教学要求：掌握重力坝的工作原理和工作特点，了解重力坝的分类；掌握作用在重力坝上荷载的种类和计算方法（特别是自重、水压力、扬压力、浪压力），掌握重力坝的荷载组合类型和方法;掌握坝体稳定及强度分析方法和控制标准；掌握非溢流重力坝剖面拟定方法；掌握溢流重力坝剖面设计、孔口拟定、消能设计方法，掌握岩石地基的处理措施；了解重力坝材料、构造和混凝土分区的依据。 第一节 概 述
虹膜定位重力坝是一种古老而又应用广泛的坝型，它因主要依靠坝体自重产生的抗滑力维持稳定而得名.通常修建在岩基上，用混凝土或浆砌石筑成。坝轴线一般为直线,垂直坝轴线方向设有永久性横缝，将坝体分为若干个独立坝段，以适应温度变化和地基不均匀沉陷，坝的横剖面基本上是上游近于铅直的三角形。如图2-1所示.
洁净度检测一、重力坝的工作原理及特点
重力坝的工作原理是在水压力及其他荷载的作用下，主要依靠坝体自身重量在滑动面上产生的抗滑力来满足稳定要求；同时也依靠坝体自重在水平截面上产生的压应力来抵消由于水压力所引起的拉应力，以满足强度要求。与其他坝型比较,其主要特点有：
⑴ 结构作用明确，设计方法简便.重力坝沿坝轴线用横缝将坝体分成若干个坝段，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。
⑵灿都 泄洪和施工导流比较容易解决。重力坝的断面大,筑坝材料抗冲刷能力强，适用于在坝顶溢流和坝身设置泄水孔。在施工期可以利用坝体或底孔导流。枢纽布置方便紧凑，一般不需要另设河岸溢洪道或泄洪隧洞。在意外的情况下，即使从坝顶少量过水，一般也不会招 致坝体失事，这是重力坝最大的优点。
⑶ 结构简单，施工方便，安全可靠。坝体放样、立模、混凝土浇筑和振捣都比较方便,有利于机械化施工.而且由于剖面尺寸大,筑坝材料强度高，耐久性好，因此抵抗水的渗透、冲刷，以及地震和战争破坏的能力都比较强,安全性较高。
⑷ 对地形、地质条件适应性强.地形条件对重力坝的影响不大，几乎任何形状的河谷均可修建重力坝。由于坝体作用于地基面上的压应力不高,所以对地质条件的要求也较低。重力坝对地基的要求虽比土石坝高，但低于拱坝及支墩坝,对于无重大缺陷、一般强度的岩基均可满足要求.
⑸ 受扬压力影响较大。坝体和坝基在某种程度上都是透水的，渗透水流将对坝体产生扬压力.由于坝体和坝基接触面较大，故受扬压力影响也大。扬压力的作用方向与坝体自重的方向相反，会抵消部分坝体的有效重量，对坝体的稳定和应力不利.
⑹ 材料强度不能充分发挥。由于重力坝的断面是根据抗滑稳定和无拉应力条件确定的，坝体内的压应力通常不大，使材料强度得不到充分发挥，这是重力坝的主要缺点。
⑺ 坝体体积大，水泥用量多,一般均需采取温控散热措施。许多工程因施工时温度控制不当而出现裂缝，有的甚至形成危害性裂缝，从而削弱坝体的整体性能。
二、重力坝的类型
⑴ 按坝的高度分类，可分为高坝、中坝、低坝三类。坝高大于70 m的为高坝；坝高在30～70 m之间的为中坝；坝高小于30 m的为低坝.坝高指的是坝体最低面（不包括局部深槽或井、洞）至坝顶路面的高度。
⑵ 按筑坝材料分类，可分为混凝土重力坝和浆砌石重力坝。一般情况下，较高的坝和重要的工程经常采用混凝土重力坝;中、低坝则可以采用浆砌石重力坝。
⑶ 按泄水条件分类，可分为溢流坝和非溢流坝。坝体内设有泄水孔的坝段和溢流坝段统称为泄水坝段。非溢流坝段也可称做挡水坝段,如图2-1所示。
⑷ 按施工方法分类，可分为浇筑式混凝土重力坝和碾压式混凝土重力坝.
⑸ 按坝体的结构形式分类，可分为实体重力坝[图2-2（a)]、宽缝重力坝[图2—2（b）]、空腹重力坝[图2—2(c）]。
三、重力坝的设计内容
⑴ 总体布置。首先选择坝址、坝轴线和坝的结构形式，然后确定坝体与两岸及交叉建筑物的连接方式，最终确定坝体在枢纽中的布置.
⑵ 剖面设计。可参照已建的类似工程，初拟剖面尺寸.
⑶ 稳定分析。验算坝体沿坝基面或沿地基深层软弱结构面的抗滑稳定安全度。
⑷ 应力分析.用材料力学法对坝体进行强度校核,使坝体、坝基应力满足要求.
⑸ 构造设计。根据施工和运行要求，确定坝体细部构造,包括廊道、排水、分缝、止水等。
⑹ 地基处理。地基的开挖、防渗（帷幕灌浆）、排水、断层、破碎带的处理等.
⑺ 溢流重力坝和泄水孔的孔口设计。堰顶高程、孔口尺寸、体型、消能防冲设计等。
⑻ 监测设计。包括坝体内部和外部的观测设计,制定大坝的运行、维护和监测条例。
第二节 非溢流重力坝的剖面设计
重力坝剖面设计的任务是在满足稳定和强度要求的条件下,求得一个施工简单、运用方便、体积最小的剖面。影响剖面设计的因素很多，主要有作用荷载、地形地质条件、运用要求、筑坝材料、施工条件等.其设计步骤一般是：首先简化荷载条件并结合工程经验，拟定出基本剖面；再根据坝的运用和安全要求，将基本剖面修改为实用剖面，并进行稳定计算和应力分析；优化剖面设计，得出满足设计原则条件下的经济剖面；最后进行构造设计和地基处理。
一、基本剖面
重力坝承受的主要荷载是静水压力、扬压力和自重，控制剖面尺寸的主要指标是稳定和强度要求。因为作用于上游面的水压力呈三角形分布,所以重力坝的基本剖面是三角形，如图2—3所示。
图中坝高H是已知的，关键是要确定最小坝底宽B以及上下游边坡系数n、m。经分析计算可知，坝体断面尺寸与坝基的好坏有着密切关系，当坝体与坝基的摩擦系数较大时，坝体断面由应力条件控制；当摩擦系数较小时，坝体断 图2-3 重力坝的基本剖面
面由稳定条件控制。根据工程经验，重力坝基本剖面的上游边坡系数常采用0～0。2,下游边坡系数常采用0.6～0。8,坝底宽约为坝高的0.7~0。9倍。
二、实用剖面
1. 坝顶宽度.由于运用和交通的需要,坝顶应有足够的宽度.坝顶宽度应根据设备布置、运行、检修、施工和交通等需要确定,并满足抗震、特大洪水时抢护等要求.无特殊要求时，常态混凝土坝坝顶最小宽度为3 m，碾压混凝土坝为5 m，一般取坝高的1／8～1／10。若有交通要求或有移动式启闭机设施时，应根据实际需要确定。
2。 坝顶超高。实用剖面必须加安全高度，坝顶应高于校核洪水位,坝顶上游防浪墙
顶的高程应高于波浪顶高程。坝顶高于水库静水位的高度按下式计算：
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（2-1）
式中 △h—-坝顶高于水库静水位的高度,m;
h1％—-累积频率为1%时的波浪高度，计算方法见本章第三节“波浪要素”，m；
hz ——波浪中心线至静水面的高度,计算方法见本章第三节“波浪要素”，m;
hc ——安全超高，m，按表2—1选用.
表2-1 安全超高hc
内蒙古财经学院学报
必须注意，在计算h1％和hz时，由于正常蓄水位和校核洪水位时采用不同的计算风速值。正常蓄水位时，采用重现期为50年的最大风速;校核洪水位时，采用多年平均最大风速。故坝顶高程或坝顶上游防浪墙顶高程应按下列两式计算,并取大值:
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Z坝顶（坝顶高程）=Z正(正常蓄水位）+△h正 (2—2）
Z坝顶（坝顶高程）=Z校(校核洪水位)+△h校 （2—3）
式中 △h正——计算的坝顶(或防浪墙顶）距正常蓄水位的高度，m;
△h校——计算的坝顶（或防浪墙顶）距校核洪水位的高度，m。
有时为了同时满足稳定和强度的要求，重力坝的上游面布置成倾斜面或折面（见图2-4)，这样可利用部分水重，以满足坝体抗滑稳定要求,同时也避免施工期下游面产生拉应力。折坡点高度应结合引水管、泄水孔的进口布置等因素确定,一般为坝前最大水头的1／2～1／3。
图2-4 重力坝常用剖面型式
三、优化设计
前面介绍的由三角形基本剖面经反复验算修改成为实用剖面的方法，是工程设计中常用的坝体经济剖面选择方法，但此方法试算工作繁重，故较难真正求得最优剖面。近些年来，大中型工程设计一般都要进行优化设计.重力坝结构优化设计要点如下：
1．设计变量
一个结构的设计方案是由若干个变量来描述的，首先规定描述坝体体形的设计参数，对于实体重力坝,一般是上、下游坝面的坡率,坝体高度，坝顶宽度，坝顶距上、下游起坡点的高度等.这些参数中的一部分是按照某些具体要求事先给定的，它们在优化设计过程中始终保持不变,称为预定参数，如坝体高度、坝顶宽度等。另一部分参数在优化过程中是可以变化的，称为设计变量,如上、下游坝面的坡率，起坡点等。
2．建立目标函数
一般取结构重量或造价作为目标函数。由于重力坝的造价主要取决于坝体混凝土的工程量，所以常取坝体体积作为目标函数,记为V（x）。
3．确定约束条件
根据重力坝设计规范的规定,对坝段的稳定和应力施加限制，同时考虑布置和施工要求，规定设计参数的上、下限,如上游坡度不为倒坡，也不易太缓等。在给定预定参数情况下，求一组设计变量｛x}=［A]T，使目标函数V（x）趋于最小。
4．选择求解方法
目标函数和约束条件都是设计参数的非线性函数，因此重力坝的优化设计是一个非线性规划问题，具体计算方法可参考有关书籍。
第三节 重力坝的荷载及其组合
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、浪压力或冰压力、泥沙压力以及地震荷载等。
一、荷载计算
荷载计算包括确定荷载的大小、方向、作用点。一般按单位坝长进行分析，对溢流坝段则通常取一个坝段进行计算。
（一）自重（包括永久设备重）
坝体自重是维持大坝稳定的主要荷载,其大小可根据坝的体积和材料重度计算确定。 G=cV （2-4）
式中 G——坝体自重,kN；
V—-坝的体积，m3；
c——筑坝材料的重度，kN／m3。
筑坝材料重度选用的是否合适，直接影响坝的安全和经济，对此必须慎重.在初步设计阶段可根据材料种类按表2-2选取，施工图设计阶段应通过现场实验确定。
表2—2 筑坝材料的重度
（二)水压力
1. 挡水坝段的静水压力
静水压力可按水力学的原理计算.坝面上任意一点的静水压强为p=0y，其中0为水的重度,y为该点距水面深度。当坝面倾斜或为折面时，为了计算方便，常将作用在坝面上的水压力分为水平水压力和垂直水压力分别计算（见图2—5）.
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