第二节 重力坝的荷载及其组合

作用在大坝上的荷载是设计大坝的主要依据之一，施工、运行管理也与荷载有着密切关系。作用在坝上的荷载主要有：①坝体及坝上永久设备的自重；②上、下游坝面上的静水压力；③溢流坝反弧段上的动水压力；④扬压力；⑤冰压力；⑥泥沙压力；⑦浪压力；⑧地震荷载，包括地震惯性力、地震动水压力和地震动土压力；⑨由于建筑材料的体积变形（由温度和干湿所引起的伸缩变形）受到约束所引起的荷载；⑩其他荷载，包括风压力、雪压力、船舶的缆绳拉力、靠船撞击力、爆炸引起的气浪力，以及运输车辆、货物、起重机和人群等的临时荷载等。设计时，应根据建筑物的具体情况，决定设计荷载组合，验算坝体在强度和稳定上是否安全。

一、荷载计算

上述各种荷载的描述和常规计算可参见本书第三章。

对于重力坝，风压力、雪压力、坝顶上车和人等的动荷载，由于其在全部荷载中所占的比重很小，一般均忽略不计。但这些荷载可能对某些局部结构是重要的，如在进行溢流坝坝顶桥梁、坝顶启闭机架等的结构分析时应计入这些荷载，具体计算方法可参阅有关设计规范。

本节着重介绍重力坝扬压力计算的一些特点。

由于重力坝坝体、坝基不可能是完全符合一定规律的渗流介质；而坝体的施工缝和坝基的节理、裂隙、断层等集中渗流的通道，既确实存在又极不规则，加之防渗排水等处理措施，既确实有效又难以准确进行定量计算。因此，到目前为止，许多国家仍是参照已建工程的原型观测成果，采用适当的扬压力图形作为表面力进行计算，在有特殊的坝体结构或坝基地质构造的情况下，适当辅之以渗流理论计算或试验校核。

1.坝底扬压力

当没有防渗排水设施时，通常假定扬压力呈直线变化。

图6-5为实体重力坝坝扬压力分布图。图6-5（b）中，矩形abcd为浮托力，四边形cdef为渗透压力，两者之和即为扬压力。为了减小坝底扬压力，改善坝的应力和稳定条件，常在坝踵附近的坝基中灌浆，构成防渗帷幕，阻拦渗水，消减水头；同时，在防渗帷幕后边的打排水孔，形成排水孔幕，将渗过、绕过防渗帷幕的渗水排至廊道，输送到下游。后者的减压效果往往更为显著。

根据大量实测资料分析得出，设有防渗帷幕和排水孔幕的重力坝坝底扬压力分布图可按以下假定采用：浮托力按矩形分布，压力强度为γ_wH₂；渗透压力呈折线分布，在坝踵处为全水头γ_w（H₁-H₂）=γ_wH，在排水孔中心线与坝底相交点为αγ_wH，在坝趾处为零，中间可视为直线变化。α称为渗透压力强度系数。对于某一具体工程，α采用的数值应根据基岩体的性质和构造、帷幕灌浆的深度、排水的深度和效能、坝基处理的施工质量、同类工程的实测资料以及坝的重要性等因素，综合考虑选定。

为了有效地减小坝基扬压力，还可在坝基面设置纵、横排水廊道和基面排水孔（图6-6）。但在设计中通常不考虑它们的排水减压作用，仅作为安全储备。当下游尾水位较高，坝基条件较好，预计不致发生水力管涌或化学性侵蚀、溶解等现象时，可采用抽排降压措施，即在坝基内设置低于上述排水系统的集水井和自动抽水设备，在下游坝趾增设一道防渗帷幕和排水孔幕。坝底扬压力在坝踵处为γ_wH₁，在排水孔幕处为α₁γ_wH₁，在排水廊道段为α₂γ_wH₂，在坝趾处为γ_wH₂。α₁和α₂是扬压力强度系数和残余扬压力强度系数。

浙江峡口实体重力坝，最大坝高62m，坝顶长286m，坝基部分除上游设灌浆帷幕和排水孔幕外，下游设1～2道排水廊道，在廊道底部钻设排水孔，间距2m，深4m，设有抽水设备。据现场观察了解，每24h抽水两次，基本上可以保持廊道无积水，满足设计要求。此外，四川龚嘴、浙江湖南镇等工程也都设置了坝基抽排设施。

图6-7为宽缝重力坝坝底扬压力分布图。由于宽缝的排水减压作用，坝底的渗透压力向下游迅速减小。坝底扬压力在上游坝踵处为γ_wH₁，在排水孔中心线与坝底交点C处为γ_wH₂+αγ_wH，α采用实体重力坝中相应的数值，D点处为γ_wH₂。D点距宽缝起点的距离为宽缝处坝段厚度b的2倍。BC、CD之间仍假定按直线变化，D点以后至坝趾均为γ_wH₂。

SL 319—2005《混凝土重力坝设计规范》规定渗透压力强度系数α、扬压力强度系数α₁及残余扬压力强度系数α₂可按表6-1采用。

2.坝体扬压力

渗入坝内的水流也产生扬压力。坝体扬压力影响坝内应力，有时会导致坝体上游边缘产生拉应力。为了减小坝体内扬压力，常在上游坝面附近3～5m范围内提高混凝土的防渗性能，形成防渗层；其后设置坝身排水管（孔），如图6-8所示。从坝面渗入的水部分进入坝身排水管，汇集入廊道排至下游；部分渗水绕过排水管渗入坝体，从下游面逸出。计算坝体水平截面上的扬压力时，常假定如图6-8所示的图形。当计算截面在下游水位以下时，上游面为γ_wH′₁，坝体排水管处为γ_w（H′₂+α₃H），在下游坝面处为γ_wH′₂，其中，H′₁是计算截面以上的上游水深，H′₂是计算截面以上的下游水深；当计算截面在下游水位以上时，上游面为γ_wh′₁，坝体排水管处为α₃γ_wh′₁，下游坝面处为0；排水管与下游坝面之间按直线变化。对于宽缝重力坝，坝体扬压力也可参照确定坝底扬压力的方法进行计算。

α₃是坝体内部扬压力强度系数，可按下列情况采用：①实体重力坝及空腹重力坝的实体部位采用0.2；②宽缝重力坝的无宽缝部位采用0.2，有宽缝部位采用0.15。

二、荷载（作用效应）组合

除坝体自重外，多数荷载都有一定的变化范围。例如，在正常运行情况、放空水库情况或当发生设计、校核洪水时，上、下游水位就有所不同。水位变化，水压力、浪压力、扬压力等也随之变化。此外，上游水位最高时，不一定出现最大风级，更不一定刚好发生强烈地震。因此，在进行坝的设计时，必须按照可能出现的情况，考虑不同的荷载组合，分别进行核算，并采用不同的安全系数。

确定荷载值和荷载组合是重力坝设计中非常重要的组成部分。荷载计算应该力求准确，而荷载组合应该力求合理，包括所有实际可能同时作用的各种荷载和各种可能的情况。每一座重力坝都可能有其特殊性，所以必须根据其实际可能性确定荷载组合。

有些荷载计算的精确度有一定的限度，所以在应力和稳定性分析中的精确度应该与荷载值的计算精确度相适应，单方面过于精确的计算没有意义，对应力和稳定性分析成果做一些敏感性分析则很重要。

安全系数设计法和分项系数极限状态设计法的荷载（作用效应）组合分类参见第三章第七节。