Gravity Dam: 重力式混凝土坝水压力计算

1 引言

重力式挡土墙和重力式大坝的受力方式以及检验稳定性的方法基本上相同， 只是二者的规模和重要性不同，施加力的对象不同。除非水利工程专业专门讲解重力式大坝的设计和施工过程，一般的岩土工程专业只讲解重力式挡土墙就足够了。但毕竟挡土墙主要承受土压力(soil pressure)，大坝主要承受水压力(water pressure)，在设计上还是有些差异。因此本文作为《岩土工程设计》课程挡土墙一章的扩展阅读材料，简要描述重力式混凝土大坝的受力情况。限于篇幅，本文只讨论重力式混凝土大坝最基本的受力情况，其它所受的力，例如地震力，动水压力( wave pressure) ,自重力以及大坝的稳定性检验等内容以后再说。

2 重力式挡土墙

首先回顾一下重力式挡土墙设计中土体垂直有效应力(Vertical Effective Stress)和土体侧压力的基本知识。对于土体来说，在没有地下水的情况下，地面下某一点的垂直有效应力等于土体密度乘以该点的深度。举例：

A点的垂直有效应力等于=18.1*7=126.7kPa, 如果地下水位为2m, 那么A点的垂直有效应力=18.1*2 (18.1-9.81)*5 =77.7kN/m^2

地面下任一点A的侧向压力(Lateral Earth Pressure)=K0*γH, 其中K0为静止的侧向土压力系数。静止土压力系数，又称静止侧压力系数，是指土体在无侧向变形条件下固结后的水平向主应力与竖向主应力之比，也就是原始应力状态下的水平向主应力与竖向主应力之比  。

静止土压力分布作用点距墙底h/3处.  

3 重力式混凝土坝

与重力式挡土墙相比，重力式混凝土坝要承受更多的力，这些力包括: (1) 静水压力(Water Pressure); (2) 坝底上浮压力 (Uplift Pressure)；(3) 地震力 (Earthquake Pressure)；(4) 淤泥产生的力 (Silt Pressure); (6) 波浪产生的力 (Wave Pressure); (7) 冰产生的力 (Ice Pressure); (8) 混凝土自重力(Weight Force) ; (9) 风力 (Wind Pressure)。本文仅讨论坝体承受的主要的力---静水压力。水的侧向压力和土体的侧向压力计算方法不同，在水中任意一点的垂直压力等于其水平压力，也就是说K0=1。

根据坝体的构筑型式不同以及上下游的水位不同，坝体承受不同的水压力。

(1) 坝体蓄水面直立，下游无水

在这种情况下， 蓄水面坝面垂直，下游没有水，在这种情况下，只有一个作用力，假设坝体的蓄水水位为180m，那么在距底部H/3处的作用点，P = (1/2)* (9.81*180)*180=158722N/m，由此可见这个压力相当大。

(2) 坝体蓄水面倾斜，下游有水

在这种情况下，必须考虑上游和下游同时产生的水平水压力，而且还必须考虑由面积ABCD产生的垂直水压力。

4 结束语

本文概念性地介绍了重力式混凝土坝水压力的计算方法，作为《岩土工程设计》课程重力式挡土墙的补充阅读材料。在接下来的文章中，我们将逐步介绍其它力的计算方法。