第二节 水工建筑物的自重作用

水工建筑物自重属于恒定荷载，对水工建筑物的工作状态起着重要作用。水工建筑物本身的重力可按G=γV确定。式中，γ为材料的容重，kN/m³；V为体积，m³。重力作用在计算单元的重心，方向铅直向下。根据含水量不同，容重分为干容重、湿容重和饱和容重。对于混凝土和浆砌石，这3种容重一般不加区分。计算浸泡在水中部位的自重应取浮容重。土石料的孔隙率大，这3种容重差别较大，应分别取值。材料容重应通过试验确定。当无试验资料时，大体积混凝土结构的材料容重可按DL 5077—1997《水工建筑物荷载设计规范》采用。中、小型土石坝在初步计算时，其压实干容重也可按该规范取值。位于水工建筑物上的固定设备，如固定式启闭机等的自重，可采用铭牌上标出的重量值。

一、混凝土材料自重作用

在初步设计阶段，混凝土的容重可根据骨料的类别采用γ_c=23.0～23.5kN/m³，对重要的工程应采用混凝土的试验数值。如果在坝体内埋设块石（一般不超过10%），将影响容重，其值可按块石容重及埋石率计算。在计算坝体自重时一般忽略不同标号混凝土密度间的微小差别。重力坝中配置的钢筋数量不多，因此也常忽略其影响。在技设或施工详图设计阶段应采用混凝土的试验数值。坝体自重作用于其重心处。

自重对于重力坝稳定十分重要，但对于拱坝则不是这样，尤其是薄拱坝，影响更小，甚至可以忽略不计。只有对于中厚拱坝和厚拱坝，才必须考虑自重的作用。

混凝土拱坝在施工时通常以横缝分成坝块逐层向上浇筑，一般选在低温季节通过预埋管向缝内灌浆封拱，形成整体。所以，用拱梁分载法计算坝体应力时，拱坝的自重在灌浆前已形成自重应力，并通过梁系统向下传到地基。若坝体混凝土全部浇筑完成后进行收缩缝灌浆，则假定全部自重均由悬臂梁承受，自重变位已经完成，不参加拱梁分载法中的变位调整。但对双曲拱坝，往往需要限制独立浇筑块的高度以保持坝块的稳定，浇筑到一定高程并冷却后先行封拱，再继续向上浇。此种情况下灌浆前的混凝土自重由悬臂梁单独承受，封拱以后浇筑的混凝土自重将在封拱高程下部的梁和拱之间进行分配。对于大型工程可按施工程序进行仿真应力分析，但一般为简化计，仍假定由梁系统承担全部自重。

由于拱坝各个坝块的水平截面都呈扇形，如图3-1所示，截面A₁与截面A₂间的坝块自重G可按辛普森公式计算。

式中：γ_c为混凝土的容重，kN/m³；ΔZ为计算坝块的垂直高度，m；A₁、A₂和A_m分别为上端截面、下端截面和中间截面的面积，m²。

也可简单地按式（3-2）计算

二、土石材料自重作用

对土石材料，通常还要根据其所在位置与浸润线和水位的关系，有选择地使用以下不同的容重。

土体的干容重γ_d（kN／m³）为

土体的天然容重γ（kN／m³）为

土体的饱和容重γ_s（kN／m³）为

土体的浮容重γ′（kN／m³）为

式中：n为土体的孔隙率；G为土体的比重；γ_w为水的容重，kN／m³；w为土体的天然含水量。

三、土压力

土石坝对连接建筑物产生侧向土压力，当刚性连接建筑物在土压力作用下或因地基不均匀沉陷发生变位，致使侧向土压力减小时，可作为主动土压力进行分析；当刚性连接建筑物建造在坚硬的岩基上，同时自身刚度较大，变形较小时，可作为静止土压力进行分析；当刚性连接建筑物在其他荷载作用下有向填土一侧变位时，土石坝对连接建筑物产生被动土压力。作用在光滑、竖直迎土面上的各种土压力计算公式如下：

式中：γ为土的容重，kN／m³；H为计算点的土深，m；φ为土的内摩擦角。

四、泥沙压力

水库建成后，入库水流挟带的泥沙逐渐淤积在库中。一般的规律是：粗粒泥沙首先沉淀在回水末端的库首地区；随着水深的增加，流速沿程逐渐减小，较细的泥沙陆续沉淀，直至坝前。淤积在坝前的泥沙对坝产生泥沙压力。

计算坝面的泥沙压力，首先要确定坝前的淤沙高程。淤沙高程与水流挟沙量、泥沙颗粒级配、水流特性、水库地形、淤泥计算年限以及工程布置、泄洪排沙方式等多种因素有关。淤沙计算年限根据流域的水土保持工作情况确定，一般取50～100年。当有可靠的排沙措施时，应考虑一部分入库泥沙将排至下游。淤沙年限确定后，通过数学模型计算或物理模型试验，并参照类似水库的淤积情况，综合分析确定淤沙高程。

坝前淤沙逐年增高和固结，淤沙容重和内摩擦角既随时间而变化，又因层而异。淤沙的内摩擦角不仅与淤沙粒径有关，也与淤沙的级配和颗粒形状有关：粒径越大，孔隙率越小，则内摩擦角越大。无实测资料时，对于淤积时间较长的粗颗粒泥沙，内摩擦角可取为18°～20°；黏土质淤积物，内摩擦角可取为12°～14°；淤泥、黏土、胶质颗粒和孔隙率大于0.7的淤沙，内摩擦角可取为0°。中国的刘家峡、官厅等水库多年淤沙取样试验得出其内摩擦角高达25°～35°。淤沙的凝聚力一般不予考虑。

作用在坝、水闸等挡水建筑物单位长度上的水平泥沙压力，可按下式计算

式中：p_n为在铅直面上泥沙对坝体某点的压力强度，kN/m²；γ′为泥沙的浮容重，kN/m³；φ_n为泥沙的内摩擦角，°；h_n为该点以上的淤沙厚度，m。

当上游坝面倾斜时，除水平泥沙压力外还存在铅直泥沙压力，其计算方法与铅直水压力的计算方法相同。

对土石坝，由于横断面尺寸大，上游坝坡平缓，一般不计水平泥沙压力，只计算泥沙的重量。