《水工建筑物》第二讲-2003

波浪水压力计算(续)
当坝面与水平面的交角大于45o时，波 浪的性质与坝面为铅直时的情况相近； 而当交角小于45o 时，则应按斜坡上的 波浪计算。
对于中高坝，浪压力在全部荷载中所 占的比重较小，可以忽略不计。美国垦 务局（Bureau of Reclaimation ）规定 的重力坝设计准则中就没有风浪荷载。
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冰压力--静冰压力
(static ice pressure)
寒冷地区，水库表面在冬季会结成冰 盖，当气温回升时，冰盖发生膨胀，因而对 挡水建筑物表面产生压力，称为静冰压力。 静冰压力值与冰盖厚度、长度、气温 上升率以及开始升温时冰盖的温度等有关。 目前，尚无合理的公式用来计算静冰压力， 一般参照下表采用。
本节完
§1.2 荷载及其组合
重力坝的荷载(Loads)
荷载组合(Load Combination)
22
重力坝的荷载
（挡水坝段的主要荷载）
重力坝的荷载
坝体及其上永久设备的自重 上下游面上的静水压力 溢流坝反弧段上的动水压力 扬压力 泥沙压力 浪压力 冰压力 地震荷载 温度荷载
重力坝设计规范(Design Criteria)
1、中华人民共和国水利电力部，《混凝土重力坝 设计规范》（SDJ21-78), 1978年； 2、中华人民共和国水利电力部，《混凝土重力坝 设计规范SDJ21-78的补充规定》, （84）水 电水规字第131号，1984年； 3、中华人民共和国国家经济贸易委员会，电力行 业标准《混凝土重力坝设计规范》（ DL5108-1999), 1999年。 4、混凝土重力坝设计规范(SL319-2005替代 SDJ21-78)/中华人民共和国水利行业标准
• 重力坝枢纽通常由非溢流坝段（挡水坝段）、溢流坝段、泄水孔坝段 等组成。根据工程任务要求，还可在重力坝上布置水电站、船闸（或 升船机）以及过木建筑物等
五、重力坝的设计内容
剖面(profile)设计—— 先设后计、确定断面。
稳定(sliding stability)分析——坝、基面、地基 中软弱面抗滑稳定。 应力分析(stress analysis)——应力满足坝体与坝 基的强度要求。
工作特点：依靠坝 体自重来维持坝体 稳定
世界上最高的重力坝
世界上最高的重力坝是1962年瑞士的大狄 克桑斯(The Grande Dixence)重力坝，高285m。
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二、重力坝的特点--优点
对地形(topography)、地质(Geology) 条件的适应性较强。任何形状的河谷都
可以修建重力坝，中低坝的地应力不高， 对地质条件要求较拱坝低，甚至沙砾石地 基上也能够修建高度不大的重力坝。
重力坝的建设情况(续3)
• 我国的发展 从1949～1985年，在已建成的坝高30m以 上的113座混凝土坝中，重力坝达58座，占总 数的51％ 50年代: 新安江 、古田一级 60年代: 丹江口、 刘家峡、三门峡 70年代: 黄龙滩、龚嘴重力坝 80年代: 乌江渡、潘家口 90年代: 万家寨、三峡
波浪要素的计算(续)
关于风速：
对于 正常蓄水位和设计洪水 时，采取相应 洪水期多年平均最大风速的 1.5～2.0倍 ；对于 校 核水位，采用相应洪水期多年平均最大风速。
h0
hl2
Ll
×（与水深有关的函数）
波浪水压力计算
深水波情况
如图所示，H>Ll/2，分布见图，用下 式计算
( Ll / 2 h0 hl ) L2 Pi l 2 2
静冰压力表
比如，-25oC开始以2.5oC/h升温时，静冰 压力为（20～28）×104Pa
冰压力对于重力坝并不重要，而对于低坝、 闸墩、胸墙等结构物，往往成为比较重要的荷 载。
为避免过大的冰压力，可采用防冰、破冰 措施。
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六、重力坝的建设情况
历史上最早的重力坝—公元前 2900年古埃及在尼罗河上建造的 一座高15m、顶长240m的挡水坝 19世纪以前建造的重力坝，基本 上都采用浆砌毛石，19世纪后期 才逐渐采用混凝土
重力坝的建设情况(续1)
坝工设计理论是在筑坝实践中不断发 展起来的:
1853年到1890年
p n n hn tg (45
2 o
n
2
)
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浪压力
(hydrodynamic wave pressure)
水库水面在 风吹下生成波浪， 并对坝面产生浪压 力。
波浪三要素
波高hl —从波峰到波谷的高差
波长Ll —从波峰到波峰的距离
波浪中心线高度h0—波浪中心线距静水面的高度
水面波的分类
2 0.2 ~ 0.4
不考虑 1 ，以直线代替 即可。
坝体扬压力
上游为
h
下游为零（无 下游水头时），
3＝0.15～0.3
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泥沙压力(sediment pressure)
淤沙的容重和内摩擦角随时间而变化， 且各层不同，准确计算泥沙压力比较困难， 只能参照经验数据，按土压力公式计算。
总垂直力为：
PV
q vsin 1 sin 2 g
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扬压力(uplift pressure)
混凝土内存在空隙，坝基岩石本身空隙率 很小，但往往存在着节理缝隙，因此，水库蓄后， 在上下游水位差的作用下，库水会经过坝体及坝 基渗向下游，不但造成水头的损失，而且还产生 渗透压力，使坝体的有效重量减少。
枢纽泄洪(floo源自文库-releasing)问题容易 解决。重力坝可以做成溢流，坝内不同
高度的泄水孔，不需另设溢洪洞或泄水隧 洞。
重力坝的特点—优点（续）
便于施工导流(construction diversion)。 在施工期可以利用坝体导流，不需另 设导流洞 。
安全可靠。剖面大且应力低，筑坝 材料强度高、耐久性好，抵抗洪水漫 顶、渗漏、地震和战争破坏的能力都 比较强。根据统计，在各种坝型中， 重力坝的失事率是较低的。
按坝体结构形式
非溢流重力坝
按泄水条件分
溢流重力坝
（a）实体重力坝 （b）宽缝重力坝 （c）空腹重力坝
1—非溢流坝段； 2—溢流坝段； 3—横缝 4—导墙； 5—闸门 ； 6—坝体排水管； 7—交通、检查和坝体排水廊道； 8—坝基灌浆、排水廊道；9—防 渗帷幕；10—坝基排水孔幕
四、重力坝的组成及布置
法国工程师提出了坝体应力分析的材料 力学方法和弹性理论方法。
19世纪末期
认为作用于坝体的扬压力对坝体有不利 影响，便在靠近上游面的坝体内设置排水管幕 ，以消减扬压力 。
重力坝的建设情况(续2)
20世纪的发展:
进入20世纪后，筑坝材料由浆砌毛石、块石发 展到混凝土 1962年瑞士建成了世界上最高的大狄克桑斯重力 坝，坝高达285m 从20世纪60年代开始，由于土石坝建设的迅速发 展，使重力坝在坝工建设中所占的比重有所下降。 进入20世纪80年代，碾压混凝土技术开始运用于 重力坝建设，使重力坝所占比重又有所回升。
根据坝前水深与波长的关系可以分为以下三类：
深水波——坝前水深大于半波长，H>1/2Ll，波
长运动不受库底约束。
浅水波——坝前水深小于半波长而大于临界水
深H0，即Ll/2>H>H0，这时波浪运动受库底影响。
Ll Ll 2 h l H0 ln[ ] 4 Ll 2 hl
破碎波——坝前水深小于临界水深，
重力坝的特点—缺点
剖面尺寸大，材料用量多。因为稳定靠 重力。
中低型重力坝的应力较低，混凝土材料 的强度不能充分发挥。 坝体与地基的接触面大，扬压力大，对 稳定不利。 坝体体积大，温度应力严重，需采取温 控措施。
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三、重力坝的类型
混凝土重力坝
按筑坝材料分
浆砌石重力坝 实腹重力坝 宽缝重力坝 空腹重力坝
(hydrodynamic pressure)
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。
q v 根据动量方程，其压力强度为： p g r
q 总水平力为： PH g vcos 2 cos 1
坝体及其上永久设备的自重
(Self-weight)
混凝土的容重，在初设可采用 2.35～2.4 T/m3（23.5～24 KN/m3）。 施工详图阶段应由混凝土试验 决定。
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水压力--静水压力
(Hydrostatic Pressure)
按水力学原理计算，如图：
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水压力—泄水动水压力
（两个三角形面积差 ）
波浪水压力计算(续)
浅水波情况，如图所示，H0<H<Ll 。
坝基面的浪压力剩余强度pl为 ：
pl hl sec h 2H1 Ll
则总压力为（两个三角形面积差）：
( H1 hl h0 ) ( H1 pl ) H1 Pl 2 2
2
破碎波——水闸适用，到时再讲。
坝基扬压力(foundation seepage uplift)
无防渗排水(no relief)情况 有防渗排水情况
坝体扬压力(internal seepage uplift)
坝基扬压力-无防渗排水情况
库水经坝基向下渗透时，渗透水流 沿程受到阻力，造成水头损失。如下图 所示，上游坝踵处的扬压力强度为γH1， 下游坝趾处的扬压力强度为γH2，由于 岩基节理裂隙很不规则，难以求出坝体 扬压力的准确分布，故通常假定扬压力 从坝踵到坝趾呈直线变化。
矩形ABCD部分 是下游水深H2形成 的上举力，称为浮 托力；三角形CDE 部分是由上下游水 位差形成的渗透水 流产生的上举力， 称为渗透压力。坝 底的扬压力则是两 者之和。
当下游无水时， 扬压力＝渗透压力。
有防渗排水情况
1 0.45 ~ 0.6 2 0.2 ~ 0.4
其中大值适用于岸坡坝段 （因绕流）。修订规范建 议只采用:
第一篇 蓄水枢纽的水工建筑物
水力仿真 挡水建筑物 重力坝 拱坝 土石坝 溢洪道 隧洞、涵管 隧洞、涵管 船闸、鱼道、筏道
蓄 水 枢 纽
泄水建筑物 取水建筑物 专门建筑物 工程优化
第一章
重力坝
Chapter 1 Concrete Gravity Dams
重力坝的荷载及其组合 重力坝的断面设计 重力坝的抗滑稳定分析 重力坝的应力分析 重力坝的材料、分区、分缝及构造 重力坝的基础处理 泄水重力坝 其它型式重力坝
构造设计——细部构造：坝顶、廊道、排水、 分缝等。
重力坝的设计内容(续)
地基(foundation)处理——地基的防渗： 排水、断层软弱带处理等。
溢流(overfolw)重力坝和泄水孔的设计— —堰顶高程、孔口尺寸、体形及消能、防 护设计。
监测(monitoring)设计——坝体内部和外 部的观测设计。
§1.1 概述
重力坝的工作原理 重力坝的特点 重力坝的设计内容
重力坝的建设概况
一、重力坝的工作原理
重 力 坝 是 用 浆 砌 石 (grouted rubble)或者混凝土(concrete)材料建 筑而成的挡水建筑物，其剖面一般 做成上游面近于垂直的三角形断面， 主要依靠坝体的重量，在坝体和地 基的接触面产生抗剪强度或者摩擦 力，来抵抗水库的水平推力，以达 到稳定的要求；同时，也依靠坝体 的自重产生的压应力，来抵消由于 水压力所引起的坝体上游侧的拉应 力，以满足坝身强度的要求。
重力坝的特点—优点（续）
施工方便。大体积混凝土，可采用机械化施 工，放样、立模、浇筑都比较方便，补强、维 护和扩建也比较方便。 结构作用明确。重力坝沿坝沿坝轴线用横缝 分成若干坝段，各坝段独立工作，结构作用明 确，稳定和应力计算都比较简单。 可采用块石筑坝。用浆砌石本身做材料筑坝， 也可在混凝土加入块石，以节省水泥。（现已 较少采用浆砌石，需用人工较多）
H<H0，波浪发生破碎。
波浪要素的计算
影响波浪的因素较多，主要是吹程和风速。我 国重力坝规范规定用官厅水库公式计算波浪三要素， 适用于山区峡谷水库，库缘地势高峻，水库吹程1～ 13Km，风速1～16m/s的情况。 hl＝0.0166V1.25D0.33 —— 单位：m Ll＝10.4（hl）0.8 —— 单位：m 式中，V——计算风速，m/s D——吹程，Km，通常为在库水面高程，沿着 风向，从坝到对岸的最大直线距离。当库面特 别狭窄时，则不超过水面平均宽度的5倍。