第二章 岩基上的重力坝第一节 概述一、重力坝的工作原理及特点 岩基上重力坝的基本剖面呈三角形，上游面通常是垂直的或稍倾向上游的三角形断面。 主要依靠坝体的重量，在坝体和地基的接触面上产生抗滑力来抵抗库水的推力，以达到稳定的要求。 重力坝典型布置参见三门峡水电站鸟瞰图、万家寨水电站鸟瞰图、朱庄水库砌石重力坝。重力坝的优点及缺点：重力坝的优点及缺点：优点：1、安全可靠。但剖面尺寸较大，抵抗水的渗漏，洪水漫顶，地震或战争破坏的能力都比较强，因而失事率较低。2、对地形、地质条件适应性强，坝体作用于地基面上的压应力不高，所以对地质条件的要求也较低，低坝甚至可修建在土基上。3、枢纽泄洪容易解决，便于枢纽布置。4、施工方便，便于机械化施工。5、结构作用明确，应力计算和稳定计 算比较简单。缺点： 1、剖面尺寸大，水泥石料等用量多。 2、坝体应力较低，材料强能充分发 挥。 3、扬压力大，对稳定不利。 4、砼体积大，温控要求较高。第二节 重力坝的荷载及组合 作用于得力坝的主要荷载有：自重；静水压力；扬压力；动水压力；冰压力；泥沙压力；浪压力；地震力；温度及其他荷载。一、自重 坝体自重由坝体体积和材料的容重算出。初步设计时可取砼c=24KN/m3，施工详图阶段由现场砼试验决定，当计算深层滑动时，还应考虑岩体的自重。二、静水压力 作用在坝面上的静水压力可按静水力学原理计算，分为水平及垂直力分别进行计算。 水平力：P1=(1/2)rH12 P4=(1/2)rH22 垂直力：P2=(1/2)rnH12 P3=(1/2)rmH22 三、扬压力1、坝底扬压力，形成原因：上下游水位差；砼、岩石都是透水材料。 由于基岩节理裂隙很不规则，难以求出坝底扬压力的准确分布，故通常加定扬压力从坝踵到坝趾成直线变化。为扬压力折减系数与岩体的性质和构造，帷幕深度和厚度，灌浆的质量，排水孔的直径、间距、深度等有关。 规范规定：河床坝段 岸坡坝段2、坝身扬压力（见下右图）。坝身排水管折减系数3 四、动水压力 在溢流面上作用有动水压力，坝顶曲线和下游面直线段上的动水压力很小，可忽略不计。只计算反弧段上的动水压力。 计算时假定水流为匀速流，流速为V，如果忽略水重W，侧面水压力F1和F2，则可以直接由动量议程求出作用于整个反弧上的水压力水平分量。 PH=rqV(Cosa2-Cosa1)/g 垂直分量：取V1V2 Pv= rqV（Sin1+ Sin2）/g 五、冰压力 1、静冰压力 2、动冰压力六、泥沙压力 水库蓄水后，入库水流挟带泥沙，逐年淤积在坝前，对坝面产生泥沙压力。 淤积高程，根据河流的挟沙量和规定的淤积年限进行估算，年限可取50-100年。 按土力学公式计算，参照一般经验取数据 Pn=nhntg2(45-x/2) Pn-泥沙对上游坝面压力强度 hn-计算点以上淤沙厚度七、浪压力 浪压力与风速和水库吹程有关。中等高度以上的重力坝，浪压力在荷载中所占比重较小，通常忽略。 重力压上游面多为铅直（或接近铅直），当波浪推进到坝前。由于坝面的反射作用产生驻波，波高为4Ll，而波长保持不变。 具体公式见书八、地震荷载 根据水工建筑物抗震设计规范地震惯性力和地震动水压力的计算，一般采用“拟静力法”，对高度大于150m的坝，宜进行动力分析。九、荷载组合 作用在坝上的荷载，按其性质分为基本和特殊两种组合。1、基本荷载：（1）坝体及设备自重（2）正常蓄水位或设计洪水位时的静水压力（3）对应于（2）的扬压力（4）泥沙压力（5）相应的浪压力（6）冰压力（7）土压力（8）相应于设计洪水位时的动水压力（9）其他出现机会较多的荷载 2、特殊荷载（频率低，作用时间短）（10）校核洪水位（11）相应的扬压力（12）相应的浪压力（13）相应的动水压力（14）地震荷载（15）其他出现机会较少的荷载第三节 重力坝的稳定分析 重力坝主要依靠自身重力维持稳定。因此抗滑稳定分析是设计中的重要课题。 重力坝可能沿坝基平面滑动，也可能沿地在中缓倾角断层或软弱夹层滑动。 按照目前的设计方法，高度H小于100m的重力坝，控制剖面尺寸常常的稳定而不是应力。 目前的计算公式大都是半径验性的，因为影响因素很多。Ks=f(W-U)/ P b、滑动面倾向上游时： Ks=f(WCos-U+PSin)/ ( PSin+WCos)公式评价：本公式不考虑凝聚力，偏于安全，凝聚力作为安全储备，所以规定的安全系数较低。（二）抗剪断公式 假定：认为砼与基岩接触良好，直接采用接触面上的抗剪断参数f和c。 公式：Ksf(W-U)+C”A/ P 安全系数Ks,设计规范规定：不分等级 基本荷载组合：采用 特殊荷载组合：（1）采用；（2）采用不小于。 二、深层抗滑稳定分析 深深层层滑滑动动：地基内往往存在着较弱夹层或缓倾角断层，坝体档水后，有可能沿这些薄弱面产生滑动，就叫做深层滑动。 目前尚无成熟的方法：（1）单斜面深层滑动的计算（2）双斜面深层滑动（图见下页）三、岸坡坝段的稳定分析 坝体在自重的作用下有沿岸坡下滑的趋势，加上坝体上游面的水压力，构成三维受力。四、提高坝体抗滑稳定性的工程措施（1）利用水重（2）将坝基开挖成倾向上游的斜面（3）在坝踵下设齿墙（4）抽水措施（5）加固地基（6）利用预应力第四节 重力坝的应力分析目的：1、为了检验大坝在施工期和运用期是否满足强度要求；2、为解决设计和施工中的某些问题，如砼分区，某些部位的配筋等提供依据。应力分析的过程：1、进行荷载计算及荷载组合2、选择合适的方法进行应力计算3、检验大坝各部位的应力是否满足强度要求 一、应力分析方法综述（1）模形试验方法（2）材料力学方法（3）弹性理论的解析方法（4）弹性理论的差分方法（5）弹性理论的有限单元法二、材料力学方法（一）基本假定（一）基本假定1、坝体砼为均质，连续各向同性的弹性材料。2、取单宽坝体作为固结在地基上的悬臂梁计算，且不受两侧坝体的影响。3、水平断面上的垂直正应力y是直线分布。（二）边缘应力的计算（二）边缘应力的计算1、水平截面上的正应力yu、yd。2、剪应力u和d。坝体应力计算图3、水平正应力xu和xd。4、主应力1u，2u和1d，2d。（三）内部应力的计算（三）内部应力的计算1、坝内水平截面上的正应力y假定和y在水平截面上直线分布。2、坝体内剪应力。3、坝内水平正应力x。4、坝内主应力1和2。5、考虑扬压力时的计算方法。 （四）强度指标（四）强度指标 用材料力学分析坝体应力时，重力坝设计规范规定的强度指标。1、坝基面的y应符合下列要求（1）运用期：在各种荷载组合下（地震荷载除外）（2）施工期2、坝体应力要求（1）运用期（2）施工期三、各种因素对坝体应力的影响 坝体应力的实际分布情况比较复杂，受很多因素影响。 1、地基变形模量对坝体应力的影响（如图） 2、地基变形弹模对坝体应力的影响 3、坝体异弹模对坝体应力的影响 4、纵缝对坝体应力的影响 5、分期施工对坝体应力的影响(见下图) 6、坝踵断裂对坝体应力的影响 第六节 重力坝的剖面及优化设计一、设计原则1、满足稳定和强度要求2、工程量少3、便于施工4、运用方便二、基本剖面 因为作用于上游面的水压力呈三角形分布,所以重力坝面是三角形。 当a90时，即上游面为倒坡。库空时，三角形重心可能超过底边三分点在下游面产生拉应力，而且倒坡不便施工。 当a70m的高坝，必须建在新鲜、微风化或弱风化的岩石上。 3070m的中坝，必须建在微风化或弱风化的岩石上。同一工程中，两岸较高部位的坝段，可比河床段适当放宽。 二坝基的固结灌浆目的：提高基岩的强度和整体性，降低地基的透水性。固结灌浆设计内容：决定灌浆范围：高坝或岩基裂隙发育，全坝基灌浆；一般情况下在坝踵坝趾处灌浆（为什么？）。灌浆孔的深度：一般58m；帷幕上游区815m灌浆孔的间距：孔距、排距 36m灌浆孔的排列形式：平面上作梅花形或方格形。 灌浆孔的钻孔方向：与主要裂隙面正交。灌浆的压力：在不扰动基岩的前提下尽量大。无混凝土盖重时为有混凝土盖重时为三帷幕灌浆目的：降低渗水压力，防止坝基内产生机械或化学管涌，减小坝基渗透水量。灌浆材料：水泥浆、化学灌浆 四坝基排水目的：进一步降低坝底面的渗透压力。 2.有时设有坝基面排水。五断层、软弱夹层和溶洞的处理第九节 重力坝的材料及构造一混凝土水工混凝土除要求有足够的强度以外，还有有一定的抗渗性、抗侵蚀性、抗冻性、抗磨性和低热性等。（一）混凝土的强度指标按抗压强度，水工混凝土分为75、100、150、200、250、300及400等标号，75#混凝土只能用在某些不重要的、应力很小的部位，仅作回填及压重用。 坝体混凝土的抗压龄期一般可取为90天，最多不超过180天。坝体混凝土的抗拉龄期一般可取为28天，一般不采用后期强度。（二）混凝土的耐久性包括抗渗。抗冻，抗磨和抗侵蚀等。（见教材略）二、坝体混凝土分区（图见下页）原因：坝体各部分工作条件不同，为了节约和合理使用水泥，通常将坝体按不同部位和不同工作条件分区，采用不同标号。 为了便于施工，应尽量减少标号的类别，相邻区的强度标号不宜超过两极，免引起应力集中或产生温度裂缝。分区的厚度一般不得小于2-3米，以便浇筑。坝体对各区混凝土性能的要求（表层2-13）P64三、横缝横缝垂直坝轴线，将坝体分成若干坝段。重力坝横缝作用：1）减小温度应力，2）适应地基不均匀变形，3）满足施工要求（如混凝土浇筑能力及温度控制）间距：12-20米，也有达20米 （一） 永久性横缝 常做成平面，不设键槽，不进行灌浆，各坝段独立工作。现在常是温度缝、沉降缝合二为一，故留成-2cm宽的缝。横缝内需设止水。止水材料：紫铜片，橡胶、塑料及沥青等。对于高坝应采两道止水，中间设沥青井，中低坝适当简化。止水片及沥青井需伸入岩基一定深度，约30-50cm，井内填满沥青沙，止水井延伸到最高水位以上，沥青井需延伸到坝顶。沿溢流面，坝体下游最高水位以下和穿越横缝的廊道和孔洞周边均需设止水井。 （二） 临时性横缝 主要用于下述情况:（1）河谷狭窄，做成整体重力坝可适当发挥两岸的支撑作用，有利于坝体的强度和稳定。（2）岸坡较陡的各坝段连成整体可以改善岸坡的稳定性。（3在软弱破碎带上的各坝体，连成整体增加坝体刚度。（4）强地震区，如坝段连成整体，可提高坝体的抗震性能。 临时横缝的缝面键槽和灌浆系统: 为增加缝面的水平向抗剪能力时,键槽竖向布置。 为增加缝面的铅直向抗剪能力时,键槽水平向布置。 临时竖缝灌浆高度视坝高和传力的需要而定，可全部灌，也可局部灌。 （三） 坝体与基岩面的连接意义：连接必须紧密，以免发生渗漏，影 响坝体稳定。作法：基岩横向坡（对岸方向）缓于1:2时，坝体浇筑后利用帷幕灌浆对接触灌浆封实；当横向坡陡于1:2时，设接触面止水，在基岩中挖槽嵌入止水片；当横向坡陡于1:1时，按临时横缝处理，在接触面上布设灌浆系统，沿周围嵌入止水片，待混凝土冷却后进行接缝灌浆。 四、纵缝 平行于坝轴线方向设的缝。 目的：适应混凝土的浇筑能力和减小施工期的温度应力。 纵缝是临时缝，待坝体降到稳定温度后 进行接缝灌浆。 纵缝布置形式：铅直、错缝、斜缝。 不设纵缝通仓浇注（一）铅直纵缝 间距1530m。为了使缝面更好地传力， 设三角形键槽。槽面大致顺主应力方向。 为保证坝面的整体性，铅缝面布设灌浆系统。待坝体温度冷却到稳定温度，坝块收缩，缝的张开度达到mm以上时进行灌浆，缝四周设止水片。 灌浆压力太高会使坝块底部产生过大的拉应力，使坝体破坏。太低又不能保证灌浆质量。一般进浆管压力Mpa2)，出浆管压力0.20.25Mpa 纵缝两侧的坝块可以单独上升，丹高差不宜太大。若高差太大，后浇混凝土的温度和干缩变形，造成灌浆面的挤压和剪切，影响纵缝灌浆，反过来对后浇混凝土块键槽出现剪切裂缝。 （二）错缝 缝面不作灌浆处理。浇注块高度在基岩附近1.52m，在坝体上部不大于34m，错缝间距1015m，缝的错距不超过浇注块的一半。错缝施工简便，在低坝上使用。 （三）斜缝 可大段沿主应力方向设置，因缝面剪应力很小，可以不灌浆。斜缝须在离上游面一定距离处终止。为防止斜缝