项目一 重力坝讲解

佛子岭水库溢洪道

黄溧树水库上游护坡（沙河集水库）响洪甸港口湾磨子潭水库花凉亭水库土石坝龙河口土石坝

岩基上的重力坝

第一节概述一、重力坝的工作原理及特点重力坝的工作原理:主要依靠坝体自身重量在滑动面上产生的抗滑力来抵消坝前水压力以满足稳定的要求；同时也依靠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。简之：依靠自重满足抗滑稳定及无拉应力的强度要求。重力坝坝轴线一般为直线，垂直坝轴线方向设横缝，将坝体分成若干个独立工作的坝段，以免因坝基发生不均匀沉陷和温度变化而引起坝体开裂。为了防止漏水，缝内设止水。

重力坝的工作特点:

优点和缺点

重力坝的类型

按坝的高度分类为：高坝、中坝、低坝三类。按筑坝材料分类可分为：混凝土重力坝和浆砌石重力坝。按坝体的结构型式分类可分为：实体重力坝、宽缝重力坝、空腹重力坝。重力坝的设计内容

1、剖面设计2、稳定分析3、应力分析4、构造设计5、地基处理6、溢流重力坝和泄水孔的孔口设计7、监测设计

第二节重力坝的荷载

分

析

作用（荷载）包括：

坝体自重、水压力、扬压力、浪压力、冰压力、土压力、泥沙压力、地震荷载等。

ho

式中2hL—

当=20∽250时，为累积频率5%的波高；当=250∽1000时，为累计频率10%的波高。在计算浪压力时，规范规定采用累计频率为1%时的波高，对应于5%的波高，应乘以1.24；对应于10%的波高，应乘以1.41。

2LL—

平均波长m。

—计算风速，m/s。设计情况采用校核50年一遇最大风速，校核情况采用多年平均风速。

D——吹程，m。可取坝前沿水库到对岸水面的最大直线距离，当水库水面特别狭长时，以5倍平均水面宽为限。

吹程D波浪中心至静水位的高差

式中：H1——坝前水库水深，m;cth——双曲线余切；当H1>Ll时，上式可简化为：

作用效应（荷载）组合荷载按其随时间的变异性可分为永久作用、可变作用和偶然作用；按其作用状况又可分为持久状况、短暂状况和偶然状况。

设计状况荷载组合

持久状况基本组合短暂状况基本组合

偶然状况偶然组合

第三节

重力坝剖面形式拟定

第四节

重力坝的稳定分析、应力分析稳定分析是重力坝设计中的一项重要内容，其目的是核算坝体沿坝基面或沿地基深层软弱结构面抗滑稳定的安全性能。

稳定分析方法单一安全系数法和分项系数极限状态法1.单一安全系数法K=

阻滑力滑动力

=

f(∑w-u)

∑p

K=阻滑力阻滑力=f(∑w-u)∑p+c′A2.分项系数极限状态法

作用函数≤抗力函数

分项系数极限状态法重力坝按承载能力极限状态设计时，考虑以以下两种作用效用组合：（1）

基本组合——持久状况（或短暂状况下），永久作用与可变作用组合。（2）

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。对基本组合，采用以下极限状态设计表达式：

对基本组合，采用以下极限状态设计表达式：作用函数抗力函数

式中：γ0——结构重要性系数；

ψ——设计状况系数；

S（·）——作用效应函数；

R（·）——结构及构件抗力函数；

γG——永久作用分项系数；

γQ——可变作用分项系数；

Gk——永久作用标准值；

Qk——可变作用标准值；

αk——几何参数的标准值；

fk——材料性能标准值；

γm——材料性能分项系数；

γd——基本组合结构系数。

对基本组合，采用以下极限状态设计表达式：作用函数抗力函数

式中：Ak——偶然作用的代表值；

γd——偶然组合结构系数；结构重要性系数γ0是用来考虑水利水电工程结构或构件的重要性和失事后果。计算作用效应函数S（·）时，作用取设计值，是考虑作用（荷载）对标准值的不利变异。设计值等于标准值乘以分项系数γG即Qd=Qk·γG

提高坝体抗滑稳定性的工程措施

(1)

利用水重(4)抽水措施

(2)将坝基面开挖成(5)加固地基

倾向上游的斜面(6)横缝灌浆

(3)设置齿墙(7)预应力锚固措施重力坝的应力分析

1.重力坝应力分析的目的与方法应力分析的目的：为了检验大坝在施工期和运用期是否满足强度要求；并根据应力分布情况进行坝体混凝土标号分区；也为研究坝体某些部位的应力集中和配筋等提供依据。

应力分析的方法：

1、模型试验法

2、材料力学法

3、弹性理论的解析法

4、弹性理论的有限元法材料力学法符号规定

因为假定按直线分布，所以可按偏心受压公式计算上、下游边缘应力σyu和σyd。

式中：∑W——作用于计算截面以上全部荷载的铅直分力的总和，kN（包括坝体自重、水重、淤沙重及计算的扬压力等），以向下为正，对于实体重力坝，均切取单位宽度坝体为准（下同）

∑M——作用于计算截面以上全部荷载对截面形心的力矩总和，kN·m，以使上游面产生压应力者为正。

B——计算截面的长度，m

边缘应力计算

由上游坝面的微分体，根据平衡条件∑Fy=0

得τu=(Pu-σyu)n式中：Pu——上游面水压力强度，kPa（如有泥沙压力和地震动水压力也应记在内）；

Puu——上游边缘应力的扬压力强度；

σyu——坝体上游边缘应力；

n——上游坝坡坡率，

由下游坝面微分体，根据平衡条件∑Fy=0

得

τd=(σyd-Pd)m

Pd——下游面水压力强度，kPaPud——下游边缘应力的扬压力强度σyd——下游坝面边缘应力，kPam——下游坝坡坡率

由上游坝面微分体，根据∑Fx=0

可得：

σxu=Pu-(Pu-σyu)

n2σxu=Pu-τun2

同样，由下游坝面微分体，可得：

σxd=Pd+(σyd-Pd)m2σxd=Pd+τdm2边缘主应力计算

σ1u=(1+n2)σyu-Pun2

σ1d=(1+m2)σyd-Pdm2

σ2u=Pu

σ2d=Pd

根据平衡条件∑Fy=0计入扬压力边缘应力计算极限状态法

采用概率极限状态设计时，对重力坝应分别按承载能力极限状态和正常使用极限状态进行强度验算。1.坝趾抗压强度极限状态

2.上游坝踵不出现拉应力极限状态因为上游坝踵不出现拉应力极限状态属于正常使用极限状态第五节

重力坝的剖面优化设计与下游消能措施设计

1.基本剖面形状

2.实用剖面设计

泄水重力坝一、溢流重力坝

按功能可分为以下三类：（1）泄洪建筑物（2）泄水孔（放水孔）（3）施工泄水道

溢流坝的工作特点

溢流坝既是挡水建筑物又是泄水建筑物，除应满足稳定和强度要求外，还需要满足泄水的要求。

孔口设计溢流坝孔口尺寸的拟定包括泄水前缘总宽度、堰顶高程以及孔口数目和尺寸。

1.确定洪水标准

2.确定溢流坝的下泄流量Q=QZ-αQ0

(1)坝顶溢流式3.孔口形式的选择(2)大孔口溢流式三峡工程

4.溢流孔口尺寸的确定(1)单宽流量的确定

设L为溢流段净宽（不包括闸墩的宽度），则通过溢流孔口的单宽流量为：q=

QL

1)溢流前缘总长L0应为：(2)孔口尺寸

当采用大孔口泄洪时，可用下式计算出堰顶水头H0

当采用开敞式溢流时，可利用下式，计算出堰顶水头H0

2）溢流坝的堰顶高程

5.闸门的类型与作用

水工闸门按其功用可分为工作闸门、事故闸门和检修闸门。

6.闸墩的作用

闸墩的作用是将溢流坝前缘分隔为若干个孔口，并承受闸门传来的水压力（支承闸门），也是坝顶桥梁和启闭设备的支承结构。

7.横缝的布置①缝设在闸墩中间②缝设在溢流孔跨中

溢流曲线和剖面设计1.溢流面曲线溢流面曲线由顶部曲线段、中间直线段和下部反弧段三部分组成。堰面曲线方程如下：式中：Hd—定型设计水头，按堰顶最大作用水头Hmax的75%～95%计算XY对于设有胸墙溢流堰的堰面曲线：

Hd

——定型设计水头，一般取孔口中心至校核洪水位的75%～95%；φ

——孔口收缩断面上的流速系数，一般取φ=0.95。

2.反弧段溢流坝下游反弧段的作用是使溢流坝面下泄的水流平顺地与下游消能设施相衔接。

3.直线段中间的直线段与坝顶曲线和下部反弧段相切，坡度一般与非溢流坝段的下游坡相同。具体应由稳定和强度分析及剖面设计确定。

溢流重力坝剖面设计

消能工的形式与设计

1.消能工设计原则与形式

(1)消能工的设计原则

(2)消能工的形式

5.消力戽消能2.挑流消能3.底流式消能4.面流消能6.联合消能底流式消能挑流式面流式消能

溢流坝设计中有关高速水流空化和空蚀、掺气、脉动、冲击波

二、坝身泄水孔

1.坝身泄水孔的作用

2.坝身泄水孔的形式

按水流条件，坝身泄水孔可分为有压泄水孔和无压泄水孔；按泄水孔所处的高程可分为中孔和底孔；按布置的层数又可分为单层和多层的。

3.进口段4.闸门段5.孔身段6.渐变段

平压管为了减小检修闸门的启门力，应当在检修闸门和工作闸门之间设置与水库连通的平压管。第六节重力坝的材料及构造一、混凝土强度、抗渗性、抗冻性、抗冲刷性、抗侵蚀性、抗裂性。二、坝体混凝土分区

三、坝体分缝与止水

1)横缝:

横缝垂直坝轴线，将坝体分为若干坝段。其作用是减小温度应力、适应地基不均匀变形满足施工要求。

2)纵缝

为了适应混凝土的浇筑能力和减少施工期的温度应力，常在平行坝轴线方向设纵缝，将一个坝段分成几个坝块，待坝体降到稳定温度后再进行接缝灌浆。

3)水平工作缝

水平工作缝是分层施工的新老混凝土之间的接缝，是临时性的。四、坝体排水

坝基虽然已经进行帷幕灌浆，但并不能完全截断渗流。目的为了减少坝体渗透压力，靠近上游坝面应设排水管幕，如图所示。

五、廊道系统

为了满足施工运用要求，如灌浆、排水、观测、检查和交通的需要，须在坝体内设置各种廊道，这些廊道互相连通，构成廊道系统，如图所示。1—检查廊道；2—基础灌浆廊道；3—坚井；4—排水廊道；5—集水井；6—横缝；7—灌浆帷幕；8—排水孔幕六、坝顶构造

根据已定实用剖面的尺寸，进行坝顶的路面设计，在坝顶上布置排水系统和照明设备。

第七节重力坝的地基处理

1)具有足够的强度；

2)具有足够的整体性和均匀性；

3)具有足够的抗渗性；

4)具有足够的耐久性；地基处理主要任务是：

一是防渗；二是提高基岩强度。一、地基的开挖与清理（岩石地基处理措施）

我国现行重力坝设计规范要求，凡100m以上的高坝需建在新鲜、微风化或弱风化下部基岩上；100～50m的坝可建在微风化至弱风化中部基岩上；坝高小于50m时，可建在弱风化层中部或上部基岩上。

二、坝基的固结灌浆

固结灌浆的目的是：提高基岩的整体性和强度，降低地基的透水性。固结灌浆孔一般布置在应力较大的坝踵和坝趾附近，以及节理裂隙发育和破碎带范围内。

三、帷幕灌浆

帷幕灌浆的目的是：降低坝底渗透压力；防止坝基内产生机械或化学管涌；减少坝基和绕坝渗透流量。防渗帷幕布置于靠近上游面坝轴线附近，坝基灌浆帷幕中心线距坝上游面的距离，可取0.1倍左右坝底宽。四、坝基排水

坝基虽然已经进行帷幕灌浆，但并不能完全截断渗流。目的为了进一步降低坝底面的渗透压力，应在防渗帷幕后设置排水幕，收集并排走由坝基渗透过来的水，有时还设有基面排水，如图所示。

五、断层、破碎带处理

第八节

碾压式混凝土重力坝其主要优点是：1)施工工艺程序简单，可快速施工，缩短工期，提前发挥工程效益。2)胶凝材料(水泥+粉煤灰+矿渣等)用量少，一般在120～160kg/m3，其中水泥用量约为60～90kg/m3。3)由于水泥用量少，结合薄层大仓面施工，坝体内部混凝土的水化热温升可大大降低，从而简化了温控措施。4)不设纵缝，节省了模板及接缝灌浆等费用。5)可适用大型通用施工机械设备，提高混凝土运输和填筑工效。6)降低工程造价。

坑口碾压混凝土坝横剖面（一）材料

碾压式混凝坝的胶凝材料远比常态混凝土用量少，其中粉煤灰在胶凝材料中所占比重一般为30%～60%。水胶比一般在0.45～0.7之间。

（二）坝体构造

由碾压式混凝土重力坝采用通仓碾压，故可不设纵缝。但为了适应温度伸缩缝和地基不均沉降，仍应设置横缝，间距一般为15～20m。比常态混凝土重力坝降低造价约10％。

第九节

其它型式重