第三節(jié)　重力壩的荷載及組合

荷載是重力壩設(shè)計的主要依據(jù)之一，荷載可按作用隨時間的變異分為三類：①永久作用；②可變作用；③偶然作用。設(shè)計時應(yīng)正確選用其標(biāo)準(zhǔn)值、分項系數(shù)、有關(guān)參數(shù)和計算方法。

一、重力壩的荷載

重力壩的荷載主要有：①自重；②靜水壓力；③動水壓力；④淤沙壓力；⑤浪壓力；⑥揚壓力；⑦冰壓力；⑧地震荷載；⑨土壓力；?JS其他荷載。取單位壩長（1m）計算如下。

（一）自重（包括永久設(shè)備自重）

單位寬度上壩體自重W（kN/m）標(biāo)準(zhǔn)值計算公式如下：

式中　A——壩體橫剖面的面積，常將壩體斷面分解成簡單的矩形、三角形計算，見圖2－8（a）；

γc——壩體混凝土的重度，kN/m3，根據(jù)選定的配合比通過實驗確定，一般采用23.5～24.0kN/m3。

計算自重時，壩上永久性的固定設(shè)備，如閘門、固定式啟閉機的重量也應(yīng)計算在內(nèi)，壩內(nèi)較大的孔洞應(yīng)該扣除。壩體自重的作用分項系數(shù)為1.0。永久設(shè)備自重的作用分項系數(shù)，當(dāng)其作用效應(yīng)對結(jié)構(gòu)不利時采用1.05，有利時采用0.95。

（二）靜水壓力

靜水壓力是作用在上下游壩面的主要荷載，如圖2－8所示。計算時常分解為水平水壓力PH（kN/m）和垂直水壓力PV（kN/m）兩種。

溢流堰前水平水壓力以PH1（kN/m）表示，當(dāng)壩頂閘門關(guān)閉擋水時，靜水壓力計算與非溢流壩段完全相同。在泄水時，作用在上游壩面的水壓力受溢流的影響，最好通過水工模型試驗測定。在初步設(shè)計時，可近似按式（2－8）計算，見圖2－8（b）。

式中　Aw——壩踵處所作的垂線與上游水面和上游壩面所圍成圖形的面積，m2；

H——計算點處的作用水頭，m；

h——堰頂溢流水深，m；

γw——水的重度，kN/m3，常用9.81kN/m3。

靜水壓力分項系數(shù)采用1.0。合力作用點在壓力圖剖面形心處。

（三）動水壓力

溢流壩下游反弧段，在高速水流作用下的時均壓力和脈動壓力叫動水壓力。動水壓力的水平分力代表值Pxr（N/m）和垂直分力代表值Pyr（N/m）為

式中　q——相應(yīng)設(shè)計狀況下反弧段上的單寬流量，m3/（s·m）；

g——重力加速度，m/s2；

v——反弧段最低點處的斷面平均流速，m/s；

φ1、φ2——反弧段圓心豎線左、右的中心角，取其絕對值。

Pxr和Pyr的作用點可近似地認(rèn)為在反弧段長度的中點，圖2－8（b）中方向為正。反弧段上動水壓力（離心力）的作用分項系數(shù)采用1.1。

因溢流壩頂和壩面上的脈動壓力對壩體穩(wěn)定和壩內(nèi)應(yīng)力影響很小，可以不計；當(dāng)引起結(jié)構(gòu)振動和影響結(jié)構(gòu)安全時應(yīng)計入。

（四）淤沙壓力

入庫水流挾帶的泥沙在水庫中淤積，淤積在壩前的泥沙對壩面產(chǎn)生的壓力叫淤沙壓力，如圖2－9所示。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)摩擦角隨時間變化，一般計算年限取50～100年，單位壩長上的水平淤沙壓力標(biāo)準(zhǔn)值Psk（kN/m）為

式中　γsb——淤沙的浮重度，kN/m3；

γsd——淤沙的干重度，kN/m3；

γw——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；

φs——淤沙的內(nèi)摩擦角，（°）。

當(dāng)上游壩面傾斜時，應(yīng)計入豎向淤沙壓力，按淤沙的浮重度計算。淤沙壓力的作用分項系數(shù)采用1.2。

（五）浪壓力

水庫表面波浪對建筑物產(chǎn)生的拍擊力叫浪壓力。浪壓力的影響因素較多，是動態(tài)變化的，可取不利情況計算。浪壓力的作用分項系數(shù)應(yīng)采用1.2。

當(dāng)壩前水深大于半波長，即H＞L/2時，波浪運動不受庫底的約束，這樣條件下的波浪稱為深水波。水深小于半波長而大于臨界水深Hcr，即L/2＞H＞Hcr時，波浪運動受到庫底的影響，稱為淺水波。水深小于臨界水深，即H＜Hcr時，波浪發(fā)生破碎，稱為破碎波。臨界水深Hcr的計算公式為

三種波態(tài)情況的浪壓力PL（kN/m）分布不同，浪壓力計算公式如下：

（1）深水波，見圖2－10（a）。

式中　h1%、L、hz——按式（2－2）～式（2－4）計算。注意算出hl應(yīng)換算成h1%。對于其他建筑物如水閘，應(yīng)根據(jù)其級別換算成相應(yīng)的超值累積頻率下的波高值。

（2）淺水波，見圖2－10（b）。

式中　PLf——水下底面處浪壓力的剩余強度，kN/m2。

（3）破碎波，見圖2－10（c）。

式中　λ——水下底面處浪壓力強度的折減系數(shù)，當(dāng)H≤1.7h1%時，采用0.6，當(dāng)H＞1.7h1%時，采用0.5；

P0——計算水位處的浪壓力強度，kN/m2；

K0——系數(shù)，為建筑物前底坡影響系數(shù)，與i有關(guān)，見表2－2。

（六）揚壓力

揚壓力包括滲透壓力和浮托力兩部分。滲透壓力是由上下游水位差產(chǎn)生的滲流而在壩內(nèi)或壩基面上形成的向上的壓力。浮托力是由下游水深淹沒壩體計算截面而產(chǎn)生向上的壓力。應(yīng)特別指出：浮托力與浮力的概念不同，浮力等于物體排開液體體積的重量；而浮托力等于計算截面面積與計算點處下游水深之積再乘以水重度。

揚壓力的分布與壩體結(jié)構(gòu)、上下游水位、防滲排水設(shè)施等因素有關(guān)。不同計算情況有不同的揚壓力，揚壓力代表值是根據(jù)揚壓力分布圖形計算的，如圖2－11所示。

1.壩底面上的揚壓力

巖基上壩底揚壓力按下列三種情況確定。

（1）當(dāng)壩基設(shè)有防滲和排水幕時，壩底面上游（壩踵）處的揚壓力作用水頭為H1；排水孔中心線處的揚壓力作用水頭為H2＋αH（H＝H1－H2）；下游（壩趾）處為H2；三者之間用直線連接，如圖2－11（a）～（d）所示。

（2）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，壩底面上游處的揚壓力作用水頭為H1，下游壩趾處為H2，主、副排水孔中心線處分別為α1 H1、α2 H2，其間各段用直線連接，如圖2－11（e）所示。

（3）當(dāng)壩基無防滲、排水幕時，壩底面上游處的揚壓力作用水頭為H1，下游處為H2，其間用直線連接，如圖2－11（f）所示。

上述情況（1）、情況（2）中的滲透壓力系數(shù)α、主排水孔前揚壓力強度系數(shù)α1及殘余揚壓力強度系數(shù)α2可參照表2－3采用。應(yīng)注意，對河床壩段和岸坡壩段，α取值不同，后者計及三向滲流作用，α2取值應(yīng)大些。

2.壩體內(nèi)部揚壓力

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，引起壩內(nèi)揚壓力，其計算截面處揚壓力分布如圖2－12所示。其中排水管線處的壩體內(nèi)部，滲透壓力強度系數(shù)α3按下列情況采用：實體重力壩、拱壩及空腹重力壩的實體部位采用α3＝0.2；寬縫重力壩、大頭支墩壩的寬縫部位采α3＝0.15。

3.揚壓力作用分項系數(shù)

壩底面和壩體內(nèi)部揚壓力的作用分項系數(shù)按下列原則采用。

（1）浮托力的作用分項系數(shù)均采用1.0。

（2）滲透壓力的作用分項系數(shù)，對于實體重力壩取1.2；對于寬縫重力壩，大頭支墩壩、空腹重力壩取1.1。

（3）若壩基下游設(shè)置抽排系統(tǒng)，主排水孔之前揚壓力的作用分項系數(shù)采用1.1，主排水孔之后的殘余揚壓力的作用分項系數(shù)采用1.2。

當(dāng)壩基面前有黏土鋪蓋，多泥沙河流壩前河床能形成淤沙鋪蓋時，可根據(jù)工程經(jīng)驗對壩踵及排水孔處的揚壓力水頭做適當(dāng)折減。

（七）冰壓力

冰對建筑物的作用力稱冰壓力。冰壓力分靜冰壓力和動冰壓力兩種。水庫表面結(jié)冰后，體積增加約9%，在氣溫回升時，冰蓋加速膨脹，受到壩面和庫岸的約束，在壩面上產(chǎn)生的壓力稱靜冰壓力。冰蓋解凍，冰塊順風(fēng)順?biāo)髯矒粼趬蚊妗㈤l門或閘墩上的撞擊力稱為動冰壓力。靜冰壓力的作用分項系數(shù)采用1.1，動冰壓力的分項系數(shù)也可采用1.1。冰壓力的計算詳見DL 5077—1997《水工建筑物荷載設(shè)計規(guī)范》。

（八）地震荷載

在地震區(qū)建壩，必須考慮地震的影響。地震時，地震力施加于結(jié)構(gòu)上的動態(tài)作用稱地震作用。重力壩抗震計算應(yīng)考慮的地震作用為地震慣性力、地震動水壓力和地震動土壓力。一般情況下，進(jìn)行抗震計算時的上游水位可采用正常蓄水位。地震對建筑物的影響程度，常用地震烈度表示。地震烈度分為12度。烈度越大，對建筑物的破壞越大，抗震設(shè)計要求越高。

抗震設(shè)計中常用到基本烈度和設(shè)計烈度兩個基本概念。基本烈度是水工建筑物所在地區(qū)一定時期內(nèi)（約100年）可能遇到的地震最大烈度；設(shè)計烈度是抗震設(shè)計時實際采用的地震烈度。一般情況采用基本烈度作為設(shè)計烈度。對于1級擋水建筑物，應(yīng)根據(jù)其重要性和遭受震害后的危險性，可在基本烈度的基礎(chǔ)上提高一度。對于設(shè)計烈度為6度及其以下的地區(qū)不考慮地震荷載；設(shè)計烈度在7～9度（含7度和9度）時，應(yīng)考慮地震荷載；設(shè)計烈度在9度以上時，應(yīng)進(jìn)行專門研究。對于設(shè)計烈度為6度以上，超過200m的高壩和設(shè)計烈度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)專門的地震危險性分析成果評定。校核烈度應(yīng)比設(shè)計烈度高1/2度或1度，也可以用該地區(qū)最大可能烈度進(jìn)行校核，此時允許局部破壞但不危及整體安全。

SL 203—97《水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，水工建筑物的工程抗震設(shè)防類別根據(jù)其重要性和工程場地基本烈度按表2－4確定。

各類工程抗震設(shè)防類別的水工建筑物，除土石壩、水閘外，地震作用效應(yīng)計算方法應(yīng)按表2－5的規(guī)定采用。

對于工程抗震設(shè)防類別為乙、丙類，設(shè)計烈度低于8度，且壩高不大于70m的重力壩可采用擬靜力法。

1.地震慣性力

地震時，重力壩隨地殼做加速運動時，產(chǎn)生了地震慣性力。地震慣性力的方向是任意的，一般情況下只考慮水平向地震作用，對于設(shè)計烈度為8度、9度的1級、2級重力壩，應(yīng)同時計入水平和豎向地震作用。

當(dāng)采用擬靜力法計算地震作用效應(yīng)時，沿建筑物高度作用于質(zhì)點i的水平向地震慣性力代表值應(yīng)按下式計算：

式中　Fi——作用在質(zhì)點i的水平向地震慣性力代表值，kN/m；

ξ——地震作用的效應(yīng)折減系數(shù)，除另有規(guī)定外，取0.25；

GEi——集中在質(zhì)點i的重力作用標(biāo)準(zhǔn)值，kN；

αi——質(zhì)點i的動態(tài)分布系數(shù)，計算重力壩地震作用效應(yīng)時，由式（2－17）確定；

g——重力加速度，m/s2；

αh——水平向設(shè)計地震加速度代表值，由表2－6確定。

式中　n——壩體計算質(zhì)點總數(shù)；

H——壩高，m，溢流壩的H應(yīng)算至閘墩頂；

hi、hj——質(zhì)點i、j的高度，m；

GE——產(chǎn)生地震慣性力的建筑物總重力作用的標(biāo)準(zhǔn)值，kN；

GEj——集中在質(zhì)點j的重力作用標(biāo)準(zhǔn)值，kN。

豎向設(shè)計加速度的代表值αv應(yīng)取水平設(shè)計地震加速度代表值的2/3。

當(dāng)同時計算水平和豎向地震作用效應(yīng)時，總的地震作用效應(yīng)可將豎向地震作用效應(yīng)乘以0.5的遇合系數(shù)后與水平向地震作用效應(yīng)直接相加。

2.地震動水壓力

地震時，壩前、壩后的水體隨著振動，形成作用在壩面上的激蕩力。

采用擬靜力法計算重力壩地震作用效應(yīng)時，直立壩面水深y處的地震動水壓力代表值按式（2－18）計算：

式中　Pw（h）——作用在直立迎水壩面水深h處的地震動水壓力代表值，kN/m；

ψ（h）——水深h處的地震動水壓力分布系數(shù)，應(yīng)按表2－7的規(guī)定取值；

ρw——水體質(zhì)量密度標(biāo)準(zhǔn)值，kg/m3；

H——水深，m。

單位寬度壩面的總地震動水壓力作用在水面以下0.54H處，其代表值F0（kN/m）應(yīng)按下式計算：

與水平面夾角為θ的傾斜迎水壩面，按式（2－19）的規(guī)定計算的動水壓力代表值應(yīng)乘以折減系數(shù)。折減系數(shù)計算公式為

迎水壩面有折坡時，若水面以下直立部分的高度不小于水深H的一半，可近似取作直立壩面，否則應(yīng)取水面點與坡腳點連線代替坡度。

作用在壩體上、下游的地震動水壓力均與壩面垂直，且兩者的作用方向一致。例如，當(dāng)?shù)卣鸺铀俣鹊姆较蛑赶蛏嫌螘r，作用在上、下游壩面的地震動水壓力方向均指向下游。

3.地震動土壓力

當(dāng)重力壩壩體插入土體或壩體一側(cè)有填土?xí)r，應(yīng)計算地震動土壓力作用。地震主動土壓力代表值可按式（2－21）計算。其中Ce應(yīng)取式（2－22）中按“＋”、“－”號計算結(jié)果中的大值。

式中　FE——地震主動動土壓力代表值，kN/m；

q0——土表面單位長度的荷重，kN/m；

ψ1——重力壩表面（擋土墻面）與垂直面夾角，（°）；

ψ2——土表面和水平面的夾角，（°）；

H——土的高度，m；

γ——土的重度的標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m3；

?——土的內(nèi)摩擦角，（°）；

θe——地震系數(shù)角，（°）；

δ——壩面（擋土墻面）與土之間的摩擦角，（°）；

ζ——計算系數(shù)，動力法計算地震作用效應(yīng)時應(yīng)取1.0，擬靜力法計算地震作用效應(yīng)時一般取0.25，對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)取0.35。

地震被動動土壓力應(yīng)經(jīng)專門研究確定。

（九）其他荷載

常見的其他荷載有土壓力、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。

土壓力分主動土壓力和被動土壓力，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，在水泥水化熱的產(chǎn)生或散失時受壩基和其他結(jié)構(gòu)約束而產(chǎn)生的溫度應(yīng)力。正常運用期靠合理設(shè)置溫度縫來消除溫度應(yīng)力；施工期靠采用低熱水泥、采取溫控措施等來消除溫度應(yīng)力。雖然在穩(wěn)定和應(yīng)力分析時不計入，但在結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)引起重視。

施工時要嚴(yán)格控制灌漿壓力，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。但這些荷載對某些局部結(jié)構(gòu)是非常重要的。例如，在對溢流壩壩頂橋梁、啟閉機房、啟閉機架等進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析計算時，必須計入這些荷載。

二、重力壩的荷載的類型及其組合

（一）荷載的類型

重力壩的荷載，除壩體自重外，其他荷載的大小和出現(xiàn)的幾率都有一定的變化。因此，在進(jìn)行荷載組合時，應(yīng)分析其出現(xiàn)的幾率、結(jié)構(gòu)的重要性、作用的可能性而采用不同的分項系數(shù)和結(jié)構(gòu)系數(shù)。重力壩主要荷載按隨時間變異分三類。

（1）永久荷載包括：①壩體自重和永久性設(shè)備自重；②淤沙壓力（有排沙設(shè)施時可列為可變作用）；③土壓力。

（2）可變荷載包括：①靜水壓力；②揚壓力（包括滲透壓力和浮托力）；③動水壓力（包括水流離心力、水流沖擊力、脈動壓力等）；④浪壓力；⑤冰壓力（包括靜冰壓力和動冰壓力）；⑥風(fēng)雪荷載；⑦機動荷載。

（3）偶然荷載包括：①地震作用；②校核洪水位時的靜水壓力。

（二）荷載的組合

混凝土重力壩應(yīng)分別按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行計算和驗算。按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計時，應(yīng)考慮基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)計時，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)計混凝土重力壩壩體剖面時，應(yīng)按照承載能力極限狀態(tài)計算基本組合和偶然組合。

1.荷載作用的基本組合

荷載作用的基本組合包括下列作用。

（1）壩體（建筑物）的自重（應(yīng)包括永久性機械設(shè)備、閘門、起重設(shè)備及其他結(jié)構(gòu)自重）。

（2）以發(fā)電為主的水庫，上游用正常蓄水位，下游按照運用要求泄放最小流量時的水位，且防滲及排水設(shè)施正常工作時的水作用：①大壩上、下游面的靜水壓力；②揚壓力。

（3）大壩上游淤沙壓力。

（4）大壩上、下游側(cè)向土壓力。

（5）以防洪為主的水庫［取代（2）］，上游用防洪高水位，下游用其相應(yīng)的水位，且防滲及排水設(shè)施正常工作時的水作用：①大壩上下游面的靜水壓力；②揚壓力；③相應(yīng)泄洪時的動水壓力。

（6）浪壓力：①取50年一遇風(fēng)速引起的浪壓力（約相當(dāng)于多年平均最大風(fēng)速的1.5～2.0倍引起的浪壓力）；②多年平均最大風(fēng)速引起的浪壓力。

（7）冰壓力取正常蓄水位時的冰作用。

（8）其他出現(xiàn)機會較多的作用。

2.荷載作用的偶然組合

除計入一些永久作用和可變作用外，還應(yīng)計入一個偶然作用。

（9）當(dāng)水庫泄放校核洪水（偶然狀況）流量時，上、下游水位的作用［取代（5）］，且防滲排水正常工作時的水作用：①壩上下游面的靜水壓力；②揚壓力；③相應(yīng)泄洪時的動水壓力。

（10）地震力。一般取正常蓄水情況時相應(yīng)的上、下游水深。

（11）其他出現(xiàn)機會很少的作用。

將上述各種荷載的作用組合列入表2－8，基本組合為三種情況，偶然組合為兩種情況。表中的基本組合是在持久狀況或短暫狀況下，永久作用與可變作用的效應(yīng)組合；偶然組合是在偶然狀況下，永久作用、可變作用與一種偶然作用的效應(yīng)組合。

（三）荷載作用分項系數(shù)

根據(jù)荷載作用的特點，有不同的分項系數(shù)，常用荷載作用的分項系數(shù)見表2－9。