第三章重力坝

第三章重力坝第一节概述一、发展概况根据历史记载，最早的重力坝是公元前古埃及在尼罗河上修建的一座高15米、顶长450米的挡水坝。人类历史上修建的第一批堰、坝，都是利用结构自重来维持稳定，结构简单，安全可靠。

1962年瑞士建成了世界上最高重力坝坝高285米。从1949--1985年，我国在已建成的坝高30米以上的113座混凝土坝中，重力坝达58座，占总数的51%。50年代首先建成了高105m的新安江和高71m的古田一级两座宽缝重力坝。二、研究技术早期：理论计算和模型试验相结合的方法设计。80年代后针对专门问题：现代设计理论和分析方法设计。三、重力坝工作特点1、重力坝的工作原理重力坝－－依靠自重维持稳定。工作原理概括为稳定和强度两点要求。（1）稳定依靠坝体自重在坝基面上产生摩擦阻力来抵抗水平水压力以达到稳定要求。（2）强度（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，以满足强度要求。2、重力坝的工作特点

(1)断面尺寸大，抗冲能力强，抵抗渗漏、漫顶破坏的能力强，在各种坝型中失事率最低;(2)对地形地质条件适应性强;

(3)泄流和施工导流问题容易解决;

(4)结构作用明确，便于机械化施工;

(5)材料强度不能充分利用;(6)底部扬压力大，对稳定和应力不利;

(7)体积大，水化热不易散发，温控要求高;四重力坝类型(一）按结构分1实体重力坝（solidgravitydam)优点：设计施工方便，结构简单，应力分布明确。缺点：内部应力小，材料浪费，坝基扬压力大。2宽缝重力坝（slottedgravitydam）优点：扬压力小，工程量小，便于坝内检查。缺点：施工复杂，模板用量大。3空腹重力坝（lacedgravitydam）优点：进一步降低扬压力，内部可设厂房。缺点：施工复杂，腹孔附近存在一定的拉应力区，需配钢筋。4预应力重力坝、装配式重力坝（二）按作用分非溢流重力坝、溢流重力坝（三）按材料分混凝土、浆砌石重力坝等深式泄水孔+溢流坝=泄水坝，完全不泄水=挡水坝五、重力坝的布置1重力坝的组成由溢流坝段、非溢流坝段和两者之间的连接边墩、导墙以及坝顶建筑物等组成。2重力坝的布置六、重力坝的设计内容①总体布置:坝轴线、组成建筑物的位置；②剖面设计；③稳定分析；④应力分析；⑤构造设计；⑥地基处理；

⑦溢流坝或泄水孔设计；⑧监测设计；⑨施工方法；⑩施工组织设计第二节重力坝的荷载一、荷载荷载－－作用；作用在重力坝上的主要荷载有:坝体自重、上下游坝面上的水压力、扬压力、浪压力、土压力（泥沙压力）、地震荷载及冰压力等。1自重（deadload/deadweight）坝体自重W是重力坝的主要荷载之一。W=γ×V+ωγ为材料容重，V为坝的体积，ω为坝上永久设备重。2、坝面上的水压力（water/hydraulicpressure）（1）静水压力（static～）水面下水深y处的压强为坝面上的静水压力，为水的容重。上游面倾斜可将水压力分解为水平水压力和垂直水压力。

（2）动水压力（dynamic～）3、扬压力（upliftpressure)定义：扬压力是作用在坝基面和坝体内部的一种重要荷载。坝基扬压力包括两部分①下游水深引起的浮托力；②由水头差引起的渗透压力。渗透压力从上游向下游逐渐消减，扬压力对坝体稳定和应力不利。（1）坝基扬压力定义：坝底水平面承受垂直向上的总水压力称为坝底扬压力。（2）坝体内部扬压力（3）减小扬压力的措施

①设帷幕

②设排水4、浪压力（1）波高2hL、波长2LL及h0（1）坝前水深H1>LL

（书P21公式2-6）注：静水面处波浪压强最大5、土压力（earth/soilpressure）主动土压力、被动土压力－根据坝外是否有填土而定。泥沙压力－6、地震荷载（earthquake/seismicload）地震荷载包括:地震惯性力（～inertiaforce）地震动水压力(激荡力)（～hydrodynamicforce/pressure)地震动土压力（～dynamicsoilpressure）(地震对扬压力、泥沙压力的影响一般不考虑)。地震荷载的大小与建筑物所在地区的烈度有关，烈度又分基本烈度和设计烈度两种。.计算方法①拟静力法——把地震荷载以静力形式加到建筑物上适用H≤150米（H坝高）②动力分析法——振型叠加求地震荷载一般可按“水工建筑物抗震规范”的拟静力法计算。7、冰压力（icepressure）（1）静冰压力目前还没有系统的理论分析，可查表2-5（P26）。可从表中选用单位面积的冰压力乘以冰厚即为作用在每米坝长的静冰压力

P冰=f(T0,VT,h)式中：T0,VT,h分别为升温时气温、升温速率和冰厚。（2）动冰压力当冰块的运动方和与坝轴线的交角80º~90º时，动冰压力为式中：Vb－冰块流速，一般不大于0.6m/s；db和Ab分别为冰块厚度和面积；Kb为系数，与冰的抗碎强度有关。

二、荷载组合1、荷载特点（1）除自重外，其它荷载是随机变量（2）荷载的遇合机率校核水位、地震；浪压力等（与静冰压力不同时存在）。2、荷载分类旧规范（SDJ21-1978和1984补充规定)：(P28表2-6)（1）基本荷载（base/basicload)—作用在坝上的机率较多的荷载（2）特殊荷载（specialload）—作用在坝上的机率比较小的荷载新规范（DL5108-1999):（1）永久作用荷载－不随时间变化的－－如自重、土压力等（2）可变作用荷载－随时间变化的如水压力、扬压力、温度等；（3）偶然作用荷载－偶然发生的如地震、校核水位下的水压力等.可变作用是指在设计基准期内作用的量值随时间变化与平均值之比不可忽略的作用。3、荷载组合旧规范（SDJ21-1978和1984补充规定)：(P28表2-6)基本组合：水库处于正常运用情况下，可能发生的荷载组合。由基本荷载组成，又称设计情况。特殊组合：水库处于非常运用情况下，可能发生的荷载组合。由基本荷载＋一种或几种特殊荷载组成，又称校核情况。新规范（DL5108-1999):按承载能力极限状态设计：

基本组合：持久或短暂状况下，永久作用和可变作用的效应组合。偶然组合：偶然状况下，永久作用、可变作用与一种偶然作用的效应

组合。按正常使用极限状态设计：短期组合：持久或短暂状况下，可变作用的短期效应与永久作用效应的组合。长期组合：持久状况下，可变作用的长期效应与永久作用效应的组合。基本组合：式中分项系数是考虑结构安全级别（重要性）(γ0)、设计状态(ψ)、作用(荷载)(γf)、材料性能变异性(γm)以及计算模式不定性(γd)的修正系数。结构重要性系数(γ0)－用以反映不同结构安全级别对结构可靠度的不同要求，对应结构安全级别为

Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的结构及构件，可分别取1.1，1.0，0.9；设计状况系数(ψ)－用以反映不同设计状况的目标可靠指标不同，

分别对应持久状况、短暂状况、偶然状况。对重力坝

ψ分别为1.0，0.95，0.85；S(•)－作用效应函数；R(•)－结构及构件抗力函数。γG，GK－永久作用分项系数和标准值；γQ，QK－可变作用分项系数和标准值；fK，γm－材料性能标准值和分项系数；αK，γd1－几何参数标准值、基本组合结构系数。（1）承载能力极限状态偶然组合：式中：AK，γd2－偶然作用代表值、偶然组合结构系数。（2）正常使用极限状态短期组合：长期组合：式中：C1、C2－结构的功能限值；

Ss(•)、S1(•)－作用效应的短期组合、长期组合时的效应函数。γd3、γd4－正常使用极限状态短期组合、长期组合时的结构系数；ρ－可变作用标准值的长期组合系数，现规范取1。4、设计状况根据“水利水电工程结构可靠度设计统一标准”（GB50199-94)，结构设计按以下三种状况设计：（1）持久状况：正常使用过程中，一定出现且持续时间很长。（2）短暂状况：施工、检修或使用过程中短暂出现。（3）偶然状况：出现几率很小，持续时间短。三种状况均应按承载能力极限状态进行设计。同时（1）持久状况，尚应按正常使用极限状态设计；（2）短暂状况，可根据需要按正常使用极限状态设计；（3）偶然状况，可不按正常使用极限状态设计；第三节重力坝的稳定分析一、稳定分析(stabilityanalysisagainstsliding）的目的验算重力坝在各种可能荷载组合下的稳定安全度。二、失稳破坏的可能类型1、滑动：坝体沿抗剪能力不足的薄弱层面产生滑动，包括沿坝基面滑动和深层地质结构面滑动。2、倾倒滑移：荷载作用下，上游坝踵区受拉裂开，下游坝址区压碎产生倾倒滑移。三、分析方法旧规范：安全系数法即抗滑稳定安全系数（safetyfactoragainstsliding）等于抗滑力与所受的滑动力之比。新规范：承载能力极限状态法计算。四、沿坝基面的抗滑稳定分析1、抗滑稳定计算公式(安全系数法)（1）摩擦公式当滑动面为水平面时当滑动面为倾向上游的倾斜面时（2）抗剪断强度公式(滑动面为水平面)2、对摩擦公式和抗剪断公式的讨论抗滑稳定安全系数K和K′取值不同（P30,表2-7）。（1）摩擦公式忽略了坝体与基岩的胶结作用，没考虑c′的作用不能，因此，K取的较小。（2）抗剪断强度公式考虑了坝体与基岩的胶结作用，计入了全部抗滑潜力，且c′现场测值不稳，因此，K′取值较大。3、计算参数确定

f′、c′和f的大小对抗滑稳定影响很大，若取大则安全没有保证，取小了浪费。如何选取C、f值是计算稳定安全系数的关键。

f′、c′和f值以野外现场试验成果为基础，结合室内试验结果，由地质、试验和设计人员共同分析确定。其中现场试验成果，f′、c′采用测定峰值的小值平均值；f采用屈服极限值或比例极限值。五沿坝基深层的抗滑稳定分析1、方法（1）刚体极限平衡法优点：概念清楚，计算简便，任何工程均可采用。缺点：不能考虑受力后变形的影响，极限状态和允许工作状态有出入。（2）有限单元法超载法：滑动面处于临界状态时，外荷载增大倍数作为安全系数。强度储备法：滑动面处于临界状态时，抗剪参数的降低倍数作为安全 系数。剪力比例法：有限元法计算滑动面正应力和剪应力，求出滑动面上滑动力和抗滑力的比值作为安全系数优点：可以分析计算位移场和应力场以及破坏发展情况。缺点：模型建立和参数取值困难，计算工作量大。（3）地质力学模型试验法优点：可以模拟基岩结构、强度和变形特性以及显示滑移破坏过程。缺点：模拟内容不完善。2、刚体极限平衡法基于刚体极限平衡原理的抗滑稳定分析方法有被动抗力法、剩余推力法和等安全系数法等。（1）被动抗力法假定BC面处于极限平衡状态，求出抗力R；然后将R作用在滑动块ABD，按抗剪断公式（或摩擦公式）求出滑动体ABD的稳定安全系数。（如右图）（2）剩余推力法与被动抗力法相反，假定AB面处于极限平衡状态，求出抗力R；然后将R作用在滑动块BDC，按抗剪断公式（或摩擦公式）求出滑动体BDC的稳定安全系数。（3）等安全系数法将滑动块和阻滑块具有相等的抗滑稳定安全系数来计算。用试算法或迭代法联立求解以下方程式，求得整个滑动体的抗滑稳定安全系数。滑动块(ABD)：阻滑块(BCD):3深层整体抗滑稳定分析若滑动岩体比较完整坚固，BD面上的抗剪强度足以承担其剪力，则应按整体深层滑动稳定计算。最大抗滑力矩和滑动力矩之比即为深层整体抗滑稳定的安全系数。六、岸坡坝段的抗滑稳定分析重力坝岸坡坝段的坝基面是一个倾向河床的斜面，则在水压力作用下有向下游的滑动趋势，在自重作用下还有向河床滑动的趋势。七、提高抗滑稳定性的工程措施（1）将近水面做成倾斜或折坡形，利用水重来增加坝体的抗滑定，但坡控制在1：0.1~1:0.2）否则上游面出现拉应力；适用于f较小的情况。（2）将坝基础面开挖成倾向上游的斜面，将岸坡开挖成若干高差不大的平台，增加侧向抗滑力。（3）利用地形地质特点，在坝踵和坝趾设置齿墙。（4）防渗排水或抽水措施，降低扬压力。（5）预加应力提高抗滑稳定性。第四节重力坝的应力分析一、应力分析的目的与方法

（一）目的检验大坝在施工期与运用期是否满足强度要求；同时也是为了解决设计与施工中的某些问题。（二）方法应力分析方法分为理论计算和模型试验两大类。理论计算又分为材料力学法和弹性理论法等。理论计算方法常用的有材料力学法、弹性理论的解析法、有限单元法。强度要求判别：安全系数法和极限状态法。（三）过程(1)先进行荷载计算和荷载组合；(2)选择适当的方法进行应力计算；(3)检验坝体各部位的应力是否满足强度要求。二、应力分析的材料力学法假定：(1)坝体混凝土为均质、连续、各向同性的弹性材料。(2)坝段为固接于地基上的悬臂梁。(3)坝体水平截面上的正应力按直线分布。（一） 边缘应力的计算1、水平截面上的边缘正应力和式中：ΣW－作用于计算截面上全部荷载的垂直分量的总和;ΣM－作用于计算截面上全部荷载对截面垂直水流流向形心距的力矩总和；

B－计算截面长度。水平外力向上游为正，铅值向下为正；力矩逆时针为正，正应力压为正，剪应力以拉伸对角线在一、三像限为正2、边缘剪应力3、铅垂截面上的边缘正应力4、边缘主应力5、有扬压力时边缘应力的计算式中：ΣW、ΣM计入相应扬压力荷载。（二） 内部应力的计算原则：在边缘应力求得以后，利用平衡条件推算坝体内部应力1、坝体内部应力的平衡条件如图为坝内微元体受力状态2、坝内水平截面上的正应力根据σy在水平面上呈直线分布假定a、b可由边界条件和边缘应力得到。3、坝内剪应力将代入微元体的平衡方程，可得剪应力τ沿x轴呈二次抛物线分布。即4、坝内正应力5、坝内主应力求得把内各点的三个应力分量σy、τ、σx后，可根据材料力学公式求得该点的主应力σ1、

σ2和第一主应力方向φ1。式中φ1以顺时针方向为正，σy>σx,自铅直线量取；σy<σx,自水平线量取。6、有扬压力的坝内应力实际上由于坝体及坝基的防渗、排水等作用，水平截面上的扬压力一般呈折线分布。计算时，可将扬压力分解为一个全截面呈梯形或三角形分布和一个在上游部分呈局部三角形分布的图形。三、重力坝的应力控制标准通过应力分析，求出坝体断面内的应力场，就可据以判断重力坝是否满足强度要求。应力控制标准与计算的方法有关，重力坝设计规范（DL5108-1999)规定的应力控制标准是按材料力学法计算的应力指标。有限元计算的应力，其控制标准参照类似工程。（一）坝基面应力的控制标准1、运用期在各种荷载作用下，坝基面下游边缘的最大垂直正应力小于基岩容许压应力力（分别计入和不计入扬压力）；坝基面上游边缘最小正应力应大于零（计入扬压力），即不产生拉应力，以防坝体与地基接触面被拉裂而导致防渗帷幕的破坏。2、施工期对下游坝基面的垂直正应力允许有不大于0.1MPa的拉应力。坝基面的容许压应力是根据岩石抗压强度结合坝基地质条件除以安全系数确定（二）坝体应力的控制标准坝体应力以主应力控制。最大压应力即

，最大拉应力即

，其中

，K-安全系数。1、运用期（1）当计入扬压力时：上游面及坝体内部的≥0;（2）未计入扬压力，≥(0.25~0.4)γ0h，γ0－水的容重，h－坝面计算点静水头；（3）坝体下游面的最大主压应力。宽缝重力坝在离上游面较远区域最大拉应力，特殊细部结构宜配筋。抗压荷载基本组合K4.0，特殊组合（除地震）K3.5；抗拉K4.02、施工期坝体任何截面上的主压应力；坝体下游面可容许不大于0.2MPa的主拉应力。地震荷载时，；允许出现瞬时的拉应力，抗拉K2.5

。(三）有限元计算的应力控制标准1.上游垂直应力控制标准（1）坝基上游面计扬压力时，拉应力区宽度宜小于坝底的0.07倍（垂直拉应力分布宽度/坝底面宽度）或坝踵至帷幕中心线的距离。（2）坝体上游面计扬压力时，拉应力区宽度宜小于计算截面宽度的0.07倍或计算截面上游面至排水孔（管）中心线的距离。2.其它应力按极限状态法控制，作用按DL5073的规定取标准值，材料、地基性能参照类似工程。四、各种非荷载因素对坝体应力的影响主要讨论：地基变形、地基不均匀性、施工纵缝及分期施工等因素。（一）地基变形对坝体应力的影响

(1)坝基变形对坝体应力分布的影响只限于坝体下部(坝底至底面以上1/3~1/4坝高)，而坝体的中、上部分基本上符合直线变化规律。(2)坝体下部应力分布与坝体材料弹性模量Ec和地基弹性模量Er的比值有关。(3)Ec/Er=(1~2)范围，对应力分布有利。（二）地基不均匀性对坝体应力的影响（1)坝踵附近地基的刚度较大时，上游坝踵有可能产生拉应力；（2)坝踵附近地基的刚度较小，靠近坝趾附近的地基刚度较大时，上游坝踵的应力状态较均匀地基有所改善，增加了压应力，而下游坝趾的压应力有所减小。因而，下游坝体布置在较坚硬的岩基上，这样可避免或降低坝踵处的拉应力。（三）施工纵缝对坝体应力的影响设置纵缝对自重应力分布有影响。（1）当n=0时，不考虑纵缝与考虑纵缝的自重应力基本相同。（2）n>0，上游坝面为正坡，考虑纵缝时上游坝踵的自重应力减小了，与水压力引起应力叠加的结果，坝踵处的应力状况明显恶化，可能发生拉应力。故上游坝坡不宜过缓。(3)n<0，即上游坝面形成倒坡，考虑纵缝影响时，自重应力增大，与水压力引起应力叠加的结果，对坝踵处的应力有利。但倒坡过大，施工期坝趾容易产生过大拉应力。（四）分期施工对坝体应力的影响分期施工对坝踵应力的影响是趋于不利的。第五节重力坝的剖面设计原则：在满足运用、稳定和强度要求的前提下，尽量减少工程量、造价、缩短工期。过程：先考虑坝体主要的荷载，按安全和经济要求，拟定基本剖面，再根据运用及其他要求，将基本剖面修改成为实用剖面，最后对其进行应力分析和稳定验算，确定合理的坝体剖面。一、基本剖面（baseprofile)

作用在重力坝上的主要外力是上游水压力。上游水压力是三角形分布的，因而根据稳定和强度所得出的重力坝基本剖面也应是三角形的。基本剖面的分析任务－满足稳定和强度要求下，根据给定的坝高H，求得最小坝底宽B，即确定三角形上下游坡度。

（一）按应力条件确定坝底最小宽度假定上游库满水位平三角形顶点，荷载只考虑水平水压力P（假设下游无水），水重Q和坝体自重G以及扬压力U。在坝轴线方向取单位长度坝体，其上下游面的水平投影长度分别为λB，和（1-λ）B。1设计工况满库和空库两种工况2强度标准重力坝上下游边缘不出现拉应力。3方法根据偏心受压公式，可求得λ：库空：0λ1满库：，当λ＝0时，（二）按稳定条件确定坝底最小宽度当f较大时，B由应力条件控制；当f较小时，B由稳定条件控制。（1）加大λ，可以利用上游倾斜坝面上的水重增加坝体稳定，减小坝底宽度B；由于应力条件的限制，λ值不能随意加大。（2）最优的λ的值，应通过应力和稳定条件联立求解。（3）根据经验，一般n=0~0.2，m=0.6~0.85，B约为H的0.7~0.9倍二、实用剖面（一）坝顶宽度（1）满足设备布置、运行、交通及施工的要求，非溢流坝的坝顶宽度一般可取坝高的8~10%，并不小于2米。（2）若作交通要道或有移动式启闭机设施时，应根据实际需要确定，当有较大的冰压力或漂浮物撞击力时，坝顶最小宽度还应满足强度的要求。（二）坝顶高程坝顶或坝顶上游防浪墙顶高出水库静水位高度h＝2hl＋h0＋hc；式中：2hl－波浪高度，h0－波浪中心线高出静水位高度；hc

－安全超高。由于设计和校核采用的风速不同，设计和校核情况的2hl、

h0值不同。设计洪水位计算的坝顶高程h设=设计洪水位+h设校核洪水位计算的坝顶高程h校=校核洪水位+h校坝顶高程＝max（h设，h校），同时防浪墙高度1.2m（三）剖面形态由基本剖面修改为实用剖面，有三种常用的形态。（1）铅直上游坝面适用：坝基f、c较大，剖面由应力条件控制。优点：便于布置和操作坝身过水管道进口控制设备。缺点：库空时下游坝面可能产生拉应力。（2）上游坝面上部铅直、下部倾斜优点：利用部分水重增加坝的稳定性，便于管道进口布置和操作。缺点：上游折坡点要结合应力和管道进口布置高程选定，要验算折坡点截面的强度和稳定。一般在坝高的1/3~2/3的范围内。（3）上游坝面略呈倾斜优点：增加坝体自重，利用部分水重增加坝的稳定性，可避免库空时下游产生过大拉应力。适用：f、c较小情况。三、优化设计（一）水工建筑物优化内容布局优化－在结构类型和材料已定的情况下，选定结构布置。体型优化－结构布局巳定的条件下，优化几何形状和外形尺寸。断面优化－布局和几何轮廓已定的情况，选定构件或坝体剖面的最优尺寸。（二）重力坝优化设计（1）确定描述坝体体形的设计参数，如重力坝的上下游折坡点位置（4个坐标变量）；（2）建立目标函数，取坝体体积作为目标函数；（3）确定约束条件，如稳定约束、应力约束、几何约束等；（4）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，可以采用序列二次规划法迭代逼近求解。（参阅“优化方法及其在水工中的应用”浙江大学汪树玉主编，水利电力出版社）第六节泄水重力坝的剖面设计及消能防冲

坝身设有溢流面、底孔、中孔的重力坝称为泄水重力坝。它既是泄水建筑物，又是挡水建筑物。应满足稳定、强度、水流条件及和消能防冲要求。一、泄水重力坝的泄水方式1、坝顶溢流式①闸门承受水头较小，孔口尺寸可以较大；②下泄流量大；③闸门启闭方便，易于检查修理；④可以排冰及其他漂浮物，但不能预泄；2、大孔口溢流式布置在坝顶带胸墙的泄水建筑物①可满足预泄要求；②利用胸墙挡水减小闸门高度；③低水位时胸墙不影响泄流，和堰顶泄流相同；④胸墙可以做成活动式的，当遇特大洪水时，可将胸墙吊起来；⑤库水位较低时，不能供水和放空检修；3、深式泄水孔按孔内流态可分为有压泄水孔和无压泄水孔①流量与水头的二分之一次方成比例，超泄能力小；②闸门承受水头高，操作、检修都比较复杂；③可向下游供水、预泄、放空、排沙和施工导流；二、混凝土溢流重力坝设计溢流重力坝设计内容包括溢流坝孔口尺寸、剖面布置、结构布置和消能防冲等。（一）孔口尺寸影响因素：设计洪水标准、下游防洪要求、地形地质条件(单宽流量)、总泄量。设计内容：溢流前缘总宽度、堰顶高程、孔口数目和尺寸。1、下泄流量确定Q=Qs-αQ0，Q0－经由水电站、泄水孔及其他泄水建筑物的下泄流量，Qs允许下泄流量

α

－安全系数。2.溢流前缘净宽由地形地质先定q→L＝Q/q，L－溢流前缘总净宽5.未知设计洪水位和允许下泄流量根据洪水设防标准和洪水过程线以及允许下泄量，通过调洪演算，确定设计和校核洪水位，拟定孔口尺寸。6.溢流孔布置：横缝设于闸墩中间和横缝设于闸孔中间。（二）剖面布置溢流坝基本剖面的确定原则与非溢流坝完全相同，为满足泄水的要求，其实用剖面将坝体下游斜面修改成溢流面。溢流面形状应具有较大的流量系数，泄流畅，坝面不发生空蚀。3.溢流孔数、尺寸和闸墩厚n一般单数，b＝8～20m，按规范推荐尺寸溢流前缘总宽度L0＝L+(n-1)d=nb+(n-1)d

，d－闸墩厚度，n－孔数，b＝L/n－孔口宽。4.堰顶高程（溢流坝）

→H0→堰顶高程=设计洪水位－H，H=H0－2溢流重力坝剖面布置溢流重力坝的实用剖面也是由三角形基本剖面修改而成。在溢流面曲线段、直线段和反弧段根据水力学条件确定后，可用基本剖面与溢流面曲线相拟合形成。1溢流面曲线溢流坝面由顶部曲线段，中间直线段和下部反弧段组成。根据在设计水头下堰面是否允许出现真空（负压），分为真空剖面和非真空剖面堰两种类型。（三）溢流坝顶部结构布置包括闸门、启闭机、闸墩、工作桥、公路桥和交通等结构和设备等。1闸门（1)作用①关闭－挡水，水压力闸门闸墩坝或其他稳定设备。②开启－泄流，排除漂浮物、泥沙等。（2）类型按功用分：溢流坝上的闸门有工作闸门和检修闸门。①工作闸门－正常运用条件下使用，在静、动水中启闭。工作闸门一般布置在溢流堰顶点，偏下游位置。工作闸门的型式有平面闸门和弧形闸门。平面闸门－挡水面板是平面的，结构简单，闸墩受力条件好，但闸墩厚，水流条件差。型式可整体，可迭梁；启闭可铅直、可升卧或翻倒。弧形闸门－挡水面板是弧形的，整体式。启闭力小，闸墩薄，水流条件好，但闸墩较长。②检修闸门－工作闸门检修时，临时挡水，能动水中关闭，静水中开启。按位置分：有表孔闸门和深孔闸门。表孔闸门－控制上游水位附近的孔口，如溢流堰、水闸孔口等。特点：水头小、承受水压力小、尺寸大。深孔闸门－控制水面以下的水流，如泄水孔、引水孔等水流。特点：水头大，受水压力大，尺寸小2闸墩、导墙和工作桥闸墩和导墙要满足强度、水流和布置要求。工作桥要满足启闭机械的安装、运行要求。（四）溢流坝面的空蚀及减蚀措施溢流面及溢流坝反弧段易产生空蚀减免空蚀措施：①合理设计流体型；提高流表面的平整度；③采用工程措施，促使水流掺气减蚀；④提高过流表面材料的抗蚀性能。缺点：（1）深式泄水孔闸门承受的水压力很大，故门体结构、止水和启闭都复杂，造价高。（2）孔内流速大，易产生负压、空蚀和振动。（二）组成由进口段、闸门段、孔身段和出口段三部分组成。分有压泄水孔和无压泄水孔。三重力坝泄水孔可设在溢流坝段和非溢流坝段，主要组成进口段、闸门段、孔身段、出口段和下游消能设施等。（一）作用1和溢洪道一起渲泄洪水，进口高程低，可预泄库水，增大调蓄能力。2防空水库，以便检修大坝；冲砂、冲泥，减少水库淤积；随时泄水，以满足航运、灌溉要求3施工导流1进口段（1）进口不发生淤堵，进口尽量低，与用途、坝后引水等工程协调。（2）进口越低，造价越高。不同高程布置，以适应不同水位。（3）进口为有压水流，应尽量平顺。2.闸门段设置工作闸门和检修闸门。深水闸门常布置平压管；闸门后布设通气孔；有压洞：工作闸门设在下游，检修闸门设在上游。无压洞：工作闸门和检修门均设在上游进口段。闸门型式：平面闸门、弧形闸门。平面闸门槽易发生空蚀破坏。3.孔身段－削弱坝体结构，孔边常配筋，必要时考虑衬砌。有压－圆形；无压－矩形或城门洞形；4.出口段有压洞－出口压坡，防止洞顶负压；无压洞－出口扩散，减轻冲刷。（三）泄水孔的应力分析（1）三维有限元按整体结构计算（2）弹性力学无限域中的小孔口计算先计算孔口形心处的应力，作为孔口计算荷载，与内水压力一起计算孔口周边应力。（四）泄流能力的计算Ac－泄水孔出口断面面积；μ－流量系数：H－水库水位与出口水面之间的高差四消能和防冲通过坝体的下泄水流具有很大的能量，必须要有合适的消能设施，否则会冲刷下游河床，影响正常运行，危及建筑物安全。水流的能量消耗主要为两个方面：

（1）水流的内部损耗，如摩擦、冲击、紊动、漩涡；

（2）水流与固体边界作用，如摩擦、冲刷等；消能设计原则：（1）尽量增加水流的内部紊动（2）限制水流对河床的冲刷范围消能设计的主要内容：（1）建立特定边界条件，对水流起扩散、反击和导流作用（2）分析水流状态对边界的反作用，合理设计消能工和防冲措施消能方式：底流消能、挑流消能、面流消能、消力戽消能（一）底流消能在坝址下游设置混凝土护坦，过坝水流在护坦上发生水跃（hydraulicjump），形成旋滚，水流通过掺气，水分子互相撞击、摩擦，消耗能量。要求：护坦厚度应满足稳定要求，在扬压力和脉动压力作用下不浮起。适用：各种水头的溢流坝和水闸以及各种河床的地质情况，特别适用地质条件差，河床抗冲能力差的情况。优点：下游流态平稳，消能运行可靠。缺点：土石方开挖量，混凝土浇筑用。（二）面流消能在坝址处设置鼻坎，利用鼻坎将水流挑至水面(不是空中)，形成波浪，在主流下面形成旋滚，从而达到消能的目的。条件：下游尾水较深，水位变幅小。适用：较低水头，下游水深大，水位变幅小，有排木排冰等要求。缺点：下游面波动强烈，影响电站稳定运行和通航，易冲刷两岸。（三）挑流消能利用鼻坎将水流挑向空中，并使其扩散，掺入大量空气，然后落入下游河床水垫，形成旋滚，消耗能量约20％。起初冲刷河床，形成冲坑，达一定深度后，水垫加厚冲坑趋于稳定。特点：构造简单，工程投资省，检修施工方便。适用：高水头，下游水深大，河床基岩完整。鼻坎型式：连续式和差动式。1鼻坎的型式和尺寸鼻坎的型式主要有连续式和差动式两种。连续式：优点：结构简单，施工方便，水流平顺，射程远。缺点：水舌在空中扩散掺气的消能作用相对差，冲刷坑较深。差动式：优点：加剧水舌在空中扩散、掺气、碰撞，消能效果好，减小冲坑深度。缺点：冲坑最深点离坝脚较近，流态复杂，易引起空蚀破坏。其它改进的鼻坎型式有：扩散坎、斜挑坎、扭曲坎、高低坎、窄缝坎、分流墩和宽尾墩等。2挑射距离和冲刷坑深度的估算（1）挑射距离连续式挑流鼻坎的水舌挑射距离，可按质点抛射原理计算。据经验，冲刷坑最深点大约在水舌外缘的延长线上。水舌挑距公式：式中：L－水舌挑距（m），鼻坎末端至冲刷坑最深点的水平距离；v1－坎顶流速（m/s），一般取坎顶平均流速的1.1倍；α

－挑射角；h1－坎顶平均水深在铅直方向的投影；h2－坎顶至河床表面高差；g－重力加速度。（2）冲刷坑深度式中各项意义见P197（3）安全挑距：L(2.5~5.0)tr（四）戽流消能利用戽坎在水下的特点，使水流分别在戽内和戽后漩滚，形成“三滚一浪”，进而达到消能目的。优点：工程量比消力池省，冲刷坑比挑流消能小，不存在雾化问题。缺点：下游水位波动较大，延绵范围较长，易冲刷河岸，对航运不利，底部漩滚会把河床砂石带入戽内，磨损戽面，增加维修费用。适用：下游水深变幅小，无排冰、漂木要求，且下游河床有一定的抗冲能力。（五）下游水流条件消能后的水流仍具有相当能量，会造成一定程度冲刷，并影响下游水流条件。

1成因底流，下泄的高速水流带动厂房尾水产生反向回流。

2防治措施（1）溢流坝布置在下游河槽（原来河槽），尽量使水流平顺；（2）运行：各孔隔孔同步开启；（3）分水墙－减少溢流对发电尾水的干扰；（4）消力坝－进一步削减水流能量，保持水流平稳，减少冲刷。第七节重力坝的材料和构造

一、砼重力坝的材料（一）水工砼的特性指标1、强度标准立方体极限强度分为12种强度等级，重力坝常用C10、C15、C20、C25等级别，砼的强度随龄期增加，对坝体提出强度要求时，应指出其对应的龄期，坝体砼抗压设计龄期一般采用90天，最多不宜超过180天，同时规定相应28天龄期的强度，作为早期强度的控制。抗拉强度一般采用28d龄期，可用抗压强度的8~12%折算。2、抗渗性大坝防渗部位如上游面、基础层和下游水位以下的坝面，其砼应具有抵抗压力水渗透的能力。用抗渗标号如S4、S6、S8等表示(新规范用抗渗等级，如W4、W6、W8等)。根据允许的渗透坡降选用。抗渗标号或等级也随砼的龄期增长，一般取与强度的设计龄期（如90d）相同，根据SD105-82和DL5108-1999规定。3、抗冻性指饱和状态下能经受多次冻融循环而不破坏，不明显降低强度的能力。用抗冻标号如D50、D100、D150等表示(新规范用抗冻等级，如F50、F100、W150等)，根据砼试件在90d龄期承受的最大冻融循环次数来决定（SD105-82和DL5108-1999）。4、抗磨性指砼抵抗高速水流或挟沙水流的冲刷和磨损的性能。根据经验，对于有抗磨要求的砼，采用高标号硅酸盐水泥或硅酸盐大坝水泥控制，其抗压强度等级应C20，且要求骨料质地坚硬，施工振摇密实以提高其耐磨性。5、抗侵蚀性大坝砼可能遭受环境水中某些物质的化学作用，引起侵蚀破坏。根据水质分析，选择恰当的水泥品种，并尽量提高砼的密实性。（二）坝体砼的分区坝体各部位的工作条件不同，对砼材料性能指