Lession11danms壩

ThefirstdamforwhichtherearereliablerecordswasbuiltontheNileRiversometimebefore4000B.C.itisusedtodiverttheNileandprovideasitefortheancientcityofMemphis.據(jù)可靠記載，世界上第一座壩是公元前402023以前在尼羅河上修建的。他使尼羅河改道，并為古老的孟菲斯城提供城址。

TheoldestdamstillinuseistheAlmanzaDaminSpain,whichwasconstructedinthesixteenthcentury.Withthepassageoftime,materialsandmethodsofconstructionhaveimproved,makingpossibletheerectionofsuchlargedamsastheNurekDamwhichisbeingconstructedintheFormerSovietUnionontheVakshRiverneartheborderofAfghanistan.Thisdamwillbe1017ft(333m)high,ofearthandrockfill.至今仍在使用的最古老的壩是16世紀(jì)修建的西班牙阿爾曼扎壩。隨著歲月的流逝，各種建筑材料和施工方法得到了改善，修建列努克這樣的大壩才成為也許。該壩正在前蘇聯(lián)境內(nèi)靠近阿富汗邊界的瓦赫什河上施工，是一座高達(dá)1017英尺（333米）的土石壩。

Thefailureofadammaycauseseriouslossoflifeandproperty;consequently,thedesignandmaintenanceofdamsarecommonlyundergovernmentsurveillance.IntheUnitedStatesover30,000damsareunderthecontrolofstateauthorities.The1972FederalDamSafetyAct(PL92-267)requiresperiodicinspectionsofdamsbyqualifiedexperts.ThefailureoftheTetonDaminIdahoinJune1976addedtotheconcernfordamsafetyintheUnitedStates.大壩失事也許導(dǎo)致生命財(cái)產(chǎn)的嚴(yán)重?fù)p失。因此，壩的設(shè)計(jì)和維修通常是在政府監(jiān)督下進(jìn)行的。美國有3萬多座壩由各州政府控制著。1972年（美國）聯(lián)邦大壩安全法（PL92-367）規(guī)定，必須由合格的專家對大壩進(jìn)行定期檢查。在1976年6月愛達(dá)荷州提堂大壩失事后，美國對大壩安全更為關(guān)切。

1typesofdams壩的類型

Damsareclassifiedonthebasisofthetypeandmaterialsofconstruction,asgravity,arch,buttress,andearth.Thefirstthreetypesareusuallyconstructedofconcrete.Agravitydamdependsonitsownweightforstabilityandisusuallystraightinplanalthoughsometimesslightlycurved.Archdamstransmitmostofthehorizontalthrustofthewaterbehindthemtotheabutmentsbyarchactionandhavethinnercrosssectionthancomparablegravitydams.Archdamscanbeusedonlyinnarrowcanyonswherethewallsarecapableofwithstandingthethrustproducedbythearchaction.Thesimplestofthemanytypesofthebuttressdamsistheslabtype,whichconsistsofslopingflatslabssupportedatintervalsbybuttress.Earthdamsareembankmentsofrockorearthwithprovisionforcontrollingseepagebymeansofanimpermeablecoreorupstreamblanket.Morethanonetypeofdammaybeincludedinasinglestructure.Curveddamsmaycombinebothgravityandarchactiontoachievestability.Longdamsoftenhaveaconcreteriversectioncontainingspillwayandsluicegatesandearthorrock-fillwingdamsfortheremainderoftheirlength.壩按其形式和建筑材料分為：重力壩、拱壩、支墩壩和土壩。前三種壩通常是用混凝土澆筑的。重力壩依靠自重維持穩(wěn)定，通常在平面上呈直線狀，但是有時也略帶弧形。拱壩通過拱的作用把水的水平推力中的大部分傳給地基，因此它的橫截面比重力壩單薄些。拱壩只用于崖壁能承受拱作用所產(chǎn)生的推力的峽谷中。各種支墩壩中最簡樸的是平板壩，它是由許多支墩間隔地支撐著傾斜的面板。土壩是一種由土或石料填筑而成并借助于不透水的心墻或上游鋪蓋防滲透的土堤。在一座大壩的結(jié)構(gòu)中可包含不止一種壩型?；⌒螇慰梢园阎亓ψ饔煤凸白饔媒Y(jié)合起來，以利壩的穩(wěn)定。長壩經(jīng)常有一個涉及溢洪道、泄水閘在內(nèi)的混凝土壩段，其余壩段是用土或石填筑的副壩。

Theselectionofthebesttypeofdamforagivensiteisaprobleminbothengineeringfeasibilityandcost,Feasibilityisgovernedbytopography,geologyandclimate.Forexample,becauseconcretespallswhensubjectedtoalternatefreezingandthawing,archandbuttressdamswiththinconcretesectionsaresometimesavoidedinareassubjecttoextremecold.Therelativecostofthevarioustypesofdamsdependsmainlyontheavailabilityofconstructionmaterialsnearthesiteandtheaccessibilityoftransportationfacilities.Damsaresometimesbuiltinstageswiththesecondorlaterstagesconstructedadecadeorlongerafterthefirststage.對于既定的壩址選擇最佳壩型是一個關(guān)系到工程可行性及其造價(jià)的問題。工程可行性受地形、地質(zhì)及氣候條件所支配。例如：由于混凝土遭受凍融作用的交替影響而引起剝落，因此在低溫地區(qū)常避免采用斷面單薄的混凝土拱壩或支墩壩。各類壩的造價(jià)重要取決于能否在工地附近取得建筑材料和各種運(yùn)送工具能否進(jìn)入。大壩有時分期建造，第二期或以后各期工程，往往在第一期以后需要2023或更長的時間。

Theheightofadamisdefinedasthedifferenceinelevationbetweentheroadway,orspillwaycrest,andthelowestpartoftheexcavatedfoundation.However,figuresquotedforheightsofdamsareoftendeterminedinotherways.Frequentlytheheightistakenasthenetheightabovetheoldriverbed.壩高定義為路面或溢洪道頂與基坑最低點(diǎn)之間的高程差。但是，引用的壩高值經(jīng)常是用此外的一些方法擬定的，往往取原河床以上的凈高度作為壩高。

2forcesondams作用在壩上的力

Adammustberelativelyimpervioustowaterandcapableofresistingtheforcesactingonit.Themostimportantoftheseforcesaregravity(weightofdam),hydrostaticpressure,uplift,icepressure,andearthquakeforces.Theseforcesaretransmittedtothefoundationandabutmentsofthedam,whichreactagainstthedamwithanequalandoppositeforces,thefoundationreaction.Theeffectofhydrostaticpressurecausedbysedimentdepositsinthereservoirandofdynamicforcescausedbywaterflowingoverthedammayrequireconsiderationinspecialcases.壩必須是相對不透水的，并能經(jīng)受得住作用在這上面的各種力。這些作用力中最重要的是重力（壩體重量）、靜水壓力、揚(yáng)壓力、冰壓力及地震力。這些力傳給壩基和壩座，而壩基和壩座則對壩體產(chǎn)生一個大小相等方向相反的基礎(chǔ)反力。某些特殊情況下還要考慮水庫中沉積泥沙引起的靜水壓力的影響以及壩頂溢流所產(chǎn)生的動力作用。

Theweightofadamistheproductofitsvolumeandthespecificweightofthematerial.Thelineofactionofthisforcepassesthroughthecenterofmassofthecrosssection.Hydrostaticforcesmayactonboththeupstreamanddownstreamfacesofthedam.Thehorizontalcomponentofthehydrostaticforceistheforceonaverticalprojectionofthefaceofthedam,andforunitwidthofdamitisWhere:isthespecificweightofwater;isthedepthofwater.Thelineofactionofthisforceisabovethebaseofthedam.Theverticalcomponentofthehydrostaticforceisequaltotheweightofwaterverticallyabovethefaceofthedamandpassesthroughthecenterofgravityofthisvolumeofwater.壩的自重是其體積和材料比重的乘積。該力的作用線通過橫剖面的形心。靜水壓力可同時作用在壩的上游面和下游面。靜水壓力的水平分力是作用在壩面垂直投影上的力，對于單位寬度壩體而言其值為；

式中：為水的比重；是水深；該力的作用線在壩基以上處。靜水壓力的豎直分力等于壩面正上方的水重，并通過該水體的重心。

Waterunderpressureinevitablyfindsitswaybetweenthedamanditsfoundationandcreatesupliftpressures.Themagnitudeoftheupliftforcedependsonthecharacterofthefoundationandtheconstructionmethods.Itisoftenassumedthattheupliftpressurevarieslinearlyfromfullhydrostaticpressureattheupstreamface(heal)tofulltail-waterpressureatthedownstreamface(toe).Forthisassumptiontheupliftforceis

Where;isthebasethicknessofthedam;andarethewaterdepthsattheheelandtoeofthedam,respectively.Theupliftforcewillactthroughthecenterofareaofthepressuretrapezoid(fig.11.1)

處在壓力作用下的水必然要在壩和壩基之間流動，因而產(chǎn)生了揚(yáng)壓力。揚(yáng)壓力的大小取決于基礎(chǔ)的特性和施工方法。經(jīng)常假定揚(yáng)壓力從上游面（壩踵）處的所有靜水壓力直線變化到下游面（壩趾）處的所有尾水壓力。根據(jù)這一假設(shè)，揚(yáng)壓力為

式中：是壩基的寬度；和分別是壩踵和壩趾處的水深。揚(yáng)壓力的作用線通過壓力梯形的形心（圖11.1）

Figure11.1free-bodydiagramofthecrosssectionofagravitydam

Actualmeasurementsondams(figure11.2)indicatethattheupliftforceismuchlessthanthatgivenbyeq.11.2.Variousassumptionshavebeenmaderegardingthedistributionofupliftpressures.TheU.S.BureauofReclamationsometimesassumesthattheupliftpressureongravitydamsvarieslinearlyfromtwo-thirdsoffullupliftattheheeltozeroatthetoe.Drainsareusuallyprovidedneartheheelofthedamtopermittheescapeofseepagewaterandrelieveuplift.一些壩的實(shí)測資料表白（圖11.2）；揚(yáng)壓力比公式11.2所給出的值小得多。對揚(yáng)壓力的分布有各種不同的假設(shè)，美國墾務(wù)局認(rèn)為重力壩的揚(yáng)壓力成直線變化，在壩踵處為所有揚(yáng)壓力的2/3，到壩趾處為零。壩踵附近通常設(shè)有排水裝置，以便排除滲流水量，減小揚(yáng)壓力。

Figure.11.2maximumobservedupliftpressureundersomeexistinggravitydams(DatafromtheASCECommitteeonUpliftinMasonrydams-ASCEabbr.AmericanSocietyofCivilEngineers美國土木工程師協(xié)會)

Lesson12embankmentdams土石壩

1selectionofembankmenttype土石壩壩型的選擇

Ingeneral,therearetwotypesofembankmentdams:earth（earthfilldam）androckfill（rockfilldam）.Theselectionisdependentupontheusablematerialsfromtherequiredexcavationandavailableborrow.Itshouldbenotedthatrockfillscanshadeintosoilfillsdependinguponthephysicalcharacteroftherockandthatnohardandfastsystemofclassificationcanbemade.Rockswhicharesoftandwilleasilybreakdownundertheactionofexcavationandplacementcanbeclassifiedwithearthfills.Rockswhicharehardandwillnotbreakdownsignificantlyaretreatedasrockfills.一般來說，土石壩有兩種類型：土壩和堆石壩。壩型的選擇取決于能從需要開挖的地點(diǎn)和可用的料場（料場stockground）（borrowarea取土面積;采料場）處取得合用材料的情況。應(yīng)當(dāng)指出的是（注意），根據(jù)巖石的物理特性，堆石可以逐漸變化為填土，因而不能對土石料作出嚴(yán)格而固定的分類。那些軟弱的和在開挖填筑時容易破碎的巖石可被歸入填土類。而堅(jiān)硬和不會大量破碎的的巖石，則列為堆石類。

Theselectionandthedesignofanearthembankmentarebaseduponthejudgementandexperienceofthedesignerandistoalargeextentofanempiricalnature.Thevariousmethodsofstabilityandseepageanalysisareusedmainlytoconfirmtheengineer’sjudgement.一座土壩的選定和設(shè)計(jì)都有賴于設(shè)計(jì)人員的判斷和經(jīng)驗(yàn)，并且在很大限度上是屬于經(jīng)驗(yàn)性的。各種穩(wěn)定和滲透分析方法，重要是作為證實(shí)工程師的判斷而使用的。

2freeboard超高

Allearthdamsmusthavesufficientextraheightknownasfreeboardtopreventovertoppingbythepool.Thefreeboardmustbeofsuchheightthatwaveaction,windsetup,andearthquakeeffectswillnotresultinovertoppingofthedam.Inadditiontofreeboard,anallowancemustbemadeforsettlementoftheembankmentandthefoundationwhichwilloccuruponcompletionoftheembankment.所有的土壩都必須有一個足夠的額外高度，稱為超高，以防止水庫漫頂。超高的高度必須足以在波浪作用、風(fēng)浪壅高和地震影響下，不會導(dǎo)致壩的漫頂。除了超高外，對于壩建成時發(fā)生的壩體和地基沉陷，還必須在高度上留有余地。

3topwidth壩頂寬度

Thewidthoftheearthdamtopisgenerallycontrolledbytherequiredwidthoffillforeaseofconstructionusingconventionalequipment.Ingeneral,thetopwidthshouldnotbelessthan30ft.ifadangerexistsofanovertoppingwavecausedeitherbymassivelandslidesinthepoolorbyseismicblocktipping,thenextratopwidthoferosionresistivefillwillberequired.土壩的壩頂寬度一般用常規(guī)設(shè)備便于施工的填筑寬度來控制。通常，壩頂寬度應(yīng)不小于30英尺。假如存在著大規(guī)模塌方進(jìn)入水庫，或者有因地震使巖塊倒落而引起波浪漫頂?shù)奈ｋU(xiǎn)，則需要采用抗沖刷的材料填筑更寬的壩頂高度。

4alignment定線

Thealignmentofanearthfilldamshouldbesuchastominimizeconstructioncostsbutsuchalignmentshouldnotbesuchastoencourageslidingorcrackingoftheembankment.Normallytheshorteststraightlineacrossthevalleywillbesatisfactory,butlocaltopographicandfoundationconditionsmaydictateotherwise.Damslocatedinnarrowvalleysoftenaregivenanalignmentwhichisarchedupstreamsothatdeflectionsoftheembankmentunderpoolloadwillputtheembankmentincompressionthusminimizingtransversecracking.土壩的壩軸線選定應(yīng)盡量使建設(shè)費(fèi)用降到最少，但是也不能因此引起壩體發(fā)生滑動或開裂。一般來說，一條橫跨河谷的最短的直線，也許滿足規(guī)定。但是，本地的地形和地基條件也許規(guī)定采用此外的方案。對于峽谷的壩，常采用向上游拱出的壩軸線，以便在壩體受庫水壓力作用而發(fā)生變形時，能使壩體壓緊，從而盡量減少其橫向開裂。

5Abutments兩岸壩座

Threeproblemsaregenerallyassociatedwiththeabutmentsofearthdams:①seepage,②instability,and③transversecrackingoftheembankment.Iftheabutmentconsistsofdepositsofpervioussoilsitmaybenecessarytoconstructanupstreamimperviousblanketanddownstreamdrainagemeasurestominimizeandcontrolabutmentseepage.一般有三個問題與土壩壩座有關(guān)：①滲透；②不穩(wěn)定；③壩體的橫向開裂。假如壩座是由透水的沉積土構(gòu)成，就也許需要建造一道上游不透水的鋪蓋和下游排水設(shè)施，可盡量減少和控制壩座內(nèi)的滲透。

Wheresteepabutmentsexist,especiallywithsuddenchangesofslopesorwithsteepbluff,thereexistsadangeroftransversecrackingoftheembankmentfills.Thiscanbetreatedbyexcavationoftheabutmenttoreducetheslope,especiallyintheimperviousandtransitionzones.Thetransitionzones,especiallytheupstream,shouldbeconstructedoffillswhichhavelittleornocohesionandawell-distributedgradationofsoilswhichwillpromoteself-healingshouldtransversecrackingoccur.在壩座岸坡很陡的地方，特別在邊坡突變或有陡壁處，那里的壩體填土?xí)a(chǎn)生橫向裂縫的危險(xiǎn)。這個問題可以用開挖壩座放緩邊坡來解決，這樣的解決在不透水區(qū)和過渡區(qū)特別需要。過渡區(qū)，特別是在上游側(cè)的過渡區(qū)，必須用粘著力很小或無粘著力且顆粒級配良好的土料來填筑，這種土料如發(fā)生橫向裂縫時能自行愈合。

6stageconstruction分期施工

Itisoftenpossible,andinsomecasesnecessary,toconstructthedamembankmentinstages.Factorsdictatingsuchaprocedureare:①awidevalleypermittingtheconstructionofthediversionoroutletworksandpartoftheembankmentatthesametime;②aweakfoundationrequiringthattheembankmentnotbebuilttoorapidlytopreventoverstressingthefoundationsoils;③awetborrowareawhichrequiresaslowconstructiontopermitanincreaseinshearstrengththroughconsolidationofthefill.Insomecasesitmaybenecessarytoprovideadditionaldrainageofthefoundationorfillbymeansofsanddrainwellsorbymeansofhorizontalperviousdrainageblanket.土壩的分期施工往往是也許的，并且在一些情況下是必須的。規(guī)定這樣施工程序的因素是：①河谷寬闊，可以允許導(dǎo)流或泄水工程與一部分壩體同時施工；②地基軟弱，規(guī)定壩體不要過快填筑，以防止地基中產(chǎn)生過大的應(yīng)力；③料場潮濕，規(guī)定放慢施工，以使土料能通過固結(jié)作用來增長抗剪強(qiáng)度。在某些情況下，可以需要增設(shè)基礎(chǔ)排水設(shè)施或填筑排水沙井，或采用水平透水的排水鋪蓋。

7Embankmentsoils壩體的土料

Mostsoilsaresuitableforuseforembankmentconstruction,however,therearephysicalandchemicallimitations,soilswhichcontainexcessivesaltsorothersolublematerialsshouldnotbeused.Substantialorganiccontentshouldnotexistinthesoils.Lignitesufficientlyscatteredthroughthefilltopreventthedangerofspontaneouscombustion,isnotobjectionable.Fatclayswithhighliquidlimitsmayprovedifficulttoworkandshouldbeavoided.大多數(shù)土料適合于壩體填筑，然而，在物理和化學(xué)性質(zhì)上也有一定的局限，具有過多鹽和可溶性物質(zhì)的土料，不可以使用。在土壤里不應(yīng)存在大量的有機(jī)質(zhì)成分。褐煤若能通過填筑而充足分散，無自然之虞，就不妨礙使用。而具有高度流限的肥粘土，多半難以施工，必須避免使用。

8Compactionrequirements壓實(shí)的規(guī)定

Thestrengthoftheimperviousandsemi-impervioussoilsdependsuponthecompacteddensities.Thesedependinturnuponthewatercontentandweightofthecompactingequipment.Thedesignoftheembankmentisthusinfluencedbythewatercontentoftheborrowsoilsandbythepracticablealternationstothewatercontenteitherpriortoplacementofthefillorafterplacementbutpriortorolling.Ifthenaturalwatercontentistoohigh,thenitmaybereducedinborrowareabydrainage,orbyharrowing.Ifthesoilistoodryitshouldbemoistenedintheborrowareaeitherbysprinklingorbypondingandthenpermittedtostabilizethemoisturecontentbeforeuse.Therangeofplacementwatercontentisgenerallybetween2percentdryto2or3percentwetofthestandardProteroptimumwatercontent.Pervioussoilsshouldbecompactedtoatleast80percentofrelativedensity.不透水和半透水的土料的強(qiáng)度取決于壓實(shí)的密度。壓實(shí)密度又取決于土料的含水量和壓實(shí)設(shè)備的重量。因此，料場土料的含水量和在填筑前或堆筑后而未碾壓前的填土實(shí)際含水量的變化，都會影響壩體的填筑。假如天然含水量太高，可以在料場用排水或?qū)⑼亮习宜傻霓k法來減低。假如土料太干燥，則需在料場用灑水和泡水的辦法把土料潤濕，然后再讓土料在使用以前保持穩(wěn)定的含水量。填筑時的含水量范圍一般介于比標(biāo)準(zhǔn)普氏最優(yōu)含水量低2%到高2%～3%之間。透水性土料至少壓實(shí)到相對密度的80%。

Ifnecessary,testfillsshouldbeconstructedwithvariationsinplacementwatercontent,liftthickness,numberofrollerpassesandtypeofrollers.Forcasesofsteepabutment,thefillmustbeplacedinthinliftsandcompactedbymechanicalhandtampers.Alloverhangsshouldeitherberemovedorfilledwithleanconcretepriortofillplacement.假如需要，應(yīng)當(dāng)變換填筑層的含水量、鋪層厚度、碾壓遍數(shù)和碾壓機(jī)的型式等，進(jìn)行填筑實(shí)驗(yàn)。對于坡度很陡的壩座部位，必須用薄層填筑，并用手扶打夯機(jī)夯實(shí)。所有外懸突出部位，均應(yīng)在填土堆筑以前挖除或用貧混凝土填平。

9typesofinstruments觀測儀器的類型

Thetypeofinstrumentationdependsuponthesizeandcomplexityoftheproject.Thedevicesincommonuseare:①piezometers;②surfacemovementmonuments;③settlementgages;④inclinometers;⑤internalmovementandstrainindicators;⑥pressurecells;⑦seismicaccelerationmeter；⑧movementindicatorsatconduitjointsandotherconcretestructures觀測儀器的類型取決于工程的規(guī)模和復(fù)雜性。通用的裝置是：①測壓計(jì)；②表面位移標(biāo)志；③沉陷量測儀（計(jì)）；④測斜儀；⑤內(nèi)部位移和應(yīng)變指示儀；⑥壓力盒（壓力傳感器或壓應(yīng)力計(jì)）；⑦地震加速度儀；⑧在管道接頭和其他混凝土結(jié)構(gòu)上的位移標(biāo)志。

Lesson13concretegravitydamonrockfoundations巖基上的混凝土重力壩

Thedesignerofanydammustmakebasicassumptionsregardingsiteconditionsandtheireffectsontheproposedstructure.設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)任何壩時，都必須對有關(guān)壩址的情況及其對結(jié)構(gòu)物的影響做出一些基本假定。

Siteinvestigationsprovidetheengineerwithmuchoftheinformationtoevaluatetheseassumptions,thebasesforsafedamdesign.壩址的查勘為工程師擬定這些假定提供了許多資料。這些假定是安全設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

Someimportantassumptionsforsmalldamdesigninvolveupliftpressure,seepagecontrolmeasures,channeldegradationanddownstreamtoeerosion,foundationconditions,andqualityofconstruction.有關(guān)小壩設(shè)計(jì)的一些重要假定涉及：揚(yáng)壓力，滲流控制措施，河槽沖刷深度以及下游壩趾的沖蝕，壩基條件和施工質(zhì)量。

Additionalassumptionsshouldinvolvesiltloads,icepressures,earthquakeaccelerations,andwaveforces.其它一些附加假定應(yīng)涉及泥沙荷載、冰壓力、地震加速度和波浪力。

1safetyfactors安全系數(shù)

Safetyfactorsshouldbeconsideredinthelightofeconomicconditions.Largesafetyfactorsresultinamorecostlystructure;however,lowsafetyfactorsmayresultinfailure,whichcouldalsoleadtohighcost.安全系數(shù)應(yīng)根據(jù)經(jīng)濟(jì)情況來考慮。安全系數(shù)大，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)費(fèi)用昂貴；而安全系數(shù)小則也許引起失事，也會導(dǎo)致很大的經(jīng)濟(jì)損失。

Propersafetyfactorsresultonlyfromanadequatedeterminationofsliding,overturning,andoverstressingforceswithinandactingonthedam.只有在適本地?cái)M定壩內(nèi)和作用在壩體上的滑動、傾覆以及應(yīng)力超限的作用力之后，才干得到合適的安全系數(shù)。

2overturning傾覆

Ordinarily,thesafetyfactoragainstoverturningisbetween2and3.一般來說（通常），抗傾覆安全系數(shù)在2～3之間。

Insmalldamsitisoftenlarger.較小的壩通常取較大的值

Ifthecomputedsafetyfactorfallsbelow2,thesectionofthedamshouldbemodifiedtoincreasethesafetymargin.假如算出的安全系數(shù)小于2（在2以下），應(yīng)修改壩的斷面以提高安全度。

Agravitydamrarelyfailsfromoverturningsinceanytendencytooverturnprovidesgreateropportunityforaslidingforcetocreatethefailure.重力壩很少因傾覆而破壞。由于任何一種傾覆的趨勢，都更也許引起滑動而導(dǎo)致破壞。

Thesafetyfactoragainstoverturningistherationoftherightingmomenttotheoverturningmomentaboutthetoeofthedam.Thiscanbeexpressedas

Which：isforceduetoweightofconcrete;isforceduetoweightorwateroninclinedsurfaces;isforceofwateractingtodisplacedamdownstream;isupliftforce;islengthofmomentarmforrespectiveforces.

抗傾覆安全系數(shù)是繞壩址的復(fù)位力矩（扶正力矩restoringcouple）和傾覆力矩的比值，可以用公式表達(dá)為：

式中：為混凝土的重量；為斜面上的水重；為水對壩體向下游的推力；為揚(yáng)壓力；為各力的力臂。

Also,iftheupliftpressureattheupstreamfaceexceedstheverticalstressatanyhorizontalsectionwithoutuplift,theupliftforcesgreatlyincreasethetendencyforoverturningaboutthedownstreamtoeatthatassumedhorizontalplane.此外，假如上游面的揚(yáng)壓力超過任一水平斷面上不計(jì)揚(yáng)壓力算得的垂直應(yīng)力，則揚(yáng)壓力將使繞壩所假定的水平斷面下游點(diǎn)傾覆趨勢大大增長。

Thedammaystillbeconsideredsafeifthetensionstressesdevelopedarelessthantheallowablestressesintheconcreteandinthefoundationmaterial.Thisassumptionisbasedongoodworkmanshipanddevelopmentofatensilestrengthwithinthestructureonallhorizontalplanes.在這種情況下，假如引起的拉應(yīng)力小于混凝土內(nèi)和地基材料的允許應(yīng)力，則該壩仍可認(rèn)為是安全的。這個假定是基于施工工藝良好和結(jié)構(gòu)內(nèi)所有平面上都具有抗拉強(qiáng)度做出的。

3sliding滑動

Threeapproachesareusedbyengineersinevaluatingthesafetyofadamfrombeingdisplaceddownstream.工程師們衡量向下游移動的安全性有三種方法。

Eachhasmeritandgenerallyinvolvesthesamerelationshipofforces.每一種都有優(yōu)點(diǎn)，并且所考慮作用力之間的關(guān)系大體上都相同。

Althoughthecomputedvaluesaresafe,theyareconsiderablydifferent.盡管這幾種方法算得的結(jié)果都安全，但他們又很大的差別。

Thethreeapproachesare:①asafeslidingfactor;②asafetyfactor;③ashear-frictionsafetyfactor.這三種方法是：①滑動安全系數(shù)；②安全系數(shù)；③剪摩安全系數(shù)。

Cleardistinctionmustbemadeamongthesethreeapproaches.必須將這三種方法區(qū)別清楚。

Theprimarypurposeofeachistoobtainasafecoefficientthatwhenexceededwouldputthedaminjeopardyofbeingpusheddownstream.每種方法的基本目的都是規(guī)定得一個安全系數(shù)，當(dāng)越出此安全系數(shù)范圍時，壩就有向下游滑動的危險(xiǎn)。

Theslidingfactorofagravitydamwithahorizontalbaseequalsthetangentoftheanglebetweentheperpendiculartothebaseandtheresultantfoundationreaction.Theslidingfactorforsmalldamsiscomputedbytakingtheratioofthesummationofhorizontalforces,tothesummationofverticalforces,includingtheuplift,or

Ifcomputedinthismannerisequaltoorlessthanthestaticfrictioncoefficient,thedamisconsideredsafe.Aunitwidthof1ft.isassumedforthesecalculations.Safevaluesfortheslidingfactorcoefficientaregivenintable13.1forvariousfoundationmaterials.

重力壩具有水平地基面時，其滑動系數(shù)等于基面垂線和地基反力合力之間夾角的正切。在小壩上，滑動系數(shù)的計(jì)算可以取水平力總和和垂直力總和（涉及揚(yáng)壓力），或

假如這種方法求得的值等于或小于靜摩擦系數(shù)，則認(rèn)為壩是安全的。計(jì)算中假定取單位寬度為1英尺。各種地基材料的滑動系數(shù)安全值列表于13.1中。

Thefactorofsafety,,againstslidingisdefinedastheratioofthecoefficientofstaticfriction,tothetangentoftheanglebetweenaperpendiculartothebaseandthedirectfoundationreaction,expressedas

抗滑安全系數(shù)的定義是靜摩擦系數(shù)和地基面垂線與地基反力夾角的正切之間的比值，即

Thisapproachalsoassumesshearforcesasaddedsafetymeasure.這個方法也假定剪力為附加安全度。

Thesafetyfactoragainstslidingisusuallybetween1and1.5forgravitydamsonrockutilizingaconservativecross-section.Theinclusionofupliftandseismicforcesinthecalculationsmayreducethesafetyfactortoaboutunity.對于巖基上斷面偏保守的重力壩，抗滑安全系數(shù)一般在1～1.5之間。計(jì)算中記入揚(yáng)壓力和地震力后，安全系數(shù)可減少到接近1。

Thesevaluesareforsafetyagainstslidingonahorizontalplane;ifthefoundationslopesdownstream,thesafetyfactorsagainstslidingontheplaneofthebasearecorrespondinglyreduced.這些數(shù)值都是指水平面上的抗滑安全系數(shù)。假如地基傾向下游，則基面上的抗滑安全系數(shù)會相應(yīng)減少。

Designersoftenuseconcreteplacedintocutoffsorrockfoundationstodecreasetheslidingtendencyofthedam.設(shè)計(jì)人員經(jīng)常采用在槽或基巖中澆筑混凝土的辦法來減少壩滑動的趨勢。

Anotherapproach,favoredbymanyengineers,includestheevaluationofshearintothesafetyfactor.Theshear-frictionrelationshipis:

另一個許多工程師樂于采用的方法，是在安全系數(shù)中涉及剪力的計(jì)算。剪摩關(guān)系式：

Which:isbaselengthatplaneofshearbeingstudied;isallowableworkingshearstressofmaterialormaterialsatplaneofshear.

式中：為所考慮的剪切面上的底寬；為剪切面上的一種或幾種材料的允許工作剪力。

Safetyfactorscomputedinthismannershouldapproachvaluesusedinnormalstructuralcomputations.這種方法算得的安全系數(shù)應(yīng)當(dāng)接近正常結(jié)構(gòu)計(jì)算中使用的數(shù)值。

Staticfrictionvaluesoftenassumedforconcretemovingrockorconcreteonconcretesurfacesvariesfrom0.65to0.75.對于混凝土和巖石或混凝土之間的滑動，靜摩擦系數(shù)常假定為0.65～0.75。

Theworkingshearstressofconcreteisrelatedtothecompressivestrengthofconcrete.混凝土的工作剪切力和混凝土的抗壓強(qiáng)度有關(guān)。

Theunitshearingstrengthofconcreteisaboutone-fifthofthecompressionbreakingstressfromstandardcylinders.混凝土的單位剪切強(qiáng)度約為標(biāo)準(zhǔn)圓柱體壓縮破壞應(yīng)力的1/5。

Thisindicatesstrengthof400to800psiforconcreteindams.Italsoprovidesasafetyfactorof4iftheunitworkingstressesusedincomputationsare100to200psi.Greaterworkingstressesarenotrecommendedunlesstheconcreteforthesmallerdamsisactuallypretested.對壩體混凝土來說，即為400～800磅/英寸2。假如計(jì)算中取工作應(yīng)力為100～200磅/英寸2，則安全系數(shù)尚有4。除非小壩的混凝土的確事先做過實(shí)驗(yàn)，否則不宜采用更大的工作應(yīng)力。

4internalconcretestresses混凝土的內(nèi)部應(yīng)力

Theunitstressesintheconcreteandfoundationmaterialsmustbekeptwithinprescribedmaximumvaluestoavoidfailures.混凝土和地基材料內(nèi)的單位應(yīng)力必須限定在規(guī)定的最大值之內(nèi)，以免引起失事。

Smalldamsnormallydevelopstresseswithintheconcretethatarelessthantheactualstrengththatmaydevelopiftheproperconcretemixisused.假如采用適當(dāng)?shù)幕炷僚浜媳?，則小壩混凝土內(nèi)引起的應(yīng)力都小于實(shí)有的強(qiáng)度。

Aconcretemixthatensuresdurabilitywillnormallyhavesufficientstrengthtoprovideanadequatesafetyfactoragainstoverstressing.一種能保證耐久性的混凝土配合比，通常都具有充足的強(qiáng)度，用以對于抵抗應(yīng)力超限提供足夠的強(qiáng)度。

Overstressingthefoundationmaterialmustalsobeinvestigated.Insmalldamsthisispertinentinjointedrockandsoftfoundationssuchasgravelandsand.地基材料的應(yīng)力超限問題也必須加以研究。這對于在有結(jié)理的巖石和地基（例如砂和礫石）上的小壩是的確需要的。

Thedesignershouldcheckthelocalcodesforallowablebearingpressuresandconferwithqualifiedengineerstoevaluatethefoundationmaterial.Table13.2providessuggestedallowablebearingvaluesforinitialstudiesandguidesindesigningsmallconcretedams.設(shè)計(jì)人員應(yīng)核對本地有關(guān)允許承載壓力的規(guī)范，并且和有水平的工程師商議來鑒定地基材料。表13.2中列有設(shè)計(jì)混凝土小壩時，供初步研究和參考用的允許承載力。

Lesson14Archdams拱壩

Ideallysuitedtonarrowcanyonscomposedofrock,thearchdamprovidesaneconomicalandefficientstructuretocontrolthestreamflow.拱壩最適合于修建在巖石峽谷中，它是一種控制河道中水流經(jīng)濟(jì)而有效的建筑物。

Theload-carryingcapacityofanarchdamenablesthedesignertoconservematerialandstillmaintainanextremelysafestructure.一座拱壩的承載能力足以使設(shè)計(jì)人員用較少的材料而仍能建成極為安全的結(jié)構(gòu)。

1Theory理論

Thegeneraltheoryofarchdamdesigniscomparativelynewandchangingrapidlyasmoreinformationisobtained.拱壩的一般設(shè)計(jì)理論比較新奇，同時在獲得更多的資料之后，理論的變化也很迅速。

Engineershavecautiouslyappliedmathematicaltheory,thelawofmechanics,andtheoriesofelasticitytoreducethethicknessofarchdamsandgainsubstantialeconomies.工程師們曾慎重的應(yīng)用數(shù)學(xué)理論、力學(xué)定律和彈性理論，以減小拱壩的厚度，并取得了很大的經(jīng)濟(jì)效果。

Historically,themethodofanalysisofarchdamsgrewfromthecylindertheorytoindependentarches,crowncantileveranalysis,andthenmultiplecantileveranalysis.從歷史發(fā)展來看，拱壩分析方法從圓筒理論開始，發(fā)展到多個獨(dú)立拱圈分析、拱冠懸臂梁分析，以及多懸臂梁分析。

Thecrowncantileverandarchactiontheoryhasprovedsatisfactoryforarchdamanalysis.拱冠懸臂梁和拱作用的理論已被證明能滿足拱壩分析用。

Inthisanalysisthehorizontalwaterloadisdividedbetweenthearchringsandverticalcantilevers.Thecalculateddeflectionsinthearchandcantileveratconjugatejointsinthedamareadjustedbychangingthedam’sshape.Thisprovidesnearlyequalelasticdeflections.在這一分析方法中，水平水荷載在拱環(huán)和垂直懸臂梁之間分派，壩內(nèi)拱和懸臂梁在交會點(diǎn)上的撓度可以通過改變壩的形狀來調(diào)整，以使兩者的彈性撓度近乎相等。

Stressescalculatedwhenthedeflectionsareinsatisfactoryagreementisconsideredastruestressesinthedam.Theshapeorformofthedamchangestheloaddistribution.Modificationoftheshapeisbytrialanderror.Consequently,theprocedureiscalledthetrial-loadmethodofanalysis.當(dāng)兩個撓度近乎相等時，所算得的應(yīng)力即作為壩內(nèi)的實(shí)際應(yīng)力。壩的形狀或形式會改變荷載的分布。由于壩的形狀通過試算法修改擬定，所以這個方法就稱作試荷載分析法。

Anotherprocedurebeingstudiedinvolvestheapplicationoftheshelltheorytoarchdamanalysis.Mostofthesimultaneousequationsforanalysisofadamcanbequicklyestablishedexceptthosedealingwithirregularboundaryconditions.Thesolutionofthesimultaneousequationsisaccomplishedbyanelectroniccomputer.正在研究的另一種方法是采用殼體理論來做拱壩分析。除了那些不規(guī)則的邊界條件外，拱壩分析的大多數(shù)聯(lián)立方程式都可以不久的列出，聯(lián)立方程式的求解可以用電子計(jì)算機(jī)來完畢。

Theinfluenceoftemperaturechangemaybesmallinflexiblearchesbutisimportantinflat,thickarches.Further,bothtemperatureandshrinkageeffectsmayvarythroughoutthethicknessofthearch.溫度變化對柔性拱影響也許不大，但在厚而平坦的拱上卻很重要。再則溫度和收縮效應(yīng)還也許在拱的整個厚度上是變化的。

Effortstominimizetemperaturestressesarelogicallyaimedatconstructionanddesigntechniques.Thedesignerselectsthearchformwithconsiderationoftemperaturechangetominimizeinternaltensionstresses.這就很合乎邏輯地要在設(shè)計(jì)和施工技術(shù)中設(shè)法使溫度應(yīng)力剪至最小。設(shè)計(jì)人員在選擇拱形式時，要考慮溫度變化，以使內(nèi)部拉應(yīng)力剪至最小。

Overturningandslidingareseldomafactorinthedesignofarchdams.Thedesigner’sprincipalinterestisinshear,compressive,andtensilestresses.Detailedanalysesandcomputerprogramsareavailable.TheCorpsofengineers,BureauofReclamation,andseveralconsultingfirmshavecomputerprograms.拱壩設(shè)計(jì)中很少考慮傾覆和滑動問題。設(shè)計(jì)人員重要關(guān)心的是剪切、壓縮和拉伸應(yīng)力?，F(xiàn)在已有具體的分析方法和計(jì)算機(jī)程序。工程師團(tuán)、墾務(wù)局和幾家征詢公司都備有這種程序。

2basicguides基本導(dǎo)則

Previousdesignexperienceswitharchwillassistthedesigner.Inthepreliminaryselectionofanarchdam,skillisneededtoarrangetheseveralstructuresandrelatedfacilitiestogaineconomyandnotjeopardizethebasicsafetyofthedam.設(shè)計(jì)人員可以借助于以往的拱壩設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行設(shè)計(jì)。在初步選擇拱壩時，需要一定的技巧來布置一些結(jié)構(gòu)物及其附屬設(shè)施，以取得經(jīng)濟(jì)效果，同時不危及壩的基本安全。

Thearchdamiseconomicalinnarrowcanyonswherethetopchordlengthisabouttwotothreetimestheheightofthedam.Widervalleysrequireincreasingthicknessofarchestomaintainsuitablestresses.Archdamshavecompetedeconomicallyandstructurallywithotherdamsforlength-to-heightratioswellabove5.對于壩頂弦長為壩高的2～3倍的峽谷，拱壩是經(jīng)濟(jì)的。河谷較寬則需要增長拱的厚度，以保持適當(dāng)?shù)膽?yīng)力。即使寬高比遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過5，拱壩在經(jīng)濟(jì)上和結(jié)構(gòu)上仍能勝過其他型式的壩。

Thetoparchringthicknessusuallydependsondurability,necessityforaroadway,oricepressure.Ageneralguideistomaintainthearchthicknessatanylevel,equaltoorgreaterthanabout0.02R,whereRisthecenterlineradiusforthearch.Aminimumthicknessvalueisnecessarytoguardagainstbuckling.壩頂拱圈的厚度通常取決于耐久、交通規(guī)定或者冰壓力。一般規(guī)定在任何高程處的拱厚度要等于或大于0.02R，其中R為拱的中心線半徑。為了防