第一节 非溢流重力坝

非溢流重力坝设计知识重力坝的基本断面一般是指在水压力(水位与坝顶齐平)、自重和扬压力等主要荷载作用下，满足稳定、强度要求的最小三角形断面。

★一、设计原则：（一）满足稳定和强度要求；（二）工程量少；（三）便于施工；（四）运用方便。

二、基本剖面（一）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。

1.规律：①施工运用方便多做成a=90；②f较低时，为满足稳定，减小a角，利用水重；③工程经验：m=0.6—0.8（下游坡）n=0—0.2（上游坡）； 2.一般情况,坝体与坝基接触面之间摩擦系数及粘结强度越大、渗压折减系数越大，基本剖面底宽就越小，T主要由强度条件控制。

反之，摩擦系数和粘结强度越小，渗压折减系数越小，坝底宽度就越大，且主要由抗滑稳定条件控制。

★三、实用剖面（一）坝顶宽度（课本49页）；（二）坝顶高程（课本49页）；（三）剖面选择（课本51页）（四）溢流重力坝既能挡水又能通过坝顶溢流。

因此，坝体设计除要满足稳定和强度要求外，还要满足泄水要求。

在溢流坝段位置确定以后，应合理选择泄水方式，并根据洪水标准和运用要求确定孔口尺寸。

四、溢流重力坝的剖面设计溢流重力坝的孔口型式有开敞式坝顶溢流和大孔口溢流式两种。

（一）溢流面由顶部溢流面曲线段、中间直线段和下部反弧段组成。

1.溢流堰面曲线★常采用非真空剖面曲线。

①开敞式溢流堰面曲线②大孔口堰面曲线★③堰顶附近允许出现的负压值为：在常遇洪水位闸门全开时不得出现负压；校核洪水位闸门全开时出现的负压值不得超过3m～6m水柱；正常蓄水位或常遇洪水位闸门局部开启时（以运用中较常出现的开度为准），可允许有不大的负压值，其值应经论证后确定。

★常遇洪水位，系指频率为20年一遇以下洪水时的水库水位，在常遇水位下，溢流堰运用机会较多，容易遭受空蚀，特别在门槽部位，应引起注意。

2.溢流面中间直线段；3.溢流坝下游反弧段半径；4.溢流坝剖面布置五、溢流坝孔口设计（一）孔口设计涉及因素 （二）设计步骤（三）孔口型式1.坝顶溢流式优点：①闸门承受的水头较小，孔口尺寸可以较大； ②闸门全开时，下泄流量与堰顶水头H 03/2成正比，超泄能力强； ③闸门在顶部，操作方便，易于维修，安全可靠； ④能排水及其他漂浮物。

第三章 非溢流重力坝设计3.1基本剖面设计3.1.1剖面设计原则重力坝的设计断面应由基本荷载组合控制，并以特殊荷载组合复合。

设计断面要满足强度和强度要求。

非溢流坝剖面设计的基本原则是：①满足稳定和强度要求，保证大坝安全；②工程量最小；③优选体形，运用方便；④便于施工，避免出现不利的应力状态。

3.1.2基本剖面拟定图3.1重力坝的基本剖面是指坝的基本剖面是指在自重、静水压力（水位与坝顶齐平）和扬压力三项主要荷载作用下，满足稳定和强度要求，并使工程量最小的三角形剖面，如图3.1。

在已知坝高H 、水压力P 、抗剪强度参数f 、c 和扬压力U 的条件下，根据抗滑稳定和强度要求，可以求的工程量最小的三角形剖面尺寸。

3.1.3实用剖面的拟定一、坝顶高程的拟定坝顶高程应高于校核洪水位，坝顶上游防浪墙顶高程应高于波浪顶高程。

坝顶高程由静水位+相应情况下的风浪涌高和安全超高定出。

即∇＝静+h ∆式中：h ∆＝l z c h h h ++。

式中：l h ----为波浪高度；z h ----为波浪中心线超出静水位的高度；c h ----为安全超高。

1、超高值h ∆的计算（1）基本公式坝顶应高于校核洪水位，坝顶上游防浪墙顶高程应高于波浪顶高程，h ∆可由式计算，应选择三者中防浪墙较高者作为选定高程。

c z h h h h ++=∆%1 （2.1）式中h ∆—防浪墙顶与设计洪水位或校核洪水位的高差m ；%1h —累计频率为1%的波浪高度m ；z h —波浪中心线至设计洪水位或校和洪水位的高差m ；c h ——安全超高 ；c h 的取值，根据下表3.1表3.1故本设计坝的级别为2级，所以设计安全超高为0.5m ，校核安全超高为0.4m 。

对于h l%和h z 的计算采用官厅公式计算：3/14/500166.0D V h l =，0.810.4()c L h = 22l z h H h cth L Lππ= 式中： 0V ----计算风速，m/s, 在计算%1h 和z h 时，设计洪水位和校核洪水位采用不同的计算风速值。

一、非溢流坝设计（一）、初步拟定坝型的轮廓尺寸(1)坝顶高程的确定①校核洪水位情况下：波浪高度2h l=0.0166V5/4D1/3=0.0166×185/4×41/3=0.98m波浪长度2L l=10.4×(2h l)0.8=10.4×0.980.8=10.23m波浪中心线到静水面的高度h0=π(2h l)2/ 2L l=3.14×0.982/10.23=0.30m安全超高按Ⅲ级建筑物取值h c=0.3m=2h l+ h0+ h c=0.98+0.30+0.3=1.58m 坝顶高出水库静水位的高度△h校②设计洪水位情况下：波浪高度2h l=0.0166(1.5V)5/4D1/3=0.0166×(1.5×18)5/4×41/3=1.62m波浪长度2L l=10.4×(2h l)0.8=10.4×1.620.8=15.3m波浪中心线到静水面的高度h0=π(2h l)2/ 2L l=3.14×1.622/15.3=0.54m安全超高按Ⅲ级建筑物取值h c=0.4m=2h l+ h0+ h c=1.62+0.54+0.4=2.56m 坝顶高出水库静水位的高度△h设③两种情况下的坝顶高程分别如下：校核洪水位时：225.3+1.58=226.9m设计洪水位时：224.0+2.56=226.56m坝顶高程选两种情况最大值226.9 m，可按227.00m设计，则坝高227.00-174.5=52.5m。

(2)坝顶宽度的确定本工程按人行行道要求并设置有发电进水口，布置闸门设备，应适当加宽以满足闸门设备的布置，运行和工作交通要求，故取8米。

(3)坝坡的确定考虑到利用部分水重增加稳定，根据工程经验，上游坡采用1：0.2，下游坡按坝底宽度约为坝高的0.7～0.9倍，挡水坝段和厂房坝段均采用1：0.7。

(4)上下游折坡点高程的确定理论分析和工程实验证明，混凝土重力坝上游面可做成折坡，折坡点一般位于1/3~2/3坝高处，以便利用上游坝面水重增加坝体的稳定。

网络教育学院《水工建筑物课程设计》题目：非溢流段混凝土重力坝设计学习中心：安徽**奥鹏学习中心专业：水利水电工程年级： 2012年春季学号：学生：指导教师：《水工建筑物》课程设计基本资料1.1 气候特征根据当地气象局50年统计资料，多年平均最大风速14 m/s，重现期为50年的年最大风速23m/s，吹程：设计洪水位 2.6 km，校核洪水位3.0 km 。

最大冻土深度为1.25m。

河流结冰期平均为150天左右，最大冰厚1.05m。

1.2 工程地质与水文地质1.2.1坝址地形地质条件（1）左岸：覆盖层2～3m，全风化带厚3～5m，强风化加弱风化带厚3m，微风化厚4m。

（2）河床：岩面较平整。

冲积沙砾层厚约0～1.5m，弱风化层厚1m左右，微风化层厚3～6m。

坝址处河床岩面高程约在38m左右，整个河床皆为微、弱风化的花岗岩组成，致密坚硬，强度高，抗冲能力强。

（3）右岸：覆盖层3～5m，全风化带厚5~7m，强风化带厚1～3m，弱风化带厚1～3m，微风化厚1～4m。

1.2.2天然建筑材料粘土料、砂石料和石料在坝址上下游2～3km均可开采，储量足，质量好。

粘土料各项指标均满足土坝防渗体土料质量技术要求。

砂石料满足砼重力坝要求。

1.2.3水库水位及规模①死水位：初步确定死库容0.30亿m3，死水位51m。

②正常蓄水位：80.0m。

注：本次课程设计的荷载作用只需考虑坝体自重、静水压力、浪压力以及扬压力。

表一本设计仅分析基本组合(2)及特殊组合(1)两种情况：基本组合(2)为设计洪水位情况，其荷载组合为：自重+静水压力+扬压力+泥沙压力+浪压力。

特殊组合(1)为校核洪水位情况，其荷载组合为：自重+静水压力+扬压力+泥沙压力+浪压力。

2.1 坝高计算按照所给基本资料进行坝高计算，详细写明计算过程和最终结果。

2.2 挡水坝段剖面设计按照所给基本资料进行挡水坝段剖面设计，详细写明计算过程和最终结果。

2.3 挡水坝段荷载计算按照所给基本资料进行挡水坝段荷载计算，详细写明计算过程和最终结果。

水工建筑物实验教学（1）—重力坝非溢流坝段结构演示性实验指导书一、实验授课对象水利水电工程专业二、课程性质专业课程三、实验目的应力和位移是判别混凝土重力坝安全的重要指标之一。

本实验应用模型实验法对某水利枢纽工程非溢流重力坝断面上的应力和位移进行实验研究，分析在外荷载作用下坝体的应力和位移的分布情况。

四、实验原理选择某水利枢纽非溢流重力坝工程，通过在比例缩小或等比模型上进行相应的实验，获取相关数据进行应力分析。

原型与模型的相似常数为：几何相似常数a1= 180侧压力相似常数a r= 1/20用纯石膏材料制成断面模型，弹性模量E m=1X106kPa；泊松比μ=0.2，模拟荷载为水压力和自重，在设计洪水位下进行。

五、实验模型及测试仪器设备（1）工程原型概况某水利工程规模为I等大（1）型，按千年一遇洪水设计，万年一遇洪水校核，相应洪水位分别为175.0m、180.4m，坝顶高程185m，最大坝高181 m，坝底宽127.9m，坝顶宽21 m。

（数据仅供参考，具体实验模型可根据厂家提供模型调整）（2）实验模型本次教学实验采用科研模型——某非溢流重力坝坝断面结构模型。

（3）测试仪器设备实验中所用仪器设备及工具主要有：胶基电阻应变片、温度补偿片、油压千斤顶、钢板、测力计、千分位移计、薄橡皮等，应变测量采用DH3816静态应变测试系统。

六、实验内容1、实验任务（1）观察并记录大坝模型因外荷载作用引起的应力变化；（2）观察并记录大坝模型因外荷载作用引起的位移变化；（3）根据实验所得数据与原型数据对比，进行应力分析；2、实验步骤（1）准备工作①实验课前必须预习实验指导书，熟悉原型基本资料，了解实验目的、内容和要求，并参阅水工建筑物、水力学得等教材相关内容；②实验时请自备记录、计算或绘图用具（可用EXCEL工作表或CAD）。

（2）实验设置及步骤1）测点布置在重力坝横断面模型上布置40个测点：其中坝体和坝基部分各布置20个测点，坝体部分从坝上游水位处至坝底均匀分布5排，每排测点从上游面至下游面均匀分布，各排测点数依次呈差分为1的等差数列，坝底测点编号为15~ 20；坝基部分沿坝底向下均匀布置2排，测点的行距和间距与坝底相同，编号为21~40每个测点布置三向应变片，应变片采用胶基电阻应变，为了消除室温引起的应变片温度变形，在重力坝模型—石膏试坯上粘贴温度补偿片。

第二章岩基和的重力坝第一节概述图2.1 混凝土重力坝示意图一、重力坝的工作原理及其特点1、工作原理①利用自重在坝基面产生的摩擦力以及坝与地基间的凝聚力来抵抗水平水压力而维持稳定②利用自重引起的压应力来抵消由水压力产生的拉应力2、工作特点①断面尺寸大，抵抗渗漏、漫顶破坏的能力强，在各种坝型中失事率最低②对地形地质条件适应性强③泄流问题容易解决④施工导流容易解决⑤体积大便于机械化施工⑥结构作用明确⑦因为体积大，材料强度不能充分利用⑧底部扬压力大，对稳定不利⑨因为体积大，水化热不易散发，温控要求高二、重力坝的型式(见图2.2>按作用分非溢流重力坝溢流重力坝按建筑材料分混凝土重力坝碾压混凝土重力坝浆砌石重力坝按内部结构分实体重力坝宽缝重力坝空腹重力坝三、重力坝设计的主要内容1、总体布置: 坝轴线组成建筑物的位置2、剖面设计3、稳定分析4、应力分析5、构造设计6、地基处理7、溢流坝或泄水孔设计8、监测设计第二节重力坝的荷载及其组合一、荷载荷载 -----→作用不随时间变化的----永久作用如自重、土压力等随时间变化的------可变作用如水压力、扬压力、温度、孔隙水压力等；偶然发生的--------偶然作用如地震、校核水位下的水压力等.可变作用是指在设计基准期内作用的量值随时间变化与平均值之比不可忽略的作用。

作用在重力坝上的主要荷载有:坝体自重、上下游坝面上的水压力、扬压力、浪压力、泥沙压力、地震荷载及冰压力等(图2.3>.图2.3 重力坝上作用力示意图自重坝体自重是重力坝的主要荷载之一。

W=γ×A+ωω--坝上永久设备重①沿坝基面滑动，仅计坝体重量；②沿深层滑动，需计入滑体内岩体重；③用有限单元法计算时，应计入地基初始应力的影响；假定：1°地基中任一点的垂直应力σ(y>=γh2°水平应力σ(x>=λγh3°剪应力τ(xy>=0静水压力1°上游面垂直2°上游面倾斜①挡水坝段②溢流坝段3°水的容重①清水γ②浑水γ(按实际情况考虑>扬压力(含坝基和坝体内扬压力>*坝基扬压力:坝基扬压力包括两部分①下游水深引起的浮托力；②由水头差引起的渗透压力.渗透压力从上游向下游逐渐消减，其变化呈抛物线分布。

网络教育学院《水工建筑物课程设计》题目：非溢流段混凝土重力坝设计学习中心：安徽**奥鹏学习中心专业：水利水电工程年级： 2012年春季学号：学生：指导教师：《水工建筑物》课程设计基本资料1.1 气候特征根据当地气象局50年统计资料，多年平均最大风速14 m/s，重现期为50年的年最大风速23m/s，吹程：设计洪水位 2.6 km，校核洪水位3.0 km 。

最大冻土深度为1.25m。

河流结冰期平均为150天左右，最大冰厚1.05m。

1.2 工程地质与水文地质1.2.1坝址地形地质条件（1）左岸：覆盖层2～3m，全风化带厚3～5m，强风化加弱风化带厚3m，微风化厚4m。

（2）河床：岩面较平整。

冲积沙砾层厚约0～1.5m，弱风化层厚1m左右，微风化层厚3～6m。

坝址处河床岩面高程约在38m左右，整个河床皆为微、弱风化的花岗岩组成，致密坚硬，强度高，抗冲能力强。

（3）右岸：覆盖层3～5m，全风化带厚5~7m，强风化带厚1～3m，弱风化带厚1～3m，微风化厚1～4m。

1.2.2天然建筑材料粘土料、砂石料和石料在坝址上下游2～3km均可开采，储量足，质量好。

粘土料各项指标均满足土坝防渗体土料质量技术要求。

砂石料满足砼重力坝要求。

1.2.3水库水位及规模①死水位：初步确定死库容0.30亿m3，死水位51m。

②正常蓄水位：80.0m。

注：本次课程设计的荷载作用只需考虑坝体自重、静水压力、浪压力以及扬压力。

表一本设计仅分析基本组合(2)及特殊组合(1)两种情况：基本组合(2)为设计洪水位情况，其荷载组合为：自重+静水压力+扬压力+泥沙压力+浪压力。

特殊组合(1)为校核洪水位情况，其荷载组合为：自重+静水压力+扬压力+泥沙压力+浪压力。

2.1 坝高计算按照所给基本资料进行坝高计算，详细写明计算过程和最终结果。

2.2 挡水坝段剖面设计按照所给基本资料进行挡水坝段剖面设计，详细写明计算过程和最终结果。

2.3 挡水坝段荷载计算按照所给基本资料进行挡水坝段荷载计算，详细写明计算过程和最终结果。

重力坝知识第一节概述第二节非溢流坝的剖面设计第一节概述混凝土重力坝示意图一、世界上最高的重力坝我国已建的重力坝：刘家峡148m，新安江105m，三门峡106m，丹江口110m，丰满、潘家口等，其中，高坝有20余座。

其中三峡混凝土重力坝和龙滩碾压混凝土重力坝分别高达175米和216.5米。

重力坝坝轴线一般为直线，垂直坝轴线方向设横缝，将坝体分成若干个独立工作的坝段，以免因坝基发生不均匀沉陷和温度变化而引起坝体开裂。

为了防止漏水，在缝内设多道止水。

垂直坝轴线的横剖面基本上是呈三角形的，结构受力形式为固接于坝基上的悬臂梁。

坝基要求布置防渗排水设施。

二、重力坝的特点（一）优点：1、工作安全，运行可靠。

重力坝剖面尺寸大，坝内应力较小，筑坝材料强度较高，耐久性好。

因此，抵抗洪水漫顶、渗漏、侵蚀、地震和战争等破坏的能力都比较强。

据统计，在各种坝型中，重力坝失事率相对较低。

2、对地形、地质条件适应性强。

任何形状的河谷都可以修建重力坝。

对地质条件要求相对较低，一般修建在岩基上，当坝高不大时，也可修建在土基上。

3、泄洪方便，导流容易。

可采用坝顶溢流，也可在坝内设泄水孔，不需设置溢洪道和泄水隧洞，枢纽布置紧凑。

在施工期可以利用坝体导流，不需另设导流隧洞。

4、施工方便，维护简单。

大体积混凝土，可以采用机械化施工，在放样、立模和混凝土浇筑等环节都比较方便。

在后期维护，扩建，补强，修复等方面也比较简单。

5、受力明确，结构简单。

重力坝沿坝轴线用横缝分成若干坝段，各坝段独立工作，结构简单，受力明确，稳定和应力计算都比较简单。

（二）缺点：1、坝体剖面尺寸大，材料用量多，材料的强度不能得到充分发挥。

2、坝体与坝基接触面积大，坝底扬压力大，对坝体稳定不利。

3、坝体体积大，混凝土在凝结过程中产生大量水化热和硬化收缩，将引起不利的温度应力和收缩应力。

因此，在浇筑混凝土时，需要有较严格的温度控制措施。

二．重力坝的分类1、按坝的高度分类:坝高低于30m的为低坝，高于70m的为高坝，介于30m～70m之间的为中坝。

⾮溢流重⼒坝设计知识⾮溢流重⼒坝设计知识重⼒坝的基本断⾯⼀般是指在⽔压⼒(⽔位与坝顶齐平)、⾃重和扬压⼒等主要荷载作⽤下，满⾜稳定、强度要求的最⼩三⾓形断⾯。

★⼀、设计原则：（⼀）满⾜稳定和强度要求；（⼆）⼯程量少；（三）便于施⼯；（四）运⽤⽅便。

⼆、基本剖⾯（⼀）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。

1.规律：①施⼯运⽤⽅便多做成a=90；②f较低时，为满⾜稳定，减⼩a⾓，利⽤⽔重；③⼯程经验：m=0.6—0.8（下游坡）n=0—0.2（上游坡）； 2.⼀般情况,坝体与坝基接触⾯之间摩擦系数及粘结强度越⼤、渗压折减系数越⼤，基本剖⾯底宽就越⼩，T主要由强度条件控制。

反之，摩擦系数和粘结强度越⼩，渗压折减系数越⼩，坝底宽度就越⼤，且主要由抗滑稳定条件控制。

★三、实⽤剖⾯（⼀）坝顶宽度（课本49页）；（⼆）坝顶⾼程（课本49页）；（三）剖⾯选择（课本51页）（四）溢流重⼒坝既能挡⽔⼜能通过坝顶溢流。

因此，坝体设计除要满⾜稳定和强度要求外，还要满⾜泄⽔要求。

在溢流坝段位置确定以后，应合理选择泄⽔⽅式，并根据洪⽔标准和运⽤要求确定孔⼝尺⼨。

四、溢流重⼒坝的剖⾯设计溢流重⼒坝的孔⼝型式有开敞式坝顶溢流和⼤孔⼝溢流式两种。

（⼀）溢流⾯由顶部溢流⾯曲线段、中间直线段和下部反弧段组成。

1.溢流堰⾯曲线★常采⽤⾮真空剖⾯曲线。

①开敞式溢流堰⾯曲线②⼤孔⼝堰⾯曲线★③堰顶附近允许出现的负压值为：在常遇洪⽔位闸门全开时不得出现负压；校核洪⽔位闸门全开时出现的负压值不得超过3m～6m⽔柱；正常蓄⽔位或常遇洪⽔位闸门局部开启时（以运⽤中较常出现的开度为准），可允许有不⼤的负压值，其值应经论证后确定。

★常遇洪⽔位，系指频率为20年⼀遇以下洪⽔时的⽔库⽔位，在常遇⽔位下，溢流堰运⽤机会较多，容易遭受空蚀，特别在门槽部位，应引起注意。

2.溢流⾯中间直线段；3.溢流坝下游反弧段半径；4.溢流坝剖⾯布置五、溢流坝孔⼝设计（⼀）孔⼝设计涉及因素（⼆）设计步骤（三）孔⼝型式1.坝顶溢流式优点：①闸门承受的⽔头较⼩，孔⼝尺⼨可以较⼤；②闸门全开时，下泄流量与堰顶⽔头H 03/2成正⽐，超泄能⼒强；③闸门在顶部，操作⽅便，易于维修，安全可靠；④能排⽔及其他漂浮物。