材料强度高、耐久性能好，因而对抵抗水的渗透、特大洪水的漫顶、地震和战争破坏能力都比较强，安全性较高。(3) 对地形、地质条件适应性好几乎任何形状的河谷都可以修建重力坝。对地基要求高

6、于土石坝，低于拱坝及支墩坝。一般来说，具有足够强度的岩基均可满足要求，因为重力坝常沿坝轴线分成若干独立的坝段，所以能较好地适应岩石物理力学特性的变化和各种非均质的地质。(4) 坝基面积大，扬压力的影响大扬压力的作用会抵消部分坝体重量的有效压力，对坝的稳定和应力情况不利，故需采取各种有效的防渗排水措施，以削减扬压力，节省工程量。防渗：帷幕排水：排水孔幕（一排或多排）(5) 剖面尺寸大，内部压应力小，材料强度不能充分发挥材料的强度不能充分发挥。以高度50m的重力坝为例，其坝内最大压应力约为，且仅发生在坝趾局部范围，所以坝体大部分区域可适当采用标号较低的混凝土，以降低工程造价。C10混凝土的抗压强度

7、是。(6) 体积大，水泥用量大，水化热高，散热差水泥用量多，混凝土凝固时水化热高，散热条件差，且各部位浇筑顺序有先有后，因而同一时间内冷热不均，热胀冷缩，相互制约，往往容易形成裂缝，从而削弱坝体的整体性，所以混凝土重力坝施工期需有严格的温度控制和散热措施。三、重力坝的类型按结构型式：实体重力坝宽缝重力坝空腹重力坝预应力重力坝装配式重力坝等(1) 实体重力坝solid gravity dam 优：设计施工方便，结构简单，应力分布明确 缺：内部应力小，材料浪费，坝基扬压力大(3) 空腹重力坝laced gravity dam 优：进一步降低扬压力，内部可设厂房 缺：施工复杂，腹孔附近存在一定的拉应

8、力，需钢筋(2) 宽缝重力坝slotted gravity dam 优：扬压力小，工程量小，便于坝内检查 缺：施工复杂，模板用量大(4) 预应力重力坝 增加上游部分的压应力，提高抗滑稳定性，减小剖面。仅用于小型工程或加固工程。(5) 装配式重力坝 预制混凝土块安装。改善施工质量、降低坝体的温升，要求施工精确、获得强度和防水性能。重力坝的型式按泄水条件：溢流坝设有泄水孔非溢流坝无泄水孔按筑坝材料：混凝土重力坝重要的、较高的(含碾压混凝土重力坝)浆砌石重力坝中小型，就地取材，砌石技术易于掌握四、重力坝的布置溢流坝段、非溢流坝段、连接边墩、导墙、坝顶建筑物等。例如：一座典型重力坝的总体布置平面图和坝

9、段横剖面图。它包括左、右岸非溢流的挡水坝段和河床中部的溢流坝段。左岸挡水坝段还布置了坝后式水电站及坝内输水管道。重力坝总体布置应根据地形地质条件，结合枢纽其他建筑物综合考虑。坝轴线一般布置成直线，必要时也可布置成折线（新安江）或稍带拱形的曲线。后者称为拱形重力坝。总体布置还应注意各坝段外形协调一致，尤其上游坝面要保持齐平。但若地形地质及运用条件有明显差别时，也可按照不同情况，分别采用不同的下游坝坡，达到既安全又经济的目的。在河谷较窄而洪水流量较大、且拦河坝前缘宽度不足以并列布置溢流坝段和厂房坝段时，常可采用重迭布置方式。例如在泄洪坝段上同时设置溢流表孔及泄水中孔（三峡，表、中、深三层孔） ；将

10、电站厂房设在溢流坝内，或采用坝后厂房顶溢流的布置方式（新安江） 。三峡大坝泄洪坝段五、重力坝的设计内容总体布置 选择坝址、坝轴线和坝的结构型式，决定坝体与两岸其它建筑物的联接方式，确定坝体在枢纽中的布置。剖面设计 根据安全、经济和运用等条件，参照已建成类似工程的经验，通过必要分析计算，确定坝的剖面形态和轮廓尺寸。稳定分析 验算坝体在荷载作用下沿坝基面或地基中软弱结构面抗滑稳定的安全度，为剖面设计、地基处理和正常运行提供依据。应力分析 计算坝体和坝基在荷载作用下的应力和变形，判定大坝在施工期及运用期是否满足强度和变形方面的要求。为其他设计(剖面设计、地基处理、结构布置、施工分缝等)提供依据。重力

11、坝的设计内容（续）构造设计 根据施工和运用要求确定细部构造，包括坝体材料选择及分区，坝内廊道布置及排水、防渗措施以及坝体分缝等。地基处理 根据坝基的地质条件及受力情况，进行地基开挖、防渗、排水、加固及断层软弱带的处理等。泄水设计 包括溢流坝或泄水孔的孔口尺寸、体形、消能防冲及运行控制设计等。监测设计 研究大坝在各种荷载和环境影响下的工作状态，对工程质量和建筑物的 安全条件作出判断，以便采取相应的措施，保证运行安全可靠和提高经济效益。包括坝的内部和外部的观测设计。制定大坝的运行、维护和监视等方面的要求及规则。施工设计 大坝的施工方法和施工组织设计，由施工课程专门介绍。2 重力坝的荷载及组合一、

12、主要荷载（1）自重dead load / dead weight（2）水压力water pressure / hydraulic pressure（3）扬压力uplift pressure（4）冰压力ice pressure（5）土压力earth pressure / soil pressure （6）地震荷载earthquake load / seismic load（7）温度荷载load of temperature variation设计重力坝时，应根据具体的应用条件确定各种荷载的大小，并选择不同的荷载组合，用以验算坝体的稳定和强度。重力坝上的荷载（1）自重dead load建筑物（坝体

13、）及附属永久设备的重量。是维持重力坝稳定的主要荷载，由坝的体积和材料重度计算确定。较大孔洞应扣除，永久固定设备的重量应计入。（2）坝面水压力water pressure on surface包括静水压力、动水压力、浪压力静水压力(static water pressure)按水力学原理计算，沿坝面积分，可分解成水平和垂直两部分。动水压力(dynamic water pressure)溢流坝泄水，专门研究确定溢流坝挑流反弧段根据动量方程计算。假定反弧段起始和末端两断面的流速相等，可求得总水平分力和垂直分力。浪压力(wave pressure)波浪遇坝反射，产生立波（超过浪高一倍）首先计算浪高、波

14、长、波浪中心线超出静水面的高度深水波和浅水波深水波当坝前水深大于半波长时，波浪运动不受库底的影响浅水波当坝前水深小于半波长而大于临界水深时，波浪运动受库底的影响，临界水深近似取为(3-5)倍半浪高计算方法根据风速、水库地形，采用经验公式计算（按规范） 。首先，计算波浪要素浪高、波长、波浪超过静水面高度然后，计算浪压力深水波、浅水波深水波：静水面以下半波长处，浪压力很小，简化为零，而静水面处压强最大浅水波：上游坝踵处的波浪压强不能忽略，如图（b）所示阴影若坝面倾斜，波浪的反射作用减弱。当坝面与水平面夹角大于45度时，按铅直面考虑；小于45度时，按斜坡上的波浪考虑。（3）扬压力坝基扬压力、坝体扬压

15、力作用在坝基面和坝体内部，很重要但难于精确计算。影响因素很多：坝基地质条件、防渗排水措施、坝体结构型式等由两部分组成：下游水深产生的浮托力（uplift pressure）上下游水头产生的渗透压力（seepage pressure）坝基扬压力（无帷幕）扬压力强度：坝踵：坝趾：中间用直线连接难于确定从坝踵到坝趾之间坝底扬压力的分布规律。因为渗流的沿程水头损失与坝基地质条件、坝基接触面附近材料、施工质量、防渗和排水效果等因素有关。坝基扬压力（有帷幕）扬压力强度：坝踵：排水孔中心线：坝趾：其间直线连接坝体扬压力当坝体未设排水管时，扬压力可按三角形分布考虑。（4）冰压力静冰压力、动冰压力严寒地区静冰压

16、力冬季水库表面结成冰盖，当气温升高时，冰层膨胀对坝面产生的挤压力动冰压力当冰盖破碎后发生冰块流动时，流冰撞击坝面而产生的冲击力冰压力在高坝设计荷载中不起控制作用，特别是当水库操作频繁或冬季水位长期较低时，可忽略不计。但冰冻作用会破坏材料的耐久性。对低坝、闸墩、胸墙等结构，当冰层较厚或水库吹程不大时，是主要荷载，应予以考虑。静冰压力影响因素：开始升温时冰的温度、气温上升速率、冰层厚度等缺乏理论分析和实验研究，按下表选取动冰压力影响因素：冰的运动速度、冰块尺寸、建筑物表面积的大小和形状、风向和风速、流冰的抗破碎强度等（5）土压力主动土压力、被动土压力、坝前泥沙压力主动土压力和被动土压力仅部分岸坡或

17、挡土坝段出现，坝前泥沙压力仅在存在淤积的坝段出现。泥沙淤积高程随时间增加而增加，需要确定淤积年限（50100年）。由于逐年淤积，逐年固结，淤沙的容重和强度参数随时间而变，且随层而异，因此，计算困难。一般参照经验公式按土压力计算，斜面上的泥沙压力还应该考虑淤沙重力：（6）地震荷载 地震引起的动荷载，包括地震惯性力、地震动水压力和地震动土压力。 地震荷载的大小取决于地面运动的强度和建筑物的动力特性。抗震设计中常用到基本烈度和设计烈度的概念：基本烈度指建筑物所在地区今后一定时期内(约为100年)可能遭遇的地震最大烈度。设计烈度指抗震设计时实际采用的地震烈度。 一般情况下设计烈度取为基本烈度，但对于一

18、级挡水建筑物，可根据工程的重要性和受害后果的危害性，在基本烈度的基础上提高1度。设计烈度在6度以下可不进行抗震设计，而在9度及以上则需进行专门研究。地震惯性力水工建筑物抗震设计规范规定按拟静力法计算。在静力法（地震力等于建筑物的质量与设计加速度的乘积，加速度沿建筑物高度不变）的基础上，考虑到地震时建筑物发生变形，加速度沿其高度分布是不均匀的，参照动力计算结果，将加速度沿建筑物高度的分布用某种简化的图形（梯形或折线形）来代替，使计算结果更接近实际。地震惯性力（续）计算竖向地震惯性力时，用竖向地震系数代替水平向地震系数。同时考虑时，竖向地震惯性力还需乘以遇合系数。地震动水压力（铅直坝面）地震动水压力（倾斜坝面）坝面倾斜时，地震动水压力乘以折减系数y/90，为y坝面与水平面的夹角。当坝面有折坡时，按以下处理：地震土压力（7）温度荷载坝体温度变化