水工建筑物 (1)
第二讲
第二章 重力坝
?重力坝的 荷载及其组合
?重力坝的 断面设计
?重力坝的 抗滑稳定分析
?重力坝的 应力分析
?重力坝的 材料、分区、分缝及构造
?重力坝的 基础处理
?泄水重力坝
?其它型式重力坝
Chapter 2 Concrete Gravity Dams
重力坝的工作原理
重力坝的特点
重力坝的设计内容
重力坝的建设概况
§ 2.1 重力坝的特点
一、重力坝的工作原理
重力坝是用 浆砌石 (grouted
rubble)或者 混凝土 (concrete)材料 建
筑而成的挡水建筑物, 其剖面一般
做成上游面近于垂直的 三角形断面,
主要依靠 坝体的重量, 在坝体和地
基的接触面产生抗剪强度或者摩擦
力, 来抵抗水库的水平推力, 以达
到稳定的要求；同时, 也依靠坝体
的 自重产生的压应力, 来抵消由于
水压力所引起的坝体上游侧的拉应
力, 以满足坝身强度的要求 。
世界上最高的重力坝是 1962年瑞士的 大狄
克桑斯 (The Grande Dixence)重力坝，高 284m。
世界上最高的重力坝
返回
二、重力坝的特点 --优点
对地形 (topography)、地质 (Geology)
条件的适应性强。 任何形状的河谷 都可
以修建重力坝，中低坝的地应力不高，对
地质条件要求较拱坝低,甚至沙砾石地基
上也能够修建高度不大的重力坝。
枢纽泄洪 (flood-releasing)问题容易
解决。 重力坝可以做成溢流，坝内不同
高度的泄水孔，不需另设溢洪洞或泄水隧
洞。
重力坝的特点 —优点（续）
便于施工导流 (construction diversion)。
在施工期可以利用坝体导流，不需另
设导流洞 。
安全可靠。 剖面大且应力低，筑坝
材料强度高、耐久性好，抵抗洪水漫
顶、渗漏、地震和战争破坏的能力都
比较强。根据统计，在各种坝型中，
重力坝的失事率是较低的。
重力坝的特点 —优点（续）
施工方便。 大体积混凝土，可采用机械化施
工，放样、立模、浇筑都比较方便，补强、维
护和扩建也比较方便。
结构作用明确。 重力坝沿坝沿坝轴线用横缝
分成若干坝段，各坝段独立工作，结构作用明
确，稳定和应力计算都比较简单。
可采用块石筑坝。 用浆砌石本身做材料筑坝，
也可在混凝土加入块石，以节省水泥。
重力坝的特点 —缺点
剖面尺寸大，材料用量多。因为稳定靠
重力。
中低型重力坝的应力较低，混凝土材料
的强度不能充分发挥。
坝体与地基的接触面大，扬压力大，对
稳定不利。
坝体体积大，温度应力严重，需采取温
控措施。
返回
三、重力坝的设计内容
剖面 (profile)设计 —— 先设后计、确定断面。
稳定 (sliding stability)分析 ——坝、基面、地基
中软弱面抗滑稳定。
应力分析 (stress analysis)——应力满足坝体与坝
基的强度要求。
构造设计 ——细部构造：坝顶、廊道、排水、
分缝等。
地基 (foundation)处理 ——地基的防渗：
排水、断层软弱带处理等。
溢流 (overfolw)重力坝和泄水孔的设计 —
—堰顶高程、孔口尺寸、体形及消能、防
护设计。
监测 (monitoring)设计 ——坝体内部和外
部的观测设计。
重力坝的设计内容 (续 )
返回
四、重力坝的建设情况
? 历史上最早的重力坝 —公元前
2900年 古埃及在尼罗河上建造的
一座高 15m,顶长 240m的挡水坝
? 19世纪以前 建造的重力坝, 基本
上都采用浆砌毛石, 19世纪后期
才逐渐采用混凝土
重力坝的建设情况 (续 1)
坝工设计理论是在筑坝实践中不断发
展起来的,
?1853年到 1890年
法国工程师提出了坝体应力分析的 材料
力学方法 和 弹性理论方法 。
?19世纪末期
认为作用于坝体的扬压力对坝体有不利
影响，便在靠近上游面的坝体内设置排水管幕
，以 消减扬压力 。
重力坝的建设情况 (续 2)
?20世纪的发展,
进入 20世纪后, 筑坝材料由浆砌毛石, 块石发
展到混凝土
1962年瑞士建成了世界上最高的 大狄克桑斯重力
坝, 坝高达 284m
从 20世纪 60年代开始, 由于土石坝建设的迅速发
展, 使重力坝在坝工建设中所占的比重有所下降 。
进入 20世纪 80年代, 碾压混凝土技术开始运用于
重力坝建设, 使重力坝所占比重又有所回升 。
重力坝的建设情况 (续 3)
? 我国的发展
从 1949～ 1985年，在已建成的坝高 30m以
上的 113座混凝土坝中，重力坝达 58座，占总
数的 51％
50年代, 新安江,古田一级
60年代, 丹江口,刘家峡、三门峡
70年代, 黄龙滩、龚嘴重力坝
80年代, 乌江渡、潘家口
90年代, 万家寨、三峡
重力坝设计规范 (Design Criteria)
1、中华人民共和国水利电力部,,混凝土重
力坝设计规范, （ SDJ21-78),1978年；
2、中华人民共和国水利电力部,,混凝土重
力坝设计规范 SDJ21-78的补充规定,,
（ 84）水电水规字第 131号,1984年；
3、中华人民共和国国家经济贸易委员会，电
力行业标准, 混凝土重力坝设计规范,
（ DL5108-1999),1999年。
本节完
18
重力坝的荷载 (Loads)
荷载组合 (Load Combination)
§ 2.2 荷载及其组合
重力坝的荷载
（挡水坝段的主要荷载）
Seismic
load
重力坝的荷载
?坝体及其上永久设备的自重
?上下游面上的静水压力
?溢流坝反弧段上的动水压力
?扬压力
?泥沙压力
?浪压力
?冰压力
?地震荷载
?温度荷载
坝体及其上永久设备的自重
(Self-weight)
? 混凝土的容重，在初设可采用
2.35～ 2.4 T/m3（ 23.5～ 24 KN/m3） 。
? 施工详图阶段应由 混凝土试验
决定。
back
水压力 --静水压力
(Hydrostatic Pressure)
按 水力学原理 计算，如图：
back
水压力 —泄水动水压力
(hydrodynamic pressure) 如图，溢流
堰 ab段,一般
有很小正或者
负水压力,bc
段 水压力也很
小，都可以忽
略不计，只计
算 反弧段 cd上
的动水压力。
根据动量方程，其压力强度为：
r
v
g
q
p ??
?
总水平力为：
? ?
12
c o sc o s ??
?
?? v
g
q
P
H
总垂直力为：
? ?
21
s i ns i n ??
?
?? v
g
q
P
V
back
扬压力 (uplift pressure)
混凝土内存在空隙，坝基岩石本身空隙率
很小，但往往存在着节理缝隙，因此，水库蓄后，
在上下游水位差的作用下，库水会经过坝体及坝
基渗向下游，不但造成水头的损失，而且还产生
渗透压力,使坝体的有效重量减少。
无防渗排水 (no relief)情况
有防渗排水情况
坝基扬压力 (foundation seepage uplift)
坝体扬压力 (internal seepage uplift)
坝基扬压力 -无防渗排水情况
库水经坝基向下渗透时，渗透水流
沿程受到阻力，造成 水头损失 。如 下图
所示，上游坝踵处的扬压力强度为 γH 1，
下游坝趾处的扬压力强度为 γH 2，由于
岩基节理裂隙很不规则，难以求出坝体
扬压力的准确分布，故通常 假定 扬压力
从坝踵到坝趾呈 直线变化 。
矩形 ABCD部分
是下游水深 H2形成
的上举力，称为 浮
托力 ；三角形 CDE
部分是由上下游水
位差形成的渗透水
流产生的上举力，
称为 渗透压力 。坝
底的扬压力则是两
者之和。
当下游无水时，
扬压力＝渗透压力 。
4.0~2.0
6.0~45.0
2
1
?
?
?
?
其中大值适用于岸坡坝段
（因绕流）。修订规范建
议只采用,
有防渗排水情况
不考虑,以直线代替
即可。
4.0~2.02 ??
1?
坝体扬压力
上游为
下游为零 （ 无
下游水头时 ）,
h?
3.015.03 ～＝?
back
泥沙压力 (sediment pressure)
淤沙的容重和内摩擦角随时间而变化，
且各层不同，准确计算泥沙压力比较困难，
只能参照经验数据，按土压力公式计算。
)
2
45(2 nonnn tghp ?? ??
back
浪压力
(hydrodynamic wave pressure)
水库水面在风吹下生成波浪，并对
坝面产生浪压力。 如图 所示：
波浪三要素
波高 2hl—从波峰到波谷的高差
波长 2Ll —从波峰到波峰的距离
波浪中心线高度 h0—波浪中心线距静水面的高度
水面波的分类
根据坝前水深与波长的关系可以分为以下三类：
深水波 —— 坝前水深大于半波长,H>Ll，波长
运动不受库底约束。
浅水波 —— 坝前水深小于半波长而大于临界水
深 H0，即 Ll>H>H0，这时波浪运动受库底影响。
破碎波 —— 坝前水深小于临界水深，
H<H0，波浪发生破碎。
]
222
h222ln [
4
2 l
0
ll
ll
hL
LLH
??
???
?
?
?
波浪要素的计算
影响波浪的因素较多，主要是 吹程 和 风速 。我
国重力坝规范规定用 官厅水库公式 计算波浪三要素，
适用于山区峡谷水库，库缘地势高峻，水库吹程 1～
13Km，风速 1～ 16m/s的情况。
2hl＝ 0.0166V1.25D0.33 —— 单位,m
2Ll＝ 10.4（ 2hl） 0.8 —— 单位,m
式中, V——计算风速, m/s
D——吹程, Km,通常为在库水面高程, 沿着
风向, 从坝到对岸的最大直线距离 。 当库面特
别狭窄时, 则不超过水面平均宽度的 5倍 。
波浪要素的计算 (续 )
对于 正常蓄水位和设计洪水 时, 采取相应
洪水期多年平均最大风速的 1.5～ 2.0倍 ；对于 校
核水位, 采用相应洪水期 多年平均最大风速 。
l
l
L
hh
2
4 2
0
?? × （与水深有关的函数）
关于风速：
波浪水压力计算
深水波 情况
如图 所示,H>Ll，分布见图，用下式
计算
22
)2( 20 lll
i
LhhLP ?????? ?? （两个三角形面积差 ）
波浪水压力计算 (续 )
浅水波 情况,如图 所示,H0<H<Ll。
坝基面的浪压力剩余强度 pl为,
则总压力为（两个三角形面积差）,
破碎波 —— 水闸适用，到时再讲。
22
)()2( 21101 HpHhhHP ll
l ?? ?
??????
l
ll L
Hhp 1hs e c2 ??
波浪水压力计算 (续 )
当坝面与水平面的交角 大于 45o时, 波
浪的性质与坝面为铅直时的情况相近；
而当交角 小于 45o时, 则应 按斜坡上的
波浪 计算 。
对于中高坝, 浪压力在全部荷载中所
占的 比重较小, 可以忽略不计 。 美国垦
务局 （ Bureau of Reclaimation ） 规定
的重力坝设计准则中就没有风浪荷载 。
back
冰压力 --静冰压力
(static ice pressure)
寒冷地区, 水库表面在冬季会结成冰
盖, 当气温回升时, 冰盖发生膨胀, 因而对
挡水建筑物表面产生压力, 称为 静冰压力 。
静冰压力值与 冰盖厚度, 长度, 气温
上升率 以及 开始升温时冰盖的温度 等有关 。
目前, 尚无合理的公式用来计算静冰压力,
一般参照 下表 采用 。
静冰压力表
比如,-25oC开始以 2.5oC/h升温时,静冰
压力 为（ 20～ 28） × 104Pa
冰压力对于 重力坝 并不重要, 而对于 低坝,
闸墩, 胸墙 等结构物, 往往成为比较重要的荷
载 。
为避免过大的冰压力, 可采用 防冰, 破冰
措施 。
冰压力 —动冰压力
冰块破碎后，受风或者流水
的作用而漂移，撞击在坝面或闸
墩上时，产生冲击压力，称为 动
冰压力 。
bbbbbd AdVKP ?
Kb——系数, 决定于流冰的抗碎强度 Rb值
Kb ＝ 4.3,Rb＝ 1MPa； Kb ＝ 3.0,Rb＝ 0.5MPa；
Kb ＝ 2.36,Rb＝ 0.3MPa
Vb——冰块流速, 一般不大于 0.6m/s；
db——冰块厚度 （ m） ；
Ab——冰块面积 （ m2）
当冰的运动方向垂直或接近垂直于铅直坝面时，
动冰压力值 Pbd（ Kn）可按下式计算：
动冰压力的计算公式
back
地震荷载 (seismic load)
在震区建坝，必须考虑地震荷载。
地震荷载主要包括：
建 筑 物 质 量 引 起 的 地 震 惯 性 力
(seismic inertia force)
地震动水压力 (hydrodynamic inertia
pressure)
动土压力 (soil dynamic pressure)
地震荷载的大小，主要决定于建筑物所在
地区的地震烈度。一般用 最大加速度 来作为地
震烈度标准，烈度指标用 地震系数 K 来表示，
K是 地面最大加速度和重力加速度的比值 。
基本烈度 ——在一定期限内一个地区
可能普遍遭遇的最大烈度
设计烈度 ——设计时用的烈度, 一般
为基本烈度 。 对于特别重要的挡水建筑
物, 失事后果严重时, 可将基本烈度提
高 1度 。
地震烈度
(earthquake intensity)
对于设计烈度 6度以下 时, 地震荷载相对较小,
设计中不考虑 。
对于 7～ 9度 时, 应进行抗震设计, 而 大于 9度
时, 应专门研究 。
地震荷载的计算
拟静力 (pseudostatic)理论 —
适于坝高 < 150m
动力 (dynamic)理论 —适于坝
高 > 150m
分析方法：
FWCKQ ZH?0
计算方法,拟静力法,改变了静力法地震
加速度上下一样的不足。
水平地震惯性力为,
式中, Q0—— 地震惯性力 ；
KH—— 水平向地震系数,为地面最
大水平加速度的统计平均值与重力加速度的
比值。 设计烈度 70时,KH＝ 0.1； 80时,KH
＝ 0.2； 90时,KH＝ 0.4
地震惯性力
CZ——结构综合影响系数, 1/4。 其用意是
弥补理论计算与客观实际之间的差距, 以适应
目前的设计传统, 主要为：理论假定不符合实
际；有些结构经考验可以承受较大值；对抗震
强度估计不足等等 。
W——产生地震惯性力的总质量 ;
F——地震惯性力系数 ；
地震惯性力 （续）
FWCKQ ZH?0
30m<=H<=70m，
F＝ 1.3
地震惯性力 （续）
F——地震惯性力系数,见表。如
沿建筑物高度 作用于质点 i 的地震惯性力为
0
1
)(
Q
W
W
P
n
i
ii
ii
i
?
?
?
?
?
i?
Wi—集中在质点 i 的重量
n —结点总数
—地震惯性力分布系数,见表
地震惯性力 （续）
一般认为垂直最大加速度是
水平方向的 2/3。
水平向和垂直向分别计算,
考虑遇合机率, 一般用 遇和
系数 来考虑, 即把竖向地震
乘以 小于 1.0的系数, 一般为
0.5。
地震惯性力 （续）
垂直地震的考虑：
地震动水压力
直立坝面 水深 y处的地震动水压力
按下式计算：
HfCKp yZHy 0??
fy,水深为 y处的地震动水压力分布系
数, 见 吴书 P.16的表 2－ 5；
0?
:水的容重
H:坝前水深
单位宽度的 总地震动水压力 P0为
200 65.0 HCKP ZH ??
作用点 在自水面算起为 0.54H处。
作用方向,垂直坝面, 方向与地震加
速度方向相反 。
地震动水压力 (续 )
倾斜 面上计算动水压力时，乘以折减系数 090/?
（ ? 为水面与迎水面的夹角）
地震动土压力
“静, ＋, 动, 土压力计算方法：
back
温 度 荷 载
(temperature)
对于 大体积混凝土 来说，由于水化
热严重，气温变化，水库蓄水后水温变
化等，温度荷载是一个重要的荷载，但
计算复杂，我们将其作为一个专题部分，
在以后进行讨论。
实际应用中对重力坝而言，用结构
和施工措施解决。
返回
见下一讲
第二讲
第二章 重力坝
?重力坝的 荷载及其组合
?重力坝的 断面设计
?重力坝的 抗滑稳定分析
?重力坝的 应力分析
?重力坝的 材料、分区、分缝及构造
?重力坝的 基础处理
?泄水重力坝
?其它型式重力坝
Chapter 2 Concrete Gravity Dams
重力坝的工作原理
重力坝的特点
重力坝的设计内容
重力坝的建设概况
§ 2.1 重力坝的特点
一、重力坝的工作原理
重力坝是用 浆砌石 (grouted
rubble)或者 混凝土 (concrete)材料 建
筑而成的挡水建筑物, 其剖面一般
做成上游面近于垂直的 三角形断面,
主要依靠 坝体的重量, 在坝体和地
基的接触面产生抗剪强度或者摩擦
力, 来抵抗水库的水平推力, 以达
到稳定的要求；同时, 也依靠坝体
的 自重产生的压应力, 来抵消由于
水压力所引起的坝体上游侧的拉应
力, 以满足坝身强度的要求 。
世界上最高的重力坝是 1962年瑞士的 大狄
克桑斯 (The Grande Dixence)重力坝，高 284m。
世界上最高的重力坝
返回
二、重力坝的特点 --优点
对地形 (topography)、地质 (Geology)
条件的适应性强。 任何形状的河谷 都可
以修建重力坝，中低坝的地应力不高，对
地质条件要求较拱坝低,甚至沙砾石地基
上也能够修建高度不大的重力坝。
枢纽泄洪 (flood-releasing)问题容易
解决。 重力坝可以做成溢流，坝内不同
高度的泄水孔，不需另设溢洪洞或泄水隧
洞。
重力坝的特点 —优点（续）
便于施工导流 (construction diversion)。
在施工期可以利用坝体导流，不需另
设导流洞 。
安全可靠。 剖面大且应力低，筑坝
材料强度高、耐久性好，抵抗洪水漫
顶、渗漏、地震和战争破坏的能力都
比较强。根据统计，在各种坝型中，
重力坝的失事率是较低的。
重力坝的特点 —优点（续）
施工方便。 大体积混凝土，可采用机械化施
工，放样、立模、浇筑都比较方便，补强、维
护和扩建也比较方便。
结构作用明确。 重力坝沿坝沿坝轴线用横缝
分成若干坝段，各坝段独立工作，结构作用明
确，稳定和应力计算都比较简单。
可采用块石筑坝。 用浆砌石本身做材料筑坝，
也可在混凝土加入块石，以节省水泥。
重力坝的特点 —缺点
剖面尺寸大，材料用量多。因为稳定靠
重力。
中低型重力坝的应力较低，混凝土材料
的强度不能充分发挥。
坝体与地基的接触面大，扬压力大，对
稳定不利。
坝体体积大，温度应力严重，需采取温
控措施。
返回
三、重力坝的设计内容
剖面 (profile)设计 —— 先设后计、确定断面。
稳定 (sliding stability)分析 ——坝、基面、地基
中软弱面抗滑稳定。
应力分析 (stress analysis)——应力满足坝体与坝
基的强度要求。
构造设计 ——细部构造：坝顶、廊道、排水、
分缝等。
地基 (foundation)处理 ——地基的防渗：
排水、断层软弱带处理等。
溢流 (overfolw)重力坝和泄水孔的设计 —
—堰顶高程、孔口尺寸、体形及消能、防
护设计。
监测 (monitoring)设计 ——坝体内部和外
部的观测设计。
重力坝的设计内容 (续 )
返回
四、重力坝的建设情况
? 历史上最早的重力坝 —公元前
2900年 古埃及在尼罗河上建造的
一座高 15m,顶长 240m的挡水坝
? 19世纪以前 建造的重力坝, 基本
上都采用浆砌毛石, 19世纪后期
才逐渐采用混凝土
重力坝的建设情况 (续 1)
坝工设计理论是在筑坝实践中不断发
展起来的,
?1853年到 1890年
法国工程师提出了坝体应力分析的 材料
力学方法 和 弹性理论方法 。
?19世纪末期
认为作用于坝体的扬压力对坝体有不利
影响，便在靠近上游面的坝体内设置排水管幕
，以 消减扬压力 。
重力坝的建设情况 (续 2)
?20世纪的发展,
进入 20世纪后, 筑坝材料由浆砌毛石, 块石发
展到混凝土
1962年瑞士建成了世界上最高的 大狄克桑斯重力
坝, 坝高达 284m
从 20世纪 60年代开始, 由于土石坝建设的迅速发
展, 使重力坝在坝工建设中所占的比重有所下降 。
进入 20世纪 80年代, 碾压混凝土技术开始运用于
重力坝建设, 使重力坝所占比重又有所回升 。
重力坝的建设情况 (续 3)
? 我国的发展
从 1949～ 1985年，在已建成的坝高 30m以
上的 113座混凝土坝中，重力坝达 58座，占总
数的 51％
50年代, 新安江,古田一级
60年代, 丹江口,刘家峡、三门峡
70年代, 黄龙滩、龚嘴重力坝
80年代, 乌江渡、潘家口
90年代, 万家寨、三峡
重力坝设计规范 (Design Criteria)
1、中华人民共和国水利电力部,,混凝土重
力坝设计规范, （ SDJ21-78),1978年；
2、中华人民共和国水利电力部,,混凝土重
力坝设计规范 SDJ21-78的补充规定,,
（ 84）水电水规字第 131号,1984年；
3、中华人民共和国国家经济贸易委员会，电
力行业标准, 混凝土重力坝设计规范,
（ DL5108-1999),1999年。
本节完
18
重力坝的荷载 (Loads)
荷载组合 (Load Combination)
§ 2.2 荷载及其组合
重力坝的荷载
（挡水坝段的主要荷载）
Seismic
load
重力坝的荷载
?坝体及其上永久设备的自重
?上下游面上的静水压力
?溢流坝反弧段上的动水压力
?扬压力
?泥沙压力
?浪压力
?冰压力
?地震荷载
?温度荷载
坝体及其上永久设备的自重
(Self-weight)
? 混凝土的容重，在初设可采用
2.35～ 2.4 T/m3（ 23.5～ 24 KN/m3） 。
? 施工详图阶段应由 混凝土试验
决定。
back
水压力 --静水压力
(Hydrostatic Pressure)
按 水力学原理 计算，如图：
back
水压力 —泄水动水压力
(hydrodynamic pressure) 如图，溢流
堰 ab段,一般
有很小正或者
负水压力,bc
段 水压力也很
小，都可以忽
略不计，只计
算 反弧段 cd上
的动水压力。
根据动量方程，其压力强度为：
r
v
g
q
p ??
?
总水平力为：
? ?
12
c o sc o s ??
?
?? v
g
q
P
H
总垂直力为：
? ?
21
s i ns i n ??
?
?? v
g
q
P
V
back
扬压力 (uplift pressure)
混凝土内存在空隙，坝基岩石本身空隙率
很小，但往往存在着节理缝隙，因此，水库蓄后，
在上下游水位差的作用下，库水会经过坝体及坝
基渗向下游，不但造成水头的损失，而且还产生
渗透压力,使坝体的有效重量减少。
无防渗排水 (no relief)情况
有防渗排水情况
坝基扬压力 (foundation seepage uplift)
坝体扬压力 (internal seepage uplift)
坝基扬压力 -无防渗排水情况
库水经坝基向下渗透时，渗透水流
沿程受到阻力，造成 水头损失 。如 下图
所示，上游坝踵处的扬压力强度为 γH 1，
下游坝趾处的扬压力强度为 γH 2，由于
岩基节理裂隙很不规则，难以求出坝体
扬压力的准确分布，故通常 假定 扬压力
从坝踵到坝趾呈 直线变化 。
矩形 ABCD部分
是下游水深 H2形成
的上举力，称为 浮
托力 ；三角形 CDE
部分是由上下游水
位差形成的渗透水
流产生的上举力，
称为 渗透压力 。坝
底的扬压力则是两
者之和。
当下游无水时，
扬压力＝渗透压力 。
4.0~2.0
6.0~45.0
2
1
?
?
?
?
其中大值适用于岸坡坝段
（因绕流）。修订规范建
议只采用,
有防渗排水情况
不考虑,以直线代替
即可。
4.0~2.02 ??
1?
坝体扬压力
上游为
下游为零 （ 无
下游水头时 ）,
h?
3.015.03 ～＝?
back
泥沙压力 (sediment pressure)
淤沙的容重和内摩擦角随时间而变化，
且各层不同，准确计算泥沙压力比较困难，
只能参照经验数据，按土压力公式计算。
)
2
45(2 nonnn tghp ?? ??
back
浪压力
(hydrodynamic wave pressure)
水库水面在风吹下生成波浪，并对
坝面产生浪压力。 如图 所示：
波浪三要素
波高 2hl—从波峰到波谷的高差
波长 2Ll —从波峰到波峰的距离
波浪中心线高度 h0—波浪中心线距静水面的高度
水面波的分类
根据坝前水深与波长的关系可以分为以下三类：
深水波 —— 坝前水深大于半波长,H>Ll，波长
运动不受库底约束。
浅水波 —— 坝前水深小于半波长而大于临界水
深 H0，即 Ll>H>H0，这时波浪运动受库底影响。
破碎波 —— 坝前水深小于临界水深，
H<H0，波浪发生破碎。
]
222
h222ln [
4
2 l
0
ll
ll
hL
LLH
??
???
?
?
?
波浪要素的计算
影响波浪的因素较多，主要是 吹程 和 风速 。我
国重力坝规范规定用 官厅水库公式 计算波浪三要素，
适用于山区峡谷水库，库缘地势高峻，水库吹程 1～
13Km，风速 1～ 16m/s的情况。
2hl＝ 0.0166V1.25D0.33 —— 单位,m
2Ll＝ 10.4（ 2hl） 0.8 —— 单位,m
式中, V——计算风速, m/s
D——吹程, Km,通常为在库水面高程, 沿着
风向, 从坝到对岸的最大直线距离 。 当库面特
别狭窄时, 则不超过水面平均宽度的 5倍 。
波浪要素的计算 (续 )
对于 正常蓄水位和设计洪水 时, 采取相应
洪水期多年平均最大风速的 1.5～ 2.0倍 ；对于 校
核水位, 采用相应洪水期 多年平均最大风速 。
l
l
L
hh
2
4 2
0
?? × （与水深有关的函数）
关于风速：
波浪水压力计算
深水波 情况
如图 所示,H>Ll，分布见图，用下式
计算
22
)2( 20 lll
i
LhhLP ?????? ?? （两个三角形面积差 ）
波浪水压力计算 (续 )
浅水波 情况,如图 所示,H0<H<Ll。
坝基面的浪压力剩余强度 pl为,
则总压力为（两个三角形面积差）,
破碎波 —— 水闸适用，到时再讲。
22
)()2( 21101 HpHhhHP ll
l ?? ?
??????
l
ll L
Hhp 1hs e c2 ??
波浪水压力计算 (续 )
当坝面与水平面的交角 大于 45o时, 波
浪的性质与坝面为铅直时的情况相近；
而当交角 小于 45o时, 则应 按斜坡上的
波浪 计算 。
对于中高坝, 浪压力在全部荷载中所
占的 比重较小, 可以忽略不计 。 美国垦
务局 （ Bureau of Reclaimation ） 规定
的重力坝设计准则中就没有风浪荷载 。
back
冰压力 --静冰压力
(static ice pressure)
寒冷地区, 水库表面在冬季会结成冰
盖, 当气温回升时, 冰盖发生膨胀, 因而对
挡水建筑物表面产生压力, 称为 静冰压力 。
静冰压力值与 冰盖厚度, 长度, 气温
上升率 以及 开始升温时冰盖的温度 等有关 。
目前, 尚无合理的公式用来计算静冰压力,
一般参照 下表 采用 。
静冰压力表
比如,-25oC开始以 2.5oC/h升温时,静冰
压力 为（ 20～ 28） × 104Pa
冰压力对于 重力坝 并不重要, 而对于 低坝,
闸墩, 胸墙 等结构物, 往往成为比较重要的荷
载 。
为避免过大的冰压力, 可采用 防冰, 破冰
措施 。
冰压力 —动冰压力
冰块破碎后，受风或者流水
的作用而漂移，撞击在坝面或闸
墩上时，产生冲击压力，称为 动
冰压力 。
bbbbbd AdVKP ?
Kb——系数, 决定于流冰的抗碎强度 Rb值
Kb ＝ 4.3,Rb＝ 1MPa； Kb ＝ 3.0,Rb＝ 0.5MPa；
Kb ＝ 2.36,Rb＝ 0.3MPa
Vb——冰块流速, 一般不大于 0.6m/s；
db——冰块厚度 （ m） ；
Ab——冰块面积 （ m2）
当冰的运动方向垂直或接近垂直于铅直坝面时，
动冰压力值 Pbd（ Kn）可按下式计算：
动冰压力的计算公式
back
地震荷载 (seismic load)
在震区建坝，必须考虑地震荷载。
地震荷载主要包括：
建 筑 物 质 量 引 起 的 地 震 惯 性 力
(seismic inertia force)
地震动水压力 (hydrodynamic inertia
pressure)
动土压力 (soil dynamic pressure)
地震荷载的大小，主要决定于建筑物所在
地区的地震烈度。一般用 最大加速度 来作为地
震烈度标准，烈度指标用 地震系数 K 来表示，
K是 地面最大加速度和重力加速度的比值 。
基本烈度 ——在一定期限内一个地区
可能普遍遭遇的最大烈度
设计烈度 ——设计时用的烈度, 一般
为基本烈度 。 对于特别重要的挡水建筑
物, 失事后果严重时, 可将基本烈度提
高 1度 。
地震烈度
(earthquake intensity)
对于设计烈度 6度以下 时, 地震荷载相对较小,
设计中不考虑 。
对于 7～ 9度 时, 应进行抗震设计, 而 大于 9度
时, 应专门研究 。
地震荷载的计算
拟静力 (pseudostatic)理论 —
适于坝高 < 150m
动力 (dynamic)理论 —适于坝
高 > 150m
分析方法：
FWCKQ ZH?0
计算方法,拟静力法,改变了静力法地震
加速度上下一样的不足。
水平地震惯性力为,
式中, Q0—— 地震惯性力 ；
KH—— 水平向地震系数,为地面最
大水平加速度的统计平均值与重力加速度的
比值。 设计烈度 70时,KH＝ 0.1； 80时,KH
＝ 0.2； 90时,KH＝ 0.4
地震惯性力
CZ——结构综合影响系数, 1/4。 其用意是
弥补理论计算与客观实际之间的差距, 以适应
目前的设计传统, 主要为：理论假定不符合实
际；有些结构经考验可以承受较大值；对抗震
强度估计不足等等 。
W——产生地震惯性力的总质量 ;
F——地震惯性力系数 ；
地震惯性力 （续）
FWCKQ ZH?0
30m<=H<=70m，
F＝ 1.3
地震惯性力 （续）
F——地震惯性力系数,见表。如
沿建筑物高度 作用于质点 i 的地震惯性力为
0
1
)(
Q
W
W
P
n
i
ii
ii
i
?
?
?
?
?
i?
Wi—集中在质点 i 的重量
n —结点总数
—地震惯性力分布系数,见表
地震惯性力 （续）
一般认为垂直最大加速度是
水平方向的 2/3。
水平向和垂直向分别计算,
考虑遇合机率, 一般用 遇和
系数 来考虑, 即把竖向地震
乘以 小于 1.0的系数, 一般为
0.5。
地震惯性力 （续）
垂直地震的考虑：
地震动水压力
直立坝面 水深 y处的地震动水压力
按下式计算：
HfCKp yZHy 0??
fy,水深为 y处的地震动水压力分布系
数, 见 吴书 P.16的表 2－ 5；
0?
:水的容重
H:坝前水深
单位宽度的 总地震动水压力 P0为
200 65.0 HCKP ZH ??
作用点 在自水面算起为 0.54H处。
作用方向,垂直坝面, 方向与地震加
速度方向相反 。
地震动水压力 (续 )
倾斜 面上计算动水压力时，乘以折减系数 090/?
（ ? 为水面与迎水面的夹角）
地震动土压力
“静, ＋, 动, 土压力计算方法：
back
温 度 荷 载
(temperature)
对于 大体积混凝土 来说，由于水化
热严重，气温变化，水库蓄水后水温变
化等，温度荷载是一个重要的荷载，但
计算复杂，我们将其作为一个专题部分，
在以后进行讨论。
实际应用中对重力坝而言，用结构
和施工措施解决。
返回
见下一讲
