重力坝

工 建 筑 物
α 1γ0 H
排水孔中心线
H H
γ
0
H2
γ 0 H2
H
γ
0
H
γ 0 H2
α 2γ0 H
（C）
（d）
H2
水
B、坝体扬压力
工 建 筑 物
坝体扬压力主要由渗入坝体内部的渗透水
流引起，对坝体的应力分布影响较大，为 减少扬压力常在上游坝面厚约0.5~3.0m的 防渗混凝土其后做排水管及防渗帷幕。 坝体扬压力计算方法与坝基扬压力计算方 法相同。
建 筑 物
0
水 工 建 筑 物
（二）应力方面：在考虑重力坝应力问题 时，我们是常将其视为平面应变问题来考 虑，将其看成固结於地基上的悬臂梁用材 料力学方法来考虑。一般情况下，用无拉 应力来控制，也就是说在坝截面不允许出 现拉应力（ 0），这主要是因为圬工 材料抗拉性能差，一旦出现拉应力就会引 起裂缝，裂缝的产生可能使坝体渗水，甚 至断裂。
一．重力坝的荷载
（一）自重（包括永久设备自重） 坝体自重W标准值计算公式如下： W=V c r （kN/m） 式中：V——坝体体积（ m3），常将坝体断面分解成矩形、三角形计算 [如图 ]。
水 工 建 筑 物
（二）静水压力 静水压力是作用在上下游坝面的主要荷载。 如图所示。计算时常分解为水平水压力（PH） 和垂直水压力（PV）两种。溢流堰前水平水 压力以（PH1）表示
工 建 筑 物
排水孔中心线
H H H1 H2
γ
0
2
0
H
γ 0 H2
0
α 2 γ0 H α 1γ0 H
（a）
（b）
H2
水 工 建 筑 物
坝基只设防渗帷幕，
H 坝趾处扬压力 H
坝踵处扬压力
0 0
1
， ，
帷幕中心线扬压力
公式中
H H ，以上 0.50 ~ 0.70 。
0 2 1 0
水 工 建 筑 物
长江三峡水利枢纽重力坝，坝高185m。下图 为世界最大的水利枢纽—中国三峡水利枢纽 工程。
水 工
一、工作特点
一、工作特点
（一）稳定方面：重力坝是依靠本身的自 重作用来维持稳定。由于自重的作用在地基 与坝体接触面上产生摩擦力。坝体与地基间 有时存在粘结力。这两部分组成了阻滑力， 阻止坝体滑动，维持坝体稳定。
稳定和无拉应力是重力坝设计时两个基本 准则。
水

K
工
f W P
（三）荷载特点：重力坝受扬压力的作用， 扬压力的作用减轻坝体铅直向下的力，对坝 体稳定产生危害，同时对坝体应力影响也较 大。
（四）重力坝的泄水以及施工导流比较容 量解决，重力坝材料为圬工材料，耐冲， 强度大，其截面较大，可允许坝顶溢流。
0.45 ~ 0.60
1
0.20 ~ 0.40
2
规范规定：
河床坝段 ：α=0.2～0.3 岸坡坝段 ：α=0.3～0.4
需要指出：原型观测资料表明：扬压力因受泥
沙淤积的影响随时间延长而减小，对稳定有利。
物
H1
筑
γ 0H 1
γ H
0
γ 0 H2
建
工
水
（a）
H2
H
H1
水
防渗帷幕中心线
0.15 ~ 0.30
3
水 工 建 筑 物
γ0 H H
α 3γ 0H
水 工 建 筑 物
（四）淤沙压力 入库水流挟带的泥沙在水库中淤积，淤积在坝前的泥沙对坝 面产生的压力叫淤沙压力。如图所示。
水 工 建 筑 物
这主要是对多泥沙河流而言。 坝前淤积泥沙随时间推移而增高，计算时 ，
一般情况是按一定的水库淤积年限乘以库内
总垂直力为：
PV
式中 q——相应设计状况下反弧段上的单宽流量 [m3/（s.m）]； ——水的重度； v——反弧段最低点处的断面平均流速（m/s） α1、α2——分别为反弧段圆心竖线左、右的中心角， 取其绝对值。 PH和PV的作用点可近似的认为在反弧段长度的中 点，上图所示方向为正。
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D=5B。
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吹程 D
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平原地区水库按鹤地水库公式：
hl 0.0136V f
3/ 2
D ( m) ( m)
1/ 3
Ll 0.389V f D f
1/ 2
适用范围： Vf＜23m/s， D＜4km。
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新的《荷载规范》规定，丘陵、平原地区 水库宜用鹤地水库公式计算波高和波长 （适用于 v0 26.5m / s , D 7.5km）。
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（五）重力坝对气候、地形、地质等条 件适应性较强，抗震性能较好。
因此，除承受能力低的软基和有难以 处理的断层、破碎带等岩石基外，其他 多类地基均可修建重力坝，亦可建于地 震区。
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二、重力坝的分类
（一）按剖面型式分 1、实体重力坝 这种坝体内部应力较小材 料未能充分得到利用。 2、宽缝重力坝 坝体内设有宽缝这样使坝 体所承受有扬压力下降，筑坝混凝土用量 也下降。 3、空腹重力坝 坝体内设有空腹，空腹的 设置同样可使扬压力下降，混凝土用量下 降量在电站工程中可将厂房建於空腹中。
平均泥沙淤积量，估算水库泥沙淤积总量再 由库容曲线查得泥沙淤积高度。 一般淤积年限为50~100年（大型水库）， 20~50年（中小型水库）。 淤积高程求得后，作为于坝面的泥沙压 力（土压力）可按土力学中有关公式求
得。
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Pe n h tg ( 45
2
n
2
)
式中

h
n n
3 —泥沙的浮重度， n ( 6.5 ~ 9 )kN / m ， —泥沙的内摩擦角，对淤积时间较长的精颗粒泥 沙取 ，对较细的粘土质，淤积 （ 18 ~ 20） n 物可取 ，对极细粘土胶质颗粒 （ 12 ~ 14 ） n 淤泥取 0 。
—坝面上任一点处的泥沙淤泥积深度，
Lm — 平均波长(m) 。
水
以上公式中，Vf—计算风速，正常蓄水值
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及设计洪水位时，宜采用相应洪水期多年 平均最大风速的1.2~2.0倍，校核洪水位， 宜采用相应洪水期平均最大风速。 D—吹程或风区长度（km）由坝前沿水面 到对岸的最大直线距离，若库面长度大于
5倍水库平均宽度B的力狭长水库，取
n
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(五)浪压力 1）成因：风的作用→波，波浪遇到建筑物 的铅直或接连铅直上游面时，由于波浪自射 产生立波，浪高比水库中浪高增加一倍。
水 工 建
2）波浪要素：
浪高hl
波峰与波谷间高差，
筑 物
波长Ll
波峰与波峰间水平距离。
ho 为波浪中心线到静水面距离。
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(2)波浪的分类： 当 H1>（Ll/2）时，波浪运动不受库底的 约束，称为深水波。 当 Hk< H1<（ Ll/2）时，波浪运动受到库 底影响，波速降低，波长缩短，波浪中心
2
1
防渗帷幕中心线
H1
H
γ
0
H
γ 0 H2
α 1γ0 H
（C）
H2
H1
水 工 建 筑 物
坝基只设排水孔（地质条件较好的情况）， 坝踵处的扬压力 坝趾处扬压力
0 0 1
，
H，
， 。 H H
0 2 2 0
排水孔中心线扬压力 H
2
此时
2
0.30 ~ 0.50
水
防渗帷幕中心线
H1
γ0 H 1
Ll hl ho L Pl ro ( )Ll ro 4 8
2 l
水 工 建 筑 物
浅水波 Hk＜Hl ＜Ll /2
2hl h0
gLm 1 / 2.15 gD 0.331v0 2 2 v0 v0
1 / 3.75
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h —波高， gh 当 2 20 ~ 250 时，为累积频率5% v0 的波高 h5% ， gh 当 2 250 ~ 1000时 ，为累积频率 v0 10%的波高 h10%
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3）扬压力计算 一船可由原位观测资料分析扬压力，而设计时则 主要利用简化计算方法来计算扬压力的大小，简 化计算方法主要采用直线比例法。
水 工
0 H2
建 筑 物
A、坝基扬压力 对于未采用任何防渗措施的重力坝来讲，浮 托力= 计算截面某点的浮托力等于该点到下 游水面的距离乘以水的容重。渗透压力按直 线分布。 扬压力是一个铅直向上的力，它减少了重力 坝作用在地基上的有效应力，降低了抗滑能 力对重力坝的稳定不利，同时对重力坝的强 度也不利。
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§2-1重力坝的工作特点及其分类
根据历史记载，最早的重力坝是公元前 2900年古埃及在尼罗河上修建的一座高15m、 顶长240m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迄今为止最高的 重力坝—大狄克桑斯坝（坝高285m）。
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为了降低扬压力采用防渗排水措施→降低坝 底面的渗透压力防渗排水措施的设置主要有 以下几种情况：
坝基既设防渗帷幕又设排水孔，坝踵 （heel）处扬压力 0 H 1 0 H 2 0 H 坝趾处（toe）扬压力 0 H 2 帷幕中心线上扬压力 0 H 2 1 0 H 排水孔中心线上扬压力 0 H 2 2 0 H 以上公式中的系数 1 、 2 根据地基条 件，防渗帷幕和排水设施质量来拟定一般
水 工 建 筑 物
对分横缝的重力坝只有悬臂梁，水平水压 力由悬臂梁承担。 对整体重力坝，坝体可看成由水平梁和悬 臂梁组成水压力由悬臂梁和水平梁共同承 担。 不过在设计时，整体重力坝仍按分横缝重 力坝来考虑，也即水压力看成全由悬臂梁承 担，水平梁承担部分荷载作为安全储备。
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§2-2重力坝的荷载及组合
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（二）动水压力
如图，溢流 堰ab段，一般 有很小正或者 负水压力，bc 段水压力也很 小，都可以忽 略不计，只计 算反弧段cd上 的动水压力。
根据动量方程，其压力强度为：
q vsin 1 sin 2 g
p
q v g r
q PH vcos 2 cos 1 总水平力为： g
gh2% 1 / 8 gD 0.006v0 2 2 v0 v0 gD gLm 0.0386 2 2 v0 v0
1/ 3
。
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5）浪压力计算：
深水波 H1＞Ll /2
2hl h0
Ll H1
γ 0 Ll
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1949年来我国水利水电事业逢勃发展，从 1949~1985年，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。 60年代建成了高97m的丹江口宽缝重力坝 和高147m的刘家峡、高106m的三门峡两座 实体重力坝。70年代建成了黄龙滩、龚嘴 重力坝。80年代建成了高165m的乌江渡拱 型重力坝和高107.5m的潘家口宽缝重力坝 等。
（三）、扬压力 1）扬压力成因： 对坝底面而言，主要是由于岩体裂隙、节理、断 层产生渗流而引起， 对坝体而言，主要是由于坝体材料的孔隙产生渗 流而引起。 2）扬压力的概念： 扬压力——垂直于坝底面的渗透水压力在铅直方 向的分力 扬压力=渗透压力+浮托力 渗透压力由上下游水位差引起 浮托力由下游水深引起
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1、实体重力坝 2、宽缝重力坝 3、空腹重力坝
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（二）按建筑材料分 混凝土重力坝 浆砌块石重力坝 （三）按分横缝与否分 1、分横缝重力坝 2、整体重力坝 在设计重力坝时可将重力坝看由竖向悬臂 梁和横向的水平梁考虑，水压力一般看成 由竖向的悬臂梁和水平梁共同承担。
0.8
适用范围：Vf＜4~16m/s，D=1~13km。
2H1 ho cth Ll Ll
2 l
h
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新的《荷载规范》规定，内陆峡谷水库宜 用官厅水库公式计算波高和波长（适用 于 v0
20m / s , D 20km）。
1/ 3
gh 1 / 12 gD 0.0076v0 2 2 v0 v0
线增大，称为浅水波。
当 H1<Hk时，波浪发生破碎，称为破碎波。 Hk 为 临界水深
Ll Ll 2hl Hk ln 4 Ll 2hl
Hk =(3-5 )hL/2
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4）波浪要素计算
山区水库按官厅水库公式
hl 0.0166V f
5/ 4
D ( m)
1/ 3
Ll 10.4(hl ) m