Gravity Dam: 重力式混凝土坝上浮压力计算

1 引言

《Gravity Dam: 重力式混凝土坝水压力计算》一文讨论了水平压力的计算方法，水平压力是主要作用在坝体上的力。本文讨论作用在坝体上的第二种力---上浮力(Uplift Pressure)。

当水在大坝上游一侧蓄水时，存在一个与蓄水高度相等的水头。这些水在压力的作用下进入地基材料的孔隙和裂缝, 它还会进入大坝与基础之间的连接处和大坝本身的孔隙。这种水力梯度引起垂直向上的压力,简称上浮力(Uplift pressure or seepage loads)。这些水就会渗入并试图在下游端冒出。渗流在大坝的上游和下游之间形成水力梯度。这种水力梯度造成垂直向上的压力。上浮力是第二大外部压力。上浮力降低了结构的有效重量，恢复力也随之降低。因此研究上浮的性质是非常必要的，同时也要设计一些方法来降低上浮压力值。

2 大坝选址的地质因素

建造大坝一定要选在相对坚硬完整的岩石上，以防止坝体下沉或倾倒。选址应该选在那些没有破碎带，没有大的节理，褶皱或断层(另一个原因也是为了防止地震)，岩体渗透系数小，岩体没有分层的区域，如坐落在完整的花岗岩，玄武岩、石英岩、致密的白云岩上。三峡大坝之所以定在三斗坪，是经过前期几十年的区域地质调查和工程地质调查综合选择确定出的位置，大坝下的基岩是花岗岩, 从而确保了三峡大坝的稳定性。但由于岩体是地质体，理想中的岩石地基几乎不存在，即使是相对完整的岩体,也有裂隙和节理, 这也就导致了坝体的基底可能会产生渗流，渗流产生的孔隙压力会使坝体上浮(uplift)，坝体的自重必须克服上浮力。因此在验算坝体的稳定性时必须考虑这个上浮力。 一般通过在坝体与基础之间修建排水管道、在上游面下修建截水墙、在坝体断面上打孔或对大坝基础进行压力灌浆等方法减少上浮.

3 上浮力的解析解 (No Flow)

在没有流网的情况下, 可以根据下图所示的方法计算上浮力. 有两种情形: 一种情形是坝体内不设置排水沟; 另一种情形是坝体内设置排水沟(drainage gallary).

我们以上图中左边的情形演示一个简单算例. 假设一个坝体的蓄水高度h1=180m, 下游水位高度h2=45m, 坝基底宽b=130m, 那么上浮力

U=(1/2)*(9.81)*(130)*(180 45)=143471.25N/m=14.625吨/m 

3 上浮力的数值解 (Flow Net)

在有流网的情况下, 由于水在地基下部的渗流, 会产生出孔隙水压力(Pore water pressure), 大多数的岩土工程软件都可以计算复杂状态下水的渗流问题以及进行水-力耦合分析, 比如FLAC, PLAXIS, Geostudio, SLIDE等. 由于时间关系, 在此不再赘述,等以后专门介绍。

4 结束语

坝体上浮力的大小与坝体的蓄水高度和坝体尺寸相关, 也与是否设置排水沟有关; 渗流力与坝址的选择地密切相关。选址应选在坚硬的,渗透系数小的岩体上, 避免坝体产生下沉或倾倒. 另外, 坝体的重量也必须克服坝体与基底的摩擦力, 避免坝体发生滑动.