工作任务四 重力坝的剖面及布置
一、设计原则
重力坝的剖面设计应当在满足稳定和强度要求的前提下，力求工程量小，外形轮廓简单，便于施工，运行管理方便。剖面拟定的步骤为：首先拟定基本剖面；其次根据运用及其他要求，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。
二、基本剖面
重力坝的基本剖面是指坝体在自重、静水压力和扬压力三个主要荷载作用下，满足稳定和应力要求并使其剖面最小的三角形剖面。如图2-15所示。
图2-15 重力坝的基本断面
理论分析和工程实践证明，混凝土重力坝上游可做成折坡，折坡点一般位于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，坝底宽B=（0.7～0.9）H（H为坝高或最大挡水深度）。基本剖面的拟定，常采用工程类比法。
三、实用剖面
从理论上讲，基本剖面虽然经济，但不实用。因为坝顶不能是一个尖顶，不便于施工、运行管理和交通；坝高不能刚好与水位齐平，必须有一定的超高；厂房坝段需设闸门和拦污栅，希望上部做成垂直的。这就需要根据坝顶交通、设备和防浪墙布置、施工、检修等综合需要，进一步优化基本剖面成实用剖面。
（一）坝顶宽度
满足设备布置、运行、交通及施工的要求，非溢流坝的坝顶宽度一般可取坝高的8%～10%，并不小于3m。
若作交通要道或有移动式启闭机设施时，应根据实际需要确定，当有较大的冰压力或漂浮物撞击力时，坝顶最小宽度还应满足强度的要求。
（二）坝顶高程
坝顶应高于校核洪水位，坝顶上游防浪墙顶的高程应高于波浪顶高程，其与设计洪水位或校核洪水位的高差Δh，可由式（2-24）计算：
式中 Δh——防浪墙顶至设计洪水位或校核洪水位的高差，m；
h1%——累积频率为1%时的波浪高度，m；
hz——波浪中心线高出静水面的高度，m；
hc——安全超高，m，按表2-7采用。
表2-7 安全超高hc 单位：m
波浪的几何要素如图2-8所示，波高为波峰到波谷之间的距离，波长为波峰到波峰之间的距离，因空气阻力比水的阻力小，所以，波浪中心线高出静水面一定高度。
由于影响波浪的因素很多，目前主要用半经验公式确定波浪要素。下列官厅水库适用于峡谷水库：
式中 v0——计算风速，m/s，在正常运行条件下，采用相应季节50年重现期的最大风速；在非常运行条件下，采用相应洪水期多年平均最大风速；
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；当风区长度内水面由局部缩窄，且缩窄处宽度B小于12倍计算波长时，用风区长度D=5B（也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。
式中 H——坝前水深。
事实上波浪系列是随机的，及相继到来的波高随机变动，是个随机过程。天然的随机波浪用统计特征值表示，如超值累计概率（又称保证率）为P，波高值以hP表示，即超高值累计概率为1%、5%的波高记为h1%、h5%。
因涉及与校核情况计算hl和hz用的风速不同，查出的安全超高值hc不同，故Δh的计算结果不同，因此坝顶上游防浪墙顶高程按下式计算，并选用较大值作为选定高程：
坝顶或防浪墙顶高程=设计洪水位+Δh设
坝顶或防浪墙顶高程=校核洪水位+Δh校
式中Δh设、Δh校按式（2-24）分别计算。
（三）坝顶布置
坝顶结构布置的原则是安全、经济、合理、实用。通常的型式有：
（1）坝顶部分伸向上游。
（2）坝顶部分伸向下游。
（3）坝顶建成矩形实体结构，必要时为移动式启闭机铺设隐形轨道。坝顶排水一般都排向上游。坝顶上游侧常设防浪墙，高度一般为1.2m，厚度应足够抵抗波浪及漂浮物的冲击，与坝体连成整体，且在坝体横缝处也留伸缩缝，并设止水。坝顶下游侧应设栏杆，如图2-16所示。
图2-16 坝顶结构布置
1—防浪墙；2—公路；3—起重机轨道；4—人行道；5—坝顶排水管；6—坝体排水管；7—最高水位
（四）实用剖面形式
由基本剖面修改为实用剖面，有三种常用的形态，如图2-17所示。
图2-17 非溢流坝剖面形态
（1）上游面铅直的坝面，图2-17（a）适用于坝基摩擦系数较大，由强度条件控制坝体断面的情况。同时，该断面形式便于坝内布设泄水孔进口处的闸门和拦污设备。
缺点：由于在上游面为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）上游坝面上部铅直而下部呈倾斜，如图2-17（b）所示，适用于混凝土与基岩之间抗剪断参数较小的情况，倾斜的上游坝面可增加坝体自重并利用部分水重，以满足抗滑稳定要求。有时为了控制库空或低水位，下游面出现的拉应力值常采用此种形式。上游坝面上部铅直、下部倾斜，既可利用部分水重来增加稳定性，又可保留铅直的上部便于管道进口布置设备和操作的优点。工程中经常采用，上游折坡的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来选定。一般在坝高的1/3～2/3的范围内。设计时要验算起坡点高程水平截面的强度和稳定条件。
（3）上游面呈倾斜的基本三角形加坝顶而成，如图2-17（c）所示，适用于坝基础摩擦系数较小的情况，倾斜的上游坝面可以增加坝体自重和利用一部分水重，以满足抗滑稳定的要求。修建在地震区的重力坝，可采用此种剖面。