水利工程概論3水利水電工程學(xué)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?lián)跛ㄖ镆弧⒅亓蔚奶攸c和設(shè)計要求

二、重力壩的荷載及剖面設(shè)計

三、重力壩的安全分析和型式的改進(jìn)

四、重力壩的材料及構(gòu)造

五、基礎(chǔ)處理第一節(jié)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(shè)計要求

第三章?lián)跛ㄖ锶龒{大壩

§3.1重力壩：重力壩的特點和設(shè)計要求

第三章?lián)跛ㄖ锶龒{大壩全景

§3.1重力壩：重力壩的特點和設(shè)計要求

第三章?lián)跛ㄖ锶龒{大壩

§3.1重力壩：重力壩的特點和設(shè)計要求

第三章?lián)跛ㄖ?、工作原理：依靠其自重的作用來維持壩體穩(wěn)定的。即：

①利用自重在壩基面產(chǎn)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(wěn)定；

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

第三章?lián)跛ㄖ飪?nèi)力和應(yīng)力的概念

§3.1重力壩：重力壩的特點和設(shè)計要求

第三章?lián)跛ㄖ飪?nèi)力內(nèi)力：物體因受外力而變形，其內(nèi)部各部分之間因相對位置改變而引起的相互作用就是內(nèi)力。根據(jù)連續(xù)性假設(shè)，在截面上各處都有內(nèi)力作用，所以內(nèi)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(nèi)力。上圖中N稱為桿件的內(nèi)力（軸力），拉伸為正，壓縮為負(fù)。內(nèi)力是合力，不能說明分布內(nèi)力系在截面內(nèi)某一點處的強弱程度，為此引入內(nèi)力集度的概念，及應(yīng)力。§3.1重力壩：重力壩的特點和設(shè)計要求

第三章?lián)跛ㄖ飸?yīng)力的概念應(yīng)力：圍繞C點取微面積△A，其上內(nèi)力合力為△P這樣微面積上內(nèi)力的平均集度為即為C點處的內(nèi)力集度，稱為C點處的總應(yīng)力。一般分解為正應(yīng)力和剪應(yīng)力。§3.1重力壩：重力壩的特點和設(shè)計要求

第三章?lián)跛ㄖ?、工作特點優(yōu)點：①失事率最低：斷面尺寸大，抵抗?jié)B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(zhì)條件適應(yīng)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(dǎo)流容易解決。⑤體積大便于機械化施工。⑥結(jié)構(gòu)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(shè)計要求

第三章?lián)跛ㄖ锶秉c：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(wěn)定不利。⑨由于體積大，水化熱不易散發(fā)，溫控要求高，另外耗用水泥、鋼材多?！?.1重力壩：重力壩的特點和設(shè)計要求

第三章?lián)跛ㄖ?、設(shè)計要求：(1)在任何一個截面上，必須滿足抗滑穩(wěn)定之要求；(2)壩內(nèi)各點，一般地說，均應(yīng)滿足強度要求。4、重力壩設(shè)計的主要內(nèi)容(1)總體布置（包括壩軸線、組成建筑物的位置）；(2)剖面設(shè)計；（3）穩(wěn)定分析；（4）應(yīng)力分析；（5）構(gòu)造設(shè)計；（6）地基處理；（7）溢流壩或泄水孔設(shè)計；（8）監(jiān)測設(shè)計?！?.1重力壩：重力壩的特點和設(shè)計要求

第三章?lián)跛ㄖ锒?、重力壩的荷載及剖面設(shè)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(shè)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(shè)計

第三章?lián)跛ㄖ镏亓紊献饔昧κ疽鈭D§3.1重力壩：重力壩的荷載及剖面設(shè)計

第三章?lián)跛ㄖ?、荷載組合：上述荷載，除自重外，多數(shù)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(xiàn)。定義：將可能作用在建筑物上的所有荷載按出現(xiàn)的時間(機率)是否相同進(jìn)行分組，然后將各組荷載分別作用在所設(shè)計的建筑物上，研究建筑物的穩(wěn)定和強度，并給以不同的安全系數(shù)。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(shè)計

第三章?lián)跛ㄖ锖奢d組合分類

結(jié)構(gòu)設(shè)計時需對不同的荷載進(jìn)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(xiàn)永久荷載和可變荷載的組合。分為：

長期組合:持久發(fā)生(持久狀態(tài))如正常擋水位

短期組合:短暫發(fā)生(短暫狀態(tài))如設(shè)計洪水位(2)偶然組合：基本組合與一種偶然荷載同時出現(xiàn)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(shè)計規(guī)范SL319-2005）。注：表中數(shù)字是指規(guī)范中的荷載編號?！?.1重力壩：重力壩的荷載及剖面設(shè)計

第三章?lián)跛ㄖ铮ǘ┲亓蔚钠拭嬖O(shè)計1、設(shè)計原則：在滿足運用、穩(wěn)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(wěn)定和強度要求；

（2）盡可能節(jié)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(shè)計

第三章?lián)跛ㄖ?、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(wěn)定和應(yīng)力要求并使其剖面最小的三角形剖面。見下圖?！?.1重力壩：重力壩的剖面設(shè)計

第三章?lián)跛ㄖ铩?.1重力壩：重力壩的剖面設(shè)計

第三章?lián)跛ㄖ?、實用剖面：根據(jù)對其運用的要求（如：壩頂超高、構(gòu)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(jīng)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(shè)閘門和攔污柵，希望上部做成垂直的。（1）壩頂寬度①滿足設(shè)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(shè)施時，應(yīng)根據(jù)實際需要確定。當(dāng)有較大的冰壓力或漂浮物撞擊力時，壩頂最小寬度還應(yīng)滿足強度的要求。（2）壩頂高程

頂高程=設(shè)計洪水位+Δh設(shè)（超高）

頂高程=校核洪水位+Δh校

（超高：風(fēng)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(shè)計

第三章?lián)跛ㄖ铮?）剖面形態(tài)：

由基本剖面修改為實用剖面，有三種常用的形態(tài)，如下圖。

非溢流壩剖面形態(tài)§3.1重力壩：重力壩的剖面設(shè)計

第三章?lián)跛ㄖ飯D(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(shè)施、由應(yīng)力條件控制壩體剖面的情況。

優(yōu)點：便于布置和操作壩身過水管道進(jìn)口控制設(shè)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(chǎn)生拉應(yīng)力?！?.1重力壩：重力壩的剖面設(shè)計

第三章?lián)跛ㄖ飯D(b)：工程中經(jīng)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(wěn)定性，又可保留鉛直的上部便于管道進(jìn)口布置設(shè)備和操作的優(yōu)點。

上游折坡的起坡點位置應(yīng)結(jié)合應(yīng)力控制條件和引水、泄水建筑物的進(jìn)口高程來選定。一般在壩高的1/3～2/3的范圍內(nèi)。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(wěn)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(wěn)定的要求。修建在地震區(qū)的重力壩，可采用此種剖面。§3.1重力壩：重力壩的剖面設(shè)計

第三章?lián)跛ㄖ锇唇?jīng)驗，非溢流重力壩的邊坡系數(shù)（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(shè)計

第三章?lián)跛ㄖ?、溢流重力壩的實用剖面溢流壩的剖面既要滿足壩體穩(wěn)定和強度要求，又要滿足水力學(xué)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(yīng)具有較大的流量系數(shù)，泄流暢，壩面不發(fā)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(shè)計

第三章?lián)跛ㄖ镆缌鲏位酒拭娴拇_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(yīng)具有較大的流量系數(shù)，泄流暢，壩面不發(fā)生空蝕?！?.1重力壩：重力壩的剖面設(shè)計

第三章?lián)跛ㄖ锶?、重力壩的安全分析和型式的改進(jìn)擬定好壩的剖面后，即可進(jìn)行壩的抗滑穩(wěn)定校核和強度驗算，以便進(jìn)一步修改壩剖面布置和尺寸。（一）重力壩的穩(wěn)定分析重力壩在各種荷載的共同作用下，必須處于穩(wěn)定狀態(tài)，并應(yīng)當(dāng)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(wěn)定安全系數(shù)，用K表示。K應(yīng)大于或等于表3-3中所列數(shù)值。應(yīng)該指出：安全系數(shù)K只是一種衡量安全度的指標(biāo)，而不能理解為建筑物的實際安全度。此外，當(dāng)壩基內(nèi)有緩傾角結(jié)構(gòu)面時，除驗算壩體沿壩基面的抗滑穩(wěn)定性外，還應(yīng)驗算壩體連同部分基巖的抗滑穩(wěn)定性?！?.1重力壩：重力壩的安全分析和型式的改進(jìn)

第三章?lián)跛ㄖ铩?.1重力壩：重力壩的安全分析和型式的改進(jìn)

第三章?lián)跛ㄖ铮ǘ┲亓蔚膽?yīng)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(yīng)力σ（單位面積上所受的內(nèi)力）不超過這種材料的允許應(yīng)力。2、應(yīng)力分布特點：根據(jù)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(yīng)力最大，壩趾（下游壩腳）處的壓應(yīng)力最小，甚至出現(xiàn)拉應(yīng)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(xiàn)很小的拉應(yīng)力外，一般不允許出現(xiàn)拉應(yīng)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(jìn)

第三章?lián)跛ㄖ铮ㄈ┲亓涡褪降母倪M(jìn)由于壩體龐大，耗用材料多，壩體內(nèi)部應(yīng)力較小，材料強度不能充分發(fā)揮作用，因此可以采取一些改進(jìn)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(yōu)點：減小壩基揚壓力，節(jié)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?！?.1重力壩：重力壩的安全分析和型式的改進(jìn)

第三章?lián)跛ㄖ铩?.1重力壩：重力壩的材料及構(gòu)造

第三章?lián)跛ㄖ锼摹⒅亓蔚牟牧霞皹?gòu)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?jié)B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(jīng)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(biāo)準(zhǔn)值為20MPa。

混凝土的強度隨其齡期的增長而增強。因此，在規(guī)定標(biāo)號時還應(yīng)同時規(guī)定設(shè)計齡期。壩體混凝土的抗壓設(shè)計齡期一般為90d，最多不超過180d。此外，還規(guī)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(shè)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?jié)B、抗凍、抗磨、抗侵蝕等。抗?jié)B性：大壩防滲部位如上游面、基礎(chǔ)層和下游水位以下的壩面，其砼應(yīng)具有抵抗壓力水滲透的能力。抗?jié)B性的指標(biāo)通常用抗?jié)B標(biāo)號表示,抗?jié)B標(biāo)號也隨砼的齡期增長，一般取與強度的設(shè)計齡期相同?？筛鶕?jù)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?！?.1重力壩：重力壩的材料及構(gòu)造

第三章?lián)跛ㄖ锟箖鲂裕夯炷猎陲柡蜖顟B(tài)下，經(jīng)受多次凍融循環(huán)而不被破壞，也不嚴(yán)重降低強度的性能。通常以抗凍標(biāo)號表示?？蓞⒄毡?-5選取?？箖鲂院玫幕炷粒淇癸L(fēng)化的能力也強，因此即使在溫暖地區(qū)也應(yīng)提出一定的抗凍要求?！?.1重力壩：重力壩的材料及構(gòu)造

第三章?lián)跛ㄖ锟鼓バ裕褐富炷恋挚垢咚偎骰驋渡乘鞯臎_刷、磨損的性能。目前尚無明確的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)經(jīng)驗，使用高標(biāo)號的硅酸鹽大壩水泥拌制成的高標(biāo)號混凝土，其抗磨性較強。一般，抗磨混凝土的抗壓強度不應(yīng)低于C20級，且要求骨料質(zhì)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(huán)境水侵蝕的性能。當(dāng)環(huán)境水有侵蝕性時，應(yīng)選擇適當(dāng)品種的水泥和骨料，如選用礦渣水泥或火山灰水泥。為了節(jié)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(qū)，采用不同標(biāo)號?！?.1重力壩：重力壩的材料及構(gòu)造

第三章?lián)跛ㄖ?二)壩體砼的分區(qū)

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

第三章?lián)跛ㄖ铮ㄈ误w構(gòu)造

構(gòu)造包括：壩頂結(jié)構(gòu)、壩體分縫、止水、排水、廊道布置等內(nèi)容。1、壩頂結(jié)構(gòu)

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

第三章?lián)跛ㄖ?、壩體分縫為適應(yīng)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(chǎn)生不均勻沉陷而引起裂縫等，需要將壩體適當(dāng)分縫。常設(shè)：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(nèi)應(yīng)設(shè)止水。當(dāng)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?？v縫：平行于壩軸線。屬于臨時縫，是為適應(yīng)砼的澆筑能力和減小施工期溫度應(yīng)力而設(shè)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?！?.1重力壩：重力壩的材料及構(gòu)造

第三章?lián)跛ㄖ铩?.1重力壩：重力壩的材料及構(gòu)造

第三章?lián)跛ㄖ?、壩體防滲、排水和廊道系統(tǒng)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(tǒng)，以起到擋水的作用。壩體防滲是通過橫縫止水系統(tǒng)和提高壩上游面附近混凝土的抗?jié)B能力來實現(xiàn)的。應(yīng)當(dāng)指出：防滲措施的作用是相對的，滲水不可避免。因此需設(shè)排水系統(tǒng)。(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(shè)置排水管，將滲水通過排水管排入廊道，匯集于集水井內(nèi)，用水泵或自流排向下游。壩內(nèi)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(gòu)造

第三章?lián)跛ㄖ铩?.1重力壩：重力壩的材料及構(gòu)造

第三章?lián)跛ㄖ铮?）壩內(nèi)廊道系統(tǒng)：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(nèi)設(shè)置各種廊道，這些廊道互相聯(lián)通，構(gòu)成廊道系統(tǒng)，見圖3-7。

①

基礎(chǔ)灌漿廊道

②基礎(chǔ)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(gòu)造

第三章?lián)跛ㄖ镂濉⒒A(chǔ)處理重力壩巖基的要求：有足夠的強度和抗?jié)B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(jīng)受過長期地質(zhì)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(jié)理、裂隙、斷層、夾層等軟弱結(jié)構(gòu)面，它們都會不同程度地破壞或降低了巖體的穩(wěn)定性、強度及抗?jié)B能力。所以在具有缺陷的巖基上修建重力壩應(yīng)對地基進(jìn)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(chǔ)處理

第三章?lián)跛ㄖ?、開挖和清理

將覆蓋層和風(fēng)化破碎的巖石挖掉，包括清除松動石塊，打掉突出的尖角。(當(dāng)復(fù)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(jié)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?lián)跛ㄖ铩?.1重力壩：基礎(chǔ)處理（2）灌漿范圍①應(yīng)力較大的上下游部位②局部節(jié)理裂隙發(fā)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：