第二章岩基重力坝Word下载.docx
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坝体自重是重力坝的主要荷载之一。
W=γ×
A+ω
ω--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>
=γh
2°
水平应力σ（x>
=λγh
3°
剪应力τ（xy>
=0
静水压力
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γ
②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项目措施：
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,并产生扬压力,见图2.6.
图2.6坝体水平截面上扬压力分布
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。
在反弧段上需根据水流动力方程求解动水压力。
计算假定：
水流为均匀流，动水压力分布亦均匀；
水重、侧向水压力F1、F2不计；
根据动量冲量原理：
单位时间内物体动量的增量等于该物体所受外力的合力。
即
反弧段上总水平分力和垂直分力为：
冰压力
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。
大小：
取决于冰层厚度、开始升温时的气温及温升率。
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。
说明:
冰压力对高坝可以忽略，因为一方面水库开阔，冰易凸起破碎，另一方面在总荷载中所占比例较小；
对低坝、闸较为重要，它占总荷载的比重大；
某些部位如闸门进水口处及不宜承受大冰压力的部位，可采取冲气措施等。
泥沙压力
①成因:
水库蓄水后，入库水流流速降低并趋于零，挟带的泥沙随流速减小而沉积于坝前，其过程是先沉积大颗粒，而后沉积细颗粒。
②计算
a、淤积高程
坝前淤积逐年增高，可根据河流的挟沙量进行估算，估算年限通常为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，设计时可根据经验取定，象黄河这样的多沙河流应由实验定出。
C、计算公式
7、浪压力
成因:
空气流动，带动水体，形成波浪。
波浪三要素:
波高,波长,波浪中心线距静水面的距离（图2.7>
图2.7风成波及立波示意图
波浪涌高2hL
波浪运动不受库底影响----深水波波浪运动受库底影响，且
库水深小于临界深度时-----破碎波
水深在上两者之间时--------浅水波
b、波长2L
c、波浪中心线距静水面的距离h
波浪中心线距静水面的距离h。
③风浪压力计算
影响波浪的因素很多，目前大都采用半经验公式来确定波长、波高，我国《混凝土重力坝设计规范》推荐官厅水库公式。
深水波压力计算公式：
浅水波压力计算公式：
若坝的迎水面倾斜，波浪的反射作用将减弱
当α＞45°
时
与铅直面情况相近
当α＜45°
按斜坡上的波浪考虑
8、地震荷载
地震荷载包括:
地震惯性力
地震动水压力（激荡力>
地震动土压力
（地震对扬压力、泥沙压力的影响一般不考虑>
计算方法：
动力法
一般用拟静力法计算:
F=ma,a为坝址处的地震加速度.
地震烈度：
（表示地震时在一定地点的地面震动的强烈程度，分0～12度>
地震荷载的大小与建筑物所在地区的烈度有关，烈度又分基本烈度和设计烈度两种.
基本烈度系指建筑物所在地区今后一定时期（一般指100年左右>
内可能遭遇的地震最大烈度。
设计烈度
系指抗震设计时实际采用的烈度。
（震级≠烈度>
一般情况下：
设计烈度=基本烈度
特殊情况下：
设计烈度=基本烈度+1°
（如特别重要的坝、地质条件复杂、失事后影响巨大>
①地震惯性力用拟静力法计算地震作用效应
式中:
---水平向地震系数,为地面水平最大加速度的统计平均值与重力加速度的比值.
---综合影响系数,取0.25
F---地震惯性力系数,反映结构的弹性对动力反映的影响.
W---坝体总重量.
②地震动水压力
地震时，坝前坝后的水随之震动，形成作用在坝面上的激荡力。
在水平地震作用下坝面上的地震动水压力沿高度变化，水深y处的动水压力强度为
总的动水压力为
其作用点位于水面以下的0.54H处.水深y处以上单位宽度地震动水压力合力及其作用点见图2.8
图2.8水深y处以上地震动水压力合力及其作用点位置
水深为y的截面以上单宽地震动水压力的合力及其作用点深度可查现成图表。
说明：
倾斜的迎水面，用上述公式求得的动水压力应乘以折减系数ψ/90°
；
迎水面有折坡时，直立部分等于或大于水深的一半，按直立面计算，否则用直连接水面与坡脚按倾斜面计算；
对宽高比B/H＜5的梯形河谷或V形河谷，按上述公式求得的地震动水压力偏大，故需乘以折减系数C1；
4°
作用在坝体上下游的地震动水压力均垂直于坝面，且二者作用方向一致；
二、荷载（作用>
组合
1、基本概念
除自重外，作用在重力坝上的荷载和如下特点：
时大时小、时有时无、此出彼没。
2、荷载组合
定义将可能作用在建筑物上的所有荷载按出现的时间（机率>
是否相同进行分组，然后将各组荷载分别作用在所设计的建筑物上，研究建筑物的稳定和强度，并给以不同的安全系数。
这种分组的方法即为荷载组合。
荷载（作用>
组合分类结构设计时需对不同的作用进行组合即分基本组合和偶然组合
基本组合：
可能同时出现永久作用和可变作用的组合。
分
长期组合:
持久发生（持久状态>
如正常挡水位
短期组合:
短暂发生（短暂状态>
如设计洪水位
偶然组合：
基本组合与一种偶然作用同时出现的组合。
上述组合都需按承载能力极限状态和正常使用极限状态进行设计。
设计工况正常使用极限状态下分：
长期组合
短期组合
承载能力极限状态下分：
基本组合（不分长短期>
偶然组合
分项系数:
是考虑结构安全级别（
>
、设计状态（
、作用（荷载>
（
、材料性能变异性（
以及计算模式不定性（
.
1.结构重要性系数（
用以反映不同结构安全级别对结构可靠度的不同要求，
安全级别为一级时，
=1.1
安全级别为二级时，
=1.0
安全级别为三级时，
=0.9
2.设计状况系数（
用以反映不同设计状况的目标可靠指标不同，分别对应持久状况、短暂状况、偶然状况。
对重力坝（
=1.0>
、（
=0.95>
=0.85>
3.作用分项系数（
用以反映作用（荷载>
对其标准值Fk的不利变异，由作用设计值Fd与标准值之比来定义:
随作用的概率分布不同而不同。
4.材料性能分项系数（
用以反映材料性能对其标堆值fk的不利变异，可由材料性能设计值fd与标准值之比的倒数来定义:
5.结构系数（
用以反应作用效应计算模式不定性和抗力计算模式不定性，还包括反映前4个分项系数未反映的其他不定性-------（用计算得到>
rd1----承载能力极限状态基本组合的结构系数
rd2----承载能力极限状态偶然组合的结构系数
rd3----正常使用极限状态短期组合的结构系数
rd4----正常使用极限状态长期组合的结构系数
式中
S（*>
为作用效应函数；
R（*>
为结构抗力函数；
Gk、Qk、分别为永久作用的标准值和可变作用的标准值；
Ak------为偶然作用代表值；
fk、ak、分别为材料性能标准值、几何参数标准值；
C------为结构的功能限值；
第三节重力坝的稳定分析
重力坝主要是依靠自重维持稳定，其可能出现的破坏型式（见图2.9>
：
滑动：
坝体沿抗剪能力不足的薄弱而产生滑动。
倾复：
抗倾力矩小于倾复力矩.下游地基差易出现.
图2.9重力坝失稳破坏示意图
因此,抗滑稳定是重力坝设计中的一个重要内容.
计算假定
1、河床坝段作为平面问题处理，岸坡坝段按空间问题处理；
2、略去横缝作用，以单宽计；
3、假定为一根固结于基础上的变截面悬臂梁
稳定分析
目的:
验算重力坝在各种可能荷载组合下的稳定安全度.
（一>
沿坝基面的抗滑稳定分析
假定坝体与坝基的连接有三种物理模式:
“触接”、“粘接”、“咬接”.
简单接触----摩擦公式
认为坝底光滑，坝基光滑，坝直接放置在基岩上----“触接”
故当滑动面为水平面时,抗滑稳定计算公式：
当滑动面为倾向上游的倾斜面时:
图2.10重力坝沿坝基抗滑稳定计算示意图
2、抗剪断公式
假定坝体与坝基之间涂有一层砂浆----“粘接”计算时考虑粘结力的作用，故抗剪断公式为:
计算时考虑粘结力的作用，故抗剪断公式为:
3、剪摩公式
假定坝体坝基之间凸凹不平，相互咬合在一起，计算时考虑纯剪强度
1、上述三个抗滑稳定计算公式是在不同的假定前提下得到的
摩擦公式：
形式简单，概念明确，计算方便，多年来积累了丰富的经验，公式中不考虑粘结力与实际不符，（安全裕度含在假定中，k=1.0并不意味着处于临界状态；
剪摩公式：
考虑抗滑力时，人为地把阻滑力看作为摩擦力与抗剪能力之和，己挖掘了维持稳定的所有潜力。
因而要求的安全系数较大，在美、日等国家用得较多。
抗剪断公式：
物理概念明确，也较符合实际，是近年来发展的趋势，《规范》也推荐采用，应注意抗剪断参数的选用。
2、对摩擦公式和抗剪断公式的讨论
摩擦公式忽略了坝体与基岩的胶结作用，不能完全反映实际工作状态，因为不考虑C的作用，因此K取的较小。
抗剪断强度公式考虑了坝体与基岩的胶结作用，计算了全部抗滑潜力，比较符合坝的实际工作状态，物理概念明确。
但C‘现场测值不稳，因此K’取值较大.
3、计算参数确定
f’、C’和f的大小对抗滑稳定影响很大，若取大则安全没有保证；
取小了浪费。
如何选取C、f值是计算稳定安全系数的关键。
（二>
深层抗滑稳定分析
地基内一般都存在着软弱夹层或缓倾角断面，坝体挡水后，除了会沿接触面滑动外，还有可能沿断层、夹层等薄弱面产生滑动。
需讨论坝体沿深层抗滑稳定问题，目前关于深层滑动至今尚没有成熟的方法。
常用的方法有如下三种即：
刚体极限平衡法,有限单元法,地质力学模型实验法.
单斜面深层抗滑稳定计算
a、计算公式
b、对安全系数的要求采用摩擦公式时，因软弱面的C小，安全储备低，K应适当提高（25～30>
％；
采用抗剪断公式时，因软弱面的f′c′低，k′很难达到规范要求，可适当降低，但至少不低于2.0.
双斜面深层滑动
a、计算方法（见图2.11>
①令①区处于极限平衡状态
②令②区处于极限平衡状态------被动抗力法
③令K1=K2=K-----等安全系数法
图2.11深层抗滑稳定计算示意图
b、说明：
1°
上述三种方法求出的k差别较大；
R的倾角对K的影响较大ψ=0时，K最小；
（ψ与①②分界面上的摩擦特性有关，较难精确确定>
上述方法在地基内设想增加了一个BD软弱面，使K降低，如岩体坚固完整，BD面上的抗剪强度足以承担其剪力，则按整体深层失稳核算；
（三>
、岸坡坝段的稳定分析
对于岸坡坝段，除沿上下游方向有滑动的趋向外，坝体在自重作用下还有沿岸坡下滑的趋势，这就构成了三维受力状态，其稳定性不如河床坝段，需进行稳定验算,见图2.12.
（四>
、增稳措施（见图2.13>
利用水重；
将坝基开挖成向上游倾斜的斜面（一般不这样做>
当节理面倾向下游时，在坝踵下设齿墙，增加滑动体重量也增大抗力；
设排水系统减小扬压力；
5°
加固地基（如进行固结灌浆提高强度参数>
6°
予应力锚固；
图2.13提高抗滑稳定性的几种项目措施
第四节重力坝的应力分析
一、应力分析的目的和方法
1、目的
了解坝体内的应力分布情况，检验大坝在施工期和运行期是否满足强度要求；
为布置坝身材料（如混凝土分区>
提供依据；
为特殊部位的配筋提供依据，如孔口、廊道等部位的配筋；
4°
为改进结构型式和科学研究提供依据；
2、分析方法:
模型实验法和理论计算法
①模型实验法
光测方法如：
偏振光弹性实验,激光全息实验,脆性材料电测法
②理论计算法
材料力学法（重力法>
这是一种历史悠久、应用最广、最简便的方法。
它不考虑地基变形的影响，假定：
σy呈直线分布；
σx呈三次抛物线分布；
τ呈二次抛物线分布；
评价：
该法有长期的实践经验，目前我国重力坝设计规范中的强度标准就是以该法为基础的。
弹性理论解读法
该法的力学模型和数学解法均很严密，但前只有少数边界条件简单的典型结构才有解答。
可用于验证其他方法的精确性，有重要价值。
弹性理论差分法
该法力学模型严密，在数学解法上采用差分格式，是一种近似的方法。
要求方形网格，对复杂边界适应性差。
弹性理论的有限单元法
与差分法相反，该法力学模型是近似的，数学解法是精确的，网格可采用三角形单元、四边形单元或两者的组合。
见图2.14
可处理复杂的边界条件，随着计算机的发展，单元可划分得很细以模拟各种边界。
目前大型或重要的项目都需用该法计算，以了解坝体各部位的应力状态。
图2.14重力坝应力分析有限单元法示意图
二、材料力学法,见图2.15和图2.16
1、基本假定
①坝体混凝土为均质、连续、各向同性的弹性体
②将坝体简化为固结在地基上的变截面悬臂梁；
③不考虑地基变形对坝体应力的影响，并认为各坝段独立工作，横缝不传力；
④σy呈直线分布；
图2.15坝体应力计算简图
图2.16截面核心计算图
2、边缘应力计算
①水平截面上的垂直正应力
②剪应力
③水平正应力
④主应力
3、内部应力计算
图2.17坝体微元体受力分析
①σy的计算,
②τ的计算,③σx的计算,④坝内主应力计算
4、考虑扬压力时的计算方法:
图2.18有扬压力的边缘应力计算简图
图2.19扬压力分布图
5、非荷载因素对坝体应力的影响
①地基变形对坝体应力的影响,见图2.20
图2.20地基变形示意图
图2.21坝基对坝体的应力影响
②地基不均匀对坝体应力的影响
③坝体不同材料对坝体应力的影响
④纵缝对坝体应力的影响
图2.22纵缝对坝体应力的影响
⑤分期施工对坝体应力的影响
图2.23分期施工对坝体应力的影响
第五节重力坝的剖面设计
一、设计原则
1、满足稳定和强度要求；
2、尽可能节省项目量，使剖面尺寸最小；
3、外部形状简单，便于施工；
4、运行管理方便；
二、基本剖面
定义：
基本剖面是指坝体在自重、库水压力和扬压力三个主要荷载作用下，满足稳定和应力要求并使其剖面最小的三角形剖面。
见图2.24.
图2.24重力坝的基本断面
三、实用剖面
从理论上讲，基本剖面虽然经济的，但不实用.因为：
坝顶不能是一个尖顶，不便于施工、运行管理和交通。
坝高不能刚好与水位齐平，必须有一定的超高。
厂房坝段需设闸门和拦污栅，希望上部做成垂直的。
四、优化设计
1、确定描述坝体体形的设计参数；
2、建立目标函数，一般取结构的重量和造价，因重力坝的造价主要取决于坝体砼方量，故取坝体体积作为目标函数；
3、确定约束条件，如稳定约束、应力约束、几何约束等；
4、优化计算方法，目标函数和约束条件都是设计参数的非线性函数，因此重力坝的优化设计是一个非线性规划问题。
<
一）
坝顶宽度
1）满足设备布置、运行、交通及施工的要求，非溢流坝的坝顶宽度一般可取坝高的8–10%，并不小于2M。
2）若作交通要道或有移动式启闭机设施时，应根据实际需要确定，当有较大的冰压力或漂浮物撞击力时，坝顶最小宽度还应满足强度的要求。
•<
二）坝顶高程
顶高程=设计洪水位+h设
高程=校核洪水位+h校
二者取较大值
三）剖面形态
•由基本剖面修改为实用剖面，有三种常用的形态，如图2.25
•图<
a）采用铅直的上游坝面，适用于坝基摩擦系数较大，由应力条件控制坝体剖面的情况。
•优点：
便于布置和操作坝身过水管道进口控制设备。
•缺点：
因为在上游面为铅直的基本三角形剖面上增加坝顶重量，空库时下游坝面可能产生拉应力。
图2.25非溢流坝剖面形态
b）项目中经常采用
•特点：
上游坝面上部铅直而下部呈倾斜，既可利用部分水重来增加稳定性，又可保留铅直的上部便于管道进口布置设备和操作的优点。
•上游折坡的起坡点位置应结合应力控制条件和引水、泄水建筑物的进口高程来选定。
一般在坝高的1/3~2/3的范围内。
设计时要验算起坡点高程水平截面的强度和稳定条件.
c）为上游面呈倾斜的基本三角形加坝顶而成，适用于坝基础摩擦系数较小的情况
•倾斜的上游坝面可以增加坝体自重和利用一部分水重，以满足抗滑稳定的要求。
修建在地震区的重力坝，可采用此种剖面。
第六节重力坝的材料和构造
一、砼重力坝的材料
一）水工砼的特性指标
1、强度
标准立方体极限强度分为12种强度等级，重力坝常用C10、C15、C20、C25等级别，砼的强度随龄期增加，对坝体提出强度要求时，应指出其对应的龄期，坝体砼抗压设计龄期一般采用90天，最多不宜超过180天，同时规定相应28天龄期的强度，作为早期强计的控制。
2、抗渗性
大坝防渗部位如上游面、基础层和下游水位以下的坝面，其砼应具有抵抗压力水渗透的能力。
抗渗性的指标通常用抗渗标号表示,抗渗标号也随砼的龄期增长，一般取与强度的设计龄期相同。
3、抗冻性
抗冻性是指饱和状态下能经受多次冻融循环而不破坏不来重降低强度的能力。
4、抗磨性
抗磨性是指砼抵抗高速水流或挟沙水流的冲刷和磨损的性能。
根据我国的经验，对于有抗磨要求的砼，采用高标号硅酸盐水泥或硅酸盐大坝水泥所控制的砼，其抗压强度等级不应低于C20号，且要求骨料质地坚硬，施工振摇密实以提高其耐磨性。
5、抗侵蚀性
大坝砼可能遭受环境水中某些物质的化学作用，引起侵蚀破坏。
如有抗侵蚀性要求时，应选择恰当的水泥品种，并尽量提高砼的密实性。
坝体砼的分区
坝体各部位的工作条件不同，对砼材料性能指标的要求不同。
在选用各区砼时，应注意：
1）尽量减小整个枢纽中不同砼标号的类别，便于施工。
2）为避免产生应力集中或产生温度裂缝，相邻区的强度等级相差不宜超过两级；
同一浇筑块中砼的标号也不得超过两种。
分区厚度一般不小于2-3M。
二、施工期温度应力及防裂措施
坝体砼的温度变化
1、坝体砼的温度变化规律<
图2.26）
①开始浇筑砼的温度为入仓温度
②水泥硬化，产生水化热，使温度增高
③热量不断散失，温度呈下降趋势热，这一段时间为冷却期，这段时间较长。
④冷却达到稳定温度，仅随外界气温而变化，称为稳定期。
图2.26坝体混凝土温度变化过程线
二）温度应力和温度裂缝的成因:
1、温度应力及温度裂缝的成因
砼温度发生变化，其体积也随着胀缩，因为砼坝体不能自由伸缩，从而产生温度应力，而当拉应力超过砼的抗拉能力时，出现裂缝。
2、基础温差引起的应力和裂缝（图2.27>
•
图2.27基础温差应力及裂缝示意图
3、坝块内外温差引起的应力和裂缝
砼块体在温度变化过程中，其温度分布实际上是不均匀的，施工期的温度应力则是由在散热过程中所形成的内外温差引起的。
因为内部砼的膨胀受到外部砼的约束，产生压应力，而外部砼受到内部砼的约束，产生拉应力，若拉应力超过砼的抗拉强度，就产生裂缝，温度裂缝一般发生在砼表面.
防止温度裂缝的措施
①加强温度控
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