02-重力坝1 概述荷载

(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
（3）扬压力—坝基扬压力、坝体扬压力
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）
§2 重力坝的荷载及组合
一、 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。
几乎任何形状的河谷都可以修建重力坝。对地基要求高于 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）
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。
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。
（4）冰压力—静冰压力、动冰压力
严寒地区 静冰压力——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。
(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1.4MPa，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混凝土的抗压强度是9.8MPa。
(6) 体积大，水泥用量大，水化热高，散热差
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；
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、波长、波浪中心线超出静水面的高度
(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)
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，1949～1985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 107.5m的潘家口宽缝重力坝、坝高90.5m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101.5m。
三峡大坝泄洪坝段
五、重力坝的设计内容
①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。 ②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。 ③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。 ④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。
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。
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
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。
(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 (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 (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力，需钢筋
重力坝的设计内容（续）
⑤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。 ⑥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。 ⑦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。 ⑧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。 ⑨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。
CH.2 重力坝—gravity dam
§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。
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 力坝的发展。
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
☻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
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） 。
重力坝上的荷载
（1）自重—dead load
建筑物（坝体）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。
Hale Waihona Puke （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。