高職高專水工建筑物教案-重力壩和緒論

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1-1我國的水資源及水利工程建設(shè)

一、我國的水資源

1．我國水資源的分布

●我國水資源總量

m3，m3，居世界第六位。由于我國人口多，人均水資源量為m3，僅

為世界人均水資源占有量的1/4，列世界第121位，是世界上水資源貧

乏的國家。

●水資源在空間上分布不合理

我國幅員遼闊，自然條件相差懸殊。東南沿海七省區(qū)〔上海、江蘇、

福建、廣東、廣西、海南、臺(tái)灣〕年均水資源量占全國水資源量的25.2％，

雨水充分。而西北五省區(qū)年均水資源僅為全國年均水資源量的7.9％，

地區(qū)內(nèi)干旱少雨。

●水資源在時(shí)間上分布不合理

年際及年內(nèi)汛期和枯水期的水量相差很大。在汛期〔北方6~9月份為

汛期，南方為5~8月〕內(nèi)可集中全年雨量的60％~80％，而枯水季節(jié)或

枯水年雨量又很小，雨量的偏多或偏少往往造成洪澇或干旱等自然災(zāi)

害。

2．我國水資源的開發(fā)利用

水資源的開發(fā)應(yīng)首先考慮水資源的現(xiàn)狀和開發(fā)的可能性，做到統(tǒng)

籌兼顧，綜合治理、綜合經(jīng)營，為整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)的開展效勞。發(fā)電、

灌溉、航運(yùn)、供水、工業(yè)生產(chǎn)等用水部門，要制定合理方案，盡量統(tǒng)

一各方矛盾，使水資源得到最有效利用。

建國以后，我國水資源的開發(fā)利用以七大水系開發(fā)為中心取得了

舉世著目的成績。其中黃、淮、海、遼四流域水資源利用率到達(dá)40％，

2000年全國可供水量為6678億m3，與1980年相比凈增供水量1943

億m3。作為農(nóng)業(yè)的根底保證，實(shí)現(xiàn)了糧食的自給自足；為我國工業(yè)的

開展、城鎮(zhèn)人民生活水平的提高提供了水源；干旱地區(qū)植樹種草、蔬

菜果樹及畜牧業(yè)等根本用水逐漸得到保障。

二、水利工程

水利工程的概念：指對(duì)自然界的地表水和地下水進(jìn)行控制和調(diào)配，

以到達(dá)除害興利的目的而修建的工程。

水利工程按其所承當(dāng)?shù)娜蝿?wù)可分為：

1．河道整治與防洪工程

2．農(nóng)田水利工程

3．水力發(fā)電工程

4．供水和排水工程

5．航運(yùn)工程

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三、我國水利工程建設(shè)的開展

1．歷史經(jīng)驗(yàn)

幾千年來，勤勞勇敢的中國人民為興水利，除水害進(jìn)行著堅(jiān)持不

懈的努力，做出了突出的成績，并積累了珍貴的經(jīng)驗(yàn)。例如：①從春

秋時(shí)期開始，在黃河下游沿岸修建的堤防，經(jīng)歷代整修加固，已形成

1800多公里的黃河大堤，為治河防洪，堤防工程的建設(shè)與管理提供了

豐富的經(jīng)驗(yàn)；②公元前485年開始興建到公元1293年全線通航的京杭

大運(yùn)河，全長1794公里，是世界上最長的運(yùn)河，為當(dāng)時(shí)及今后的南北

交通、開展航運(yùn)等發(fā)揮了重要作用；③目前灌溉面積達(dá)1000多萬畝的

四川都江堰工程已有2250多年的歷史，仍為我國的農(nóng)業(yè)開展發(fā)揮著巨

大的效益。水利工程建設(shè)的成就是我國勞動(dòng)人民智慧的結(jié)晶，在繁榮

我國經(jīng)濟(jì)，開展祖國文化等方面都起到了很好的作用。

2．新中國的水利事業(yè)

新中國成立以來，我國的水利事業(yè)建設(shè)得到了較快的開展。十九

世紀(jì)五十年代初，開始對(duì)黃河和淮河進(jìn)行全流域的規(guī)劃和治理，根據(jù)

“統(tǒng)一規(guī)劃，蓄泄兼顧〞的原那么，修建了許多山區(qū)水庫和洼地蓄洪

工程，改變了淮河“大雨大災(zāi)，小雨小災(zāi)，無雨旱災(zāi)〞的悲慘景象；

人民治黃功績卓著，保證了黃河“伏秋大汛不決口，大河上下報(bào)安瀾〞；

1963年開始根治海河，現(xiàn)在全流域已初步形成了防洪除澇體系；到1991

年全國整修、新建各類江河堤防、海塘22萬Kmm3，其中，大型水庫

367座，庫容3400億m3；水閘2.9萬多座，其中，大型水閘320座；

建設(shè)蓄洪、滯洪區(qū)100多處，總面積約3萬Km2；水電裝機(jī)由1949

年的16萬KW增加到3788.35萬KW；灌溉面積由1949年的2.4億畝

增加到7.3億畝，其中50萬畝以上灌區(qū)73處；此外還完成了引灤入津、

引黃濟(jì)青、引碧入大等供水工程。這些水利工程，在歷次的洪澇災(zāi)害

中尤其是1991年及1998年的特大洪水災(zāi)害中發(fā)揮了重要作用，大大

減輕了災(zāi)害程度。但1991年及1998年洪澇災(zāi)害的教訓(xùn)，說明了新中

國成立以來大江大河的防洪問題還未徹底根治。因此，要進(jìn)一步加強(qiáng)

對(duì)大江大河的治理，從根本上解決水患。

§1-2水利樞紐和水工建筑物

一、水利樞紐

1．水利樞紐的概念

為了綜合利用水資源，到達(dá)防洪、灌溉、發(fā)電、供水、航運(yùn)等目

的，需要修建幾種不同類型的建筑物，以控制和支配水流，滿足國民

經(jīng)濟(jì)開展的需要，這些建筑物通稱為水工建筑物。

，

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2．丹江口水利樞紐

圖示講解：

丹江口水利樞紐布置圖樞紐

丹江口水利樞紐是南水北調(diào)中線渠首蓄水工程，具有防洪、灌溉、

發(fā)電、航運(yùn)、漁業(yè)等綜合效益。

二、水工建筑物的分類

1．按建筑物的用途分類

●擋水建筑物用以攔截江河，形成水庫或壅高水位。如各種壩

和閘；以及為抗御洪水或擋潮，沿江河海岸修建的堤防、海塘等。

●泄水建筑物用以渲泄在各種情況下、特別是洪水期的多余入

庫水量，以確保大壩和其他建筑物的平安。如溢流壩、溢洪道、泄洪

洞等。

●輸水建筑物為灌溉、發(fā)電、和供水的需要從上游向下游輸水

用的建筑物，如輸水洞、引水管、渠道、渡槽等。

●取水建筑物是輸水建筑物的首部建筑，如進(jìn)水閘、揚(yáng)水站等。

●整治建筑物用以整治河道，改善河道的水流條件，如丁壩、

順壩、導(dǎo)流堤、護(hù)岸等。

●專門建筑物專門為灌溉、發(fā)電、供水、過壩需要而修建的建

筑物，如電站廠房、沉沙池、船閘、升船機(jī)、魚道、筏道等。

2．按建筑物使用時(shí)間分類

●永久性建筑物這種建筑物在運(yùn)用期長期使用，根據(jù)其在整體

工程中的重要性又分為主要建筑物和次要建筑物。主要建筑物是指該

建筑物失事后將造成下游災(zāi)害或嚴(yán)重影響工程效益，如閘、壩、泄水

建筑物、輸水建筑物及水電站廠房等；次要建筑物是指失事后不致造

成下游災(zāi)害和對(duì)工程效益影響不大且易于檢修的建筑物，如擋土墻、

導(dǎo)流墻、工作橋及護(hù)岸等。

●臨時(shí)性建筑物這種建筑物僅在工程施工期間使用，如圍堰、

導(dǎo)流建筑物等。

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有些水工建筑物在樞紐中的作用并不是單一的，如溢流壩既能擋

水，又能泄水；水閘既可擋水，又能泄水，還可作取水之用。

三、水工建筑物的特點(diǎn)

1．工程量大、投資多、工期較長

2．工作條件復(fù)雜

由于水的作用形成了水工建筑物特殊的工作條件：擋水建筑物蓄

水以后，除承受一般的地震力和風(fēng)壓力等水平推力外，還承受很大的

水壓力、浪壓力、冰壓力、地震動(dòng)水壓力等水平推力，對(duì)建筑物的穩(wěn)

定性影響極大；通過水工建筑物和地基的滲流，對(duì)建筑物和地基產(chǎn)生

滲透壓力，還可能產(chǎn)生浸蝕和滲透破壞；當(dāng)水流通過水工建筑物下泄

時(shí)，高速水流可能引起建筑物的空蝕、振動(dòng)以及對(duì)下游河床和兩岸的

沖刷；對(duì)于特定的地質(zhì)條件，水庫蓄水后可能誘發(fā)地震，進(jìn)一步惡化

建筑物的工作條件。

水工建筑物的地基是多種多樣的。在巖基中經(jīng)常遇到節(jié)理、裂隙、

斷層、破碎帶及軟弱夾層等地質(zhì)構(gòu)造；在土基中，可能遇到粉細(xì)沙、

淤泥等構(gòu)成的復(fù)雜土基。為此，在設(shè)計(jì)以前必須進(jìn)行周密的勘測(cè)，作

出正確的判斷，為建筑物的選型和地基處理提供可靠的依據(jù)。

3．施工條件復(fù)雜

水工建筑物的興建，需要解決好施工導(dǎo)流問題，要求在施工期間，

保證建筑物平安的前提下，河水應(yīng)能順利下泄，必要的通航、過木要

求應(yīng)能滿足，這是水利工程設(shè)計(jì)和施工中的一個(gè)重要課題；其次，工

程進(jìn)度緊迫，工期也比擬長，截流、渡汛需要搶時(shí)間、爭(zhēng)進(jìn)度，否那

么將導(dǎo)致拖延工期；第三，施工技術(shù)復(fù)雜，水工建筑物的施工受氣候

影響較大，如：大體積混凝土的溫度控制和復(fù)雜的地基較難以處理，

填土工程要求一定的含水量和一定的壓實(shí)度，雨季施工有很大的困難；

第四，地下、水下工程多，排水施工難度比擬大；第五，交通運(yùn)輸比

擬困難，高山峽谷地區(qū)更為突出等。

4．對(duì)國民經(jīng)濟(jì)的影響巨大

水利樞紐工程和單項(xiàng)的水工建筑物可以承當(dāng)防洪、灌溉、發(fā)電、

航運(yùn)等任務(wù)，同時(shí)又可以綠化環(huán)境，改進(jìn)土壤植被，開展旅游，甚至

建成優(yōu)美的城市等，但是，如果處理不當(dāng)也可能產(chǎn)生消極的影響。如：

水庫蓄水越多，那么效益越高，淹沒損失也越大，不僅導(dǎo)致大量移民

和遷建，還可能引起庫區(qū)周圍地下水位的變化，直接影響到工農(nóng)業(yè)生

產(chǎn)，甚至影響生態(tài)環(huán)境；庫尾的泥沙淤積，可能會(huì)使航道惡化。堤壩

等擋水建筑物萬一失事或決口，將會(huì)給下游人民的生命財(cái)產(chǎn)和國家建

設(shè)帶來災(zāi)難性的損失。1975年8月我國河南省遭遇特大洪水，加之板

橋、石漫灘兩座水庫垮壩，使下游1100萬畝農(nóng)田受淹，京廣鐵路中斷，

死亡達(dá)9萬人。

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四、水利水電工程的分等和水工建筑物的分級(jí)

為了貫徹執(zhí)行國家的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)政策，到達(dá)既平安又經(jīng)濟(jì)的目的，

應(yīng)把水利水電樞紐工程按其規(guī)模、效益及其在國民經(jīng)濟(jì)中的重要性分

等，再將樞紐中的不同建筑物按其所屬工程的等別和重要性分級(jí)。級(jí)

別高的建筑物，對(duì)設(shè)計(jì)及施工的要求也高，級(jí)別低的建筑物那么可以

適當(dāng)降低。

水利水電樞紐工程和單項(xiàng)用途的永久性水工建筑物的等別根據(jù)

SL252-2000?水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)?規(guī)定確定。綜合利用

的水利水電樞紐工程，當(dāng)按其各項(xiàng)用途分別確定的等別不同時(shí)，應(yīng)按

其中的最高等別確定整個(gè)工程的等別；多用途的水工建筑物，應(yīng)根據(jù)

其各用途相應(yīng)的等別中最高者和其本身的重要性確定級(jí)別。

失事后損失巨大或影響十分嚴(yán)重的水利水電樞紐工程，經(jīng)論證并

報(bào)主管部門批準(zhǔn)，其2～4級(jí)主要建筑物可提高一級(jí)設(shè)計(jì)，并可按提高

后的級(jí)別確定洪水標(biāo)準(zhǔn)；失事后造成損失不大的水利水電樞紐工程，

經(jīng)論證并報(bào)主管部門批準(zhǔn)，其1～4級(jí)主要水工建筑物可降低一級(jí)設(shè)計(jì)，

并可按降低后的級(jí)別確定洪水標(biāo)準(zhǔn)。水利水電樞紐工程擋水建筑物高

度超過表1-3數(shù)值者，2、3級(jí)建筑物可提高一級(jí)設(shè)計(jì)，但洪水標(biāo)準(zhǔn)不

予提高。

當(dāng)水工建筑物根底的工程地質(zhì)條件復(fù)雜或?qū)嵺`經(jīng)驗(yàn)較少的新型結(jié)

構(gòu)時(shí)，2～5級(jí)建筑物可提高一級(jí)設(shè)計(jì)，但洪水標(biāo)準(zhǔn)不予提高。

五、水利水電工程永久性水工建筑物洪水標(biāo)準(zhǔn)

設(shè)計(jì)永久性建筑物所采用的洪水標(biāo)準(zhǔn)分為正常運(yùn)用〔設(shè)計(jì)情況〕

和非常運(yùn)用〔校核情況〕兩種情況。應(yīng)根據(jù)工程規(guī)模、重要性和根本

資料等情況，按山區(qū)、丘陵區(qū)，平原、濱海區(qū)分別確定。

在山區(qū)、丘陵區(qū)，土石壩一旦失事后對(duì)下游造成特別重大災(zāi)害時(shí)，1

級(jí)建筑物的校核洪水標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)取可能最大洪水〔PME〕或10000年一遇

洪水。2～4級(jí)建筑物可提高一級(jí)設(shè)計(jì)，并按提高后的級(jí)別確定洪水標(biāo)

準(zhǔn)。對(duì)混凝土壩、漿砌石壩，如果洪水漫頂將造成嚴(yán)重的損失時(shí)，1

級(jí)建筑物的校核洪水標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過專門論證并報(bào)主管部門批準(zhǔn)，可取可能

最大洪水〔PME〕或10000年一遇洪水。

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§1-3水利工程管理

一、加強(qiáng)水利工程管理的重要性

近年來，隨著水利工作改革的不斷深化，水利管理體制不斷完善，

對(duì)水利工程管理的認(rèn)識(shí)不斷提高。但是，由于過去重建設(shè)輕管理，致使

管理工作存在諸多問題，如工程老化、失修；人為和生物破壞現(xiàn)象；工

程配套缺乏，設(shè)備利用率低；管理技術(shù)落后，水平不高；有些工程興利

標(biāo)準(zhǔn)偏低；跑、冒、滴、漏等水量浪費(fèi)、能源消耗較大；用水管理制度

不嚴(yán)格等現(xiàn)象。特別是水利工程受外界影響因素多、受力復(fù)雜，人們對(duì)

自然規(guī)律認(rèn)識(shí)水平有限，水利工程失事危害隨社會(huì)開展不斷加大。因此，

工程管理的好壞，不僅直接影響經(jīng)濟(jì)效益的上下，而且關(guān)系到工農(nóng)業(yè)生

產(chǎn)和人民生命財(cái)產(chǎn)平安。

二、根本任務(wù)

1．在保證工程平安和完整的前提不，充分發(fā)揮工程效益；

2．驗(yàn)證工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)的正確性，通過分析、研究，提高水利工程

的科技含量；

3．充分開發(fā)、合理利用水資源，實(shí)行科學(xué)用水；

4．不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，提高管理水平，為工程擴(kuò)建、改建提供資料和數(shù)

據(jù)。

三、工作內(nèi)容

1．組織管理

2．用水管理

3．經(jīng)營管理

4．工程管理

四、工程管理內(nèi)容

1．控制運(yùn)用

根據(jù)水文氣象資料、用水要求及國家的方針政策，制定合理的控制運(yùn)用

方案，通過合理的調(diào)度，最大限度發(fā)揮工程作用，確保工程及防護(hù)區(qū)的

平安。

2．檢查和觀測(cè)

為了及時(shí)掌握水工建筑物的變化規(guī)律和性質(zhì)，預(yù)見可能的變化，改善和

提高工程的運(yùn)用條件、驗(yàn)證設(shè)計(jì)情況，積累資料、不斷提高科學(xué)技術(shù)管

理水平，應(yīng)對(duì)建筑物進(jìn)行經(jīng)常的、系統(tǒng)的、全面的檢查和觀測(cè)工作。

3．養(yǎng)護(hù)和維修

水工建筑物在勘測(cè)、規(guī)劃、設(shè)計(jì)和施工過程中，因各種原因和客觀條件

限制，往往存在不同程度缺陷。在長期使用過程中，由于自然條件變化

和管理運(yùn)用不當(dāng)，將會(huì)使工程發(fā)生意外的變化。因此，要對(duì)工程進(jìn)行長

期監(jiān)護(hù)，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)維修，消除隱患，確保工程完好、平安運(yùn)行。

4．改建和擴(kuò)建

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當(dāng)原有工程不能滿足新技術(shù)、新設(shè)備和現(xiàn)代化管理水平要求，在運(yùn)用中

建筑物存在嚴(yán)重缺陷而一般修理成效不大，或需要擴(kuò)大效勞對(duì)象和受效

范圍時(shí)，應(yīng)對(duì)建筑物進(jìn)行改建和擴(kuò)建。

5．防汛搶險(xiǎn)

防汛搶險(xiǎn)工作中，應(yīng)立足于大洪水，建立防汛機(jī)構(gòu)，組織好隊(duì)伍，做好

預(yù)報(bào)，做好防汛搶險(xiǎn)的各項(xiàng)準(zhǔn)備。以防為主、有備無患，確保平安。

§1-4本課程的內(nèi)容和學(xué)習(xí)方法

一、本課程的內(nèi)容

本課程是水利水電類專業(yè)的一門主要專業(yè)課。其內(nèi)容主要講述“三大件〞

即擋水建筑物、泄水建筑物、用水建筑物的根本的、通用的規(guī)律，以及

各種水工建筑物的功用、性能、特點(diǎn)、工作條件、形式、構(gòu)造、材料、

地基處理和設(shè)計(jì)計(jì)算的理論和方法，培養(yǎng)學(xué)生從水文、地質(zhì)、地形、建

材以及社會(huì)開展?fàn)顩r等實(shí)際情況出發(fā)，分析和解決水工建筑物的總體布

置、設(shè)計(jì)計(jì)算和工程管理的能力。

二、本課程的學(xué)習(xí)方法

〔1〕學(xué)習(xí)的過程應(yīng)該是不斷復(fù)習(xí)穩(wěn)固并適當(dāng)開拓已學(xué)過的根本理論、根

底知識(shí)和根本技能，以提高理論分析和解決實(shí)際問題能力的過程。

〔2〕理論與實(shí)際相結(jié)合

〔3〕做好課程設(shè)計(jì)及習(xí)題作業(yè)。

〔4〕積極閱讀參考書籍、文獻(xiàn)和資料，開拓知識(shí)面。

第二章重力壩

§2-1概述

一、重力壩的特點(diǎn)

1.優(yōu)點(diǎn)：

●工作平安，運(yùn)行可靠。重力壩剖面尺寸大，壩內(nèi)應(yīng)力較小，筑壩

材料強(qiáng)度較高，耐久性好。因此，抵抗洪水漫頂、滲漏、侵蝕、地震和

戰(zhàn)爭(zhēng)等破壞的能力都比擬強(qiáng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在各種壩型中，重力壩失事率相

對(duì)較低。

●對(duì)地形、地質(zhì)條件適應(yīng)性強(qiáng)。任何形狀的河谷都可以修建重力壩。

對(duì)地質(zhì)條件要求相對(duì)較低，一般修建在巖基上，當(dāng)壩高不大時(shí)，也可修

建在土基上。

●泄洪方便，導(dǎo)流容易。可采用壩頂溢流，也可在壩內(nèi)設(shè)泄水孔，

不需設(shè)置溢洪道和泄水隧洞，樞紐布置緊湊。在施工期可以利用壩體導(dǎo)

流，不需另設(shè)導(dǎo)流隧洞。

●施工方便，維護(hù)簡(jiǎn)單。大體積混凝土，可以采用機(jī)械化施工，在

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放樣、立模和混凝土澆筑等環(huán)節(jié)都比擬方便。在后期維護(hù)，擴(kuò)建，補(bǔ)強(qiáng)，

修復(fù)等方面也比擬簡(jiǎn)單。

●受力明確，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。重力壩沿壩軸線用橫縫分成假設(shè)干壩段，

各壩段獨(dú)立工作，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，受力明確，穩(wěn)定和應(yīng)力計(jì)算都比擬簡(jiǎn)單。

2.缺點(diǎn)：

●壩體剖面尺寸大，材料用量多，材料的強(qiáng)度不能得到充分發(fā)揮。

●壩體與壩基接觸面積大，壩底揚(yáng)壓力大，對(duì)壩體穩(wěn)定不利。

●壩體體積大，混凝土在凝結(jié)過程中產(chǎn)生大量水化熱和硬化收縮，

將引起不利的溫度應(yīng)力和收縮應(yīng)力。因此，在澆筑混凝土?xí)r，需要有較

嚴(yán)格的溫度控制措施。

二．重力壩的分類

●按壩的高度分類。壩上下于30m的為低壩，高于70m的為高壩，

介于30m~70m之間的為中壩。壩高是指壩基最低面〔不含局部有深槽或

井、洞部位〕至壩頂路面的高度。

●按泄水條件分類。有溢流重力壩和非溢流重力壩。溢流壩段和壩

內(nèi)設(shè)有泄水孔的壩段統(tǒng)稱為泄水壩段，非溢流壩段也叫擋水壩段。

●按筑壩材料分類。有混凝土重力壩和漿砌石重力壩。

●按壩體結(jié)構(gòu)型式分類。實(shí)體重力壩；寬縫重力壩；空腹〔腹孔〕

重力壩；預(yù)應(yīng)力錨固重力壩；裝配式重力壩；支墩壩〔大頭壩、連拱壩、

平板壩〕。

●按施工方法分類。有澆筑混凝土重力壩和碾壓混凝土重力壩。碾

壓混凝土重力壩剖面與實(shí)體重力壩剖面類似。

§2-2非溢流壩的剖面設(shè)計(jì)

一．剖面設(shè)計(jì)的根本原那么

●滿足穩(wěn)定和強(qiáng)度要求，保證大壩平安；

●工程量小，造價(jià)低；

●結(jié)構(gòu)合理，運(yùn)用方便；

●利于施工，方便維修。

●擬定根本剖面；

●根據(jù)運(yùn)用以及其它要求，將根本剖面修改成實(shí)用剖面；

教學(xué)內(nèi)容板書或旁注

●對(duì)實(shí)用剖面進(jìn)行應(yīng)力分析和穩(wěn)定驗(yàn)算，

●按標(biāo)準(zhǔn)要求，經(jīng)過幾次反復(fù)修正和計(jì)算后，得到合理的設(shè)計(jì)剖面。

二．重力壩的根本剖面

圖示講解：

重力壩的根本剖面

重力壩的根本剖面：重力壩承受的主要荷載是靜水壓力，控制剖面

尺寸的主要指標(biāo)是穩(wěn)定和強(qiáng)度要求。作用于上游面的水平水壓力呈三角

形分布，而且三角形剖面外形簡(jiǎn)單，底面和根底接觸面積大，穩(wěn)定性好，

重力壩的根本剖面是上游近于垂直的三角形。

理論分析和工程實(shí)踐證明，混凝土重力壩上游面可做成折坡，折坡

點(diǎn)一般位于1/3~2/3壩高處，以便利用上游壩面水重增加壩體的穩(wěn)定性；

上游壩坡系數(shù)常采用n=0~0.2，下游壩坡系數(shù)常采用m=0.6~0.8，壩底寬

約為B=〔0.7~0.9〕H〔H為壩高或最大擋水深度〕，根本剖面的擬定，

采用工程類比法，確定具體尺寸，簡(jiǎn)便合理，成功率高。

三．非溢流重力壩的實(shí)用剖面

根本剖面擬定后，要進(jìn)一步根據(jù)作用在壩體上的全部荷載以及運(yùn)用

條件，考慮壩頂交通、設(shè)備和防浪墻布置、施工和檢修等綜合需要，把

根本剖面修改成實(shí)用剖面。

為了滿足運(yùn)用、施工和交通的需要，壩頂必須有一定的寬度。當(dāng)有

交通要求時(shí)，應(yīng)按交通要求布置。一般情況壩頂寬度可采用壩高的

8~10%，且不小于3m。碾壓混凝土壩壩頂寬不小于5m；當(dāng)壩頂布置移

動(dòng)式啟閉機(jī)時(shí)，壩頂寬度要滿足安裝門機(jī)軌道的要求。

教學(xué)內(nèi)容板書或旁注

為了交通和運(yùn)用管理的平安，非溢流重力壩的壩頂應(yīng)高于校核洪水

位，壩頂上游的防浪墻頂?shù)母叱虘?yīng)高于波浪高程，其與正常蓄水位或校

核洪水位的高差△h：

△h=h1%+hz+hc

式中△h——防浪墻頂至正常蓄水位或校核洪水位的高差。〔m〕；

h1%——超值累積頻率為1%時(shí)波浪高度〔m〕；

hz——波浪中心線高出正常蓄水位或校核洪水位的高度〔m〕；

hc——平安超高〔m〕。

圖示講解：波浪的幾何要素〔波高h(yuǎn)l為波峰到波谷的高度；波長L

為波峰到波峰的距離；波浪中心線高出靜水面一定高度hz?！?/p>

波浪幾何要素及風(fēng)區(qū)長度

〔a〕波浪要素；〔b〕、〔c〕風(fēng)區(qū)長度

官廳水庫公式〔適用于峽谷水庫〕

gh1gD1

l

0.0076V12()3

V20V2

00〔m〕

gL1gD1

0.331V2.15()3.75

V20V2

00〔m〕

式中V0—計(jì)算風(fēng)速〔m〕，是指水面以上10m處10min的多年風(fēng)

速平均值，水庫為正常蓄水位和設(shè)計(jì)洪水位時(shí)，宜采用相應(yīng)洪水期多年

平均最大風(fēng)速的1.5~2.0倍，校核洪水位時(shí)，宜采用相應(yīng)洪水期最大風(fēng)速

的多年平均值；

D—風(fēng)區(qū)長度(有效吹程)〔m〕，是指風(fēng)作用于水域的長度，為自壩前

沿風(fēng)向到對(duì)岸的距離；當(dāng)風(fēng)區(qū)長度內(nèi)水面由局部縮窄，且縮窄處的寬度

B小于12倍計(jì)算波長時(shí)，用風(fēng)區(qū)長度D=5B〔也不小于壩前到縮窄處的

教學(xué)內(nèi)容板書或旁注

距離〕；水域不規(guī)那么時(shí)，按標(biāo)準(zhǔn)要求計(jì)算。

h22H

hlcth

zLL

式中H——壩前水深，〔m〕。

壩頂高程或壩頂上游防浪墻墻頂高程按下式計(jì)算，并選用較大值：

壩頂或防浪墻頂高程=設(shè)計(jì)洪水位+△h設(shè)

壩頂或防浪墻頂高程=設(shè)計(jì)洪水位+△h校

當(dāng)壩頂設(shè)防浪墻時(shí)，壩頂高程不得低于相應(yīng)的靜水位，防浪墻頂高

程不得低于波浪頂高程。

●壩頂結(jié)構(gòu)布置的原那么：平安、經(jīng)濟(jì)、合理、實(shí)用。

●壩頂結(jié)構(gòu)型式：壩頂局部伸向上游；壩頂局部伸向下游，并做成

拱橋或橋梁結(jié)構(gòu)型式；壩頂建成矩形實(shí)體結(jié)構(gòu)，必要時(shí)為移動(dòng)式閘門啟

閉機(jī)鋪設(shè)隱型軌道。

●壩頂排水：一般都排向上游。

●壩頂防浪墻：高度一般為，厚度應(yīng)能抵抗波浪及漂浮物的沖擊，

與壩體牢固地連在一起，防浪墻在壩體分縫處也留伸縮縫，縫內(nèi)設(shè)止水。

圖示講解：壩體實(shí)用剖面的上游壩面型式

非溢流壩剖面形狀

●鉛直壩面，上游壩面為鉛直面，便于施工，利于布置進(jìn)水口、閘

門和攔污設(shè)備，但是可能會(huì)使下游壩面產(chǎn)生拉應(yīng)力，此時(shí)可修改下游壩

坡系數(shù)m值；

●斜坡壩面，當(dāng)壩基條件較差時(shí)，可利用斜面上的水重，提高壩體

教學(xué)內(nèi)容板書或旁注

的穩(wěn)定性；

●折坡壩面，是最常用的實(shí)用剖面。既可利用上游壩面的水重增加

穩(wěn)定，又可利用折坡點(diǎn)以上的鉛直面布置進(jìn)水口，還可以防止空庫時(shí)下

游壩面產(chǎn)生拉應(yīng)力，折坡點(diǎn)〔1/3~2/3壩前水深〕處應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)度和穩(wěn)定演

算。

壩底一般應(yīng)按規(guī)定置于堅(jiān)硬新鮮巖基上，100m以下重力壩壩基灌漿

廊道距巖基和上游壩面應(yīng)不小于5m。

實(shí)用剖面應(yīng)該以剖面的根本參數(shù)為依據(jù)，以強(qiáng)度和穩(wěn)定為約束條件，

建立壩體工程量最小的目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定最終的設(shè)計(jì)方案

和相關(guān)尺寸。

教學(xué)內(nèi)容板書或旁注

§2-3重力壩的荷載及組合

一．重力壩的荷載

圖示講解：

重力壩的荷載主要：①自重；②靜水壓力；③動(dòng)水壓力；④淤沙壓

力；⑤浪壓力；⑥揚(yáng)壓力；⑦冰壓力；⑧地震荷載；⑨土壓力；⑩其它

荷載。

取單位壩長〔1m〕計(jì)算

壩體自重和壩面水壓力計(jì)算圖

1.自重〔包括永久設(shè)備自重〕

壩體自重W標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算公式：

W=Vc〔kN/m〕

式中：V——壩體體積〔m3〕，常將壩體斷面分解成矩形、三角形計(jì)算。

c——壩體混凝土的重度〔kN/m3〕。根據(jù)選定的配合比通過實(shí)驗(yàn)確定，

一般采用23.5~24.0kN/m3。

計(jì)算自重時(shí)，壩上永久性的固定設(shè)備，如閘門、固定式啟閉機(jī)的重

量也應(yīng)計(jì)算在內(nèi)，壩內(nèi)較大的孔洞應(yīng)該扣除。壩體自重的作用分項(xiàng)系數(shù)

為1.0。永久設(shè)備自重的作用分項(xiàng)系數(shù)，當(dāng)其作用效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)不利時(shí)采用

1.05，有利時(shí)采用0.95。

靜水壓力是作用在上下游壩面的主要荷載。分解為水平水壓力〔PH〕

和垂直水壓力〔PV〕。溢流堰前水平水壓力以〔PH1〕表示

PV=Vww〔kN/m〕

1

w

PH=2H2〔kN/m〕

教學(xué)內(nèi)容板書或旁注

1

w

PH1=2〔H2-h2〕〔kN/m〕

式中Vw——斜坡面上水體體積〔m3〕；

H——計(jì)算點(diǎn)處的作用水頭〔m〕；

h——堰頂溢流水深〔m〕；

w——水的重度〔kN/m3〕。

靜水壓力分項(xiàng)系數(shù)采用1.0。合力作用點(diǎn)在壓力圖剖面形心處。

溢流壩下游反弧段，在高速水流作用下的時(shí)均壓力和脈動(dòng)壓力叫動(dòng)

水壓力。動(dòng)水壓力的水平分力代表值Pxr和垂直分力代表值Pyr為

Pxr=qρwv〔cosφ2-cosφ1〕〔N/m〕

Pyr=qρwv〔sinφ2+sinφ1〕〔N/m〕

式中q——相應(yīng)設(shè)計(jì)狀況下反弧段上的單寬流量[m3/〔s.m〕]；

ρw——水的密度kg/m3；

v——反弧段最低點(diǎn)處的斷面平均流速〔m/s〕

φ1、φ2——分別為反弧段圓心豎線左、右的中心角，取其絕對(duì)值。

Pxr和Pyr的作用點(diǎn)可近似的認(rèn)為在反弧段長度的中點(diǎn)。反弧段上動(dòng)

水壓力〔離心力〕的作用分項(xiàng)系數(shù)采用1.1。

因溢流壩頂和壩面上的脈動(dòng)壓力對(duì)壩體穩(wěn)定和壩內(nèi)應(yīng)力影響很小，可以

不計(jì)；當(dāng)引起結(jié)構(gòu)振動(dòng)和影響結(jié)構(gòu)平安時(shí)應(yīng)計(jì)入。

概念：入庫水流挾帶的泥沙在水庫中淤積，淤積在壩前的泥沙對(duì)壩

面產(chǎn)生的壓力。

圖示講解：淤沙壓力計(jì)算

淤沙壓力計(jì)算圖

教學(xué)內(nèi)容板書或旁注

淤積的規(guī)律是從庫首至壩前，隨水深的增加而流速減小，沉積的粒

徑由粗到細(xì)，壩前淤積的是極細(xì)的泥沙，淤積泥沙的深度和內(nèi)摩擦角隨

時(shí)間在變化，一般計(jì)算年限取50~100年。

單位壩長上的水平淤沙壓力標(biāo)準(zhǔn)值Psk為

1

h2tg2(45s)

Psk=2sbs2〔kN/m〕

式中sb——淤沙的浮重度〔kN/m3〕，sb=sd-〔1-n〕w

sd——淤沙的干重度〔kN/m3〕；

w——水的重度〔kN/m3〕；

n——淤沙的孔隙率；

hs——壩前估算的泥沙淤積厚度〔m〕；

s——淤沙的內(nèi)摩擦角〔°〕。

當(dāng)上游壩面傾斜時(shí)，應(yīng)計(jì)入豎向淤沙壓力，按淤沙的浮重度計(jì)算。淤沙

壓力的作用分項(xiàng)系數(shù)采用1.2。

浪壓力概念：水庫外表波浪對(duì)建筑物產(chǎn)生的拍擊力。

浪壓力的影響因素較多，呈動(dòng)態(tài)變化，可取不利情況計(jì)算。浪壓力的作

用分項(xiàng)系數(shù)應(yīng)采用1.2。

圖示講解：

波浪壓力分布

〔a〕深水波；〔b〕淺水波；〔c〕破碎波

臨界水深Hcr的計(jì)算公式：

教學(xué)內(nèi)容板書或旁注

LL2h

Hln(1%)

cr4L2h

1%

三種波態(tài)情況的浪壓力分布不同，浪壓力計(jì)算公式如下：

L

●深水波：當(dāng)壩前水深大于半波長，即H＞2時(shí)，波浪運(yùn)動(dòng)不

受庫底的約束。

L

P(hh)

L41%Z〔kN/m〕

●淺水波：水深小于半波長而大于臨界水深Hcr，即L/2＞H＞Hcr

時(shí)，波浪運(yùn)動(dòng)受到庫底的影響。

1

PL=2[〔h1%+hZ〕〔H+PLf〕+HPLf]

2H

PLf=h1%sechL

●破碎波：水深小于臨界水深，即H＜Hcr時(shí)，波浪發(fā)生破碎。

P

0

PL=2λ〕h1%+〔0.7+λ〕H]

P0=K0h1%

揚(yáng)壓力=滲透壓力+浮托力。

滲透壓力：由上下游水位差產(chǎn)生的滲流而在壩內(nèi)或壩基面上形成的向上

的壓力。

浮托力：由下游水深淹沒壩體計(jì)算截面而產(chǎn)生向上的壓力。

●壩底面上的揚(yáng)壓力

圖示講解：巖基上壩底揚(yáng)壓力確定

教學(xué)內(nèi)容板書或旁注

1-排水孔中心線；2-主排水孔；3-副排水孔

壩底面揚(yáng)壓力分布圖

〔a〕實(shí)體重力壩；〔b〕寬縫重力壩及大頭支墩壩；〔c〕拱壩；

〔d〕空腹重力壩；〔e〕壩基設(shè)有抽排系統(tǒng)；〔f〕未設(shè)帷幕及排水孔

◆當(dāng)壩基設(shè)有防滲和排水幕時(shí)，壩底面上游〔壩踵〕處的揚(yáng)壓力作

用水頭為H1；排水孔中心線處的揚(yáng)壓力作用水頭為H2+H

〔H=H1-H2〕；下游〔壩趾〕處為H2；三者之間用直線連接。

◆當(dāng)壩基設(shè)有防滲帷幕、上游主排水孔幕、下游副排水孔及抽排系

統(tǒng)時(shí)，壩底面上游處的揚(yáng)壓力作用水頭為H1，下游壩趾處為H2，主、

副排水孔中心線處分別為1H1、2H2，其間各段用直線連接。

◆當(dāng)壩基無防滲、排水幕時(shí)，壩底面上游處的揚(yáng)壓力作用水頭為

H1，下游處為H2，其間用直線連接。

●壩體內(nèi)部揚(yáng)壓力

圖示講解：

由于壩體混凝土是透水的，在水頭差的作用下，產(chǎn)生壩體滲流，引起壩

教學(xué)內(nèi)容板書或旁注

內(nèi)揚(yáng)壓力

1-壩內(nèi)排水管；2-排水管中心線

圖2-12壩體計(jì)算截面上揚(yáng)壓力分布

〔a〕實(shí)體重力壩；〔b〕寬縫重力壩；〔c〕空腹重力壩

●揚(yáng)壓力作用分項(xiàng)系數(shù)

◆浮托力的作用分項(xiàng)系數(shù)均采用1.0；

◆滲透壓力的作用分項(xiàng)系數(shù)，對(duì)于實(shí)體重力壩采用1.2；對(duì)于寬縫

重力壩，大頭支墩壩、空腹重力壩采用1.1。

◆假設(shè)壩基下游設(shè)置抽排系統(tǒng)，主排水孔之前揚(yáng)壓力的作用分項(xiàng)系

數(shù)采用1.1，主排水孔之后的剩余揚(yáng)壓力的作用分項(xiàng)系數(shù)采用1.2。

冰壓力概念：冰對(duì)建筑物的作用力。

靜冰壓力：水庫外表結(jié)冰后，體積增加約9%，在氣溫上升時(shí)，冰蓋

加速膨脹，受到壩面和庫岸的約束，在壩面上產(chǎn)生的壓力。

動(dòng)冰壓力：冰蓋解凍，冰塊順風(fēng)順?biāo)髯矒粼趬蚊?、閘門或閘墩上的

撞擊力。

靜冰壓力的作用分項(xiàng)系數(shù)采用1.1。動(dòng)冰壓力的分項(xiàng)系數(shù)也可采用

1.1。

教學(xué)內(nèi)容板書或旁注

地震作用概念：在地震區(qū)建壩，必須考慮地震的影響。地震時(shí)，地

震力施加于結(jié)構(gòu)上的動(dòng)態(tài)作用。重力壩抗震計(jì)算應(yīng)考慮的地震作用為：

地震慣性力、地震動(dòng)水壓力和地震動(dòng)土壓力。一般情況下，進(jìn)行抗震計(jì)

算時(shí)的上游水位可采用正常蓄水位。地震對(duì)建筑物的影響程度，常用地

震烈度表示。地震烈度分為12度。烈度越大，對(duì)建筑物的破壞越大，抗

震設(shè)計(jì)要求越高。

根本烈度：水工建筑物所在地區(qū)一定時(shí)期內(nèi)〔約100年〕可能遇到

的地震最大烈度；設(shè)計(jì)烈度：抗震設(shè)計(jì)時(shí)實(shí)際采用的地震烈度。

一般情況采用根本烈度作為設(shè)計(jì)烈度；對(duì)于Ⅰ級(jí)擋水建筑物，應(yīng)根

據(jù)其重要性和遭受震害后的危險(xiǎn)性，可在根本烈度的根底上提高一度。

對(duì)于設(shè)計(jì)烈度為6度及其以下的地區(qū)不考慮地震荷載；設(shè)計(jì)烈度在7~9

度〔含7度和9度〕時(shí)，應(yīng)考慮地震荷載；設(shè)計(jì)烈度在9度以上時(shí)，應(yīng)

進(jìn)行專門研究。對(duì)設(shè)計(jì)烈度為6度以上超過200m的高壩和設(shè)計(jì)烈度7

度以上，超過150m的大〔1〕型工程，其抗震設(shè)防依據(jù)應(yīng)根據(jù)專門的地

震危險(xiǎn)性分析成果評(píng)定。校核烈度應(yīng)比設(shè)計(jì)烈度高1/2或1度，也可以

用該地區(qū)最大可能烈度進(jìn)行校核，此時(shí)允許局部破壞但不危及整體平安。

●地震慣性力

●地震動(dòng)水壓力

常見的其它荷載有：土壓力、溫度荷載、灌漿壓力、風(fēng)荷載、雪荷

載、壩頂車輛荷載、永久設(shè)備荷載等。

土壓力分主動(dòng)土壓力和被動(dòng)土壓力，根據(jù)具體情況確定。

溫度荷載是指建筑物受環(huán)境溫度變化、水泥水化熱的產(chǎn)生或散失時(shí)

受壩基和其它結(jié)構(gòu)約束而產(chǎn)生的溫度應(yīng)力。正常運(yùn)用期靠合理設(shè)置溫度

縫來消除溫度應(yīng)力；施工期的水化熱靠采用低熱水泥、采取溫控措施等

來消除溫度應(yīng)力。雖然在穩(wěn)定和應(yīng)力分析時(shí)不計(jì)入，但結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)引起

重視。

灌漿壓力應(yīng)在施工時(shí)要嚴(yán)格控制，防止因壓力太大破壞建筑物。

風(fēng)荷載、雪荷載、車輛荷載、人群荷載、永久設(shè)備荷載等。在重力

壩全部荷載中占比重很小，一般忽略不計(jì)。但這些荷載對(duì)某些局部結(jié)構(gòu)

是非常重要的。例如：溢流壩壩頂橋梁，啟閉機(jī)房，啟閉機(jī)架等，在結(jié)

構(gòu)分析計(jì)算時(shí)，必須計(jì)入這些荷載。

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§2-3重力壩的荷載及組合

二、重力壩的荷載和作用及其組合

●永久作用包括：壩體自重和永久性設(shè)備自重；淤沙壓力〔有排

沙設(shè)施時(shí)可列為可變作用〕；土壓力。

●可變作用包括：靜水壓力；揚(yáng)壓力〔包括滲透壓力和浮托力〕；

動(dòng)水壓力〔包括水流離心力，水流沖擊力，脈動(dòng)壓力等〕；浪壓力；冰壓

力〔包括靜冰壓力和動(dòng)冰壓力〕；風(fēng)雪荷載；⑦機(jī)動(dòng)荷載。

●偶然作用包括：地震作用；校核洪水位時(shí)的靜水壓力。

按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，混凝土重力壩應(yīng)考慮根本組合和偶然

組合兩種作用效應(yīng)組合。按正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，混凝土重力壩應(yīng)

考慮短期組合和長期組合兩種作用效應(yīng)組合。

在設(shè)計(jì)混凝土重力壩壩體剖面時(shí)，應(yīng)按照承載能力極限狀態(tài)計(jì)算根

本組合和偶然組合。

●荷載作用的根本組合。

●荷載作用的偶然組合

根據(jù)荷載作用的特點(diǎn)，有不同的分項(xiàng)系數(shù).

§2-4重力壩的抗滑穩(wěn)定分析及應(yīng)力分析

一．抗滑穩(wěn)定計(jì)算截面的選取

重力壩的穩(wěn)定應(yīng)根據(jù)壩基的質(zhì)條件和壩體剖面形式，選擇受力大，

抗剪強(qiáng)度較低，最容易產(chǎn)生滑動(dòng)的截面作為計(jì)算截面。重力壩抗滑穩(wěn)定

計(jì)算主要是核算壩基面及混凝土層面上的滑動(dòng)穩(wěn)定性。另外當(dāng)壩基內(nèi)有

軟弱夾層、緩傾角結(jié)構(gòu)面時(shí)，也應(yīng)核算其深層滑動(dòng)穩(wěn)定性。

二．重力壩抗滑穩(wěn)定計(jì)算

重力壩的抗滑穩(wěn)定按承載能力極限狀態(tài)計(jì)算，認(rèn)為滑動(dòng)面為膠結(jié)面，

滑動(dòng)體為剛體。此時(shí)滑動(dòng)面上的滑動(dòng)力作為效應(yīng)函數(shù)，阻滑力為抗力函

數(shù)，并認(rèn)為承載能力到達(dá)極限狀態(tài)時(shí)剛體處于極限平衡狀態(tài)。

1．抗滑穩(wěn)定極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式

根本組合極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式：

1f

S(G,Q,a)Rk,a

0GkQkkk

≤d1m

教學(xué)內(nèi)容板書或旁注

偶然組合極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式：

1f

S(G,Q,A,a)Rk,a

0GkQkkkk

≤d2m

抗滑穩(wěn)定極限狀態(tài)作用效應(yīng)函數(shù)：S(?)=ΣPR或S(?)=ΣPC

fc

抗滑穩(wěn)定極限狀態(tài)抗力函數(shù)：R〔?〕=RΣWR+RAR

fc

或R〔?〕=CΣWC+CAC

2．深層抗滑穩(wěn)定分析

當(dāng)壩基巖體內(nèi)存在著不利的軟弱夾層或緩傾角斷層時(shí)，壩體有可能

沿著壩基軟弱面產(chǎn)生深層滑動(dòng)，其計(jì)算原理與壩基面抗滑穩(wěn)定計(jì)算相同。

假設(shè)實(shí)際工中地基內(nèi)存在相互切割的多條軟弱夾層，構(gòu)成多斜面深

層滑動(dòng)，計(jì)算時(shí)選擇幾個(gè)比擬危險(xiǎn)的滑動(dòng)面進(jìn)行試算，然后做出比擬分

析判斷。

3．抗剪斷參數(shù)的選取

ff

RCcRcC的值，直接關(guān)系到工程的平安性和經(jīng)

濟(jì)性，必須合理地選用。一般情況下，應(yīng)經(jīng)試驗(yàn)測(cè)定，且每一主要工程

地質(zhì)單元的野外試驗(yàn)不得少于4組；選取這些參數(shù)值時(shí)，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的

實(shí)際情況，參照工程地質(zhì)條件類似的工程經(jīng)驗(yàn)，并考慮壩基巖體經(jīng)工程

處理后可能到達(dá)的效果，經(jīng)地質(zhì)、試驗(yàn)和設(shè)計(jì)人員共同分析研究進(jìn)行適

當(dāng)調(diào)整后確定，中型工程的中、低壩，假設(shè)無條件進(jìn)行野外試驗(yàn)，應(yīng)進(jìn)

行室內(nèi)試驗(yàn)，并參照地質(zhì)條件類似工程的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)選用，小型工程的低

壩無試驗(yàn)資料時(shí)，可參照地質(zhì)條件類似工程的試驗(yàn)成果和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)選用，

壩體混凝土與基巖接觸面抗剪斷參數(shù)的計(jì)算參考值見DL5108－1999?混

凝土重力壩設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)?。

三．提高壩體抗滑穩(wěn)定的工程措施

除了增加壩體自重外，提高壩體抗滑穩(wěn)定的工程措施，主要圍繞著

增加阻滑力、減少滑動(dòng)力的原那么，通過多方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比擬，確定最

正確方案組合。常采用以下工程措施。

當(dāng)壩底面與基巖間的抗剪強(qiáng)度參數(shù)較小時(shí)，常將上游壩面做成傾向

上游的斜面，利用壩面上的水重來提高壩體的抗滑穩(wěn)定性。但應(yīng)注意，

上游壩面的坡度不宜過緩，否那么，在上游壩面容易產(chǎn)生拉應(yīng)力，對(duì)壩

體強(qiáng)度不利。

教學(xué)內(nèi)容板書或旁注

圖示講解：

圖2-13壩基開挖輪廓

開挖壩基時(shí)，最好利用巖面的自然坡度，使壩基面傾向上游。有時(shí)，

有意將壩踵高程降低，使壩基面傾向上游，但這種做法將加大上游水壓

力，增加開挖量和混凝土澆筑量，故很少采用。當(dāng)壩基比擬鞏固時(shí)，可

以開挖成鋸齒狀，形成局部的傾向上游的斜面，這種方法已廣泛采用。

當(dāng)下游水位較高，壩體承受的浮托力較大時(shí)，可考慮在壩基面上設(shè)

置排水系統(tǒng)，定時(shí)抽水以減少壩底浮托力。如：我國的龔嘴工程，下游

水深達(dá)30m，采取抽水措施后，浮托力只按10m水深計(jì)算，節(jié)省了壩體

混凝土澆筑量。

5.加固地基：帷幕灌漿、固結(jié)灌漿以及斷層、軟弱夾層的處理等。

6.橫縫灌漿：將局部壩段或整個(gè)壩體的橫縫進(jìn)行局部或全部灌漿，

以增強(qiáng)壩的整體性和穩(wěn)定性。

在靠近壩體上游面，采用深孔錨固高強(qiáng)度鋼索，并施加預(yù)應(yīng)力，既

可增加壩體的抗滑穩(wěn)定，又可消除壩踵處的拉應(yīng)力，國外有些支墩壩，

在壩趾處采用施加預(yù)應(yīng)力的措施，改變合力R的方向，使ΣPV/ΣPH

增大，從而提高了壩體的抗滑穩(wěn)定性。

在壩基內(nèi)布置防滲排水幕、保證排水暢通，降低揚(yáng)壓力，有利于穩(wěn)

定。

教學(xué)內(nèi)容板書或旁注

如果是空腹重力壩或?qū)捒p重力壩，可在空腔內(nèi)填塊石，提高壩體穩(wěn)

定性。

四重力壩的應(yīng)力分析

〔一〕．應(yīng)力分析方法

重力壩的應(yīng)力分析方法可以歸結(jié)為理論計(jì)算和模型試驗(yàn)兩大類，模

型試驗(yàn)費(fèi)用大，歷時(shí)長，對(duì)于中小型工程，一般可只進(jìn)行理論計(jì)算。計(jì)

算機(jī)的出現(xiàn)使理論計(jì)算中的數(shù)值解析法開展很快，對(duì)于一般的平面問題，

常?？梢圆蛔鲈囼?yàn)，主要依靠理論計(jì)算解決問題。下面對(duì)目前常用的幾

種應(yīng)力分析方法做一簡(jiǎn)要介紹。

目前常用的試驗(yàn)方法有光測(cè)法、脆性材料法和電測(cè)法。光測(cè)方法有

偏光彈性試驗(yàn)和激光全息試驗(yàn)，主要解決彈性應(yīng)力分析問題。脆性材料

方法和電測(cè)方法除能進(jìn)行彈性應(yīng)力分析外，還能進(jìn)行破壞試驗(yàn)，近期開

展起來的地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)方法，可以進(jìn)行復(fù)雜地基的試驗(yàn)。此外，利

用模型試驗(yàn)還可以進(jìn)行壩體溫度場(chǎng)和動(dòng)力分析等方面的研究。模型試驗(yàn)

方法在模擬材料特性、施加自重荷載和地基滲流等方面得到廣泛應(yīng)用，

但目前仍存在一些問題，有待進(jìn)一步研究和改進(jìn)。

2.材料力學(xué)法

這是應(yīng)用最廣泛、最簡(jiǎn)便、也是重力壩設(shè)汁標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定采用的計(jì)算

方法。材料力學(xué)法不考慮地基的影響，假定水平截面上的正應(yīng)力σy按

直線分布，使計(jì)算結(jié)果在地基附近約1/3壩高范圍內(nèi)，與實(shí)際情況不符。

但這個(gè)方法有長期的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。多年的工程實(shí)踐證明，對(duì)于中等高度的

壩，應(yīng)用這一方法，并按規(guī)定的指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)，是可以保證工程平安的。

對(duì)于較高的壩，特別是在地基條件比擬復(fù)雜的情況下，還應(yīng)該同時(shí)采用

其他方法進(jìn)行應(yīng)力分析驗(yàn)證。

這種方法在力學(xué)模型和數(shù)學(xué)解法上都是嚴(yán)格的，但目前只有少數(shù)邊

界條件簡(jiǎn)單的典型結(jié)構(gòu)才有解答，所以，在工程設(shè)計(jì)中較少采用。通過

對(duì)典型構(gòu)件的計(jì)算，可以檢驗(yàn)其他方法的精確性。因此，彈性理論的解

析方法隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的開展，在大型工程設(shè)計(jì)中是一種很有價(jià)值的分

析方法。

差分法在力學(xué)模型上是嚴(yán)格的，在數(shù)學(xué)解法上采用差分格式，是近

似的。由于差分法要求方形網(wǎng)格，對(duì)復(fù)雜邊界的適應(yīng)性差，所以在應(yīng)用

上遠(yuǎn)不如有限元法普遍。

有限元法在力學(xué)模型上是近似的，在數(shù)學(xué)解法上是嚴(yán)格的，可以處

教學(xué)內(nèi)容板書或旁注

理復(fù)雜的邊界，包括：幾何形狀、材料特性和靜力條件。隨著計(jì)算機(jī)附

屬設(shè)備和軟件工程的開展，一些國內(nèi)外通用計(jì)算軟件也漸趨成熟，從而

可使設(shè)計(jì)人員從過去繁瑣的計(jì)算中解脫出來，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)工作的自動(dòng)化。

〔二〕材料力學(xué)法計(jì)算壩體應(yīng)力

材料力學(xué)法計(jì)算壩體應(yīng)力，首先在壩的橫剖面上截取假設(shè)干個(gè)控制

性水平截面進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算。一般情況應(yīng)在壩基面、折坡處、壩體削弱部

位〔如廊道、泄水管道、壩內(nèi)有孔洞的部位〕以及認(rèn)為需要計(jì)算壩體應(yīng)

力的部位截取計(jì)算截面。

對(duì)于實(shí)體重力壩，常在壩體最高處沿壩軸線取單位壩長〔1m〕作為

計(jì)算對(duì)象，選定荷載組合，確定計(jì)算截面，進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算。

1.根本假定

●假定壩體混凝土為均質(zhì)、連續(xù)、各向同性的彈性材料。

●視壩段為固接于壩基上的懸臂梁,不考慮地基變形對(duì)壩體應(yīng)力的

影響,并認(rèn)為各壩段獨(dú)立工作，橫縫不傳力。

●假定壩體水平截面上的正應(yīng)力σy按直線分布,不考慮廊道等對(duì)

壩體應(yīng)力的影響。

2.邊緣應(yīng)力的計(jì)算〔不計(jì)入揚(yáng)壓力〕

一般情況下，壩體的最大和最小應(yīng)力都出現(xiàn)在壩面,所以,在重力壩設(shè)

計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定,首先應(yīng)校核壩體邊緣應(yīng)力是否滿足強(qiáng)度要求。

圖示講解：計(jì)算圖形及應(yīng)力與荷載的方向

壩體應(yīng)力計(jì)算圖〔右上角應(yīng)力和力的箭頭方向?yàn)檎！?/p>

教學(xué)內(nèi)容板書或旁注

●水平截面上的正應(yīng)力。因?yàn)榧俣é襶按直線分布，所以可按偏心

受壓公式計(jì)算上、下游邊緣應(yīng)力σyu和σyd。

W6M

yuBB2〔kPa〕

W6M

ydBB2〔kPa〕

式中ΣＷ——作用于計(jì)算截面以上全部荷載的鉛直分力的總

和，〔kN〕；

ΣＭ——作用于計(jì)算截面以上全部荷載對(duì)截面垂直水流流向形心

軸O的力矩總和，〔kN-ｍ〕；

Ｂ——計(jì)算截面的長度，〔ｍ〕。

●剪應(yīng)力

圖示講解：

邊緣應(yīng)力計(jì)算圖

取上游壩面的微分體，根據(jù)平衡條件ΣＦy=0，那么pudx-δyudx-

τudy=0，dx/dy=n

得τu=〔pu-σyu〕n(kPa)

式中pu——上游面水壓力強(qiáng)度，kPa；

n——上游壩坡坡率，n=tgφu。

同樣，取下游壩面的微分體，根據(jù)平衡條件ΣＦy=0，可以解出

τd=〔σyu–pd〕m(kPa)

式中pd——下游面水壓力強(qiáng)度，(kPa)；

m——下游壩坡坡率，m=tgφd。

教學(xué)內(nèi)容板書或旁注

●水平正應(yīng)力

τu和τd以后,可以根據(jù)平衡條件，求得上下游邊緣的水平正應(yīng)力

σxu和σxd。

σxu=pu-τun(kPa)

σxd=pd+τdm(kPa)

●主應(yīng)力。

圖示講解：

圖2-19壩內(nèi)應(yīng)力計(jì)算微分體

由上游壩面微分體，根據(jù)平衡條件ΣＦy=0，

那么Pusin2φudx+σ1ucos2φudx-σyudx=0

dxsin2dx

Pu

1uyucos2dxucos2dx

uu

sec2Ptg2

yuuuu

(1tg2)Ptg2

uyuuu

得σ1u=〔1+n2〕σyu-pun2(kPa)

同樣，由下游壩面微分體可以解出

σ1d=〔1+m2〕σyd-pdm2(kPa)

壩面水壓力強(qiáng)度也是主應(yīng)力

σ2u=pu〔kPa〕

教學(xué)內(nèi)容板書或旁注

σ2u=pd〔kPa〕

當(dāng)上游壩面傾向上游〔坡率n＞0〕時(shí)，即使σyu≥0，只要σyu＜

Pusin2φu，那么σ1u＜0，即σ1u為拉應(yīng)力。φu愈大，主拉應(yīng)力也

愈大。因此，重力壩上游坡角φu不宜太大，巖基上的重力壩常把上游

面做成鉛直的〔n=0〕，或小坡率〔n＜0.2＝的折坡壩面。

3.內(nèi)部應(yīng)力計(jì)算〔不計(jì)入揚(yáng)壓力〕

應(yīng)用偏心受壓公式求出壩體水平截面上的σy以后，便可利用平衡

條件求出截面上內(nèi)部各點(diǎn)的應(yīng)力分量τ和σx。

當(dāng)需要考慮揚(yáng)壓力時(shí)，可將計(jì)算截面上的揚(yáng)壓力作為外荷載對(duì)待。

●求邊緣應(yīng)力

●求壩內(nèi)應(yīng)力

五．壩體和壩基的應(yīng)力控制

當(dāng)采用材料力學(xué)法計(jì)算壩體應(yīng)力時(shí)，其應(yīng)力值應(yīng)滿足DL5108－

1999?混凝土重力壩設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)?規(guī)定的強(qiáng)度指標(biāo)?；炷林亓螒?yīng)按承載

能力極限狀態(tài)驗(yàn)算壩趾和壩體選定截面下游端點(diǎn)的抗壓強(qiáng)度，按正常使

用極限狀態(tài)驗(yàn)算滿庫時(shí)的壩體上游面拉應(yīng)力和空庫時(shí)的下游面拉應(yīng)力，

對(duì)于高壩，宜采用有限元法進(jìn)行計(jì)算并用模型試驗(yàn)成果予以驗(yàn)證。

承載能力極限狀態(tài)通用表達(dá)式為

1

γ0ψS〔Fd，ak〕≤dR〔fd，ak〕

式中S〔·〕——作用效應(yīng)函數(shù)；

R〔·〕——抗力函數(shù)；

γ0——結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)；〔重要結(jié)構(gòu)1.1，一般結(jié)構(gòu)1.0，次要結(jié)構(gòu)

0.9〕

ψ——設(shè)計(jì)狀況系數(shù)〔持久狀況1.0；短暫狀況0.95；偶然狀況0.85〕

Fd——作用的設(shè)計(jì)值；〔作用標(biāo)準(zhǔn)值乘分項(xiàng)系數(shù)〕

ak——幾何參數(shù)；〔結(jié)構(gòu)構(gòu)件幾何參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值〕

fd——材料性能的設(shè)計(jì)值；

γd——結(jié)構(gòu)系數(shù)。

教學(xué)內(nèi)容板書或旁注

●壩趾抗壓強(qiáng)度極限狀態(tài)

重力壩正常運(yùn)行時(shí),下游壩址發(fā)生最大主壓應(yīng)力,故抗壓強(qiáng)度承載能

力極限狀態(tài)作用效應(yīng)函數(shù)：

WMT

(RRR)(1m2)

AJ2

S〔·〕=RR

抗壓強(qiáng)度極限狀態(tài)抗力函數(shù)

R(·)=fc或R(·)=fR

●壩體選定截面下游的抗壓強(qiáng)度承載能力極限狀態(tài)

作用效應(yīng)函數(shù)

WMT

S()(CCC)(1m2)

AJ2

CC

抗壓強(qiáng)度極限狀態(tài)抗力函數(shù)

R〔·〕=fc

式中ΣMR、ΣMC——全部法向作用分別對(duì)壩基面、計(jì)算截面形

心的力矩之和，KN·M，逆時(shí)針方向?yàn)檎?/p>

AR、AC——分別為壩基面面積、計(jì)算截面面積，m2；

TR、TC——分別為壩基面、計(jì)算截面形心軸到下游面的距離；

JR、JC——壩基面、計(jì)算截面分別對(duì)形心軸的慣性矩；

m2——壩體下游坡度；

fc——壩基面混凝土抗壓強(qiáng)度KPa；

fR——基巖抗壓強(qiáng)度KPa；

●壩踵不出現(xiàn)拉應(yīng)力，計(jì)入揚(yáng)壓力后，計(jì)算式：

WMT

S(?)RRR'0

AJ

RR

核算壩踵應(yīng)力時(shí)，應(yīng)分別考慮，短期組合和長期組合。

●壩體上游面的垂直應(yīng)力不出現(xiàn)拉應(yīng)力，計(jì)入揚(yáng)壓力后，計(jì)算公式

為：

教學(xué)內(nèi)容板書或旁注

WMT

S(?)ccc'0

AJ

cc

其中：ΣWR、ΣWc分別為壩基面，壩體截面以上法向作用之和〔方

向以向下為正〕；

ΣMR、ΣMc、分別為壩基面，壩體截面上全部作用對(duì)截面形心力

矩之和〔以逆時(shí)針為正〕；

AR、AC、JR、JC、TR’、TC’分別為壩基面和壩體截面的面積、慣

性矩、截面形心軸至上游邊緣之矩。

核算壩體上游面的垂直應(yīng)力應(yīng)采用長期組合進(jìn)行計(jì)算。正常使用極

限狀態(tài)計(jì)算中，作用效應(yīng)函數(shù)中的作用均以作用的標(biāo)準(zhǔn)值或代表值。

教學(xué)內(nèi)容板書或旁注

§2-5溢流重力壩

一．溢流壩的設(shè)計(jì)要求

溢流壩是樞紐中最重要的泄水建筑物之一，將規(guī)劃庫容所不能容納

的大局部洪水經(jīng)壩頂泄向下游，以便保證大壩平安。溢流壩應(yīng)滿足泄洪

的設(shè)計(jì)要求：

●有足夠的孔口尺寸、良好的孔口體形和泄水時(shí)具有較大的流量系

數(shù)。

●使水流平順地通過壩體，不允許產(chǎn)生不利的負(fù)壓和振動(dòng)，防止發(fā)

生空蝕現(xiàn)象。

●保證下游河床不產(chǎn)生危及壩體平安的沖坑和沖刷。

●溢流壩段在樞紐中的位置，應(yīng)使下游流態(tài)平順，不產(chǎn)生折沖水流，

不影響樞紐中其他建筑物的正常運(yùn)行。

●有靈活控制水流下泄的設(shè)備，如閘門、啟閉機(jī)等。

二．溢流壩的泄水方式

圖示講解：

1．壩頂開敞溢流式

溢流壩泄水方式〔單位：m〕

〔a〕壩頂溢流式1一350T門機(jī)；2一工作閘門

〔b〕大孔口溢流式1一175/40T門機(jī)；2一12×10m定輪閘門；3

教學(xué)內(nèi)容板書或旁注

一檢修門

〔c〕具有活動(dòng)胸墻的大孔口1-活動(dòng)胸墻；2一弧形閘門；3一檢修

門槽；4一預(yù)制混凝土塊安裝區(qū)

不設(shè)閘門時(shí)，堰頂高程等于水庫的正常蓄水位，泄水時(shí)，靠壅高庫

內(nèi)水位增加下泄量，這種情況增加了庫內(nèi)的淹沒損失和非溢流壩的壩頂

高程和壩體工程量。壩頂溢流不僅可以用于排泄洪水，還可以用于排泄

其它漂浮物。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可自動(dòng)泄洪，管理方便。適用于洪水流量較

小，淹沒損失不大的中、小型水庫。

當(dāng)堰頂設(shè)有閘門時(shí)，閘門頂高程雖高于水庫正常蓄水位，但堰頂高

程較低，可利用閘門不同開啟度調(diào)節(jié)庫內(nèi)水位和下泄流量，減少上游淹

沒損失和非溢流壩的高度及壩體的工程量。與深孔閘門比擬，堰頂閘門

承受的水頭較小，其孔口尺寸較大，由于閘門安裝在堰頂，操作、檢修

均比深孔閘門方便。當(dāng)閘門全開時(shí)，下泄流量與堰上水頭H0的3/2次方

成正比。隨著庫水位的升高，下泄流量增加較快，具有較大的超泄能力。

在大、中型水庫工程中得到廣泛的應(yīng)用。

2．孔口溢流式

在閘墩上部設(shè)置胸墻，有固定胸墻和活動(dòng)胸墻兩種，既可利用胸墻

擋水，又可減少閘門的高度和降低堰頂高程。它可以根據(jù)洪水預(yù)報(bào)提前

放水，騰出較大的防洪庫容，提高水庫的調(diào)洪能力。當(dāng)庫水位低于胸墻

下緣時(shí),下泄水流流態(tài)與堰頂開敞溢流式相同；當(dāng)庫水位高于孔口一定高

度時(shí),呈大孔口出流。胸墻多為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),常固接在閘墩上,也有做

成活動(dòng)式的。遇特大洪水時(shí)可將胸墻吊起,以加大泄洪能力，利于排放漂

浮物。

三．溢流壩的剖面設(shè)計(jì)

圖示講解：

教學(xué)內(nèi)容板書或旁注

圖2-23溢流壩剖面

1-頂部溢流段；2-直線段；3-反弧段；

4-根本剖面；5-薄壁堰；6-薄壁堰溢流水舌

溢流壩的根本剖面呈三角形。上游壩面可以做成鉛直面，也可以做

成折坡面。

溢流面組成：頂部曲線段、中間直線段和底部反弧段三局部。

設(shè)計(jì)要求：有較高的流量系數(shù)，泄流能力大；

水流平順，不產(chǎn)生不利的負(fù)壓和空蝕破壞；

形體簡(jiǎn)單、造價(jià)低、便于施工等。

●頂部曲線段

溢流堰面曲線常采用非真空剖面曲線。采用較廣泛的非真空剖面曲

線有克-奧曲線和冪曲線(或稱WES曲線)兩種?？?奧曲線與冪曲線在堰

頂以下(2/5～1/2)Hs(Hs為定型設(shè)計(jì)水頭)范圍內(nèi)根本重合，在此范圍以

外，克—奧曲線定出的剖面較肥大，常超出穩(wěn)定和強(qiáng)度的需要，如圖2-24

所示?？?奧曲線不給出曲線方程，只給定曲線坐標(biāo)值，插值計(jì)算和施工

放樣均不方便。而冪曲線給定曲線方程，如式〔2-57〕，便于計(jì)算和放樣。

克-奧曲線流量系數(shù)約為0.48~0.49，小于冪曲線流量系數(shù)〔最大可達(dá)

0.502〕，故近年來堰面曲線多采用冪曲線。

◆開敞式溢流堰面曲線

◆設(shè)有胸墻的堰面曲線

●中間直線段

中間直線段的上端與堰頂曲線相切，下端與反弧段相切，坡度與非

溢流壩段的下游坡相同。

●底部反弧段

溢流壩面反弧段是使沿溢流面下泄水流平順轉(zhuǎn)向的工程設(shè)施，通常

采用圓弧曲線，R=〔4~10〕h，h為校核洪水閘門全開時(shí)反弧最低點(diǎn)的水

深。反弧最低點(diǎn)的流速愈大，要求反弧半徑愈大。當(dāng)流速小于16m/s時(shí)，

取下限；流速大時(shí)，宜采用較大值。當(dāng)采用底流消能，反弧段與護(hù)坦相

連時(shí)，宜采用上限值。

挑流圓弧曲線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，施工方便，但工程實(shí)踐說明容易發(fā)生空蝕

破壞，為此，許多人開展了可探求合理新型反弧曲線的研究，如球面，

變寬度曲面，差動(dòng)曲面等。

2.溢流壩剖面設(shè)計(jì)

溢流壩的實(shí)用剖面：在三角形根本剖面根底上結(jié)合堰面曲線修改而

成。

●溢流壩堰面曲線超出根本三角形剖面

圖示講解：

教學(xué)內(nèi)容板書或旁注

溢流壩剖面繪制

〔a〕反弧與護(hù)坦連接；〔b〕反弧與挑流鼻坎連接

在鞏固完好的巖基上，會(huì)出現(xiàn)這種情況，設(shè)計(jì)時(shí)需對(duì)根本剖面進(jìn)行

修正，

先繪出非溢流壩三角形根本剖面△102,根據(jù)溢流壩的定型設(shè)計(jì)水頭

Hs和選定的堰面曲線型式,點(diǎn)繪出堰面曲線ABCD,將根本三角形△012

平移至今△0＇1＇2＇位置,使下游邊0＇2＇與溢流壩面的切線重合,壩上

游陰影局部可以省去。為了不影響堰頂泄流，保存高度d的懸臂實(shí)體,且

要求d≥0.5Hzmax〔Hzmax為堰頂最大作用水頭〕。

●溢流堰面曲線落在三角形根本剖面以內(nèi)。

當(dāng)壩基摩擦系數(shù)較大時(shí),會(huì)出現(xiàn)這種情況。為了滿足與根本剖面協(xié)調(diào)

的要求,可將失去的局部壩體體積補(bǔ)上,通常是在溢流壩頂加一斜直線

AA＇，使之與溢流曲線相切于A點(diǎn)，增加上游陰影局部壩體體積，同時(shí)

也滿足壩體穩(wěn)定和強(qiáng)度要求。

●具有挑流鼻坎的溢流壩。

當(dāng)鼻坎超出根本三角形剖面以外時(shí)，假設(shè)l/h>0.5時(shí)，須核算B-B＇

截面處的應(yīng)力；假設(shè)拉應(yīng)力較大,可考慮在B-B＇截面處設(shè)置結(jié)構(gòu)縫,把鼻

坎與壩體