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1、重力坝 第二节第1页，本讲稿共40页第二节第二节 重力坝的荷载及荷载组合重力坝的荷载及荷载组合 一、重力坝的荷载一、重力坝的荷载自重（包括坝体及坝上自重（包括坝体及坝上永久性永久性设备）设备）静止水压力（上、下游坝面，水平、竖直方向）静止水压力（上、下游坝面，水平、竖直方向）动水压力（对溢流坝段）动水压力（对溢流坝段）扬压力扬压力淤沙压力淤沙压力浪压力浪压力冰压力冰压力地震荷载地震荷载其他荷载其他荷载第2页，本讲稿共40页重力坝上作用力示意图重力坝上作用力示意图 第3页，本讲稿共40页（1）自重自重a.坝体自重按坝体坝体自重按坝体结构尺寸结构尺寸和和材料容重材料容重计算：计算：自重自重=g g
2、V 式中式中：g g坝体材料重度坝体材料重度=r rg；混凝土：混凝土：g g=23.023.5 kN/m3浆砌石：浆砌石：g g=21.523.5 kN/m3b.永久性设备自重：永久性设备自重：闸门、闸门、固定固定启闭机等，启闭机等，车辆、车辆、活动启门机活动启门机不计入。不计入。第4页，本讲稿共40页（2）静水压力静水压力 作用于单位坝长上游坝面静水压力的作用于单位坝长上游坝面静水压力的水平分力水平分力：作用于单位坝长上游坝面静水压力的作用于单位坝长上游坝面静水压力的铅直分力：铅直分力：n为坡度系数为坡度系数=tanj j第5页，本讲稿共40页（3）动水压力动水压力 动水压力是指水流流经建
3、筑物表面时，由于动水压力是指水流流经建筑物表面时，由于流速方流速方向和大小向和大小发生改变而对建筑物产生的作用力，垂直发生改变而对建筑物产生的作用力，垂直于建筑物表面，多发生于于建筑物表面，多发生于溢流坝溢流坝面。面。挑流鼻坎反弧段：忽挑流鼻坎反弧段：忽略微分体自重和侧面略微分体自重和侧面水压力水压力，仅计离心力仅计离心力。第6页，本讲稿共40页单宽流量单宽流量 式中：式中：g g水的重度，水的重度，KN/m3；v 反弧段的平均流速反弧段的平均流速,m/s。微分体质微分体质量量 m=g g/ghds微分体离心力微分体离心力第7页，本讲稿共40页水平分力水平分力 第8页，本讲稿共40页 铅直分力
4、铅直分力 第9页，本讲稿共40页（4）扬压力）扬压力重力坝挡水后，在水位差作用下，上游水将通过坝重力坝挡水后，在水位差作用下，上游水将通过坝体的孔隙和坝基裂隙向下游渗透，渗透水对坝体和体的孔隙和坝基裂隙向下游渗透，渗透水对坝体和坝基产生渗透水压力（水力学中称为坝基产生渗透水压力（水力学中称为“渗透动水压力）渗透动水压力）l渗透水压力的特点：渗透水压力的特点：同一点上各向压强相等同一点上各向压强相等各向同性各向同性 垂直于作用面垂直于作用面方向方向 其铅直分力称为扬压力其铅直分力称为扬压力第10页，本讲稿共40页（4）扬压力）扬压力4.1 4.1 坝底扬压力坝底扬压力包括两部分包括两部分 下游水
5、深引起的下游水深引起的浮托力浮托力 由上下游水头差引起的由上下游水头差引起的渗透压力渗透压力 渗透水压力的实际分布比较复杂：基岩节理、渗透水压力的实际分布比较复杂：基岩节理、裂隙分布规律，难于理论计算。裂隙分布规律，难于理论计算。通常由经验假定：通常由经验假定：若坝底面未做任何防渗排水处若坝底面未做任何防渗排水处 理，则沿坝底面理，则沿坝底面直线分布直线分布，即在，即在坝底面沿程渗流坝底面沿程渗流 水头损失相等水头损失相等。第11页，本讲稿共40页4.2 4.2 4.2 4.2 减小扬压力措施减小扬压力措施减小扬压力措施减小扬压力措施 防渗帷幕：防渗帷幕：为了减少坝底扬压力坝基渗流量，为了减少
6、坝底扬压力坝基渗流量，在坝底靠上游侧的基岩内钻孔，用高压水泥浆灌在坝底靠上游侧的基岩内钻孔，用高压水泥浆灌 入孔内，渗入充填岩石节理、裂隙形成的不透水入孔内，渗入充填岩石节理、裂隙形成的不透水 幕墙。幕墙。排水：排水：为进一步减小扬压力，在防渗帷幕后的基为进一步减小扬压力，在防渗帷幕后的基 岩钻孔，排除部分透过帷幕的水流。岩钻孔，排除部分透过帷幕的水流。第12页，本讲稿共40页无防渗排水措施时无防渗排水措施时 坝底扬压力分布坝底扬压力分布 有防渗排水时坝底有防渗排水时坝底扬压力分布扬压力分布扬压力折减系数扬压力折减系数参照参照SL319SL31920052005混凝土重力混凝土重力坝设计规范中
7、的坝设计规范中的建议取值。建议取值。河床坝段河床坝段 ：a a=0.2=0.20.3 0.3 岸坡坝段岸坡坝段 ：a a=0.3=0.30.40.4 第13页，本讲稿共40页a a1=0.20 a a2=0.50坝基有坝基有帷幕帷幕和和主排水主排水孔幕孔幕、2 2排副排水孔幕排副排水孔幕，并采取抽排并采取抽排，帷幕后，帷幕后坝基较大范围的渗透坝基较大范围的渗透压力得到更大释放压力得到更大释放 第14页，本讲稿共40页4.3 4.3 坝体扬压力坝体扬压力 渗流不仅发生在坝基，也出现在坝体，只是坝渗流不仅发生在坝基，也出现在坝体，只是坝 体材料渗透性相对比较小，水流在坝体内运动体材料渗透性相对比较
8、小，水流在坝体内运动 的速度慢些而已，只要有足够的时间，水流同的速度慢些而已，只要有足够的时间，水流同 样从坝体上游坝面经过坝体流到下游坝面样从坝体上游坝面经过坝体流到下游坝面。第15页，本讲稿共40页（5 5）泥沙压力）泥沙压力）泥沙压力）泥沙压力挟带泥沙的水流入库后，泥沙逐渐在坝前淤挟带泥沙的水流入库后，泥沙逐渐在坝前淤 积，对坝上游面产生泥沙压力。积，对坝上游面产生泥沙压力。按水库的使用年限和平均年入库泥沙量估算淤按水库的使用年限和平均年入库泥沙量估算淤积总量积总量，再由库容曲线查得淤积高程，按土力，再由库容曲线查得淤积高程，按土力学公式计算。学公式计算。第16页，本讲稿共40页（5 5
9、 5 5）泥沙压力）泥沙压力hn为坝为坝前泥沙淤前泥沙淤积积厚度；厚度；g gn为淤沙的浮容重，通过试验或工程类比得到；为淤沙的浮容重，通过试验或工程类比得到；淤沙的内摩擦角，根据坝前淤沙的粒径范围和淤沙的内摩擦角，根据坝前淤沙的粒径范围和 淤积年限，参考类似工程的实测资料确定。淤积年限，参考类似工程的实测资料确定。第17页，本讲稿共40页成因成因:空气流动（风），带动水体，形成波浪，空气流动（风），带动水体，形成波浪，波浪对坝面产生的压力。波浪对坝面产生的压力。（6）浪压力）浪压力l 波浪的波浪的三要素三要素:波高波高,波长波长,波浪中心线距波浪中心线距 静水面距离静水面距离第18页，本讲稿
10、共40页（6 6）浪压力）浪压力）浪压力）浪压力第19页，本讲稿共40页由于水的阻力比空气阻力大，因而波峰比由于水的阻力比空气阻力大，因而波峰比较较尖尖锐锐，波，波谷比谷比较较平坦，平坦，这样导这样导致波浪中心致波浪中心线线高出静水面高出静水面 波峰波峰波浪在静水位以上部分；波浪在静水位以上部分；波谷波谷波浪在静水位以下部分；波浪在静水位以下部分；波高波高波峰顶与波谷底之间的高差；波峰顶与波谷底之间的高差；波长波长两相邻波峰顶或波谷底之间的距离；两相邻波峰顶或波谷底之间的距离；波浪中心线波浪中心线平分波高的水平线平分波高的水平线（为什么波浪中心线高（为什么波浪中心线高于静水面？）。于静水面？）
11、。第20页，本讲稿共40页6.1 波浪要素计算波浪要素计算波浪要素计算波浪要素计算n对于平原、滨海地区水库，采用对于平原、滨海地区水库，采用莆田莆田（福建地名）（福建地名）试验站公式计算波高和波长试验站公式计算波高和波长n对于丘陵、平原地区水库，采用对于丘陵、平原地区水库，采用鹤地水库鹤地水库公式公式计算计算n对于内陆狭长水库，采用对于内陆狭长水库，采用官厅水库官厅水库（位于河北）（位于河北）公式公式计算公式及其适用条件计算公式及其适用条件（考试内容）（考试内容）第21页，本讲稿共40页6.1 波浪要素计算波浪要素计算官厅水库（位于河北）公式官厅水库（位于河北）公式累计频率为累计频率为p的波高
12、，的波高，如如h5%20-250累计频率波高与平均波高累计频率波高与平均波高比值可查教材表比值可查教材表1-11-1得到得到如如h h5%5%/h hm m=1.95=1.95 可得可得h hm mHm水域平均水深水域平均水深=(H设计设计/校核水位校核水位坝底高程坝底高程)2/3 第22页，本讲稿共40页6.1 波浪要素计算波浪要素计算nv0为计算风速，为计算风速，m/s 当浪压力参与基本荷载组合时，采用当浪压力参与基本荷载组合时，采用重现期为重现期为50年年（频（频率为率为2%）的年最大风速；）的年最大风速；当浪压力参与特殊荷载组合时，采用当浪压力参与特殊荷载组合时，采用多年平均最大风多年
13、平均最大风速速。nD为风区长度（有效吹程），为风区长度（有效吹程），m 当坝前水域较宽，并且主风向大致迎大坝正面吹来当坝前水域较宽，并且主风向大致迎大坝正面吹来 时，时，吹程吹程 为计算点至对岸的直线距离。为计算点至对岸的直线距离。n 波浪中心线高出静水位的高度波浪中心线高出静水位的高度 静水深(m)第23页，本讲稿共40页6.2 浪压力浪压力浪压力浪压力浪压力浪压力波浪对建筑物迎水面的冲击力；它沿波浪对建筑物迎水面的冲击力；它沿水深逐渐减弱。根据水深逐渐减弱。根据水深水深按三种波态计算按三种波态计算plf深水波深水波浅水波浅水波破碎波破碎波第24页，本讲稿共40页6.2 6.2 浪压力浪压力
14、浪压力浪压力(a)深水波深水波（HcrH且且HLm/2）坝前有足够水深，波浪不坝前有足够水深，波浪不会破碎，静水面会破碎，静水面Lm/2下下的波浪压强可以不计的波浪压强可以不计第25页，本讲稿共40页6.2 浪压力浪压力浪压力浪压力波浪对建筑物迎水面的冲击力；它沿波浪对建筑物迎水面的冲击力；它沿水深逐渐减弱。根据水深逐渐减弱。根据水深水深按三种波态计算按三种波态计算plf深水波深水波浅水波浅水波破碎波破碎波第26页，本讲稿共40页6.2 6.2 浪压力浪压力浪压力浪压力波浪破碎临界水深波浪破碎临界水深Hcr第27页，本讲稿共40页6.2 浪压力浪压力(b)浅水波浅水波（HcrH但但HLm/2）
15、上游坝踵处的波浪压强上游坝踵处的波浪压强不能忽略不能忽略剩余浪压力强度剩余浪压力强度 plf第28页，本讲稿共40页静冰压力动冰压力静冰压力动冰压力（7）冰压力冰压力（a）静冰压力静冰压力 原因：原因：寒冷地区，水库表面将结冰，当气温升寒冷地区，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。高时，冰层膨胀，对建筑物产生的压力。大小：大小：冰层厚度开始升温时的气温温升率。冰层厚度开始升温时的气温温升率。规范建议静冰压力按表规范建议静冰压力按表1-31-3取值取值。第29页，本讲稿共40页（7）冰压力冰压力（b）动冰压力动冰压力 当冰破碎后，受风和水流的作用而漂流，当冰破碎后，受风
16、和水流的作用而漂流，冰块撞击在坝面或闸墩上时将产生动冰压力。冰块撞击在坝面或闸墩上时将产生动冰压力。DL50771997水工建筑物荷载设计规范水工建筑物荷载设计规范 SL21198 水工建筑物抗冻设计规范水工建筑物抗冻设计规范第30页，本讲稿共40页（8 8）地震荷载地震荷载 在地震区建坝，应考地震荷载的影响。在地震区建坝，应考地震荷载的影响。地震荷载包括地震荷载包括:地震惯性力地震惯性力地震动水压力地震动水压力 地震动土压力地震动土压力注：地震对扬压力、泥沙压力的影响一般不予考虑注：地震对扬压力、泥沙压力的影响一般不予考虑 描述地震大小强弱的标准：描述地震大小强弱的标准：震级地震烈度震级地震
17、烈度震级：震级：根据地震发生时，地球内部释放的能量大小根据地震发生时，地球内部释放的能量大小 划分的划分的，6级以上产生破坏。级以上产生破坏。地震烈度：地震烈度：根据对该地区的破坏程度划分的，根据对该地区的破坏程度划分的，最高烈度为最高烈度为12度。度。第31页，本讲稿共40页地震荷载的大小与建筑物所在地区的烈度有关地震荷载的大小与建筑物所在地区的烈度有关基本烈度基本烈度某地区今后一定时期内（约某地区今后一定时期内（约100年）年）可能遭遇到的最大地震烈度。可能遭遇到的最大地震烈度。设计烈度设计烈度抗震设计中实际采用的地震烈度抗震设计中实际采用的地震烈度 基本烈度（一般）基本烈度（一般）1 1
18、度（抗震设防类别为甲类）度（抗震设防类别为甲类）水工建筑物抗震设计规范水工建筑物抗震设计规范规定：规定：对地震烈度对地震烈度6度以下地区（度以下地区（NO）。）。一般只考虑危害最大的水平方向地震作用；一般只考虑危害最大的水平方向地震作用；对设计烈度为对设计烈度为8、9度的度的I、II级挡水建筑物，级挡水建筑物，水平、竖直方向的地震惯性力（水平、竖直方向的地震惯性力（YES），），竖向动水压力（竖向动水压力（NO）。）。第32页，本讲稿共40页地震荷载计算方法地震荷载计算方法:拟静力法动力法拟静力法动力法 对于地震设防为甲类的工程，采用动力法对于地震设防为甲类的工程，采用动力法 对于抗震设防为乙
19、、丙类的设计烈度低于对于抗震设防为乙、丙类的设计烈度低于8度度 且坝高不超过且坝高不超过70m的重力坝可采用拟静力法。的重力坝可采用拟静力法。第33页，本讲稿共40页8.1 8.1 地震惯性力地震惯性力（考试内容）（考试内容）（考试内容）（考试内容）n重力坝沿轴线方向的刚度很大，这个方向的地震惯性重力坝沿轴线方向的刚度很大，这个方向的地震惯性 力力将传至两岸，仅计顺河流方向的水平地震惯性力。将传至两岸，仅计顺河流方向的水平地震惯性力。n 满库满库时按地震波向时按地震波向上游上游，地震惯性力向，地震惯性力向下游下游 空库空库时按地震波向时按地震波向上游上游，地震惯性力向，地震惯性力向上游上游n
20、地震惯性力的大小地震惯性力的大小 SL20397 水工建筑物抗震设计规范水工建筑物抗震设计规范第34页，本讲稿共40页8.2 8.2 地震动水压力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 上的激荡力上的激荡力。拟静力法计算重力坝地震作用的公式见（拟静力法计算重力坝地震作用的公式见（116）（9）其他荷载）其他荷载 作用于重力坝其他荷载包括风荷载、雪荷载等，作用于重力坝其他荷载包括风荷载、雪荷载等，由于对重力坝的影响比较小，一般情况下可以由于对重力坝的影响比较小，一般情况下可以 不考虑。不考虑。第35页，本讲稿共40页第36页，本讲稿共
21、40页二、荷载组合二、荷载组合 除除自重荷载自重荷载之外，荷载总是变化的，而且这些荷之外，荷载总是变化的，而且这些荷 载存在的概率也是变化的，设计时应考虑这些荷载存在的概率也是变化的，设计时应考虑这些荷 载同时出现的可能性载同时出现的可能性。定义：定义：在规定的计算情况下，同时作用在结构上的在规定的计算情况下，同时作用在结构上的 荷载的集合荷载的集合（a）基本荷载基本荷载 长期作用（如自重等）、或在建筑物工作期间经长期作用（如自重等）、或在建筑物工作期间经 常出现的荷载常出现的荷载（b）特殊荷载特殊荷载 偶然作用（如校核水位时的静水压力、浪压力等）偶然作用（如校核水位时的静水压力、浪压力等）或
22、特别罕见（如地震）的荷载；或特别罕见（如地震）的荷载；第37页，本讲稿共40页（a a）基本荷载组合）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。定了较大的安全系数和安全超高。（b b）特殊荷载组合）特殊荷载组合特殊荷载组合是指包含特殊荷载（偶然出现的荷载）的特殊荷载组合是指包含特殊荷载（偶然出现的荷载）的组合，用于校核情况。由于出现的概率小，故安全系数组合，用于校核情况。由于出现的概率小，故安全系数和安全超高均较小。和安全超高均较小。第38页，本讲稿共40页混凝土重力坝设计规范混凝土重力坝设计规范SL319-2005规定的重力坝设计规定的重力坝设计中应考虑的基本荷载组合和特殊荷载组合中应考虑的基本荷载组合和特殊荷载组合三、作用和作用效应三、作用和作用效应安排在本章第五节集中系统介绍安排在本章第五节集中系统介绍 第39页，本讲稿共40页建建 议议？农水楼农水楼233233第40页，本讲稿共40页