重力坝的荷载及荷载组合
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）
重力坝知识点
重力坝一、重力坝的工作原理及特点1、重力坝在水压力及其它荷载作用下必需满足：A 、稳定要求：主要依靠坝体自重产生的抗滑力来满足。
B 、强度要求：依靠坝体自重产生的压应力来抵消由于水压力所产生的拉应力来满足。
2、重力坝的类型：（1）按构造不同分为：实体重力坝，宽缝重力坝，空腹重力坝和预应力重力坝。
（2）按作用可以分：溢流重力坝，非溢流重力坝。
（3）按筑坝材料的不同分为：混凝土重力坝和浆砌石重力坝。
二，重力坝的荷载组合基本组合1：正常蓄水位情况，作用包括：①②③④⑤基本组合2：防洪高水位情况，作用包括：①②③④⑤⑦基本组合3：冰冻情况，作用包括：①②③④⑥偶然组合1：校核洪水位情况，作用包括：①④⑧⑨⑩⑾偶然组合2：地震情况，作用包括：①②③④⑤⑿重力坝按极限状态设计时一般要考虑四种承载能力极限状态：①坝趾抗压强度极限状态②坝体与坝基面的抗滑稳定极限状态③坝体混凝土层面的抗滑稳定极限状态④基岩有薄弱层时坝体连同部分坝基的深层抗滑稳定极限状态。
三 重力坝的抗滑稳定分析沿坝基面的抗滑稳定分析重力坝失稳破坏的机理：首先坝踵处基岩和胶结面出现微裂松弛区，随后在坝址处基岩和胶结面出现局部区域的剪切屈服，进而屈服范围逐渐增大并向上游延伸，最后形成滑动通道，导致大坝的整体失稳。
（一）抗剪强度公式：（1）当接触面呈水平时，其抗滑稳定安全系数)(∑-=U W f K S S )(∑-=U W f K S S /∑P ∑P（2）当接触面倾向上游时，其抗滑稳定安全系数 ∑∑∑∑-+-=ββββsin cos )sin cos (W P P U W f K S ∑∑∑∑-+-=ββββsin cos )sin cos (W P P U W f K S（二）抗剪断公式：∑∑'+-'=P A c U W f K S )(∑∑'+-'=P A c U W f K S )(深层抗滑稳定分析（1） 单斜面深层稳定计算：如图将软弱面以上的坝体和地基视为刚体，按下式计算：∑∑∑∑-+-=ββββsin cos )sin cos (W P P U W f K S ∑∑∑∑-+-=ββββsin cos )sin cos (W P P U W f K S（2） 双斜面深层抗滑稳定计算：提高抗滑稳定性的工程措施：1） 利用水重2） 采用有利的开挖轮廓线： ① 使坝基面倾向上游。
重力坝的荷载及组合.
《重力坝的荷载及组合》教学文本《水工建筑物》教学资源库项目组编写2014年9月目录1.教案计划表 (2)2.教学实施 (4)【步骤L】复习巩固和引入新课 (4)【步骤2】课程介绍及知识讲授 (4)【步骤3】应用案例讲解 (13)【步骤4】实训任务布置（或提问） (14)【步骤5】学生实训 (15)【步骤6】评价及反馈 (15)1. 教案计划表表1 单元3的教案计划表单元名称重力坝的荷载及组合学时 4 项目名称重力坝设计教学地点多媒体教室学生角色设计辅助人员教学目标知识目标技能目标态度目标⑴理解作用在重力坝荷载的类型和计算内容；⑵掌握自重的计算；⑶掌握静水压力、动水压力分布图的绘制及计算；⑷掌握减少扬压力的措施，扬压力分布图的绘制及计算⑸掌握不同波浪形态浪压力的分布图及计算；⑹掌握基本荷载和偶然荷载的组合方法及计算。
⑴会确定重力坝荷载计算对象；⑵能进行静水压力、动水压力计算；⑶能进行扬压力计算；⑷能进行浪压力计算；⑸能进行基本荷载和偶然荷载的组合方法及计算。
⑴能按时到课，遵守课堂纪律，积极回答课堂问题，按时上交作业；⑵课下能积极认真练习教室布置的工作任务；⑶认真完成老师布置的预习任务。
能力训练任务及案例⑴完成案例任务：非溢流坝自重的计算；⑵完成案例任务：非溢流坝静水压力计算；波浪要素计算；⑶完成案例任务：实体重力坝坝基面上扬压力计算；⑷完成案例任务：非溢流坝浪压力（深水波）计算。
教学重点、难点重点：非溢流坝自重、静水压力、动水压力分布图的绘制及计算，荷载组合方法；难点：减少扬压力的措施、扬压力分布图的绘制及计算，浪压力的计算。
教学方法、手段案例法，讲练结合法，黑板、多媒体课件，动画。
教学组织过程复习旧课：非溢流重力坝基本剖面的主要参数及确定方法，波浪要素计算，实用剖面确定的内容和方法，剖面图的绘制。
导入新课：理解作用在重力坝荷载的类型和计算内容，掌握自重、水压力、扬压力、浪压力等主要荷载的分布图及计算方法，掌握基本荷载和偶然荷载的组合方法及计算。
重力坝的荷载及其组合
重力坝的荷载及其组合一、荷载荷载-----→作用不随时间变化的----永久作用如自重、土压力等随时间变化的------可变作用如水压力、扬压力、温度、孔隙水压力等；偶然发生的--------偶然作用如地震、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。
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、泥沙压力、地震荷载及冰压力等(图2.3).图2.3 重力坝上作用力示意图自重坝体自重是重力坝的主要荷载之一。
W=γ×A+ωω--坝上永久设备重①沿坝基面滑动，仅计坝体重量；②沿深层滑动，需计入滑体内岩体重；③用有限单元法计算时，应计入地基初始应力的影响；假定：1°地基中任一点的垂直应力σ(y)=γh2°水平应力σ(x)=λγh3°剪应力τ(xy)=0静水压力1°上游面垂直2°上游面倾斜①挡水坝段②溢流坝段3°水的容重①清水γ②浑水γ(按实际情况考虑)扬压力(含坝基和坝体内扬压力)*坝基扬压力: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，其变化呈抛物线分布。
扬压力对坝体稳定不利. 见图2.4为减小扬压力需采取工程措施：设帷幕.用折减系数α表示岩体构造、性质、帷幕的深度、厚度、灌浆质量、排水孔直径、间距、深度等因素。
. 设排水. 见图2.5.图2.4 无防渗排水措施时坝底扬压力分布图2.5有防渗排水时坝底扬压力分布规范规定：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。
坝体内扬压力:坝体混凝土也具有一定的渗透性,在水头作用下,库水仍然会从上游坝面渗入坝体,并产生扬压2.6.力,见图4、动水压力溢流坝泄水时，溢流面上作用有动水压力，其中坝顶曲线段和下游直线段上的动水压力较小，可忽略不计。
第二节重力坝的荷载及其组合
第二节重力坝的荷载及其组合一、荷载荷载-----→作用不随时间变化的----永久作用如自重、土压力等随时间变化的------可变作用如水压力、扬压力、温度、孔隙水压力等；偶然发生的--------偶然作用如地震、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。
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、泥沙压力、地震荷载及冰压力等(图2.3).图2.3 重力坝上作用力示意图自重坝体自重是重力坝的主要荷载之一。
W=γ×A+ωω--坝上永久设备重①沿坝基面滑动，仅计坝体重量；②沿深层滑动，需计入滑体内岩体重；③用有限单元法计算时，应计入地基初始应力的影响；假定：1°地基中任一点的垂直应力σ(y)=γh2°水平应力σ(x)=λγh3°剪应力τ(xy)=0静水压力1°上游面垂直2°上游面倾斜①挡水坝段②溢流坝段3°水的容重①清水γ②浑水γ(按实际情况考虑)扬压力(含坝基和坝体内扬压力)*坝基扬压力: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，其变化呈抛物线分布。
扬压力对坝体稳定不利. 见图2.4为减小扬压力需采取工程措施：设帷幕.用折减系数α表示岩体构造、性质、帷幕的深度、厚度、灌浆质量、排水孔直径、间距、深度等因素。
. 设排水.见图2.5.图2.4 无防渗排水措施时坝底扬压力分布图2.5有防渗排水时坝底扬压力分布规范规定：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。
坝体内扬压力:坝体混凝土也具有一定的渗透性,在水头作用下,库水仍然会从上游坝面渗入坝体,并产生扬压2.6.力,见图4、动水压力溢流坝泄水时，溢流面上作用有动水压力，其中坝顶曲线段和下游直线段上的动水压力较小，可忽略不计。
重力坝荷载及组合
α为扬压力折减系数，与岩体旳性质和 构造，帷幕深度和厚度，灌浆旳质量，排 水孔旳直径、间距、深度等有关。
规范要求：河床坝段α=0.2~0.3
岸坡坝段α=0.3~0.4
（2）当坝基仅设有防渗帷幕而无排水孔时，
渗透压力分布为：坝踵处全水头为γw H，
帷幕中心线处为αγw H，α=0.5~0.7，在 坝址处为零。
（六）浪压力
因为风旳作用，在水库内形成波浪，它不 但给闸坝等挡水建筑物直接施加浪压力，而且 波峰所及高程也是决定坝高旳主要根据；浪压 力与波浪要素有关，波浪要素涉及波浪旳长度、 高度及波浪中心线高出静水位旳高度。
坝前水深不不大于半波长
水域旳底部对波浪运动 没有影响，这时铅直坝 面上旳浪压力分布应按 立波概念拟定。
第二节 重力坝荷载及其组合
作用是指外界环境对水工建筑物(水工构造)旳影响。
永久作用
设计基准期内量值基本不变旳 作用(自重、土压力等)
作用分类
设计基准期内量值随时间旳变 可变作用 化而与平均值之比不可忽视旳
（按随时间变异分）
作用(水荷载、温度荷载等)
偶尔作用
设计基限期内只可能短暂出现 (且量值很大)或可能不出现旳
当计算截面在下游水位以上时，上 游面为γwh’1，坝体排水管幕处为 αγwh’1 ，下游坝面处为0，排水管幕 与下游坝面之间按直线变化。
坝体内计算截面旳扬 压力分布图形，可根据 坝型及其坝内排水管旳 设置情况拟定。
(五)淤沙压力
淤沙压力是挡水建筑物前因为河流泥沙淤 积而在淤积厚度范围内作用于坝面旳一种土压 力。
作用称。(地震和校核洪水)
作用
构造自重永久设备自重、土压力、淤 永久 沙压力(枢纽建筑物有排沙设施时可列 作用 为可变作用)、预应力、地应力、围岩
第二节重力坝的荷载及荷载组合
P y y H h 1
Pw(y)：水深y处的地震动水压力代表值，kPa Ψ(y)：水深y处的地震动水压力分布系数，按表3-2选用 Ρω： 水体质量密度标准值，kN/m3 H1： 坝前水深
• 单位宽度上的总地震动水压力F0为
F0 0.65h H
2 1
(2) 扬压力的计算
河床坝段 ： α=0.2～0.3 岸坡坝段 ： α=0.3～0.4 排水管幕处：α3=0.15～0.3
(3)坝体内部的扬压力
坝体计算截面扬压力分布 （a）实体重力坝；（b）宽缝重力坝；（c）空腹重力坝 1－坝内排水管；2－排水管中心线
排水管中心线处的坝体内部渗透压力强度系数 3 可按下列情况采用： 1)实体重力坝及空腹重力坝的实体部位采用0.2 2)宽缝重力坝、大头支墩坝的无宽缝部位采用 0.2，有宽缝部位采用0.15
Ll >H>临界深度Hk(Hk =(3-5 )hL)时--浅水波 H<Hk时----破碎波
6、冰压力和冰冻作用
冰压力包括静冰压力和动冰压力。
静冰压力：寒冷地区，水库表面将结冰， 当气温升高时，冰层膨胀，对建筑物产生的 压力。 动冰压力：当冰破碎后，受风和水流的 作用而漂流，当冰块撞击在坝面或闸墩上时 将产生动冰压力。
一、荷载 1、自重 2、水压力 （1）静水压力 单位宽度上的水平静水压力:
1 2 P1 rw H 1 2
1 2 P2 rw H 2 2
单位宽度上的垂直静水压力：
W1 w A1
1 2 W2 w mH 2 2
（2）动水压力
溢流坝泄水时，溢流面上作用有动水压力， 其中坝顶曲线段和下游直线段上的动水压力较小， 可忽略不计。在反弧段上需根据水流动力方程求 解动水压力。
重力坝的荷载及其组合
大 众 科 技
ＤＡ ＺＨＯＮＧ ＫＥ Ｊ
Ｎ ｏ． ６，２０１ ０
（ ｍｕ ｔ ｅｙＮ ．３ ） Ｃｕ ｌ ｉ ｌ ｏ１ Ｏ ａｖ
重 力 坝的荷 载 及其 组合
农 海 燕
（ 广西海 河水利 建设 有限责任公 司 ，广西 南宁 ５ ０ ２ ３ ０ ３）
（ ）荷 载 的效 应组 合 二
作用在重 力坝 上的荷载 ，按其 出现 的几率和性质 ，可分 为基本荷载和偶然荷 载：按其随时间 的变异性可分 为永久荷 载 、可 变 荷 载 和 偶 然 荷 载 ；按 其 作用 状 况 又 可 分 为 持 久状 况 、 短暂状况和偶然状况 。重力坝的荷载组合可分基本组合和偶
【 摘 要 】为了保证 水工建筑物在各 种可能情况下都安 全 ， 同时满足经济 、合理 的要 求 ，在设计 时不仅要 注意各种荷 载的 计 算 ，还 要 注 意各 种 荷 载 的 效 应 组 合 。 【 键 词 】 工程 重 力 坝 ；荷 载 压 力 ；组 合 压 力 关 【 中图 分 类 号 】Ｔ ２ Ｖ２ 【 文献 标 识 码 】Ａ 【 章 编 号 】 １０ — １１２ １）６ ０ ７ － ２ 文 ０ ８ １５ （ ００ — ０ ９ ０ ０
然组 合 。
ｉ基 本 组 合 ．
硝
基 本 组 合 又 称 设 计 情 况 ，是 指 水 库 处 于 正 常 运 用 情 况 下 可 能 发 生 的荷 载 效 应 组 合 ，主 要 考 虑 以 下 持 久 状况 或 短 暂状 况 下 永 久 荷 载 与 可 变 荷 载 的 效 应 组合 ：（ ） 自重 （ 括 永 久机 １ 包 械设备重 、闸门、起重设备及其他 自重） ２ 。（ ）发 电为主的水 库 ，上 游 正 常 蓄 水 位 （ 施 工 期 临 时 挡 水 位 ） 或 ，按 照 功 能 运 用 要 求 建 筑 物 泄 放 最 小流 量 的 下 游 水 位 ，而 排 水 及 防 渗 设 施 正 常工作时的水荷 载：①大坝上下游 面的静水压力；②扬压力 。 （ ）大 坝 上 游 淤 沙 压 力 。 （ ）大坝 上下 游 侧 向土 压 力 。 （ ） ３ ４ ５ 防 洪 为 主 的 水 库 ，按 防 洪 高水 位 及 相 应 的 下游 水位 的水 荷 载 ［ 取代第 （） 且 排水及 防渗设施正常工作：①大坝上下游面 ２ 项］ 的静 水 压 力 ；② 扬 压 力 ；③ 相 应 泄洪 时 的动 水 压 力 。（ ）浪 ６
重力坝分析与计算
一、计算荷载组合：坝体自重：区域① W11=10*125*24=30000KN 方向↓ 区域② W12=0.5*113*73.45*24=99598.2KN 方向↓ W1=W11+W12=30000+99598.2=129598.2KN 方向↓ 静水压力：垂直水压力PV=0.5*17*17*0.65*9.8=920.47KN 方向↓ 水平水压力，上游PH1=0.5*γw*H ²=0.5*9.8*120²=70560KN 方向→ 下游PH2=0.5*γw*H ²=0.5*9.8*17²=1416.1KN 方向← 淤沙压力：Ps=0.5*γsb*hs ²*tan ²（45-ⱷs/2）0.5*8.5*21.8²*tan ²（45-27/2）=758.47KN 方向 → 扬压力： 浮托力 U1=γw*H*B=9.8*17*83.45=13902.77 KN 方向↑ 渗流力，区域a U2=ωγα***)1(*5.01L H -=0.5*（1-0.2）*103*7*9.80=2826.32KN 方向↑区域b U3=ωγα**1H L =7*0.2*103*9.80=1413.16KN 方向 ↑区域c U4=ωγα***5.02L H =0.5*0.2*103*76.45*9.80=7716.86KN 方向↑ U=U1+U2+U3+U4=13902.77+2826.32+1413.16+7716.86=25859.11KN 方向↑ 荷载计算如下图所示：二、沿坝基面的抗滑稳定分析以单宽坝段作为计算单元，按抗剪断强度公式计算，认为坝体混凝土与基岩接触良好，接触面面积为A ，采用接触面上的抗剪断参数'f 和'c 计算抗滑稳定安全系数。
A=83.45㎡PA c U W f K s∑+-∑=''')(=(0.92*（129598.2+920.47-25859.11）+750*83.45)/(70560-1416.1+758.47)=2.273 满足要求。
重力坝的荷载及荷载组合
(二)、波浪要素计算
波浪要素：hm(平均波高) 、Lm(平均波长) 、 hz(波浪中心线高出计算静水位的壅高) 。
1.平原、滨海地区水库 莆田试验站公式 ：
或
(Hm≥0.5Lm)
式中：hm为平均波高，m；Vo为计算风速，m／s；D为风区 长度，m；g为重力加速度，m/s2；Hm为水域平均水深，m； Tm为平均波周期，S；Lm为平均波长，m。
(2)设计波浪的波列累积频率
DL5077—1997规定，设计波浪的波列累积频率一律 采用1%。
☆年最大风速
指水面上空10 m高度处的10 min平均风速的年最大值。
☆风区长度(有效吹程)D
(1)当沿风向两侧水域较宽广时，可采用计 算点至对岸的直线距离。
(2)当沿风向有局部缩窄且缩窄处宽度B小 于12倍计算波长时，可采用5B为风区长度，同 时不小于计算点至缩窄处的直线距离。
C20砼
坝体排水管
C15砼
坝底扬压力 (1)未设防渗帷幕和排水孔
▽
H1
E U1
γ0H2 γ0H1 γ0H
U2
H=H1-H2 ▽ H2
F
γ0H2 浮托力
渗透压力 U=U1+U2
(2) 设防渗帷幕和排水孔 1) 扬压力分布图
2) 计算 浮托力 渗透压力
：渗透压力强度系数，对 于实体重力坝，河床坝段取 0.25，岸坡坝段取0.35。
▲设计烈度：在基本烈度基础上确定的作为工程
设防依据的地震烈度。
▲地震作用：地震施加于结构上的动态作用。
▲地震作用效应：地震作用引起的结构内力、变
形、裂缝开展等动态效应。
第3章 重力坝1-4节
（2） 波浪压力
☻深水波：当H > L／2时，波浪运动不受库底的约束。 ☻浅水波： L／2 > H > Ho 时，波浪运动受到库底影响。 ☻破碎波： H < Ho 时，波浪发生破碎，称为破碎波。 临界水深Ho为：
H0 L 2hl L ln[ ] 4 L 2hl
（1）深水波，见图（a）。
②计算 a、淤积高程：坝前淤积逐年增高，可通过 数学模型计算及物理模型试验，并比照类似工 程经验，分析推定设计基准期内坝前的淤积高 程。年限通常为50-100年。 b、指标：淤积的泥沙逐年固结，容重和 内摩擦角也在逐年变化，很难算准，一般按式 （3–11）计算。
s 1 2 2 Ps sb hs tg (45 ) 2 2
于静水面产生的壅高为hz。
（1）波高、波长
当波浪推进到坝前，由于铅直坝面的反射作用
而产生驻波，波高为2hl，而波长仍保持L不变。
图3–8
波浪几何要素及吹程
（a）波浪要素；（b）、（c）波浪吹程
（波浪要素计算）官厅水库经验公式：
式中:
Vo——风速(m/s)，水库为正常蓄水位和设计洪水位时， 宜采用相应季节50年重现期的最大风速；校核洪水位时，宜 采用相应洪水期最大风速的多年平均值； D——吹程(km)，为自坝前（风向）到对岸的距离，当吹 程内水面有局部缩窄，若缩窄处的宽度B小于12倍波长时，近 似地取吹程D＝5B。
壅高
2H hz cth L L
hl2
式中:H——坝前水深，以m计。 官厅水库公式适用于Vo < 20m／s 及 D < 20km的山区峡 谷水库。 按式 hl 0.0166V0 5 / 4 D1/ 3 算出累计频率为5%的波高h5%，要
重力坝的荷载及组合.
《重力坝的荷载及组合》教学文本《水工建筑物》教学资源库项目组编写2014年9月目录1.教案计划表 (2)2.教学实施 (4)【步骤L】复习巩固和引入新课 (4)【步骤2】课程介绍及知识讲授 (4)【步骤3】应用案例讲解 (13)【步骤4】实训任务布置（或提问） (14)【步骤5】学生实训 (15)【步骤6】评价及反馈 (15)1. 教案计划表表1 单元3的教案计划表单元名称重力坝的荷载及组合学时 4 项目名称重力坝设计教学地点多媒体教室学生角色设计辅助人员教学目标知识目标技能目标态度目标⑴理解作用在重力坝荷载的类型和计算内容；⑵掌握自重的计算；⑶掌握静水压力、动水压力分布图的绘制及计算；⑷掌握减少扬压力的措施，扬压力分布图的绘制及计算⑸掌握不同波浪形态浪压力的分布图及计算；⑹掌握基本荷载和偶然荷载的组合方法及计算。
⑴会确定重力坝荷载计算对象；⑵能进行静水压力、动水压力计算；⑶能进行扬压力计算；⑷能进行浪压力计算；⑸能进行基本荷载和偶然荷载的组合方法及计算。
⑴能按时到课，遵守课堂纪律，积极回答课堂问题，按时上交作业；⑵课下能积极认真练习教室布置的工作任务；⑶认真完成老师布置的预习任务。
能力训练任务及案例⑴完成案例任务：非溢流坝自重的计算；⑵完成案例任务：非溢流坝静水压力计算；波浪要素计算；⑶完成案例任务：实体重力坝坝基面上扬压力计算；⑷完成案例任务：非溢流坝浪压力（深水波）计算。
教学重点、难点重点：非溢流坝自重、静水压力、动水压力分布图的绘制及计算，荷载组合方法；难点：减少扬压力的措施、扬压力分布图的绘制及计算，浪压力的计算。
教学方法、手段案例法，讲练结合法，黑板、多媒体课件，动画。
教学组织过程复习旧课：非溢流重力坝基本剖面的主要参数及确定方法，波浪要素计算，实用剖面确定的内容和方法，剖面图的绘制。
导入新课：理解作用在重力坝荷载的类型和计算内容，掌握自重、水压力、扬压力、浪压力等主要荷载的分布图及计算方法，掌握基本荷载和偶然荷载的组合方法及计算。
重力坝荷载的组合
荷载的组合混凝土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计算和验算。
按承载能力极限状态设计时，应考虑基本组合和偶然组合两种作用效应组合。
按正常使用极限状态设计时，应考虑短期组合和长期组合两种作用效应组合。
在设计混凝土重力坝坝体剖面时，应按照承载能力极限状态计算基本组合和偶然组合。
1．荷载作用的基本组合。
荷载作用的基本组合包括下列作用。
（1）坝体（建筑物）的自重（应包括永久性机械设备、闸门、起重设备及其他结构自重）（2）以发电为主的水库，上游用正常蓄水位，下游按照运用要求泄放最小流量时的水位，且防渗及排水设施正常工作时的水作用：a、大坝上、下游面的静水压力；b、扬压力（3）大坝上游淤沙压力。
（4）大坝上下游侧向土压力。
（5）以防洪为主的水库，，上游用防洪高水位，下游用其相应的水位，且防渗及排水设施正常工作时的水作用：a.大坝上下游面的静水压力；b.扬压力；c.相应泄洪时的动水压力。
（6）浪压力：a.取50年一遇风速引起的浪压力（约相当于多年平均最大风速的~2倍引起的浪压力）；b.多年平均最大风速引起的浪压力。
（7）冰压力：取正常蓄水位时的冰作用。
（8）其它出现机会较多的作用。
2．荷载作用的偶然组合除计入一些永久作用和可变作用外，还应计入下列的一个偶然作用。
（9）当水库泄放校核洪水（偶然状况）流量时，上下游水位的作用，且防渗排水正常工作时的水作用：①坝上下游面的静水压力；②扬压力；③相应泄洪时的动水压力。
（10）地震力。
一般取正常蓄水情况时相应的上、下游水深，（11）其他出现机会很少的作用。
将上述各种荷载的作用组合列入表—1，基本组合为三种情况，偶然组合为两种情况。
表中的基本组合是在持久状况或短暂状况下，永久作用与可变作用的效应组合；偶然组合是在偶然状况下，永久作用、可变作用与一种偶然作用的效应组合。
表—1 （荷载）作用组合注：1. 应根据各种作用同时发生的概率，选择计算中最不利的组合；2. 根据地质和其他条件，如考虑运用时排水设备易于堵塞，需经常维修时，应考虑排水失效的情况，作为偶然组合。
水工建筑物——重力坝
组合作为设计依据。建筑物设计时考虑的荷载组合通常有基本荷载组合和特殊荷载组合。
第二节 重力坝的荷载及荷载组合
二、荷载组合
1. 基本荷载组合 基本荷载组合是由经常出现的荷载组成的荷载集合，用于建筑物的正常设计
情况。由于出现的概率较大，设计规范中规定了较大的安全系数和安全超高。
⑵ 重力坝可采用河床是溢洪道 坝顶允许溢流，可以建河床式溢洪道，这意味着免除河岸溢洪道工程量、便于
枢纽布置、便于施工导流 。
⑶ 设计、施工都比较简单
⑷ 抵御特殊灾害的能力比较强 坝顶允许溢流→遇到超标准洪水不易垮坝
坝体厚实、采用胶结材料→抗震能力强
⑵ 、⑶ 、 ⑷ 正是重力坝得到广泛采用的原因。
第一章 重力坝
一、沿坝基面抗滑稳定分析
★ 之所以要演算坝体与基岩接触面的抗滑稳定，原因有两点：其一，该面承受的水平推 力最大；其二，坝体与坝基接触面是大坝最薄弱的截面。
★ 抗滑稳定计算往往取单宽或一个坝段作为计算单元，计算公式有抗剪强度公式和抗剪断公
式两种。
1. 抗剪强度公式
采用抗剪强度公式计算大坝抗滑稳定的基本假定在于把滑动面看成是接触面， 而不是胶结面。在滑动面上的阻力只考虑摩擦力，不考虑凝聚力。
★ 坝体渗透压力（孔隙水压力）的存在 增大了坝体应力水平
★ 上游坝面采用防渗混凝土，形成防渗层，
在防渗层之后设置排水管
★ 同一水平截面孔隙水压力近似按直 线分布（有防渗排水设施时按折线分 布）考虑。
第二节 重力坝的荷载及荷载组合
5.淤沙压力 ★泥沙压力计算类似土压力，但是淤沙的高度逐年变化、逐年固结，泥沙的 容重和内摩擦角也逐年变化，所以难于精确计算。
第二章 重力坝——§2重力坝的荷载及其组合
特殊荷载：非常情况or偶然出现的~：
校核洪水位时的静水压力、扬压力、浪压力、动水压 力、地震荷载、其他出现几率较小的荷载
◎二、荷载组合
• 荷载组合
目的：设计时，根据各种荷载同时作用的可能性，
选择施工、运用中最不利的受载情况进行组合，并 按出现几率大小，采用不同的安全系数进行设计， 体现经济合理原则。
波浪压力——波浪要素
波高
波长
– 官厅公式 ：
h 0.0166 5 / 4 D1/ 3 V L 10.4h 0.8 适于V 1 16m/s，D 1 13km）
h 0.0136 3 / 2 D1/ 3 V L 0.389 1/ 3 VD 适于V 23m/s，D 4km）
– 鹤地公式：
波浪中心线在水面以上超高：
2H1 h0 cth L L
h 2
◎一、荷载计算
波浪要素——吹程D
◎一、荷载计算—波浪压力
驻波概念：
驻波—波浪遇到垂直坝面，波高h会发生骤然升高称 驻波（or立波）
驻波波高=正常波高的2倍即2h，h0以上波高=h，则 ：坝前波浪水面高出静水面=h0+h
撞击坝面、闸墩的压力。
静冰压力：
根据最低温度、气温回升率确定（表2-2）
作用点：冰面以下1/3冰厚处。
◎一、荷载计算
动冰压力公式（P19)：
垂直坝面上~
Pdb 10KbVb db Ab
闸墩上~
' Pbd 10mR Bdb b
◎一、荷载计算
• 7、地震荷载
有关概念、规定、方法
Plj h sec h 2H1 L
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PH1
W3
PskH
W1
7000 3000 36680
U1
U2
U3
U4
316.35 PV1
PH 2 302.5
αγH
溢流坝段荷载计算示意图
图3-2-1溢流重力坝上基本作用和偶然作用
表3-2-1 承载能力极限状态作用的基本组合和偶然组合
作业
试根据教材P79【例1－1】已知条件计算 各项作用的标准值。
3、动水压力
溢流坝面动水压力计算图
（１）坝顶曲线段的动水压力 常忽略不计。
（２）斜坡直线段上的动水压力 动水压强：p=γ0hcos (kpa) 可忽略不计。
（３）反弧段水流离心力（见P36式3-3） PX、PY作用点：近似认为作用在反弧中点
４、扬压力 由挡水建筑物上下游静水头作用下的渗
▽
▽
主排水孔 防渗帷幕
▽ 副排水孔
(2)坝体防渗排水 在上游坝面部分浇筑抗渗标号高的混凝土 紧靠防渗层的下游侧设排水管
C20砼
坝体排水管
C15砼
坝底扬压力 (1)未设防渗帷幕和排水孔
▽
H1
E U1
γ0H2 γ0H1 γ0H
U2
H=H1-H2 ▽ H2
F
γ0H2 浮托力
渗透压力 U=U1+U2
Lm／2
H
单位长度上浪压力标准值Pwk(kN／m) ： 作用点位置呢？
7、冰压力 1.静冰压力 2.动冰压力 8、地震作用
1.几个术语 ▲抗震设计：一般包括抗震计算和抗震措施。
▲基本烈度：50年期限内，一般场地条件下，可
能遭遇超越概率P50为0.10的地震烈度。一般为《中国地 震烈度区划图(1990)》上所标示的地震烈度值，对重大 工程应通过专门的场地地震危险性分析工作确定。
(2) 设防渗帷幕和排水孔 1) 扬压力分布图
2) 计算 浮托力 渗透压力
：渗透压力强度系数，对 于实体重力坝，河床坝段取 0.25，岸坡坝段取0.35。
(3)设防渗帷幕和排水 孔，并设有下游副排 水孔及抽排系统
1) 扬压力分布图
2) 计算 浮托力
渗透压力
1：扬压力强度系数， 重力坝取0.2。 2：残余扬压力强度系数， 重力坝取0.5。
(3)重力坝坝体的断面沿坝轴线方向分布有 突变，或纵向地形、地质条件突变的部位，应设 置横缝，宜选用变形能力大的接缝止水型式及止 水材料。
三、设计状况和作用效应组合 1.设计状况
▲持久状况。在结构使用过程中一定出现，其持续期
很长的状况。持续期一般与设计使用年限为同一数量级。
▲短暂状况。在结构施工和使用过程中出现概率
工程抗震设防类别 甲
乙、丙
丁
地震作用效应的计算方法
动力法
动力法或拟静力法
拟静力法或 着重采取抗震措施
5.抗震措施
(1)重力坝的体形应简单，坝坡避免剧变， 顶部折坡宜取弧形。坝顶不宜过于偏向上游。宜 减轻坝体上部重量，增大刚度，并提高上部混凝 土等级或适当配筋。
(2)坝顶宜采用轻型、简单、整体性好的附 属结构，应力求降低高度，不宜设置笨重的桥梁 和高耸的塔式结构。宜加强溢流坝段顶部交通桥 的连接，并增加闸墩侧向刚度。
第二节 重力坝的荷载及荷载组合
一、分类
1.永久作用 ●概念：设计基准期内量值基本不变的作用。
●包括：结构自重和永久设备自重；土压力； 淤沙压力；地应力；围岩压力；预应力。
2.可变作用
●概念：设计基准期内量值随时间的变化与平 均值之比不可忽略的作用称可变作用。
●包括：静水压力；扬压力；动水压力；浪 压力；灌浆压力；外水压力；风荷载；雪荷载； 冰压力；冻胀力；楼面(平台)活荷载； 桥机、 门机荷载；温度作用；灌浆压力。
补充条件： 1、内陆峡谷地区水库； 2、淤沙的内摩擦角φ＝18°； 3、主排水孔中心线距坝踵7.2m； 4、以坝基面作为计算截面； 5、计算水位取正常蓄水位。
3.偶然作用
●概念：设计基准期内只可能短暂出现(且量值 很大)或可能不出现的作用。
●包括：地震作用；校核洪水位时的静水压力。
二 、荷载分析
１.自重
坝体自重： W=V•γC γC的确定：材料容重应实地量测或参考荷载
规范，试验得
γC=23.5～25.0 kN／m3。
分块计算：将坝体剖面划分成若干个简单块 体(形心易求) 。
W1=S1L×γc
W2=S2L×γc
W1
W2
W=W1+W2
A
O
B
●永久设备自重
永久设备的自重标准值可直接采用该设备 的铭牌重量。
2、静水压力
▽
y
H1 py=γ0y P1
Y1
W1 X1
▽
P2 Y2
H2
p1=γ0H1
水平力：
P1
1
2
H2
01
垂直水压力：W1 S1 0
p2=γ0H2 作用点：离坝基面Y1 作用点：离坝趾X1
(3)当沿风向两侧水域较狭窄，或水域形状 不规则，或有岛屿等障碍物时 ，采用等效风区 长度D：
(二)、波浪要素计算
波浪要素：hm(平均波高) 、Lm(平均波长) 、 hz(波浪中心线高出计算静水位的壅高) 。
1.平原、滨海地区水库 莆田试验站公式 ：
或
(Hm≥0.5Lm)
式中：hm为平均波高，m；Vo为计算风速，m／s；D为风区 长度，m；g为重力加速度，m/s2；Hm为水域平均水深，m； Tm为平均波周期，S；Lm为平均波长，m。
▲工程抗震设防类别为甲类的水工建筑物， 在基本烈度基础上提高1度作为设计烈度。
4.抗震计算 ▲设计烈度为6度时，可不进行抗震计算。
▲设计烈度高于9度的水工建筑物或高度超 过250m的壅水建筑物，其抗震安全性应专门研 究论证。
▲地震作用的类别：地震惯性力、地震动土 压力以及地震作用的动水压力。
▲地震作用效应的计算方法
流场产生的垂直指向计算截面的分布面力， 包括上浮力和渗流压力。
▽
A
B
H1
坝内渗流
C
E 浮托
力 γ0H2
γ0H
坝基渗流
H=H1-H2
▽
D
H2
F
γ0H2 渗透压力
防渗排水措施
(1)坝基防渗排水
未设防渗帷幕和上游排水孔
设防渗帷幕和上游排水孔
设防渗帷幕和上游排水孔，并设有下游副
排水孔及抽排系统。
▽
作用效应组合。
●长期组合：持久状况下的基本组合。 ●短期组合：短暂状况下的基本组合。
▲溢流重力坝上基本作用和偶然作用如图32-1所示
▲承载能力极限状态作用的基本组合和偶 然组合见表3-2-1。
非溢流坝段荷载计算示意图
Pwk
349.2
6000
PV1
H
H2
H1 γH1 γH2
1:0.7
PskV PV2 W2
坝体内的扬压力 1) 扬压力分布图
2) 计算 浮托力 渗透压力
3：渗透压力强度系数，
实体重力坝取0.2。
扬压力分布图
5、淤沙压力
▽
Pn=sbhntg2(45°－ s／2)
▽淤沙高程
hs
hn Y0
ps
pn
PSK
sb：淤沙的浮重度KN／m3； s：淤沙的内摩擦角。
Ps=sbhstg2(45°－ s／2)
力加速度比值、给定的动态分布系数三者乘积作为设计 地震力的静力分析方法。
▲动力法：按结构动力学理论求解结构地震作用效
应的方法。
2.工程抗震设防类别
7
工程抗震设防类别 建筑物级别 场地基本烈度
甲
1(壅水)
1(非壅水) 、
≥6
乙
2 (壅水)
丙
2(非壅水) 、
3
≥7
丁
4、5
3.设计烈度确定 ▲一般采用基本烈度作为设计烈度。
(2)设计波浪的波列累积频率
DL5077—1997规定，设计波浪的波列累积频率一律 采用1%。
☆年最大风速
指水面上空10 m高度处的10 min平均风速的年最大值。
☆风区长度(有效吹程)D
(1)当沿风向两侧水域较宽广时，可采用计 算点至对岸的直线距离。
(2)当沿风向有局部缩窄且缩窄处宽度B小 于12倍计算波长时，可采用5B为风区长度，同 时不小于计算点至缩窄处的直线距离。
PSK=0.5pshs=0.5 sbhs2tg2(45°－ s／2)
挡水面倾斜时的淤沙压力
▽
(1)水平淤沙压力计算
PSK
(2)竖向淤沙压力计算
淤沙高程
pv PSK
Pv=v sb
v：淤沙体积 sb：淤沙的浮重度
6、浪压力 (一)、水库风成波的波浪设计标准 ☆设计波浪的标准
(1)设计波浪的重现期 设计规范规定：用于波浪要素计算的风速值，在正 常运用条件(正常蓄水位或设计洪水)下，采用相应洪水 期多年平均最大风速的1．5～2．0倍；在非常运用条件 (校核洪水位)下，采用相应洪水期多年平均最大风速。 统计分析表明，多年平均最大风速的1．5～2．0倍约相 当于50年重现期的年最大风速。
较大，而与设计使用年限相比，持续期很短的状况，如 施工和维修等。
▲偶然状况。在结构使用过程中出现概率很小，
且持续期很短的状况，如地震等。
建筑结构的三种设计状况应分别进行下列极 限状态设计：
▲对三种设计状况均应进行承载能力极限状态设计
▲对持久状况，尚应进行正常使用极限状态设计
▲对短暂状况，可根据需要进行正常使用极限状 态设计 ▲对偶然状况，不进行正常使用极限状态设计
2.作用效应组合
▲进行承载能力极限状态设计时，应考虑作 用效应的基本组合，必要时尚应考虑作用效应的 偶然组合。