1、水工建筑物水工建筑物 水利水電工程系水利水電工程系 2012年年3月月第三章第三章 巖基上的重力壩巖基上的重力壩 3 31 1 概述概述3 32 2 重力壩的荷載及其組合重力壩的荷載及其組合3 33 3 重力壩的抗滑穩定分析重力壩的抗滑穩定分析3 34 4 重力壩的應力分析重力壩的應力分析本章的主要內容：本章的主要內容：3 35 5 重力壩的滲流分析重力壩的滲流分析3 36 6 溫度應力、溫度控制和裂縫防止溫度應力、溫度控制和裂縫防止3 37 7 重力壩的剖面設計重力壩的剖面設計3 38 8 重力壩的極限狀態設計法重力壩的極限狀態設計法3 39 9 重力壩的抗震設計重力壩的抗震設計3 3101

2、0 泄水重力壩泄水重力壩3 31111 重力壩的地基處理重力壩的地基處理3 31212 重力壩的材料及構造重力壩的材料及構造3 313 13 碾壓砼重力壩碾壓砼重力壩3 314 14 其他型式重力壩其他型式重力壩一、重力壩的工作原理和特點一、重力壩的工作原理和特點 3.1 3.1 概述概述 公元前公元前29002900年埃及第一代王朝，曼奈斯王在首都孟年埃及第一代王朝，曼奈斯王在首都孟非斯城附近的尼羅河上，修建了一座高非斯城附近的尼羅河上，修建了一座高H H15m15m，L=240mL=240m的擋水壩。的擋水壩。 （1 1）利用自重在壩基面產生的摩擦力以及壩與地）利用自重在壩基面產生的摩擦力

3、以及壩與地基間的凝聚力來抵抗水平水壓力而維持穩定；基間的凝聚力來抵抗水平水壓力而維持穩定； （2 2）利用自重引起的壓應力抵消由水壓力產生的）利用自重引起的壓應力抵消由水壓力產生的拉應力。拉應力。 （3 3）基本剖面呈三角形。）基本剖面呈三角形。 （4 4）平面上，壩軸線通常呈直線，有時也布置呈折線）平面上，壩軸線通常呈直線，有時也布置呈折線或曲率不大的拱向上游的拱形。或曲率不大的拱向上游的拱形。 （5 5）用橫縫（）用橫縫（1-2cm1-2cm）將壩體分隔成若干個獨立工作的）將壩體分隔成若干個獨立工作的壩段，見圖壩段，見圖3131。 （6 6）靠近壩踵設防滲帷幕，帷幕后設排水孔，見圖）靠近壩

4、踵設防滲帷幕，帷幕后設排水孔，見圖3-23-2。圖圖3-33-3為三峽水利樞紐工程布置圖。為三峽水利樞紐工程布置圖。圖3 1 重 力 壩 的 布 置 1 溢 流 壩 段 ； 2 非 溢 流 壩 段 ； 3 橫 縫 優點：優點： （1 1）結構作用明確，設計方法簡單，安全結構作用明確，設計方法簡單，安全可靠可靠 用橫縫分成若干壩段，各壩段獨立工作用橫縫分成若干壩段，各壩段獨立工作,結構作用結構作用明確，應力和穩定計算簡單。剖面尺寸大，壩內應力明確，應力和穩定計算簡單。剖面尺寸大，壩內應力較低，材料強度高，耐久性好，因而抵抗洪水漫頂、較低，材料強度高，耐久性好，因而抵抗洪水漫頂、滲流、地震和戰爭破

5、壞的能力都比較強。滲流、地震和戰爭破壞的能力都比較強。 優點：優點：（2 2）對地形地質條件適應性強）對地形地質條件適應性強 任何形狀的河谷都可以修建重力壩。對地質任何形狀的河谷都可以修建重力壩。對地質條件的要求也較拱壩低，甚至在土基上也可以條件的要求也較拱壩低，甚至在土基上也可以修建高度不大的重力壩。修建高度不大的重力壩。 優點：優點：（3 3）樞紐泄洪問題容易解決）樞紐泄洪問題容易解決 可以做成溢流的，也可以在壩內不同可以做成溢流的，也可以在壩內不同高度設置泄水孔，一般不需另設溢洪道高度設置泄水孔，一般不需另設溢洪道或泄水隧洞，樞紐布置緊湊。或泄水隧洞，樞紐布置緊湊。 優點：優點： （4

6、4）便于施工導流）便于施工導流 可以利用壩體導流，一般不需要另開設導可以利用壩體導流，一般不需要另開設導流隧洞。流隧洞。 （5 5）施工方便）施工方便 大體積砼，可以采用機械化施工，在放樣、大體積砼，可以采用機械化施工，在放樣、立模和砼澆筑方面都比較簡單，并且補強、立模和砼澆筑方面都比較簡單，并且補強、修復、維護或擴建也比較方便。修復、維護或擴建也比較方便。 缺點：缺點： （1 1）壩體剖面尺寸大，材料用量大壩體剖面尺寸大，材料用量大 （2 2）壩體應力較低，材料強度不能充分發揮壩體應力較低，材料強度不能充分發揮 （3 3）壩體與地基接觸面積大，相應壩底揚壓力大壩體與地基接觸面積大，相應壩底揚

7、壓力大 （4 4）壩體體積大壩體體積大二、重力壩的類型二、重力壩的類型1.1.實體重力壩實體重力壩: :三峽、劉家峽、三門峽等三峽、劉家峽、三門峽等2.2.寬縫重力壩寬縫重力壩: :新安漿、丹江口、鹽鍋峽、新安漿、丹江口、鹽鍋峽、 潘家口等潘家口等3.3.空腹重力壩空腹重力壩: :石泉、岱峪（漿砌石）等石泉、岱峪（漿砌石）等三、重力壩的設計內容三、重力壩的設計內容 1. 1.剖面設計。參照已建類似工程，擬定剖面剖面設計。參照已建類似工程，擬定剖面尺寸。尺寸。 2.2.穩定分析。驗算沿地基面或地基中軟弱結穩定分析。驗算沿地基面或地基中軟弱結構面的抗滑穩定。構面的抗滑穩定。 3.3.應力分析。保證

8、壩體和壩基有足夠的強度。應力分析。保證壩體和壩基有足夠的強度。 4.4.構造設計。根據施工和運用要求確定壩體的構造設計。根據施工和運用要求確定壩體的細部構造，如廊道系統、排水系統、壩體分縫等。細部構造，如廊道系統、排水系統、壩體分縫等。 5. 5.地基處理。進行地基的防滲、排水、地基處理。進行地基的防滲、排水、斷層軟弱帶的處理等。斷層軟弱帶的處理等。 6.6.溢流重力壩和泄水孔的孔口設計。包溢流重力壩和泄水孔的孔口設計。包括：堰頂高程、孔口尺寸、體形及消能、防括：堰頂高程、孔口尺寸、體形及消能、防護設計等。護設計等。 7.7.監測設計。壩體內部和外部的觀測設監測設計。壩體內部和外部的觀測設計，

9、制定大壩的運行、維護和監測條例。計，制定大壩的運行、維護和監測條例。實際工作中，以上的內容在步驟上是相互交叉的。實際工作中，以上的內容在步驟上是相互交叉的。四、重力壩的建設情況四、重力壩的建設情況1919世紀以前，基本上都采用漿砌毛石；世紀以前，基本上都采用漿砌毛石；1919世紀后期才逐漸采用砼。進入世紀后期才逐漸采用砼。進入2020世紀后，隨著砼世紀后，隨著砼施工工藝水平的提高和施工機械的迅速發展；施工工藝水平的提高和施工機械的迅速發展；19621962年瑞士建成了世界上最高的大狄克桑斯重力壩，年瑞士建成了世界上最高的大狄克桑斯重力壩，壩高達壩高達285m285m。進入進入2020世紀世紀8

10、080年代，碾壓砼技術開始運用于重力壩年代，碾壓砼技術開始運用于重力壩建設。建設。5050年代首先建成了高年代首先建成了高105m105m的新安江和高的新安江和高71m71m的古田一級兩的古田一級兩座寬縫重力壩。座寬縫重力壩。6060年代建成了高年代建成了高97m97m的丹江口寬縫重力壩和高的丹江口寬縫重力壩和高147m147m的劉家的劉家峽重力壩。峽重力壩。7070年代建成了黃龍灘、龔嘴重力壩。年代建成了黃龍灘、龔嘴重力壩。8080年代建成了高年代建成了高165m165m的烏江渡拱型重力壩和高的烏江渡拱型重力壩和高107.5m107.5m的潘的潘家口低寬縫重力壩等。家口低寬縫重力壩等。909

11、0年代建成的有故縣、銅街子、巖灘、水口、寶珠寺、漫年代建成的有故縣、銅街子、巖灘、水口、寶珠寺、漫灣、五強溪、萬家寨等重力壩。灣、五強溪、萬家寨等重力壩。19941994年年1212月正式開工興建月正式開工興建的長江三峽水利樞紐重力壩，壩高的長江三峽水利樞紐重力壩，壩高181m181m，20032003年年7 7月第一月第一臺機組已經并網發電。臺機組已經并網發電。3.2 3.2 重力壩的荷載及其組合重力壩的荷載及其組合 一、作用與荷載一、作用與荷載作用：是指外界環境對水工建筑物的影響。作用：是指外界環境對水工建筑物的影響。荷載：進行結構分析時，如果開始即可用一個明確的外力荷載：進行結構分析時，

12、如果開始即可用一個明確的外力來代表外界環境的影響，則此作用（外力）可稱為荷載。來代表外界環境的影響，則此作用（外力）可稱為荷載。部分作用在結構分析開始時不能用力來代表，它的作用力及部分作用在結構分析開始時不能用力來代表，它的作用力及其產生的作用效應只能在結構分析中同步求出，如：溫度作其產生的作用效應只能在結構分析中同步求出，如：溫度作用、地震作用等。用、地震作用等。作用分為：作用分為： 永久作用：不隨時間變化的，如永久作用：不隨時間變化的，如 自重、土壓力等；自重、土壓力等； 可變作用：隨時間變化的，如可變作用：隨時間變化的，如 水荷載、溫度作用等；水荷載、溫度作用等； 偶然作用：偶然發生的，

13、如偶然作用：偶然發生的，如 地震、校核水位下的水地震、校核水位下的水壓力等。壓力等。為了與工程界習慣一致，除地震作用和溫度作用外，為了與工程界習慣一致，除地震作用和溫度作用外，其他作用可用外力來代表，則直接稱為荷載。其他作用可用外力來代表，則直接稱為荷載。 重力壩承受的荷載與作用主要有：重力壩承受的荷載與作用主要有： 自重（包括固定設備重）自重（包括固定設備重） 靜水壓力靜水壓力 揚壓力揚壓力 動水壓力動水壓力 浪壓力浪壓力 泥沙壓力泥沙壓力 冰壓力冰壓力 土壓力土壓力 地震作用地震作用 溫度作用溫度作用 風作用風作用1.1.自重自重 G=VG=V* *ccVV壩體體積；壩體體積；cc材料容重

14、（初設時取混凝土材料容重（初設時取混凝土c=24kN/mc=24kN/m3 3，施，施工詳圖階段由現場混凝土試驗決定）。工詳圖階段由現場混凝土試驗決定）。 沿壩基面滑動，僅計壩體重量；沿壩基面滑動，僅計壩體重量； 沿深層滑動，需計入滑動體中的巖體重沿深層滑動，需計入滑動體中的巖體重。2.2.靜水壓力靜水壓力水平力：水平力： P P1 1=(1/2)=(1/2)H H1 12 2 P P2 2=(1/2)=(1/2)H H2 22 2 垂直力：垂直力： W W1 1、 W W2 2式中式中: H: H水深，水深，m m； 水的容重，取水的容重，取9.81kN9.81kNm3m3。圖圖34 34

15、靜水壓力靜水壓力 3.3.揚壓力揚壓力 （1 1）壩底揚壓力）壩底揚壓力 原因原因: :上下游水位差；上下游水位差；砼、巖石都是透水材料。砼、巖石都是透水材料。 包括兩部分包括兩部分: : 浮托力；浮托力；滲透壓力。滲透壓力。 揚壓力折減系數。揚壓力折減系數。 水工建筑物荷載規范水工建筑物荷載規范（DL5077DL507719971997）規定：）規定： 河床壩段河床壩段:=0.2:=0.20.250.25； 岸坡壩段岸坡壩段:=0.3:=0.30.35 0.35 （2 2）壩身揚壓力）壩身揚壓力 壩身排水管折減系數壩身排水管折減系數:3 3=0.15=0.150.20.2 選取壩基揚壓力折點

16、位置考慮：選取壩基揚壓力折點位置考慮： （1 1）帷幕灌漿廊道設置在壩踵附近距上游壩面）帷幕灌漿廊道設置在壩踵附近距上游壩面0.050.050.10.1倍作用水頭、且不小于倍作用水頭、且不小于4 45m5m。 （2 2）廊道一般寬為）廊道一般寬為2.52.53.0m3.0m，高為，高為3 34m4m，底，底面距基巖面不宜小于面距基巖面不宜小于1.51.5倍廊道寬度。倍廊道寬度。 （3 3）排水孔與防滲帷幕下游面的距離，在壩基）排水孔與防滲帷幕下游面的距離，在壩基面處不宜小于面處不宜小于2.0m2.0m。排水孔幕略向下游傾斜，與帷。排水孔幕略向下游傾斜，與帷幕成幕成10101515交角。交角。

17、選取壩體揚壓力折點位置考慮：選取壩體揚壓力折點位置考慮： 檢查排水廊道多為城門洞型，最小寬度檢查排水廊道多為城門洞型，最小寬度1.2m1.2m，最小高度最小高度2.2m2.2m，至上游面距離應不小于，至上游面距離應不小于0.050.050.070.07倍水頭，且不小于倍水頭，且不小于3m3m。壩體排水管至上游面的距離，。壩體排水管至上游面的距離，一般要求不小于壩前水深的一般要求不小于壩前水深的1/101/101/12 1/12 。 4.4.動水壓力動水壓力 溢流壩泄水時，水流流經曲面，由于流向改溢流壩泄水時，水流流經曲面，由于流向改變，在該處產生動水壓力，見變，在該處產生動水壓力，見圖圖3-7

18、。溢流面上作。溢流面上作用有動水壓力，其中壩頂曲線段和下游直線段上用有動水壓力，其中壩頂曲線段和下游直線段上的動水壓力較小，可忽略不計。在反弧段上需根的動水壓力較小，可忽略不計。在反弧段上需根據水流動力方程求解動水壓力。據水流動力方程求解動水壓力。計算假定：計算假定： （1 1）水流為勻速流，動水壓力分布亦均勻，）水流為勻速流，動水壓力分布亦均勻，取取 V V1 1V V2 2V V； （2 2）不計水重）不計水重W W，側面水壓力，側面水壓力F F1 1和和F F2 2。 根據動量沖量原理：單位時間內物體動量的根據動量沖量原理：單位時間內物體動量的增量等于該物體所受外力的合力。即反弧段上總增

19、量等于該物體所受外力的合力。即反弧段上總水平分力和垂直分力為：水平分力和垂直分力為： 式中式中 P PH H，P PV V總動水壓力的水平和鉛直分量，總動水壓力的水平和鉛直分量，kNkN； 1 1，2 2反弧最低點兩側弧段所對的中心角，反弧最低點兩側弧段所對的中心角，； qq單寬流量，單寬流量，m3m3(sm)(sm)； 水的容重，水的容重，kNkNm3m3； gg重力加速度，重力加速度，m ms s2 2； VV水的流速，水的流速，m/sm/s。 合力作用點：可近似地取在反弧中點。合力作用點：可近似地取在反弧中點。5.5.波浪壓力波浪壓力成因成因: :空氣流動，帶動水體，形成波浪。空氣流動，

20、帶動水體，形成波浪。波浪三要素：波高為波浪三要素：波高為h hl l，波長為，波長為L L，波浪中心線高，波浪中心線高于靜水面產生的壅高為于靜水面產生的壅高為hzhz。 （1 1）波高、波長）波高、波長 當波浪推進到壩前，由于鉛直壩面的反射作當波浪推進到壩前，由于鉛直壩面的反射作用而產生駐波，波高為用而產生駐波，波高為2h2hl l，而波長仍保持，而波長仍保持L L不變。不變。 圖38 波浪幾何要素及吹程（a）波浪要素；（b）、（c）波浪吹程（波浪要素計算波浪要素計算）官廳水庫經驗公式：）官廳水庫經驗公式：式中式中: : Vo Vo風速風速(m/s)(m/s)，水庫為正常蓄水位和設計洪水位時，

21、水庫為正常蓄水位和設計洪水位時，宜采用相應季節宜采用相應季節5050年重現期的最大風速年重現期的最大風速；校核洪水位時，宜校核洪水位時，宜采用相應洪水期最大風速的多年平均值；采用相應洪水期最大風速的多年平均值； DD吹程吹程(km)(km)，為自壩前（風向）到對岸的距離，當吹，為自壩前（風向）到對岸的距離，當吹程內水面有局部縮窄，若縮窄處的寬度程內水面有局部縮窄，若縮窄處的寬度B B小于小于1212倍波長時，近倍波長時，近似地取吹程似地取吹程D D5B5B。 壅高 式中式中:H:H壩前水深，以壩前水深，以m m計。計。官廳水庫公式適用于官廳水庫公式適用于Vo 20mVo 20ms s 及及 D

22、 20kmD LH L2 2時，波浪運動不受庫底的約束。時，波浪運動不受庫底的約束。 淺水波：淺水波： L L2 H Ho 2 H Ho 時，波浪運動受到庫底影響。時，波浪運動受到庫底影響。 破碎波：破碎波： H Ho H Ho 時，波浪發生破碎，稱為破碎波時，波浪發生破碎，稱為破碎波。臨界水深臨界水深Ho為：為：22ln40llhLhLLH（1）深水波，見圖（）深水波，見圖（a）。）。)(4%1zlhhLP(2)淺水波，見圖（淺水波，見圖（b）。）。(由學生推導完成由學生推導完成)2/ )(%1lslszlHppHhhPLHhhPls2sec%1式中式中 pls建筑物基面處浪壓力的剩余強度。

23、建筑物基面處浪壓力的剩余強度。6.6.土壓力及泥沙壓力土壓力及泥沙壓力 土壓力：當建筑物背后有填土，將受到不同土壓力：當建筑物背后有填土，將受到不同的土壓力作用。建筑物向前側移動時承受主動土的土壓力作用。建筑物向前側移動時承受主動土壓力，向后側移動時承受被動土壓力，不動時承壓力，向后側移動時承受被動土壓力，不動時承受靜止土壓力。受靜止土壓力。 泥沙壓力：泥沙壓力： 成因成因: : 水庫蓄水后，入庫水流流速降低并趨水庫蓄水后，入庫水流流速降低并趨于零，挾帶的泥沙隨流速減小而沉積于壩前，其于零，挾帶的泥沙隨流速減小而沉積于壩前，其過程是先沉積大顆粒，而后沉積細顆粒。過程是先沉積大顆粒，而后沉積細顆

24、粒。 計算計算 a a、淤積高程：壩前淤積逐年增高，可通過、淤積高程：壩前淤積逐年增高，可通過數學模型計算及物理模型試驗，并比照類似工數學模型計算及物理模型試驗，并比照類似工程經驗，分析推定設計基準期內壩前的淤積高程經驗，分析推定設計基準期內壩前的淤積高程。年限通常為程。年限通常為50-10050-100年。年。 b b、指標：淤積的泥沙逐年固結，容重和、指標：淤積的泥沙逐年固結，容重和內摩擦角也在逐年變化，很難算準，一般按式內摩擦角也在逐年變化，很難算準，一般按式（311311）計算。）計算。 式中式中:Ps:Ps壩面單位寬度上的水平泥沙壓力，壩面單位寬度上的水平泥沙壓力， kNkNm m；

25、 sbsb 淤沙的浮容重，淤沙的浮容重，kNkNm3m3； h hs s 壩段前泥沙淤積厚度，壩段前泥沙淤積厚度，m m； 淤沙的內摩擦角，淤沙的內摩擦角，s7.7.冰壓力和冰凍作用冰壓力和冰凍作用 （1 1）靜冰壓力）靜冰壓力 在寒冷地區，冬季水庫表面結冰，當氣溫在寒冷地區，冬季水庫表面結冰，當氣溫升高時，冰層膨脹，對建筑物產生的壓力為靜升高時，冰層膨脹，對建筑物產生的壓力為靜冰壓力。大小取決于冰層厚度，參照表冰壓力。大小取決于冰層厚度，參照表3131確確定。靜冰壓力作用點在冰面以下定。靜冰壓力作用點在冰面以下1 13 3冰厚處。冰厚處。 表表31 31 靜冰壓力靜冰壓力注：對小型水庫冰壓力

26、應乘以注：對小型水庫冰壓力應乘以0.870.87，對大型平原水庫乘以，對大型平原水庫乘以1.251.25。（2 2）動冰壓力）動冰壓力 當冰破碎后，受風和水流的作用而漂流，當冰當冰破碎后，受風和水流的作用而漂流，當冰塊撞擊在壩面或閘墩上時將產生動冰壓力。塊撞擊在壩面或閘墩上時將產生動冰壓力。 1 1）冰塊垂直撞擊壩面的動冰壓力）冰塊垂直撞擊壩面的動冰壓力式中式中:Fb1:Fb1冰塊撞擊壩面的動冰壓力，冰塊撞擊壩面的動冰壓力，MNMN； ViVi冰塊流速，應按實測資料確定，無實測冰塊流速，應按實測資料確定，無實測 資料時，對于水庫可取流冰期內保證率為資料時，對于水庫可取流冰期內保證率為1 1的風

27、速的風速的的3 3，一般不超過，一般不超過0.6m0.6ms s； didi計算冰厚，取當地最大冰厚的計算冰厚，取當地最大冰厚的0.70.70.80.8倍，倍，m m； AiAi冰塊面積，冰塊面積，m m2 2； ficfic冰塊的抗壓強度，宜由試驗確定，當無冰塊的抗壓強度，宜由試驗確定，當無試驗資料時，可采用試驗資料時，可采用0.30.30.4MPa0.4MPa。2 2）冰塊撞擊閘墩的動冰壓力）冰塊撞擊閘墩的動冰壓力式中式中:F:Fb2b2冰塊撞擊閘墩的動冰壓力，冰塊撞擊閘墩的動冰壓力，MNMN； f fibib冰塊的擠壓強度，流冰初期可取冰塊的擠壓強度，流冰初期可取0.75MPa0.75M

28、Pa，后期可取，后期可取0.45MPa0.45MPa； bb建筑物在冰作用處的寬度，建筑物在冰作用處的寬度，m m； d di i計算冰厚，取當地最大冰厚的計算冰厚，取當地最大冰厚的0.70.70.80.8倍，倍，m m； mm與閘墩前沿平面形狀有關的系數，對于半圓形墩頭與閘墩前沿平面形狀有關的系數，對于半圓形墩頭m m可取可取0.90.9，對于矩形墩頭，對于矩形墩頭m m可取可取1.01.0，對于三角形墩頭，對于三角形墩頭m m可按有關規可按有關規范選取。范選取。說明：說明： 1 1 冰壓力對高壩可以忽略，因為一方面水庫開闊，冰壓力對高壩可以忽略，因為一方面水庫開闊，冰易凸起破碎，另一方面在

29、總荷載中所占比例較小；冰易凸起破碎，另一方面在總荷載中所占比例較小； 2 2 對低壩、閘較為重要，它占總荷載的比重大；對低壩、閘較為重要，它占總荷載的比重大； 3 3 某些部位如閘門進水口處及不宜承受大冰壓力某些部位如閘門進水口處及不宜承受大冰壓力的部位，可采取防冰、破冰措施。的部位，可采取防冰、破冰措施。8.8.溫度作用溫度作用 結構由于溫度變化產生的應力、變形、位結構由于溫度變化產生的應力、變形、位移等，稱為溫度作用效應。熱量的來源主要為氣移等，稱為溫度作用效應。熱量的來源主要為氣溫、日照、水溫、以及水泥的水化熱等。溫、日照、水溫、以及水泥的水化熱等。年周期變化過程：年周期變化過程：式中式

30、中:Ta:Ta多年月平均氣溫，多年月平均氣溫，； 時間變量，月；時間變量，月； 0 0初始相位，對于高緯度地區初始相位，對于高緯度地區( (緯度大于緯度大于3030) )，取，取006.5(6.5(月月) )，對于低緯度地區，取，對于低緯度地區，取006.76.7（月）；（月）； 圓頻率，圓頻率，221212； T Tamam多年年平均氣溫，多年年平均氣溫，； A Aa a多年平均氣溫年變幅，多年平均氣溫年變幅，。水庫壩前的年水溫過程：水庫壩前的年水溫過程：式中式中:T:Tw w(y(y，)水深水深y y處處時刻的多年月平均水溫；時刻的多年月平均水溫； 0 0氣溫年變化的初始相位；氣溫年變化的

31、初始相位； T Tw mw m(y)(y)水深水深y y處的多年年平均水溫；處的多年年平均水溫； A Aw w(y)(y)水深水深y y處的多年平均水溫年變幅；處的多年平均水溫年變幅； (y)(y)水深水深y y處的水溫與氣溫年變化間的相位差。處的水溫與氣溫年變化間的相位差。 對于壩前水深超過對于壩前水深超過5050 60m60m的非多年調節的非多年調節水庫，水庫，TwmTwm、AwAw、等項可按式（等項可按式（316316）、）、（317317）確定：）確定：)01. 0exp()75. 077. 7()(yTyTamWm（316） )025. 0exp()778. 094. 2()(*yA

32、yAaW（317） 式中式中AaAa* *為壩址多年平均氣溫年變幅，但在寒冷地為壩址多年平均氣溫年變幅，但在寒冷地區（區（Taml0Taml0），水庫表面在冬季結冰，冰蓋減），水庫表面在冬季結冰，冰蓋減少了水庫的熱散失，應將少了水庫的熱散失，應將AaAa* *做如式（做如式（318318）的）的修正。修正。 （318） 式中式中 Ta77Ta77月份多年平均氣溫；月份多年平均氣溫； aa陽光輻射所引起的溫度增量，可陽光輻射所引起的溫度增量，可 取為取為1 12 2C C。9.9.風作用風作用 風作用在建筑物表面產生風壓力。迎風面為正壓，在背風風作用在建筑物表面產生風壓力。迎風面為正壓，在背風面

33、或角隅還可能產生負壓。一般情況可以不計風壓，但對高面或角隅還可能產生負壓。一般情況可以不計風壓，但對高聳孤立的水工建筑物則應予考慮。迎風面基本風壓按（聳孤立的水工建筑物則應予考慮。迎風面基本風壓按（320320）式計算。式計算。10.10.地震作用地震作用 地震引發地層表面做隨機運動，能使水工建筑物產生嚴重地震引發地層表面做隨機運動，能使水工建筑物產生嚴重破壞。破壞情況取決于地震過程特點和建筑物動態反應特征。破壞。破壞情況取決于地震過程特點和建筑物動態反應特征。 地震烈度：表示地震時在一定地點的地面震動的強烈程地震烈度：表示地震時在一定地點的地面震動的強烈程度，我國分度，我國分0 01212度

34、；地震荷載的大小與建筑物所在地區的烈度；地震荷載的大小與建筑物所在地區的烈度有關。度有關。 一般情況下：設計烈度一般情況下：設計烈度= =基本烈度；基本烈度； 特殊情況下：設計烈度特殊情況下：設計烈度= =基本烈度基本烈度+1+1( (如特別如特別重要的壩、地質條件復雜、失事后影響巨大重要的壩、地質條件復雜、失事后影響巨大) )。 基本烈度：系指建筑物所在地區今后基本烈度：系指建筑物所在地區今后5050年內可能遭遇的較大地震，其超越概率在百分年內可能遭遇的較大地震，其超越概率在百分之十左右。查之十左右。查中國地震動參數區劃圖中國地震動參數區劃圖。 設計烈度：系指抗震設計時實際采用的烈度。設計烈

35、度：系指抗震設計時實際采用的烈度。( (震級震級烈度烈度) ) （1 1）地震慣性力）地震慣性力 水工建筑物按其重要性及場地地震基本烈度按水工建筑物按其重要性及場地地震基本烈度按表表2727（P26P26）確定工程抗震設防等級。）確定工程抗震設防等級。表表27 27 工程抗震設防等級工程抗震設防等級 設計用地面（指基巖面）運動峰值加速度與重力加設計用地面（指基巖面）運動峰值加速度與重力加速度之比稱為地震系數。與設計烈度對應的設計用水速度之比稱為地震系數。與設計烈度對應的設計用水平向地震加速度代表值平向地震加速度代表值hh見表見表2828（P26P26） 。設計用。設計用豎向地震加速度代表值豎向

36、地震加速度代表值vv取取hh的的2 23 3。表表28 28 水平向設計地震加速度代表值水平向設計地震加速度代表值hh地震烈度 7 8 9 h 0.1g 0.2g 0.4g 水工建筑物抗震設計規范水工建筑物抗震設計規范（DL50732000DL50732000）規定：規定： 甲類的重力壩采用動力法；甲類的重力壩采用動力法； 乙、丙類的重力壩采用動力法或擬靜力法，乙、丙類的重力壩采用動力法或擬靜力法，設計烈度小于設計烈度小于8 8度且壩高小于、等于度且壩高小于、等于70m70m的可采用擬的可采用擬靜力法。靜力法。：擬靜力法：擬靜力法： 混凝土混凝土重力壩沿高度作用于質點重力壩沿高度作用于質點i

37、i的水平向的水平向地震慣性力代表值地震慣性力代表值FiFi： 式中式中 F Fi i作用在質點作用在質點i i的水平向地震慣性力代表值；的水平向地震慣性力代表值； h h 水平向設計地震加速度代表值，當設計烈水平向設計地震加速度代表值，當設計烈度為度為7 7、8 8、9 9度時，分別取度時，分別取0.lg0.lg、0.2g0.2g和和0.4g0.4g； 地震作用的效應折減系數，一般取地震作用的效應折減系數，一般取0.250.25； G GEiEi集中在質點集中在質點i i的重力作用標準值；的重力作用標準值； gg重力加速度；重力加速度； i質點質點i i的動態分布系數：的動態分布系數： 當需要

38、計算豎向地震慣性力時，仍可用式當需要計算豎向地震慣性力時，仍可用式（321321），但應以豎向地震系數代替。據統計，），但應以豎向地震系數代替。據統計，豎向地震加速度的最大值約為水平地震加速度最豎向地震加速度的最大值約為水平地震加速度最大值的大值的2/32/3。 當同時計入水平和豎向地震慣性力時，豎向當同時計入水平和豎向地震慣性力時，豎向地震慣性力還應乘以遇合系數地震慣性力還應乘以遇合系數0.50.5。（2 2）地震動水壓力）地震動水壓力 在水平地震作用下，重力壩鉛直面上沿高度分布在水平地震作用下，重力壩鉛直面上沿高度分布的地震動水壓力的代表值為的地震動水壓力的代表值為: 單位寬度上的總地震動

39、水壓力為單位寬度上的總地震動水壓力為: :作用點位于水面以下作用點位于水面以下0.54H10.54H1處處。表表32 32 水深水深y y處的地震動水壓力分布系數表處的地震動水壓力分布系數表 水深為水深為y y的截面以上單位寬度地震動水壓力的截面以上單位寬度地震動水壓力的合力及其作用點深度的合力及其作用點深度hyhy，見下圖。，見下圖。（3 3）地震動土壓力）地震動土壓力 地震主動動土壓力代表值地震主動動土壓力代表值FEFE按式（按式（325a325a）計算，）計算，應取式中應取式中“”、“”號計算結果中的大值。號計算結果中的大值。其中二、荷載組合二、荷載組合 1 1、基本概念、基本概念 除自

40、重外，作用在重力壩上的荷載有如下特點：除自重外，作用在重力壩上的荷載有如下特點：時大時小、時有時無。時大時小、時有時無。 2 2、荷載組合、荷載組合 定義：可能作用在建筑物上的所有荷載按出現定義：可能作用在建筑物上的所有荷載按出現的時間的時間( (機率機率) )是否相同進行分組，然后將各組荷載分是否相同進行分組，然后將各組荷載分別作用在所設計的建筑物上，研究建筑物的穩定和強別作用在所設計的建筑物上，研究建筑物的穩定和強度，并給以不同的安全系數。這種分組的方法即為荷度，并給以不同的安全系數。這種分組的方法即為荷載組合。載組合。 3.3.荷載按性質分荷載按性質分 （1 1）基本荷載）基本荷載 壩體

41、及其上固定設備的自重；壩體及其上固定設備的自重； 正常蓄水位或設計洪水位時的靜水壓力；正常蓄水位或設計洪水位時的靜水壓力； 相應于正常蓄水位或設計洪水位時的揚壓力；相應于正常蓄水位或設計洪水位時的揚壓力； 泥沙壓力；泥沙壓力； 相應于正常蓄水位或設計洪水位時的浪壓力；相應于正常蓄水位或設計洪水位時的浪壓力； 冰壓力；冰壓力； 土壓力；土壓力； 相應于設計洪水位時的動水壓力；相應于設計洪水位時的動水壓力； 其他出現機率較多的荷載。其他出現機率較多的荷載。 （2 2）特殊荷載）特殊荷載 校核洪水位時的靜水壓力；校核洪水位時的靜水壓力； 相應于校核洪水位時的揚壓力；相應于校核洪水位時的揚壓力； 相應

42、于校核洪水位時的浪壓力；相應于校核洪水位時的浪壓力； 相應于校核洪水位時的動水壓力；相應于校核洪水位時的動水壓力； 地震作用；地震作用； 其他出現機率很少的荷載。其他出現機率很少的荷載。4.4.荷載組合荷載組合基本組合基本組合屬設計情況或正常情況，由同時出屬設計情況或正常情況，由同時出現的基本荷載組成。現的基本荷載組成。特殊組合特殊組合屬校核情況或非常情況，由同時出屬校核情況或非常情況，由同時出現的基本荷載和一種或幾種特殊荷載組成。現的基本荷載和一種或幾種特殊荷載組成。表表3333為（為（SL319SL31920052005）所規定的幾種組合情況）所規定的幾種組合情況。 表33 荷載組合3.3

43、 3.3 重力壩的抗滑穩定分析重力壩的抗滑穩定分析 一、重力壩的穩定分析和穩定分析的目的、方法一、重力壩的穩定分析和穩定分析的目的、方法 1.1.失穩情況失穩情況 （1 1）滑動）滑動由于某截面上的抗剪強度不足而發由于某截面上的抗剪強度不足而發生滑動，設計必須考慮。生滑動，設計必須考慮。 （2 2）傾覆）傾覆繞下游壩址的傾覆力矩超過抗傾覆繞下游壩址的傾覆力矩超過抗傾覆力矩而發生傾倒。力矩而發生傾倒。 （3 3）浮起）浮起由于揚壓力超過自重而浮起。對砼由于揚壓力超過自重而浮起。對砼重力壩，一般不會發生。但對護坦、分離式閘有可重力壩，一般不會發生。但對護坦、分離式閘有可能發生。能發生。 2.2.重

44、力壩的穩定分析目的重力壩的穩定分析目的 (1)(1)核算沿壩基面抗滑穩定的安全度；核算沿壩基面抗滑穩定的安全度； (2)(2)壩基內部緩傾角軟弱結構面抗滑穩定的安壩基內部緩傾角軟弱結構面抗滑穩定的安全度。全度。 重力壩沿壩軸線方向用橫縫分隔成若干個獨立重力壩沿壩軸線方向用橫縫分隔成若干個獨立壩段，穩定分析可按照平面問題考慮。對于地基中壩段，穩定分析可按照平面問題考慮。對于地基中存在多條互相切割交錯的軟弱面構成空間滑動體或存在多條互相切割交錯的軟弱面構成空間滑動體或位于地形陡峻的岸坡段，則按空間問題考慮。位于位于地形陡峻的岸坡段，則按空間問題考慮。位于均勻壩基上的混凝土重力壩沿壩基面的失穩機理是

45、：均勻壩基上的混凝土重力壩沿壩基面的失穩機理是：首先在壩踵處基巖和膠結面出現微裂松弛區，隨后首先在壩踵處基巖和膠結面出現微裂松弛區，隨后在壩趾處基巖和膠結面出現局部區域的剪切屈服，在壩趾處基巖和膠結面出現局部區域的剪切屈服，進而屈服范圍逐漸增大并向上游延伸，最后形成滑進而屈服范圍逐漸增大并向上游延伸，最后形成滑動通道，導致壩的整體失穩。動通道，導致壩的整體失穩。3.3.重力壩的穩定分析方法重力壩的穩定分析方法單一安全系數法單一安全系數法 K=K=抗滑力抗滑力/ /滑動力滑動力R/SR/S分項系數極限狀態設計法分項系數極限狀態設計法 滑動力滑動力S S（）抗滑力抗滑力R R（）二、沿壩基面的抗滑

46、穩定分析二、沿壩基面的抗滑穩定分析 以一個壩段或取單寬作為計算單元，計算以一個壩段或取單寬作為計算單元，計算公式有抗剪強度公式和抗剪斷公式。公式有抗剪強度公式和抗剪斷公式。1.1.抗剪強度公式抗剪強度公式 將壩體與基巖間看成是一個接觸面，而不是將壩體與基巖間看成是一個接觸面，而不是膠結面。膠結面。 當壩基面呈水平時：當壩基面呈水平時：Ksf（WU）P 式中式中 WW壩基面以上的總鉛直力；壩基面以上的總鉛直力； PP壩基面以上的總水平力；壩基面以上的總水平力； UU作用在壩基面上的揚壓力；作用在壩基面上的揚壓力； ff壩基面間的摩擦系數。壩基面間的摩擦系數。當壩基面傾向上游時：當壩基面傾向上游時

47、：式中式中接觸面與水平面間的夾角。接觸面與水平面間的夾角。 接觸面傾向上游時，對壩體接觸面傾向上游時，對壩體抗滑有利；接觸面傾向下游時，抗滑有利；接觸面傾向下游時， 為負值，滑動力增大，對壩體為負值，滑動力增大，對壩體穩定不利。穩定不利。圖圖311 311 壩體抗滑穩定計算簡圖壩體抗滑穩定計算簡圖規范（規范（SL319SL31920052005）規定：）規定：f f值的選取：值的選取：規劃階段，參照附錄規劃階段，參照附錄D D選用；選用；可研以后，應以野外和室內試驗確定；可研以后，應以野外和室內試驗確定；中型工程中、低壩，無條件進行野外試驗時，宜進行中型工程中、低壩，無條件進行野外試驗時，宜進

48、行室內試驗，并參照附錄室內試驗，并參照附錄D D確定。確定。砼與基巖間的砼與基巖間的f f值常取在值常取在0.50.50.80.8之間。之間。（SL319SL31920052005）規定，安全系數：）規定，安全系數： 基本組合基本組合 KsKs1.101.101.051.05 特殊組合特殊組合 KsKs1.001.001.051.05詳見表詳見表34(P46)34(P46)。 摩擦系數摩擦系數f f的選定直接關系到大壩的造價與安的選定直接關系到大壩的造價與安全，全，f f值愈小，為維持穩定所需的值愈小，為維持穩定所需的WW愈大，即壩愈大，即壩體剖面愈大。以新安江工程為例，若體剖面愈大。以新安江

49、工程為例，若f f值減小值減小0.010.01，則壩體混凝土要增多則壩體混凝土要增多2 2萬萬m m3 3. . 抗剪強度公式未考慮壩體混凝土與基巖間的凝抗剪強度公式未考慮壩體混凝土與基巖間的凝聚力，而將其作為安全儲備，因此，安全系數值聚力，而將其作為安全儲備，因此，安全系數值不應再定的過高。不應再定的過高。2.2.抗剪斷公式抗剪斷公式 為抗剪斷摩擦系數；為抗剪斷摩擦系數； 為抗剪斷凝聚力。為抗剪斷凝聚力。 、 值的選取：規劃階段，參照附錄值的選取：規劃階段，參照附錄D選用；選用；可研以后，應以野外和室內試驗確定；可研以后，應以野外和室內試驗確定；（SL3192005）規定，）規定， 應滿：應

50、滿： 基本組合：基本組合： 3.0 特殊組合（特殊組合（1）：）： 2.5 特殊組合（特殊組合（2）：）： 2.3 抗剪強度公式形式簡單，對摩擦系數抗剪強度公式形式簡單，對摩擦系數f f的選擇，的選擇，多年來積累了豐富的經驗；但該公式忽略了壩體與多年來積累了豐富的經驗；但該公式忽略了壩體與基巖間的膠結作用，不能完全反映壩的實際工作性基巖間的膠結作用，不能完全反映壩的實際工作性態。態。 抗剪斷公式直接采用接觸面上的抗剪斷強度抗剪斷公式直接采用接觸面上的抗剪斷強度參數，物理概念明確，比較符合壩的實際工作情況參數，物理概念明確，比較符合壩的實際工作情況。三、深層抗滑穩定分析三、深層抗滑穩定分析 深層

51、滑動：當壩基內存在不利的緩傾角軟弱結深層滑動：當壩基內存在不利的緩傾角軟弱結構面時，在水荷載作用下，壩體有可能連同部分基巖構面時，在水荷載作用下，壩體有可能連同部分基巖沿軟弱結構面產生滑移，即所謂的深層滑動。沿軟弱結構面產生滑移，即所謂的深層滑動。 如：美國奧斯汀壩，就是沿著地基內被水軟化如：美國奧斯汀壩，就是沿著地基內被水軟化的頁巖層面滑動破壞的。的頁巖層面滑動破壞的。 表表3636給出了給出了3030多個大型水電工程多個大型水電工程452452組軟弱組軟弱夾層及硬性結構面的現場大型和室內中型原狀抗剪斷夾層及硬性結構面的現場大型和室內中型原狀抗剪斷試驗數據。試驗數據。 設計時，首先要查明地基

52、中的主要設計時，首先要查明地基中的主要缺陷，確定失穩邊界，測定失穩邊界上缺陷，確定失穩邊界，測定失穩邊界上的抗剪斷強度參數；其次是選擇合理的的抗剪斷強度參數；其次是選擇合理的計算方法并規定相應的安全系數；最后計算方法并規定相應的安全系數；最后是選擇提高深層抗滑穩定性的措施以滿是選擇提高深層抗滑穩定性的措施以滿足安全要求。足安全要求。 計算方法：剛體極限平衡法和有限元法。計算方法：剛體極限平衡法和有限元法。 對重要工程和復雜壩基，除采用剛體極限平衡法對重要工程和復雜壩基，除采用剛體極限平衡法計算外，還要用有限元法和地質力學模型試驗復核。計算外，還要用有限元法和地質力學模型試驗復核。 1.1.剛體

53、極限平衡法剛體極限平衡法 （1 1）單斜面深層抗滑穩定）單斜面深層抗滑穩定 在地基內只有一個軟弱面。計算中將軟弱面以上在地基內只有一個軟弱面。計算中將軟弱面以上的壩體和地基視作剛體，按式（的壩體和地基視作剛體，按式（327327）或（）或（328328）計算剛體沿軟弱面的抗滑穩定安全系數。計算剛體沿軟弱面的抗滑穩定安全系數。圖圖312 312 壩基內的軟弱面壩基內的軟弱面 有文獻建議：有文獻建議： 當整個可能滑動面基本上都由軟弱結構當整個可能滑動面基本上都由軟弱結構面構成時，宜用抗剪強度公式計算，安全系數面構成時，宜用抗剪強度公式計算，安全系數采用采用1.051.051.31.3。 可能滑動面

54、僅一部分通過軟弱結構面，可能滑動面僅一部分通過軟弱結構面，其余部分切穿巖體或混凝土，有條件提供一定其余部分切穿巖體或混凝土，有條件提供一定抗滑力的抗力體時，應采用抗剪斷公式核算，抗滑力的抗力體時，應采用抗剪斷公式核算，安全系數采用安全系數采用2.52.53.53.5。圖圖313 313 雙斜面深層抗滑穩定計算簡圖雙斜面深層抗滑穩定計算簡圖（2）雙斜面深層抗滑穩定）雙斜面深層抗滑穩定 （2 2）雙斜面深層抗滑穩定）雙斜面深層抗滑穩定 如圖如圖313313所示，所示，ABAB是一條緩傾角夾層或是一條緩傾角夾層或軟弱面，稱為主滑裂面，軟弱面，稱為主滑裂面，BCBC是另一條輔助破裂是另一條輔助破裂面，

55、切穿地表。面，切穿地表。 計算時將滑移體分成兩塊，在其分界面計算時將滑移體分成兩塊，在其分界面BDBD上引入一個需要事先假定與水平面成上引入一個需要事先假定與水平面成 角角的內力的內力R R（抗力）。（抗力）。 分別令分別令區或區或區處于極限平衡狀態，區處于極限平衡狀態，有剩余推力法、被動抗力法、等安全系數法。有剩余推力法、被動抗力法、等安全系數法。 1 1）剩余推力法）剩余推力法 先令先令區處于極限平衡狀態，其沿區處于極限平衡狀態，其沿ABAB面的面的K1K1l l，求得，求得RR； 再計算再計算區沿區沿BCBC面的面的K2K2，K2K2即為整個壩段的抗即為整個壩段的抗滑穩定安全系數。滑穩定

56、安全系數。 當當區處于極限平衡時，即區處于極限平衡時，即K1K1l l，由平衡條件，由平衡條件得：得：解出R： 將將R R加在加在區上，便可求得區上，便可求得區的抗滑穩區的抗滑穩定安全系數定安全系數：式中式中 f1f1、c1c1和和f2f2、c2c2區、區、區可能滑動面上區可能滑動面上的摩擦系數和凝聚力；的摩擦系數和凝聚力；A1A1、A2ABA2AB、BCBC可能滑動面的面積。其他符號的可能滑動面的面積。其他符號的意義，如圖意義，如圖313313所示。所示。 2 2）被動抗力法）被動抗力法 與上述方法相反與上述方法相反 先令先令區處于極限平衡狀態（區處于極限平衡狀態（K2K21 1），求得抗）

57、，求得抗力力R R后；后； 再計算再計算區沿區沿ABAB面的面的K1K1，作為整個壩段的抗滑穩，作為整個壩段的抗滑穩定安全系數定安全系數K= K1K= K1。 3 3）等安全系數法）等安全系數法 令令區和區和區同時處于極限平衡狀態，分別列出區同時處于極限平衡狀態，分別列出兩個區抗滑穩定安全系數兩個區抗滑穩定安全系數K1K1、K2K2的計算式；的計算式； 然后令然后令K1=K2K1=K2，解出抗力，解出抗力R R，再將其代回原計算式，再將其代回原計算式，即可求出整個滑移體的抗滑穩定安全系數。即可求出整個滑移體的抗滑穩定安全系數。 4 4）三種方法的討論）三種方法的討論 方法方法1 1和和2 2是

58、先令一個區處于極限平衡狀態，即相是先令一個區處于極限平衡狀態，即相當于這一區的當于這一區的K Kl l，因而推算出的另一區的，因而推算出的另一區的K K值值作為整個滑移體的抗滑穩定安全系數；方法作為整個滑移體的抗滑穩定安全系數；方法3 3是按各是按各區具有相等的安全系數來計算，相比之下，等安全系區具有相等的安全系數來計算，相比之下，等安全系數法數法( (方法方法3)3)更為合理。更為合理。 2.2.有限元法有限元法 用有限元法分析壩體沿深層緩傾角軟弱夾層抗用有限元法分析壩體沿深層緩傾角軟弱夾層抗滑穩定的安全度，可采用安全系數法或用限制位移滑穩定的安全度，可采用安全系數法或用限制位移值表示。值表

59、示。 安全系數法有三種計算方法：安全系數法有三種計算方法： 應力代數和比值法。用計算得出的滑動面上應力代數和比值法。用計算得出的滑動面上的正應力和剪應力，求算滑動面上總的抗滑力與總的正應力和剪應力，求算滑動面上總的抗滑力與總的滑動力的比值；的滑動力的比值； 超載系數法。將作用在壩體外部的外荷載逐超載系數法。將作用在壩體外部的外荷載逐步放大，直至滑動面上的抗滑穩定處于臨界狀態，步放大，直至滑動面上的抗滑穩定處于臨界狀態，此時荷載的放大倍數即視為安全系數；此時荷載的放大倍數即視為安全系數； 降低安全參數法。即降低滑動面上的抗剪斷降低安全參數法。即降低滑動面上的抗剪斷強度參數值，使其沿滑動面的抗滑穩

60、定處于臨界狀強度參數值，使其沿滑動面的抗滑穩定處于臨界狀態，此時抗剪斷強度參數降低前后的比值即視為安態，此時抗剪斷強度參數降低前后的比值即視為安全系數。全系數。 我國工程界較多采用我國工程界較多采用。 四、岸坡壩段的抗滑穩定四、岸坡壩段的抗滑穩定 取取個壩段（三維問題），設岸坡傾角為個壩段（三維問題），設岸坡傾角為，壩，壩段總重為段總重為W W，壩基面上的揚壓力為，壩基面上的揚壓力為U U，上游壩面水壓力，上游壩面水壓力為為P P，壩基面的抗剪強度參數或抗剪斷參數為，壩基面的抗剪強度參數或抗剪斷參數為f f或或 和和 ，滑動面面積為，滑動面面積為A A。將自重將自重W W分解為：分解為： 法向