任务三 重力坝的荷载及其组合

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、浪压力或冰压力、泥沙压力以及地震荷载等。

一、荷载计算

荷载计算包括确定荷载的大小、方向、作用点。一般按单位坝长进行分析，对溢流坝段则通常取一个坝段进行计算。

（一）自重（包括永久设备重）

坝体自重是维持大坝稳定的主要荷载，其大小可根据坝的体积和材料重度计算确定。

式中 G——坝体自重，kN；

V——坝的体积，m3；

γc——筑坝材料的重度，kN／m3。

筑坝材料重度选用的是否合适，直接影响坝的安全和经济，对此必须慎重。在初步设计阶段可根据材料种类按表3-1选取，施工图设计阶段应通过现场实验确定。

(二)水压力

1.挡水坝段的静水压力

静水压力可按水力学的原理计算。坝面上任意一点的静水压强为p=γ0y，其中γ0为水的重度，y为该点距水面深度。当坝面倾斜或为折面时，为了计算方便，常将作用在坝面上的水压力分为水平水压力和垂直水压力分别计算（图3-1）。

2.溢流坝段的水压力

溢流坝段坝顶闸门关闭挡水时，静水压力计算与挡水坝段完全相同。在泄水时，作用在上游坝面的水压力可按式（3-2）近似计算，如图3-2所示。

式中 P——单位坝长的上游水平压力，kN／m，作用在压力图形的形心；

H1——上游水深，m；

h——坝顶溢流水深，m；

γ0——水的重度，一般采用9.81kN／m3。

3.溢流坝下游反弧段的动水压力

可根据流体动量方程求得。若假设反弧段始、末两断面的流速相等，则单位坝长在该反弧段上动水压力的总水平分力Px与总垂直分力Py的计算公式如下：

式中 q——鼻坎处单宽流量，m3／(s·m)；

v——反弧段上的平均流速，m／s；

θ1、θ2——反弧段圆心竖线左、右的中心角。

Px、Py的作用点，可近似地认为作用在反弧段中央，其方向以图3-2所示为正。溢流面上的脉动水压力和负压对坝体稳定和坝内应力影响很小，可以忽略不计。

(三)扬压力

1.坝基面上的扬压力

扬压力由上、下游水位差产生的渗透水压力和下游水深产生的浮托力两部分组成，其大小可按扬压力分布图形进行计算。影响扬压力分布及数值的因素很多，设计时根据坝基地质条件、防渗及排水措施、坝体的结构形式等综合考虑选用扬压力计算图形。

（1）坝基设有防渗帷幕和排水幕的实体重力坝。

防渗帷幕和排水幕是重力坝减小渗透压力的常用措施。防渗帷幕是通过在岩基中钻孔灌浆而成的，其渗透系数远小于周围岩石的渗透系数，渗透水流绕过或渗过帷幕时要消耗很大的能量，从而使帷幕后的渗透压力大为降低。排水幕是一排由钻机钻成的排水孔组成，能使部分渗透水流自由排出，使渗透压力进一步降低。这种情况的扬压力分布图形如图3-3所示。图中矩形部分是由下游水深H2产生的浮托力，在水平坝基上任一点的压强为γ0H2；折线部分是由上、下游水位差H产生的渗透压力，上游压强为γ0H，下游为零，排水幕处为αγ0H。α为剩余水头系数，河床坝段采用α=0.25，岸坡坝段采用α=0.35，对于水文和工程地质条件较复杂的地基，应进行研究论证，以确定合适的数值。

在特殊情况下，也可只设灌浆帷幕或排水幕，相应的扬压力图形与图3-3类似，其剩余水头系数α可以结合专门论证确定。

（2）采用抽排降压措施的实体重力坝。

防渗帷幕和排水幕不能降低浮托力，当下游水深较大时，浮托力对扬压力的影响显著。为了更有效地降低扬压力，可以采用抽排降压措施，即在坝体廊道内设置抽水设备及排水系统，定时抽排，使扬压力进一步降低。此时坝基面上的扬压力分布图形如图3-4所示。图中α1为主排水幕处扬压力剩余系数，一般取α1=0.2，α2为坝基面上残余扬压力系数，可采用0.5。当有专门论证时，系数α1、α2可采用论证后的值。

2.坝体内部的扬压力

渗透水流除在坝基面产生渗透压力外，渗入坝体内部的水流也会产生渗透压力。为减小坝体内的渗透压力，常在坝体上游面附近3～5m范围内，提高混凝土的防渗性能，形成防渗层，并在防渗层后设坝身排水管。坝体内部的扬压力按图3-5所示的分布图形进行计算，图中α3常取0.2。当坝内无排水管时，则取渗透压力为三角形分布。

（四）泥沙压力

水库建成蓄水后，入库水流挟带的泥沙将逐年淤积在坝前，对坝体产生泥沙压力。取淤积计算年限为50～100年，参照经验数据，按主动土压力公式计算泥沙压力：

式中 Pn——泥沙压力，kN/m；

γn——泥沙的浮重度，一般为6.5～9.0kN/m3；

hn——泥沙的淤积厚度，m；

φn——泥沙的内摩擦角。对于淤积时间较长的粗颗粒泥沙,φn=18°～20°；对于黏土质泥沙，φn=12°～14°；对于淤泥、黏土和胶质颗粒，φn=0°。

当上游坝面倾斜时，除计算水平向泥沙压力Pn外，还应计算铅直向泥沙压力。铅直泥沙压力可按作用在坝面上的土重计算。

（五）浪压力

1.波浪要素

水库水面在风的作用下产生波浪，波浪对坝面的冲击力称为浪压力。计算浪压力时，首先要计算波浪高度h、波浪长度Lm和波浪中心线超出静水面的高度hz等波浪要素（图3-6）。由于影响波浪的因素很多，因此目前仍用已建水库长期观测资料所建立的经验公式进行计算。

1—计算水位（静水水位）；2—平均波浪线；3—波顶；4—波底；5—波峰；6—波谷

（1）对于山区峡谷水库，推荐采用官厅水库公式计算h和Lm：

式中 h——波浪高度，m，当=20～250时，为累计频率5%的波高，当=250～1000时，为累计频率10%的波高；计算浪压力时，规范规定应采用累计频率为1%的波高；对应于5%的波高，应乘以1.24；对应于10%的波高，应乘以1.41；

v0——计算风速，m/s,设计情况取50年一遇风速，校核情况取多年平均最大风速;

D——吹程，m,可取坝前沿水面到水库对岸水面的最大直线距离；当水库水面特别狭长时，按5倍平均水面宽计算，如图3-7所示。

上两式的适用范围是吹程D＜20km，风速v＜20m/s，且库水较深的情况。当吹程D＜7.5km，风速v＜26.5m/s时，宜采用鹤地水库公式进行计算，公式参考SL 319—2005《混凝土重力坝设计规范》。

由于波浪在空气和水两种介质中行进所受的阻力不同，波浪并不对称于静水面，而是波浪中心线高出静水位（图3-6），其数值hz按下式计算：

式中 H1——坝前水库水深，m。

（2）对于平原、滨海地区水库，宜采用福建莆田试验站公式计算h和Lm。

1)平均波高hm和平均波周期Tm:

式中 hm——平均波高，m；

Hm——风区内的平均水深，m；

Tm——平均波周期，s。

2)计算波高hp：根据水闸级别，由表3-2查得波列的累积频率p值，再根据p及hm/Hm值，查表3-3得hp/hm值，从而计算出波高hp。

5）波浪中心线高出静水位hz仍按式（3-10）计算。

2.浪压力的计算

当重力坝的迎水面为铅直或接近铅直时，波浪推进到坝前，受到坝的阻挡，而使波浪壅高形成驻波。计算浪压力和坝顶超高时，坝前波浪在静水位以上的高度为h1%+hz。此外，随着建筑物迎水面前水深的不同，可能产生三种波态：深水波、浅水波和破碎波（图3-8），浪压力计算时需根据不同波态选择相应的计算公式。

（1）当H1≥Hcr和H1≥Lm/2时［图3-8（a）］，单位长度上的浪压力计算公式为：

（2）当Hcr≤H1＜Lm/2时［图3-8（b）］，单位长度上的浪压力计算公式为：

式中 plf——坝基底面处剩余浪压力强度，kPa。

（3）当H1＜Hcr时［图3-8（c）］，单位长度上的浪压力计算公式为：

式中 λ——浪压力强度折减系数，H1≤1.7h1%时，λ为0.6，H1＞1.7h1%时，λ为0.5；

p0——计算水位处的浪压力强度，kPa；

Ki——底坡影响系数，查表3-4（i为坝前一定距离库底纵坡平均值）。

(六)地震力

在地震区筑坝，必须考虑地震的影响。地震对建筑物的影响程度常用地震烈度表示。地震烈度划分为12度，烈度越大，对建筑物的影响越大。在抗震设计中常用到基本烈度和设计烈度两个概念。基本烈度是指该地区今后50年期限内，可能遭遇超越概率p50为0.10的地震烈度。设计烈度是指设计时采用的地震烈度。一般情况下，采用基本烈度作为设计烈度；但对1级建筑物，可根据工程重要性和遭受震害的危险性，在基本烈度的基础上提高一度作为设计烈度。设计烈度为Ⅶ度及以上的地震区应考虑地震力，设计烈度超过Ⅳ度时，应进行专门研究。设计烈度为Ⅵ度及以下时，一般不考虑地震力。

地震力包括由建筑物重量引起的地震惯性力、地震动水压力和动土压力。地震对扬压力、坝前泥沙压力和浪压力的影响可不考虑。SL 203—1997《水工建筑物抗震设计规范》规定：对于工程抗震设防类别为甲级（基本烈度≥Ⅵ度的1级坝）时，其地震作用效应计算应采用动力分析方法；对于设防类别为乙、丙级，设计烈度低于Ⅷ度，且坝高不大于70m的重力坝可采用拟静力法计算；对于丁级（基本烈度≥Ⅶ度的4、5级坝）建筑物，可以用拟静力法计算或着重采取措施而不用计算。具体计算方法可参阅SL 203—1997《水工建筑物抗震设计规范》。

（七）冰压力

1.静冰压力

在寒冷地区，水库表面冬季结成冰盖，当气温回升时，冰盖膨胀，对挡水建筑物上游面产生的压力称作静冰压力。静冰压力的大小取决于冰的最低温度、温度回升率、冰层厚度、热膨胀系数、冰的抗压强度和岸边对冰层的约束情况等。一般在确定开始升温时的气温及气温上升率后，可由表3-5查得单位面积上的静冰压力，乘以冰厚即为作用在单位坝长上的静冰压力。

当水库在冬季采用破冰、融冰措施以清除冰压力对建筑物的影响时，可不考虑坝体上的冰压力。

2.动冰压力

当冰盖破碎后发生冰块流动，流冰撞击坝面而产生的冲击力称为动冰压力。动冰压力的大小与冰的运动速度、冰块尺寸、建筑物表面积的大小和形状、风向和风速、流冰的抗碎强度等因素有关。

（1）冰块撞击在铅直坝面时的动冰压力可按下式计算：

式中 Pbd——冰块撞击在铅直坝面时的动冰压力，kN；

fic——冰的抗压强度，对于水库可取0.3MPa，对于河流，流冰初期取0.45MPa，后期可取0.3MPa；

Vb——冰块流速，对于大水库应通过研究确定，一般不大于0.6m/s；

Ab——冰块的面积，m2；

db——冰块的厚度，m。

（2）冰块撞击在铅直闸墩上的动冰压力按下式计算:

式中 P′bd——冰块撞击在铅直闸墩上的动冰压力，kN；

Rb——冰的抗压强度，当无资料时，在结冰初期取750kPa，末期可取450kPa；

B——闸墩在冰层处的前沿宽度，m；

m——闸墩的平面形状系数，按表3-6采用;

其他符号意义同前。

二、荷载组合

作用在重力坝上的各种荷载，除坝体自重外，都有一定的变化范围。例如在正常运行、放空水库、设计或校核洪水等情况，其上、下游水位各不相同。当水位发生变化时，相应的水压力、扬压力亦随之变化。又如在短期宣泄最大洪水时，就不一定会同时发生强烈地震。再如当水库水面封冻，坝面受静冰压力作用时，波浪压力就不存在。因此，在进行坝的设计时，应该根据“可能性和最不利”的原则，把各种荷载合理地组合成不同的设计情况，然后进行安全核算，以妥善解决安全和经济的矛盾。

作用于重力坝上的荷载，按其出现的几率和性质，可分为基本荷载和特殊荷载。

1.基本荷载

基本荷载包括：①坝体及其上永久设备自重；②正常蓄水位或设计洪水位时大坝上、下游面的静水压力（选取一种控制情况）；③相应于正常蓄水位或设计洪水位时的扬压力；④大坝上游淤沙压力；⑤相应于正常蓄水位或设计洪水位时的浪压力；⑥冰压力；⑦土压力；⑧设计洪水位时的动水压力；⑨其他出现机会较多的作用。

2.特殊荷载

特殊荷载包括：①校核洪水位时的大坝上、下游面的静水压力；②相应于校核洪水位时的扬压力；③相应于校核洪水位时的浪压力；④相应于校核洪水位时的动水压力；⑤地震荷载；⑥其他出现机会很少的荷载。

重力坝抗滑稳定及坝体应力计算的荷载组合分为基本组合和特殊组合两种情况。荷载组合按表3-7的规定进行(表中数字即荷载的序号)，必要时还可考虑其他的不利组合。