任务1.2 重力坝基本剖面

非溢流坝剖面形式、尺寸的确定，将影响到荷载的计算、稳定和应力分析。因此，非溢流坝剖面的设计及其他相关结构的布置，是重力坝设计的关键步骤。

1.2.1 剖面设计的基本原则

非溢流坝剖面设计的基本原则是:①满足稳定和强度要求，保证大坝安全；②工程量小，造价低；③结构合理，运用方便；④利于施工，方便维修。

1.2.2 剖面拟定的步骤

首先拟定基本剖面；其次根据运用以及其他要求，将基本剖面修改成实用剖面；最后对实用剖面进行应力分析和稳定性验算，按规范要求，经过几次反复修正和计算后，得到合理的设计剖面。

1.2.3 基本剖面的确定

重力坝的基本剖面是指坝体在自重、静水压力（上游水位为正常蓄水位，水位与坝顶齐平）和扬压力3个主要荷载作用下，满足稳定和强度的要求，并且使工程量最小的三角形剖面，如图1.7所示。

理论分析和工程实践证明，混凝土重力坝上面可做成折坡,一般位于1/3～2/3坝高处，以便利用上游坝面水重增加坝体的稳定性；上游坝坡系数常采用n=0～0.2,下游坝坡系数常采用m=0.6～0.8,底宽为B=（0.7～0.9）H（H为坝高或最大挡水深度），如图1.7所示。基本剖面的拟定常采用工程类比法。

1.2.4 非溢流重力坝的实用剖面

根据交通和运行管理的需要，坝顶应有足够的宽度。为防波浪漫过坝顶，在静水位以上还应留有一定的超高。

1.坝顶宽度

一般情况下，坝顶宽度可采用坝高的8%～10%且不小于3m。碾压混凝土坝坝顶宽不小于5m；当坝顶布置移动式启闭机时，坝顶宽度要满足安装门机轨道的要求。

2.坝顶高程

为了交通和运用管理的安全，非溢流重力坝的坝顶应高于校核洪水位，坝顶上游的防浪墙顶的高程应高于波浪高程，其与正常蓄水位或校核洪水位的高差Δh由式（1.1）确定,即

式中 Δh——防浪墙顶至正常蓄水位或校核洪水位的高差，m；

h_1%——波浪高度，m；

h_z——波浪中心线至静水位的高度，m；

h_c——安全超高，m，按表1.1选用。

坝顶高程的确定与波浪的几何三要素计算有关。

波浪的几何三要素如图1.8（a）所示，包括波高h_l（波峰到波谷的高度）、波长L（波峰到波峰的距离）、h_z（波浪中心线至静水位的高度）；风向对风区长度（吹程）的影响如图1.8（b）所示。

内陆峡谷水库，宜用官厅水库公式计算频率波高和平均波长（用于v₀＜20m/s、D＜20km）,即

式中 h——当gD/=20～250时，为累积频率5%的波高h_5%，当gD/=250～1000时，为累积频率10%的波高h_10%；

v₀——计算风速，m/s，指水面以上10m处10min的风速平均值，在正常蓄水位和设计洪水位时，宜采用相应洪水期多年平均最大风速的1.5～2.0倍，校核洪水位时，采用相应洪水期最大风速的多年平均值；

D——风区长度（有效吹程），m，是指风作用于水域的长度，为自坝前沿风向到对岸的距离，当风区长度内水面局部缩窄且缩窄处的宽度B小于12倍计算波长时，可采用D=5B（且不小于坝前到缩窄处的距离），水域不规则时按规范要求计算。

波浪中心线高出计算静水位h_z按式(1.4)计算,即

式中 h₁——累积频率为1%的波高，m；

H——坝前水深，m，一般峡谷水库因H≥L_m/2，故h_z≈/L_m。

事实上波浪系列是随机的，即相继到来的波高有随机变动，是个随机的过程。天然的随机波列用统计特征值表示，如超值累积频率（又称保证率）为P，波高值以h_P表示，即超高值累计频率为1%、5%的波高记为h_1%、h_5%。

官厅水库公式所得波高h累积频率5%，适用于v₀＜20m/s、D＜20km且gD/=20～250的情况。推算波高需乘以1.24。

因设计与校核情况计算h₁和h_z用的计算风速不同，查表1.1得出安全超高值h_c不同，故Δh的计算结果不同，因此坝顶高程按式（1.5）、式（1.6）计算，并选用较大值作为选定高程，即

其中Δh_设、Δh_校按式（1.1）分别计算。当坝顶有与之连成整体的浆砌石或钢筋混凝土防浪墙时，墙顶高程可代替坝顶高程，但坝顶高程不得低于最高静水位。

3.剖面形态

剖面形态见图1.9。

（1）图1.9（a）采用铅直上游剖面，适用于坝基摩擦系数较大，由应力条件控制坝体剖面的情况。优点：便于布置和操作坝身过水管道进口控制设备。缺点：在上游面铅直的基本三角形剖面上增加坝顶重量，空库时下游坝面可能产生拉应力。

（2）图1.9（b）是工程上常用实用剖面，上游坝面上部铅直、下部倾斜。优点：既可以利用部分水重增加坝的稳定，又可保留铅直的上部便于管道进口布置设备和操作。上游坡起坡点位置应结合应力控制条件和引水、泄水建筑物的进口高程确定，一般在坝高的1/3～2/3范围内。设计时也要验算起坡点高程水平截面的强度和稳定条件。

（3）图1.9（c）是上游略呈倾斜的基本三角形加坝顶而成，适用于坝基摩擦系数较小的情况。优点:倾斜的上游坝面可增加坝体自重和利用一部分水重，以满足抗滑要求。修建在地震区的重力坝，为避免空库时下游坝面拉应力过大，可采用此剖面。

实用剖面不拘泥于这些形式，应根据具体条件，参考已建工程，选取合理剖面。