子任务二 非溢流坝剖面设计

重力坝剖面设计的任务是在满足稳定和强度要求的条件下，求得一个施工简单、运用方便、体积最小的剖面。影响剖面设计的因素很多，主要有作用荷载、地形地质条件、运用要求、筑坝材料、施工条件等。其设计步骤一般是：首先简化荷载条件并结合工程经验，拟定出基本剖面；再根据坝的运用和安全要求，将基本剖面修改为实用剖面，并进行稳定计算和应力分析；优化剖面设计，得出满足设计原则条件下的经济剖面；最后进行构造设计和地基处理。

一、基本剖面

重力坝承受的主要荷载是静水压力、扬压力和自重，控制剖面尺寸的主要指标是稳定和强度要求。因为作用于上游面的水压力呈三角形分布，所以重力坝的基本剖面是三角形，如图2-3所示。

图中坝高H是已知的，关键是要确定最小坝底宽B以及上、下游边坡系数n、m。经分析计算可知，坝体断面尺寸与坝基的好坏关系密切，当坝体与坝基的摩擦系数较大时，坝体断面由应力条件控制；当摩擦系数较小时，坝体断面由稳定条件控制。根据工程经验，重力坝基本剖面的上游边坡系数常采用0～0.2，下游边坡系数常采用0.6～0.8，坝底宽为坝高的0.7～0.9倍。

二、实用剖面

1.坝顶宽度

由于运用和交通的需要，坝顶应有足够的宽度。坝顶宽度应根据设备布置、运行、检修、施工和交通等需要确定，并满足抗震、特大洪水时抢护等要求。无特殊要求时，常态混凝土坝坝顶最小宽度为3m，碾压混凝土坝为5m，一般取坝高的1／8～1／10。若有交通要求或有移动式启闭机设施时，应根据实际需要确定。

2.坝顶超高

实用剖面必须加安全高度，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。坝顶高于水库静水位的高度按下式计算：

式中 Δh——坝顶高于水库静水位的高度，m；

h1%——累积频率为1%时的波浪高度，计算方法见任务三中的“波浪要素”，m；

hz——波浪中心线至静水面的高度，计算方法见任务三中的“波浪要素”，m；

hc——安全超高，m，按表2-1选用。

必须注意，在计算h1%和hz时，正常蓄水位和校核洪水位采用不同的计算风速值。正常蓄水位时，采用重现期为50年的最大风速；校核洪水位时，采用多年平均最大风速。故坝顶高程或坝顶上游防浪墙顶高程应按下列两式计算，并取大值：

式中 Δh正——计算的坝顶（或防浪墙顶）距正常蓄水位的高度，m；

Δh校——计算的坝顶（或防浪墙顶）距校核洪水位的高度，m。

有时为了同时满足稳定和强度的要求，重力坝的上游面布置成倾斜面或折面（图2-4），这样可利用部分水重，以满足坝体抗滑稳定要求，同时也避免了施工期下游面产生拉应力。折坡点高度应结合引水管、泄水孔的进口布置等因素确定，一般为坝前最大水头的1／3～2／3。

三、优化设计

前面介绍的由三角形基本剖面经反复验算修改成为实用剖面的方法，是工程设计中常用的坝体经济剖面选择方法，但此方法试算工作繁重，故较难真正求得最优剖面。近些年来，大中型工程设计一般都要进行优化设计。重力坝结构优化设计要点如下。

1.设计变量

一个结构的设计方案是由若干个变量来描述的，首先规定描述坝体体形的设计参数。对于实体重力坝，一般是上、下游坝面的坡率，坝体高度，坝顶宽度，坝顶距上、下游起坡点的高度等。这些参数中的一部分是按照某些具体要求事先给定的，它们在优化设计过程中始终保持不变，称为预定参数，如坝体高度、坝顶宽度等。另一部分参数在优化过程中是可以变化的，称为设计变量，如上、下游坝面的坡率，起坡点等。

2.建立目标函数

一般取结构重量或造价作为目标函数。由于重力坝的造价主要取决于坝体混凝土的工程量，所以常取坝体体积作为目标函数，记为V(x)。

3.确定约束条件

根据重力坝设计规范的规定，对坝段的稳定和应力施加限制，同时考虑布置和施工要求，规定设计参数的上、下限，如上游坡度不为倒坡，也不易太缓等。在给定预定参数情况下，求一组设计变量{x}=［A］T，使目标函数V(x)趋于最小。

4.选择求解方法

目标函数和约束条件都是设计参数的非线性函数，因此重力坝的优化设计是一个非线性规划问题，具体计算方法可参考有关书籍。