任务三　了解重力坝的荷载及其组合

荷载是使结构或构件产生内力和变形的外力或作用，如：重力坝的自重使大坝有向地心运动的趋势，上游静水压力、泥沙压力有使大坝向下游运动的趋势，扬压力有使大坝向上部运动的趋势，温度变化使大坝变形等，这些都属于荷载。

正确计算重力坝的荷载大小并进行合理的荷载组合是重力坝设计的基础。这里对计算方法不作深入介绍，其计算可以参考《混凝土重力坝设计规范》（SL319—2005），本次任务主要介绍重力坝受到的主要荷载种类，这些荷载一般是沿坝轴线方向取单位长度来考虑。

一、重力坝受到的主要荷载

1.自重（包括永久设备的重量）

重力坝的自重是维持大坝稳定和满足强度条件的主要荷载，其大小可根据坝的体积乘以材料重度计算确定。混凝土的重度一般为23.0～23.5kN/m3，砌石的重度一般为21.5～23.5kN/m3。计算时常将坝体断面分为几个简单图形，按照单位长度分别计算其体积。一些永久性的固定设备，如闸门、固定式启闭机等的重量也应计算在内，坝内较大的孔洞等大量消减自重的部分应扣除。

2.水压力

（1）挡水坝段的静水压力。上游面的静水压力是重力坝受到的最主要的荷载，可按静水力学的原理计算。一般将作用在坝面的水压力分为水平水压力P和垂直水压力W2两部分计算，如图2-7所示。水的重度一般采用9.8kN/m3，对于多泥沙河流，应根据实际情况选用。

（2）溢流坝的动水压力。当溢流重力坝坝顶闸门关闭，其闸门起挡水作用时，或是水位较低未达到溢流堰顶高程时，水流静止，所以其静水压力计算与挡水坝段没有区别。当溢流坝泄水时，就会在溢流重力坝的反弧段产生动水压力，一般把这个动水压力分解成水平方向的分力Px和垂直方向的分力Py分别计算，如图2-8所示。

3.扬压力

扬压力是大坝上下游水位差在坝基面和坝体内产生渗透压力和下游水位以下断面产生浮力的合称。重力坝能够正常工作主要依靠自重，而向上的扬压力实际上减少了坝体一部分的自重，这对坝的稳定和应力都会产生较大影响。

（1）坝基面上的扬压力。扬压力分布及大小与坝基地质条件、坝体结构、上下游水位差、下游水位、降压措施等有关。不同情况下应该分别选用不同的扬压力计算图形，扬压力的大小可按扬压力分布图形的面积计算。通常考虑三种情况：①当坝基设有防渗帷幕和排水幕时；②当坝基设有防渗帷幕和上游主排水孔并且有下游副排水孔及抽排系统时；③当坝基没有防渗帷幕和上游主排水孔时。

（2）坝体内部的扬压力。渗透水流除在坝基面产生渗透压力外，也会渗入坝体材料内部，坝体内部同样会产生扬压力。当计算截面在下游水位以下时，既有上下游水位差产生的向上的渗透压力，也有下游水位产生的浮力。当计算截面在下游水位以上时，只有上下游水位差产生的向上的渗透压力。计算方法也是根据计算截面上的扬压力分布图形的面积进行计算。

4.泥沙压力

进入水库的水流会含有泥沙，泥沙会逐渐淤积在水库中，在坝前的泥沙会对坝面产生泥沙压力。计算时一般估算出20～50年淤积高程，再选定泥沙的物理力学指标，计算出泥沙压力。当上游坝面倾斜时，垂直泥沙压力可按作用面上的土重计算。

5.浪压力

水库表面在风的作用下会产生波浪，波浪会不断拍击坝面，从而产生波浪压力。随着坝前水深的不同，会产生深水波、浅水波、破碎波三种波浪形式。计算时针对不同的波浪形式采取不同的计算方法。

6.地震力

在地震区筑坝，必须考虑地震的影响，地震会产生地震惯性力、地震动水压力、地震动土压力。地震对建筑物的影响程度，常用地震烈度表示。地震烈度划分为12度，烈度越大，对建筑物的影响越大。在抗震设计中常用到基本烈度和设计烈度两个概念。基本烈度是指该地区今后一定时期（50～100年）内可能遭遇的最大烈度，设计烈度是指设计时采用的地震烈度。一般采用基本烈度作为设计烈度，但是对特殊重要的重力坝，在基本烈度的基础上提高一度作为设计烈度。设计烈度在6度及6度以下时可不考虑地震力，设计烈度为7度和7度以上地震区应考虑地震力，设计烈度超过9度时应进行专门研究。

7.冰压力

冰压力有静冰压力和动冰压力。库水结冰后，当气温升高时，冰的体积会变大，冰层膨胀对坝面产生的压力是静冰压力。冰块在水面漂浮，运动中对大坝上游面产生的撞击力是动冰压力。

二、荷载组合

以上荷载并不是同一时刻作用在重力坝上的，如果按照同一时刻作用在重力坝上来考虑，既不符合实际情况，得到的坝体也不科学。除自重外，荷载是经常变化的，如：正常运行、放空水库、设计及校核洪水位时，其上游和下游的水位会变化，水位变化时其水压力、扬压力等就会随着变化。还有一个典型的例子就是坝面受到静冰压力作用时浪压力就不存在。在进行设计时，应根据哪几种荷载同时作用的可能性，选择不同的荷载组合进行计算，用以验算坝体的稳定和强度。将可能同时作用的最不利荷载组合在一起，作为设计依据，使工程安全、经济、合理。荷载组合分为基本荷载组合和特殊荷载组合。

1.基本荷载

（1）坝体及其永久设备自重。

（2）正常蓄水位或设计洪水位时大坝上游面、下游面的静水压力（选取一种控制情况）。

（3）扬压力。

（4）泥沙压力。

（5）正常蓄水位或设计洪水位时的浪压力。

（6）冰压力。

（7）土压力。

（8）设计洪水位时的动水压力。

（9）其他出现机会较多的荷载。

2.特殊荷载

（10）校核洪水位时大坝上游面、下游面的静水压力。

（11）校核洪水位时的扬压力。

（12）校核洪水位时的浪压力。

（13）校核洪水位时的动水压力。

（14）地震荷载。

（15）其他出现机会很少的荷载。

3.荷载组合表

荷载组合如表2-2所示。