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同学们好

本节课我们学习重力坝的荷载及其组合

要进行一座重力坝的设计

必须事先查明坝体结构承受的荷载

在此基础上才能进行坝体稳定、应力和强度的计算

才能进行坝体结构、构造和坝基处理等方面的设计

那么

重力坝承受的荷载都有哪些呢

除了前面提到的三个主要荷载

自重、静水压力、扬压力外

还有动水压力、泥沙压力、浪压力

冰压力、温度应力等

下面分别讨论

1、自重

包括坝体和永久设备的自重

材料比如混凝土的容重可根据规范选定

或采用试验测定

2、静水压力

就是水深为H时

坝体单位宽度上的水平向静水压力

比较简单

对于上游面倾斜的情况

除水平向静水压力外

还需要计算垂直分力

以考虑对坝体有效重力的影响

3、扬压力

扬压力是一个相对复杂的荷载

早期的多座重力坝设计时

由于没有认识到扬压力的不利作用

导致坝体失事

此后人们逐渐认识到扬压力的存在

由于坝基岩体中存在节理裂隙等

在上下游水头差的作用下将在坝基内产生渗流

则坝体底面将承受向上的渗透压力

另外坝体下游水深也会对坝体产生向上的浮拖力

所以

扬压力包括这两部分

也就是下游水深产生的浮拖力

以及由于上下游水头差引起的坝基渗流

而产生的向上的渗透压力

二者的分布如图所示

下游水位H2产生的浮拖力为一个矩形

而渗透压力的分布与地质条件相关

当假定坝基条件均一、渗透水压力线性降低时

渗透压力为三角形分布

上游侧为上下游水头差H

下游侧为0

而两部分的总和即为图示的梯形分布

可以看出

这个梯形的面积即为坝体单位长度上承受的扬压力

这个扬压力将大幅抵消坝体自重W

使得坝体底面的有效摩擦力降低

对坝体稳定带来不利

因此

实际工程中

多在坝体上游部位的坝基设置帷幕灌浆

起到延长坝基渗径、降低坝基底部渗透压力的作用

并在帷幕之后设置排水孔幕

避免坝基积累较大的渗透压力

通过帷幕灌浆以及排水孔幕这种“上挡下排”的设计

达到降低渗透压力

进而降低总的扬压力的效果

这种降低扬压力的效果

体现在排水孔幕中心线对应的部位

扬压力存在明显的折减

并对应一个扬压力折减系数α

也就是因排水孔幕的存在引起折减后

剩余的扬压力与不折减的线性分布值之比

如图所示

结合观测资料统计

重力坝设计规范中规定

设置排水孔幕后

河床坝段的扬压力折减系数α可取为0.2~0.25

岸坡坝段扬压力折减系数取为0.3~0.35

下面是三个实际工程所测得扬压力与设计值的对比情况

可以看出

对于丰满电站重力坝

河床坝段扬压力总体小于岸坡坝段

而设计值介于二者之间

设计值的选用基本反映了扬压力的折减效应

对于刘家峡重力坝

在所测坝段的各个部位

实测值均小于设计值

表明设计选用值具有较大的安全裕度

对坝体安全是有利的

对于西津重力坝

可以看出

在接近坝踵和坝趾处

扬压力实测值和设计值接近

而在坝体中部

实测值明显小于设计值

表明设计值的选用也具有一定的安全裕度

从3个实例也可以看出

扬压力的实际分布状态是较为复杂的

因此在设计时

必须考虑扬压力引起的不利工况

预留一定的安全裕度

同时在施工建设时必须保证帷幕灌浆

和排水管幕的施工质量

如此才能保证大坝安全

第4种荷载是动水压力

也就是坝体过流时对于溢流面

或者泄洪孔洞产生的动水压力

根据水力学公式计算

第5种荷载是土压力和泥沙压力

土压力指建筑物受到背后填土产生的压力

按照土压力公式计算

而泥沙压力的大小由淤砂高程确定

与泥沙组成及其沉积过程有关

也可按土压力公式计算

第6种荷载是浪压力

浪压力的计算需要考虑波浪的三要素

波高、波长

以及波浪引起的静水位壅高

这些要素可以通过经验公式计算

总体来说

由于一般情况下

波浪压力相对静水压力来说要小得多

所以对于高坝可以忽略不计

对于低坝需要考虑

第7种荷载是冰压力

包括由于库水表面结冰、冰层膨胀所产生的静冰压力

以及由于冰块融化及流动所产生的动冰压力

二者均可根据当地条件

结合相关表格查询冰层厚度

以及按照经验公式进行计算

同样

对于高坝

冰压力荷载也可以忽略

对于低水头的结构则需要考虑

另外

工程上大多采用一些防冰、破冰措施

来降低冰压力的影响

比如在坝体附近水域设置加热电阻丝

或通气泡以及流水

保证近坝部位水体的结冰相对库水结冰存在滞后

也就是大范围的库水先结冰释放膨胀压力

而后只有近坝部位小范围的水体结冰

带来的微弱膨胀力作用于坝体

使得坝体受冰压力的影响降低

另一种荷载是地震荷载

包括由于地震作用引起的地震惯性力

以及地震动水压力、动土压力等

该项荷载相对复杂

实际中可根据规范采用拟静力法、动力法

或有限元法等进行计算分析

最后一种荷载是温度荷载

坝体由于受到周围水温和气温变化的影响

以及坝体混凝土水化热的产生和消散

引起坝体温度的变化

坝体随着温度变化产生膨胀或收缩

但是由于坝体会受到坝基或其他部分结构的约束

使其不能自由膨胀或收缩

从而产生温度应力

温度应力正是大体积混凝土结构开裂的主要原因

但该项荷载相对复杂

受多方面因素的影响

因此很难把握和计算清楚

所以工程上多采用一些温控或构造措施

来减轻温度应力的影响

比如在重力坝中

可以通过增加散热面、通冷却水管、设置分缝构造等措施

来降低温度应力的影响

特别是横缝的存在

使得各混凝土坝段具有温度应力的释放空间

因此

温度应力属于各坝段间的内力

在进行混凝土重力坝的整体稳定分析和应力分析时

是不需要计入温度应力的

上面介绍了重力坝可能承受的各种荷载

那么

是否在任何工况下

都需要考虑所有的这些荷载呢

显然不是

在具体设计时

需要根据实际情况

按照出现的几率

考虑不同的荷载组合

对于重力坝来说

荷载组合分为基本组合和特殊组合两大类

基本组合属于设计情况或正常情况

包括正常蓄水位、设计洪水位、冰冻三种情况

由同时出现的基本荷载组成

均需要考虑自重、静水压力、扬压力

泥沙压力、土压力等荷载

所不同的是

正常蓄水位工况下

需要考虑波浪压力

而设计洪水位工况下

一般需要泄洪

因此除考虑波浪压力外

还需要考虑泄洪引起的动水压力

而冰冻情况

必然不产生波浪

也无需考虑泄水

所以仅需额外考虑冰压力即可

对于特殊组合

属于校核情况或非常情况

由同时出现的基本荷载和一种或几种特殊荷载组成

包括校核洪水位和地震两种工况

校核洪水位工况下

考虑荷载的种类与设计洪水位相同

需额外考虑浪压力和泄洪产生的动水压力

另外

校核洪水位和设计洪水位一般对应于夏季降雨期

因此这两种工况不与冰压力进行组合

另外一种特殊组合是地震工况

仅需额外考虑浪压力或冰压力

以及地震荷载

值得一提的是

此处并不考虑校核洪水位和地震同时发生的情况

因为此种情况出现的概率较低

不作为控制工况

实际中

应根据上述几种组合的实际可能性

选择最不利的荷载组合对坝体进行计算分析

以保证坝体的稳定和应力安全

这在后续的坝体抗滑稳定分析和应力分析中

将有所体现