水利工程概論3水利水電工程學院盛金昌2007-7-20水庫的擋水建筑物系指攔河壩。按建筑材料分：

土石壩：又分土壩、堆石壩、土石混合壩。

混凝土壩：重力壩、拱壩、支墩壩。

漿砌石壩

本章著重介紹：

§3.1重力壩

§3.2拱壩

§3.3土石壩

§3.4碾壓混凝土壩與混凝土面板堆石壩第三章擋水建筑物一、重力壩的特點和設計要求

二、重力壩的荷載及剖面設計

三、重力壩的安全分析和型式的改進

四、重力壩的材料及構造

五、基礎處理第一節重力壩是用混凝土或漿砌石修筑的大體積擋水建筑物。混凝土重力壩示意圖

§3.1重力壩：重力壩的特點和設計要求

第三章擋水建筑物三峽大壩

§3.1重力壩：重力壩的特點和設計要求

第三章擋水建筑物三峽大壩全景

§3.1重力壩：重力壩的特點和設計要求

第三章擋水建筑物三峽大壩

§3.1重力壩：重力壩的特點和設計要求

第三章擋水建筑物1、工作原理：依靠其自重的作用來維持壩體穩定的。即：

①利用自重在壩基面產生的摩擦力以及壩與地基間的凝聚力來抵抗水平水壓力而維持穩定；

②利用自重引起的壓應力來抵消由水壓力產生的拉應力。（解釋一下應力的概念）§3.1重力壩：重力壩的特點和設計要求

第三章擋水建筑物內力和應力的概念

§3.1重力壩：重力壩的特點和設計要求

第三章擋水建筑物內力內力：物體因受外力而變形，其內部各部分之間因相對位置改變而引起的相互作用就是內力。根據連續性假設，在截面上各處都有內力作用，所以內力使分布于截面上的一個分布力系，這個力系向截面上某點簡化后得到主矢和主矩，稱為截面上的內力。上圖中N稱為桿件的內力（軸力），拉伸為正，壓縮為負。內力是合力，不能說明分布內力系在截面內某一點處的強弱程度，為此引入內力集度的概念，及應力。§3.1重力壩：重力壩的特點和設計要求

第三章擋水建筑物應力的概念應力：圍繞C點取微面積△A，其上內力合力為△P這樣微面積上內力的平均集度為即為C點處的內力集度，稱為C點處的總應力。一般分解為正應力和剪應力。§3.1重力壩：重力壩的特點和設計要求

第三章擋水建筑物2、工作特點優點：①失事率最低：斷面尺寸大，抵抗滲漏、漫頂破壞的能力強，在各種壩型中失事率最低。②對氣候、地形地質條件適應性強。除承載能力低的軟基和斷層、破碎帶的巖基外，均可修建。但一般建在巖基上。③泄流問題容易解決，壩身可以溢流。④施工導流容易解決。⑤體積大便于機械化施工。⑥結構作用明確。建成后維修工作少。§3.1重力壩：重力壩的特點和設計要求

第三章擋水建筑物缺點：⑦由于體積大，材料強度不能充分利用。⑧底部揚壓力大，對穩定不利。⑨由于體積大，水化熱不易散發，溫控要求高，另外耗用水泥、鋼材多。§3.1重力壩：重力壩的特點和設計要求

第三章擋水建筑物3、設計要求：(1)在任何一個截面上，必須滿足抗滑穩定之要求；(2)壩內各點，一般地說，均應滿足強度要求。4、重力壩設計的主要內容(1)總體布置（包括壩軸線、組成建筑物的位置）；(2)剖面設計；（3）穩定分析；（4）應力分析；（5）構造設計；（6）地基處理；（7）溢流壩或泄水孔設計；（8）監測設計。§3.1重力壩：重力壩的特點和設計要求

第三章擋水建筑物二、重力壩的荷載及剖面設計（一）荷載及其組合1、作用在重力壩上的荷載主要有：永久荷載：(1)自重，包括建筑物及其附屬設備的重量；可變荷載：(2)水壓力，包括靜、動水壓力、浪壓力和揚壓力等；(3)冰壓力，包括靜壓力與動壓力；(4)土壓力，包括主動土壓力、被動土壓力以及淤積在壩前的泥沙壓力；(5)溫度變化引起的溫度荷載。偶然荷載：(6)地震力，包括地震引起的建筑物慣性力和水的激蕩力§3.1重力壩：重力壩的荷載及剖面設計

第三章擋水建筑物重力壩上作用力示意圖§3.1重力壩：重力壩的荷載及剖面設計

第三章擋水建筑物2、荷載組合：上述荷載，除自重外，多數都有一定的變化范圍。但它們不是都同時處在最大值，或同時出現。定義：將可能作用在建筑物上的所有荷載按出現的時間(機率)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度，并給以不同的安全系數。這種分組的方法即為荷載組合。§3.1重力壩：重力壩的荷載及剖面設計

第三章擋水建筑物荷載組合分類

結構設計時需對不同的荷載進行組合，即分基本組合和偶然組合。(1)基本組合：可能同時出現永久荷載和可變荷載的組合。分為：

長期組合:持久發生(持久狀態)如正常擋水位

短期組合:短暫發生(短暫狀態)如設計洪水位(2)偶然組合：基本組合與一種偶然荷載同時出現的組合。具體的荷載組合見表3-1。（下表取自混凝土重力壩設計規范SL319-2005）。注：表中數字是指規范中的荷載編號。§3.1重力壩：重力壩的荷載及剖面設計

第三章擋水建筑物（二）重力壩的剖面設計1、設計原則：在滿足運用、穩定和強度要求的前提下，盡量減少工程量和造價，縮短工期。

（1）滿足穩定和強度要求；

（2）盡可能節省工程量，使剖面尺寸最小；

（3）外部形狀簡單，便于施工；

（4）運行管理方便。§3.1重力壩：重力壩的剖面設計

第三章擋水建筑物2、基本剖面：基本剖面是指壩體在自重、庫水壓力和揚壓力三個主要荷載作用下，滿足穩定和應力要求并使其剖面最小的三角形剖面。見下圖。§3.1重力壩：重力壩的剖面設計

第三章擋水建筑物§3.1重力壩：重力壩的剖面設計

第三章擋水建筑物3、實用剖面：根據對其運用的要求（如：壩頂超高、構造、交通等），由基本剖面修改而成。從理論上講基本剖面雖然經濟的，但不實用。因為：①壩頂不能是一個尖頂，不便于施工、運行管理和交通。②壩高不能剛好與水位齊平，必須有一定的超高。③廠房壩段需設閘門和攔污柵，希望上部做成垂直的。（1）壩頂寬度①滿足設備布置、運行、交通及施工的要求，非溢流壩的壩頂寬度一般可取壩高的8–10%，并不小于2m。②若作交通要道或有移動式啟閉機設施時，應根據實際需要確定。當有較大的冰壓力或漂浮物撞擊力時，壩頂最小寬度還應滿足強度的要求。（2）壩頂高程

頂高程=設計洪水位+Δh設（超高）

頂高程=校核洪水位+Δh校

（超高：風浪＋安全超高）二者取較大值。表3-2安全超高（m）§3.1重力壩：重力壩的剖面設計

第三章擋水建筑物（3）剖面形態：

由基本剖面修改為實用剖面，有三種常用的形態，如下圖。

非溢流壩剖面形態§3.1重力壩：重力壩的剖面設計

第三章擋水建筑物圖(a)：采用鉛直的上游壩面，適用于壩基抗剪強度較高且有防滲排水設施、由應力條件控制壩體剖面的情況。

優點：便于布置和操作壩身過水管道進口控制設備。

缺點：由于在上游面為鉛直的基本三角形剖面上增加壩頂重量，空庫時下游壩面可能產生拉應力。§3.1重力壩：重力壩的剖面設計

第三章擋水建筑物圖(b)：工程中經常采用

特點：上游壩面上部鉛直而下部呈傾斜，既可利用部分水重來增加穩定性，又可保留鉛直的上部便于管道進口布置設備和操作的優點。

上游折坡的起坡點位置應結合應力控制條件和引水、泄水建筑物的進口高程來選定。一般在壩高的1/3～2/3的范圍內。圖(c)：為上游面呈傾斜的基本三角形加壩頂而成，適用于壩基抗剪強度較低、由穩定條件控制剖面的情況。

傾斜的上游壩面可以增加壩體自重和利用一部分水重，以滿足抗滑穩定的要求。修建在地震區的重力壩，可采用此種剖面。§3.1重力壩：重力壩的剖面設計

第三章擋水建筑物按經驗，非溢流重力壩的邊坡系數（壩坡上兩點水平距離與垂直距離之比），上游坡n：0～0.2；下游坡m：0.6～0.8；壩底寬約為壩高的0.7～0.9倍。§3.1重力壩：重力壩的剖面設計

第三章擋水建筑物4、溢流重力壩的實用剖面溢流壩的剖面既要滿足壩體穩定和強度要求，又要滿足水力學條件。其基本剖面也是三角形，常用剖面形狀是上游面盡量和非溢流壩一致，溢流堰頂則為一特定曲面(溢流面)，下游壩面可以和非溢流壩不一致，如圖3-3。溢流面形狀應具有較大的流量系數，泄流暢，壩面不發生空蝕。圖3.3溢流壩的實用剖面§3.1重力壩：重力壩的剖面設計

第三章擋水建筑物溢流壩基本剖面的確定原則與非溢流壩完全相同，為滿足泄水的要求，其實用剖面將壩體下游斜面修改成溢流面。溢流面形狀應具有較大的流量系數，泄流暢，壩面不發生空蝕。§3.1重力壩：重力壩的剖面設計

第三章擋水建筑物三、重力壩的安全分析和型式的改進擬定好壩的剖面后，即可進行壩的抗滑穩定校核和強度驗算，以便進一步修改壩剖面布置和尺寸。（一）重力壩的穩定分析重力壩在各種荷載的共同作用下，必須處于穩定狀態，并應當有一定的安全裕度。通常把建筑物抵抗滑動的力與推動力之比稱作抗滑穩定安全系數，用K表示。K應大于或等于表3-3中所列數值。應該指出：安全系數K只是一種衡量安全度的指標，而不能理解為建筑物的實際安全度。此外，當壩基內有緩傾角結構面時，除驗算壩體沿壩基面的抗滑穩定性外，還應驗算壩體連同部分基巖的抗滑穩定性。§3.1重力壩：重力壩的安全分析和型式的改進

第三章擋水建筑物§3.1重力壩：重力壩的安全分析和型式的改進

第三章擋水建筑物（二）重力壩的應力分析1、目的：判定壩在運用期、施工期強度的安全度。為保證建筑物的安全，必須使壩體各部分材料的應力σ（單位面積上所受的內力）不超過這種材料的允許應力。2、應力分布特點：根據重力壩剖面和其受力特點，一般在庫空時，壩踵（上游壩腳）處的壓應力最大，壩趾（下游壩腳）處的壓應力最小，甚至出現拉應力；庫滿時則相反。為保證壩的安全，通常除遇地震或在施工期允許出現很小的拉應力外，一般不允許出現拉應力。由于混凝土的抗壓強度很高而抗拉強度卻很低，因此，一般重力壩的剖面形狀常受抗拉強度控制。§3.1重力壩：重力壩的安全分析和型式的改進

第三章擋水建筑物（三）重力壩型式的改進由于壩體龐大，耗用材料多，壩體內部應力較小，材料強度不能充分發揮作用，因此可以采取一些改進的措施：1、采用寬縫重力壩（圖3-4（a））、空腹重力壩（圖3-4（b））。如新安江、丹江口寬縫重力壩和石泉空腹重力壩。2、采用硬殼壩（圖3-4（c））。如青戈江汐口攔河壩。優點：減小壩基揚壓力，節省壩體的混凝土用量，同時也有利于壩體混凝土的散熱。缺點：寬縫重力壩和空腹重力壩將增加模板用量和施工的難度。§3.1重力壩：重力壩的安全分析和型式的改進

第三章擋水建筑物§3.1重力壩：重力壩的材料及構造

第三章擋水建筑物四、重力壩的材料及構造（一）混凝土：是重力壩的首選筑壩材料。

水工混凝土除要求有足夠的強度外，還要有一定的抗滲性、抗侵蝕性、抗凍性、抗磨性、低熱性等。1、混凝土的強度：混凝土由水泥、砂、石子及水經拌和、硬化而成。按照抗壓極限強度分12種強度等級。重力壩常用的是C10、C15、C20、C25等級別。C20是指立方體28d抗壓強度標準值為20MPa。

混凝土的強度隨其齡期的增長而增強。因此，在規定標號時還應同時規定設計齡期。壩體混凝土的抗壓設計齡期一般為90d，最多不超過180d。此外，還規定28d齡期時的抗壓強度不得低于7.5MPa，作為對早期強度的控制。抗拉設計齡期采用28d，一般不采用后期強度。2、混凝土的耐久性耐久性包括：抗滲、抗凍、抗磨、抗侵蝕等。抗滲性：大壩防滲部位如上游面、基礎層和下游水位以下的壩面，其砼應具有抵抗壓力水滲透的能力。抗滲性的指標通常用抗滲標號表示,抗滲標號也隨砼的齡期增長，一般取與強度的設計齡期相同。可根據滲透坡降（單位滲徑長度上的水頭損失）的大小參照表3-4選定。§3.1重力壩：重力壩的材料及構造

第三章擋水建筑物抗凍性：混凝土在飽和狀態下，經受多次凍融循環而不被破壞，也不嚴重降低強度的性能。通常以抗凍標號表示。可參照表3-5選取。抗凍性好的混凝土，其抗風化的能力也強，因此即使在溫暖地區也應提出一定的抗凍要求。§3.1重力壩：重力壩的材料及構造

第三章擋水建筑物抗磨性：指混凝土抵抗高速水流或挾沙水流的沖刷、磨損的性能。目前尚無明確的技術標準。根據經驗，使用高標號的硅酸鹽大壩水泥拌制成的高標號混凝土，其抗磨性較強。一般，抗磨混凝土的抗壓強度不應低于C20級，且要求骨料質地堅硬，施工振搖密實以提高其耐磨性。抗侵蝕性：混凝土抵抗環境水侵蝕的性能。當環境水有侵蝕性時，應選擇適當品種的水泥和骨料，如選用礦渣水泥或火山灰水泥。為了節約和合理利用水泥，通常將壩體混凝土按不同部位和不同工作條件分區，采用不同標號。§3.1重力壩：重力壩的材料及構造

第三章擋水建筑物(二)壩體砼的分區

壩體各部位的工作條件不同，對砼材料性能指標的要求不同。在選用各區砼時，應注意：（1）盡量減小整個樞紐中不同砼標號的類別，便于施工。（2）為避免產生應力集中或產生溫度裂縫，相鄰區的強度等級相差不宜超過兩級；同一澆筑塊中砼的標號也不得超過兩種。分區厚度一般不小于2-3米。§3.1重力壩：重力壩的材料及構造

第三章擋水建筑物（三）壩體構造

構造包括：壩頂結構、壩體分縫、止水、排水、廊道布置等內容。1、壩頂結構

一般用實體結構（下圖a），頂面按路面設計，在壩頂上布置排水系統和欄桿或防浪墻等以及照明設備。也可采用輕型結構，如下圖8b所示。§3.1重力壩：重力壩的材料及構造

第三章擋水建筑物2、壩體分縫為適應施工期砼的澆筑能力和溫度控制、以及在運用期間防止溫度變化和地基可能產生不均勻沉陷而引起裂縫等，需要將壩體適當分縫。常設：橫縫（圖3-5)：垂直于壩軸線。一般屬于永久縫，將壩體沿壩軸線分成若干壩段，縫內應設止水。當采用整體重力壩時，橫縫需在蓄水前用水泥漿灌實，則屬于臨時縫。縱縫：平行于壩軸線。屬于臨時縫，是為適應砼的澆筑能力和減小施工期溫度應力而設置的臨時縫。有時砼分層澆筑的層面也是一種臨時性水平施工縫，見圖3-5。§3.1重力壩：重力壩的材料及構造

第三章擋水建筑物§3.1重力壩：重力壩的材料及構造

第三章擋水建筑物3、壩體防滲、排水和廊道系統防滲排水總體原則：前堵后排。(1)防滲：擋水壩必須從地基到壩頂組成一個完整的防滲阻水系統，以起到擋水的作用。壩體防滲是通過橫縫止水系統和提高壩上游面附近混凝土的抗滲能力來實現的。應當指出：防滲措施的作用是相對的，滲水不可避免。因此需設排水系統。(2)排水：為了及時排除滲水、減小滲水對壩體和壩基的有害影響，降低壩體和壩基的滲透壓力，在靠近上游面處設置排水管，將滲水通過排水管排入廊道，匯集于集水井內，用水泵或自流排向下游。壩內排水管布置在距上游壩面約為水頭1/15-1/25處，且距上游壩面不小于2m，排水管間距2-3m，管徑約15-20cm，用多孔砼制成，(見下圖)。§3.1重力壩：重力壩的材料及構造

第三章擋水建筑物§3.1重力壩：重力壩的材料及構造

第三章擋水建筑物（3）壩內廊道系統：為了滿足施工和運用要求，如灌漿、排水、觀測、檢查和交通等需要，須在壩體內設置各種廊道，這些廊道互相聯通，構成廊道系統，見圖3-7。

①

基礎灌漿廊道

②基礎排水廊道

③壩體檢查和排水廊道§3.1重力壩：重力壩的材料及構造

第三章擋水建筑物五、基礎處理重力壩巖基的要求：有足夠的強度和抗滲能力、均勻而小的壓縮性。重力壩的失事有40％是因為地基問題造成的。實際上，由于天然巖體經受過長期地質作用，完整無缺的地基也是很難找到的。基巖中一般都存在著節理、裂隙、斷層、夾層等軟弱結構面，它們都會不同程度地破壞或降低了巖體的穩定性、強度及抗滲能力。所以在具有缺陷的巖基上修建重力壩應對地基進行處理。它包括兩方面的工作：一是防滲；二是提高基巖強度(承載力)

。其處理措施有：§3.1重力壩：基礎處理

第三章擋水建筑物1、開挖和清理

將覆蓋層和風化破碎的巖石挖掉，包括清除松動石塊，打掉突出的尖角。(當復蓋層很深時，全部清除工作量十分巨大，可考慮其他壩型)。2、固結灌漿。（1）目的：

①提高基巖的整體性和彈性模量；

②減少基巖受力后的變形；

③提高基巖的抗壓抗剪強度；

④降低壩體的滲透性減少滲流量。

第三章擋水建筑物§3.1重力壩：基礎處理（2）灌漿范圍①應力較大的上下游部位②局部節理裂隙發育和破碎帶及其附近的范圍③灌漿孔的深度：5～8m④灌漿孔的間距：