第二章重力壩

第二章 重力壩第二章 重力壩第一節(jié) 概

述第二節(jié)

重力壩上的作用及作用效應組合第三節(jié)

重力壩的可靠度設(shè)計原理簡介第四節(jié) 重力壩的穩(wěn)定分析第五節(jié) 重力壩斷面設(shè)計第一節(jié)

概

述一、對壩的認識二、重力壩的主要內(nèi)容三、重力壩的工作原理四．重力壩的特點五．重力壩的分類第一節(jié)

概

述一、對壩的認識非溢流重力壩；溢流重力壩；橫縫；導墻；閘門；壩內(nèi)排水管；檢修、排水廊道；基礎(chǔ)灌漿廊道；防滲帷幕；壩基排水孔重力壩的剖面詳圖三峽水利樞紐溢流重力壩三峽泄洪閘泄洪尼爾基水利樞紐中的重力壩三峽壩水利樞紐總布置圖（尺寸單位：m(上）平面布置 （下）上游立視圖用混凝土或漿砌石筑成，壩軸線一般為直線，并有垂直于壩軸線方向的橫縫將壩體分成若干段.一、對壩的認識一、對壩的認識三峽壩水利樞紐總布置圖（尺寸單位：m(左）廠房壩段剖面圖 右）溢流壩段剖面圖1、確定水利樞紐工程和水工建筑物的等級、洪水標準。2、剖面尺寸擬定3、溢流壩剖面的設(shè)計4、重力壩的應力校核計算5、重力壩的穩(wěn)定校核計算6、大壩的構(gòu)造（分縫、止水、廊道系統(tǒng)）7、壩基處理（壩基處理的技術(shù)）二、重力壩的主要內(nèi)容?

定義：是用混凝土或漿砌石筑的大體積擋水建筑物.? 工作原理

:在水壓力及其他荷載作用下

,依靠壩體自重在壩面產(chǎn)生的抗滑力來抵抗水平水壓力產(chǎn)生的滑動力以達到穩(wěn)定要求;利用壩體自重在水平截面上產(chǎn)生的壓應力來抵消由于水壓力所引起的拉應力以滿足強度要求

.1、重力壩的基本剖面：做成上游面接近鉛直的呈三角形斷面，或稍傾向上游的三角形斷面。2、受力簡圖可以視作倒置的懸臂梁三、重力壩的工作原理四、重力壩的特點優(yōu)點：1、重力壩結(jié)構(gòu)簡單、體積大，有利于機械化施工。而且由于斷面尺寸較大，材料強度高耐久性能好，抵抗水的滲漏，洪水漫頂，地震或戰(zhàn)爭破壞的能力都比較強，安全可靠。因而失事率較低。2、對地形、地質(zhì)條件適應性強，壩體作用于地基面上的壓應力不高，所以對地質(zhì)條件的要求也較低，低壩甚至可修建在土基上。3、樞紐泄洪、導流問題容易解決。由于筑壩材料的抗沖

能力強，施工期可以利用較低壩塊或預留底孔導流，壩

體可以做成溢流式，也可以在壩內(nèi)不同高程設(shè)置排水孔，一般不設(shè)溢洪道或泄洪洞，易于解決永久性泄洪及施工

導流，便于機械化施工。4、傳力系統(tǒng)明確，便于分析與設(shè)計，運行期間的維護及檢修工作量較少。但需采用防滲排水設(shè)施及溫控措施。四、重力壩的特點缺點：1、剖面尺寸大，水泥石料等用量多。2、壩體應力較低，材料強度能充分發(fā)揮。3、壩底揚壓力較大，對穩(wěn)定不利。重力壩壩體與地基的接觸面積大，相應的壩底揚壓力也大，它會減輕壩體的有效重量，對壩體的穩(wěn)定不利，因此要采取有效防滲排水措施，減小揚壓力，節(jié)省工程量。4、水泥水化熱較大，可能導致壩體裂縫。砼體積大，水泥用量大，在施工期，水泥水化熱引起的溫度也很大，并將引起壩體內(nèi)溫度和收縮應力，可能引起壩體產(chǎn)生裂縫，所以要采取溫控措施。?

1、按壩的高度分類:壩高低于30m的為低壩，高于70m的為高壩，介于30m

～70m之間的為中壩。壩高是指壩基最低面（不含局部有深槽或井、洞部位）至壩頂路面的高度。?2、按泄水條件分類:有溢流重力壩和非溢流重力壩。溢流壩段和壩內(nèi)設(shè)有泄水孔的壩段統(tǒng)稱為泄水壩段，非溢流壩段也叫擋水壩段。?3、按筑壩材料分類:有混凝土重力壩和漿砌石重力壩。?4、按壩體結(jié)構(gòu)型式分類:實體重力壩寬縫重力壩；空腹（腹孔）重力壩；預應力錨固重力壩；裝配式重力壩；支墩壩（大頭壩、連拱壩、平板壩）。?

5、按施工方法分類:有澆筑混凝土重力壩和碾壓混凝土重力壩。碾壓混凝土重力壩剖面與實體重力壩剖面類似。五、重力壩的分類第二節(jié)重力壩上的作用及作用效應組合作用自重靜水壓力動水壓力揚壓力泥沙壓力浪壓力冰壓力地震力重力壩荷載組合?

作用：?

指外界環(huán)境對水工建筑物的影響。?

１、按時間的變異分永久作用、可變作用、偶然作用。?

２、按建筑物對外界作用的效應的原因分：直接作用和間接作用。?

所謂直接作用是指直接施加在結(jié)構(gòu)上的分布力或集中力，亦可稱“荷載”；間接作用則指因外部環(huán)境（改變）的原因使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加變形或約束變形，如溫度地震作用

等。?

結(jié)構(gòu)上的各種作用，按其隨時間的變異分三種：?

（1）永久作用：是指在設(shè)計基準期內(nèi)，其量值不隨時間變化或其變化與平均值相比可忽略不計的作用。包括：結(jié)構(gòu)自重；土壓力淤沙壓力；圍巖壓力預應力等。第二節(jié)重力壩上的作用及作用效應組合?

（2）可變作用：指在設(shè)計基準期內(nèi)量值隨時間變化，且變化與平均值相比不可忽略的作用；包括:靜水壓力、揚壓力、動水壓力、浪壓力、外水壓力、風雪荷載、冰壓力、溫度作用、灌漿壓力等。?

（3）偶然作用：指在設(shè)計基準期內(nèi)出現(xiàn)概率很小，一旦出現(xiàn)量值很大且持續(xù)時間很短的作用，?

包括：地震作用、校核洪水位時的靜水壓力等。?

采用分項系數(shù)設(shè)計方法時，設(shè)計表達式中作用變量所采用的值，稱為設(shè)計代表值。?

對永久作用和可變作用的代表值應采用作用的標準值，偶然作用的代表值按有關(guān)規(guī)范確定。第二節(jié)重力壩上的作用及作用效應組合作用于重力壩的主要荷載有：①自重；②靜水壓力；③揚壓力；④動水壓力；⑤冰壓力；⑥泥沙壓力；⑦浪壓力；⑧地震力；⑨溫度及其他荷載。第二節(jié)重力壩上的作用及作用效應組合建筑物的結(jié)構(gòu)自重標準值,可按結(jié)構(gòu)設(shè)計及材料重施工詳圖階段由現(xiàn)場砼試驗決定；當計算深層滑動時，還應考慮巖體的自重計算自重時，壩上永久性的固定

設(shè)備，如閘門、固定式啟閉機的重量也應計算在內(nèi)，

壩內(nèi)較大的孔洞應該扣除。壩體自重的作用分項系數(shù)

為1.0。永久設(shè)備自重的作用分項系數(shù)，當其作用效應對結(jié)構(gòu)不利時采用1.05，有利時采用0.95。?

24

K；N

/m

3度計算確定，初步設(shè)計時可取砼重度為?C一、自重?作用在壩面上的靜水壓力可按靜水力學原理計算，分為水平及垂直力分別進行計算。水平力：P1=(1/2)

rH12P２=(1/2)rH22垂直力：

W３=rA1W

４=(1/2)rmH22二、靜水壓力?在溢流面上作用有動水壓力，壩頂曲線和下游面直線段上的動水壓力很小，可忽略不計。只計算反弧段上的動水壓力。?計算時假定水流為勻速流，流速為V，如果忽略水重W，側(cè)面水壓力p1和p2

，則可以直接由動量方程求出作用于整個反弧上的水壓力水平分量和垂直分量。三、動水壓力?式中：q

—相應反弧段上的單寬流量(m3/s.m)；r—水的密度；v—反弧段最低處的斷面平均流速(m/s)；?1、壩底揚壓力形成原因：?

①上下游水位差；?

②砼、巖石都是透水材料。?由于基巖節(jié)理裂隙很不規(guī)則，難以求出壩底揚壓力的準確分布，故通常加定揚壓力從壩踵到壩趾成直線變化。?α

為揚壓力折減系數(shù)與巖體的性質(zhì)和構(gòu)造，帷幕深度和厚度，灌漿的質(zhì)量，排水孔的直徑、間距、深度等有關(guān)。?規(guī)范規(guī)定：河床壩段α=0.2

～0.3;岸坡壩段α=0.3

～0.42、壩身揚壓力壩身排水管折減系數(shù)α3=0.15～0.3四、揚壓力壩身揚壓力圖3、壩底揚壓力圖：?水庫蓄水后，入庫水流挾帶泥沙，逐年淤積在壩前，對壩面產(chǎn)生泥沙壓力。?淤積高程，根據(jù)河流的挾沙量和規(guī)定的淤積年限進行估算，年限可取50-100年。?按土力學公式計算，參照一般經(jīng)驗取數(shù)據(jù)五、泥沙壓力六、浪壓力水面在風作用下，形成波浪產(chǎn)生壓力，稱浪壓力。

1.波浪要素平均波高(hm)，平均坡長（

Lm

），平均波周期（

Tm

）；其值大小與水面尺寸、形狀、風力、、庫區(qū)的地形等有關(guān)。當壩（閘）迎水面垂直時，反射作用形成駐波，其波高為2

hm，波長不變。波浪幾何要素圖2．波浪要素計算1）對濱海地區(qū)、平原水庫等用莆田公式當當????? ?

?2

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?2）對內(nèi)陸峽谷水庫，宜按官廳公式計算：時，為頻率5%的波高h5%

。時，為頻率10%波高h10%。波浪受風速等影響，波浪參數(shù)并非定值。不同波高所對應的超值累積頻率為P%的數(shù)值不同。在I、II、II級I建筑物的設(shè)計中，宜用合適的超值累積頻率為P%的波高hp計算波浪壓力。累積頻率波高hp與平均波高

hm的關(guān)系可按表2-1進行換算。1)

3(ooov

2gDv

12v

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0

.00761)3.75ooovgD2vgLm2?1?

0.331v

2.15

(ov2式中：當gD

=20-250ov2式中：當gD

250-1000=表2-1累積頻率波高hp與平均波高Hm的比值00.10.20.30.40.5p(%)0.1

12345101320502.972.422.232.112.021.951.711.611.430.942.702.262.092.001.921.871.651.561.410.942.460.982.231.002.011.781.681.641.601.561.441.391.301.011.801.631.561.521.491.461.371.331.251.01hp/Hm?

對計算風速，指水面以上10m高處10min多年最大平均風速，當測點在水面上Zm處，應乘以高度修正系數(shù)KZ

（見表2-2）251015201.251.101.00.960.90?水庫為正常和設(shè)計洪水位時，宜采用相應洪水期多年平均最大風速或采用重現(xiàn)期為50年一遇的年最大風速的1.5—2.0倍；校核洪水位時，宜采用相應洪水期最大風速的多年平均值。表2-2

風速高度修正系數(shù)高度(m

）修正系數(shù)3.波浪壓力計算?求出hm、hp、Lm等，并根據(jù)壩閘前水深，計算作用在壩閘上的波浪壓力。1）當水深H

≥Hcr H

≥Lm/2時,浪壓力為：其中：4WK

W

m

1%

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L

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)mmzLcthL2?H?h

21%h

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2?h1%?

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Lm4?45°時與鉛壩的迎水面傾斜，波浪的反射作用將減弱，當α＞直面情況相近作用在鉛直迎水面上的風浪壓力計算示意圖：2）當水深H≥HcrH＜Lm/2時,浪壓力為：建筑物底部浪壓力剩余強度：

3）當水深H＜Hcr時，浪壓力為：?PWK

??(h121%

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h1/101/201/301/401/501/601/801/1001.891.611.481.411.361.331.291.25水面處的浪壓力強度p0：底坡影響系數(shù)Ki，按表2-3采用表2-3底坡系數(shù)?1、靜冰壓力：在氣候嚴寒地區(qū)，冬季水庫表面結(jié)成冰蓋，但當氣溫回升時，冰蓋膨脹對邊界產(chǎn)生的擠壓力稱靜冰壓力?2、動冰壓力：當冰蓋解凍后，冰塊隨水流漂移，流冰撞擊壩面等建筑物上產(chǎn)生的撞擊力，稱動冰壓力七、冰壓力、地震作用概念：在地震區(qū)建壩，必須考慮地震的影

響。地震時，地震力施加于結(jié)構(gòu)上的動態(tài)作用。重力壩抗震計算應考慮的地震作用為：應包括建筑物自重及其上部永久設(shè)備自重所產(chǎn)生的地震慣性力；地震作用于庫內(nèi)水介質(zhì)后而產(chǎn)生的地震動水壓力以及地震動土壓力。一般情況下，進行抗震計算時的上游水位可采用正常蓄水位。地震對建筑物的影響程度，常用地震烈度表示。地震烈度分為12度。烈度越大，對建筑物的破壞越大，抗震設(shè)計要求越高。、在考慮地震作用時，常用到地震的基本烈度和設(shè)計烈度。基本烈度是指建筑物所在地區(qū)在50年期限內(nèi)，一般場地條件下，可能遭遇超越概率P50為0.10的地震烈度。設(shè)計烈度：抗震設(shè)計時實際采用的地震烈度。八、地震作用力3、一般情況采用基本烈度作為設(shè)計烈度；對于Ⅰ級擋水建筑物，應根據(jù)其重要性和遭受震害后的危險性，可在基本烈度的基礎(chǔ)上提高一度。對于設(shè)計烈度為6度及其以下的地區(qū)不考慮地震荷載；設(shè)計烈度在7～9度（含7度和9度）時，應考慮地震荷載；設(shè)計烈度在9度以上時，應進行專門研究。對設(shè)計烈度為6度以上超過200m的高壩和設(shè)計烈度7度以上，超過150m的大（1）型工程，其抗震設(shè)防依據(jù)應根據(jù)專門的地震危險性分析成果評定。校核烈度應比設(shè)計烈度高1/2或1度，也可以用該地區(qū)最大可能烈度進行校核，此時允許局部破壞但不危及整體安全。1、基本荷載：壩體及設(shè)備自重正常蓄水位或設(shè)計洪水位時的靜水壓力對應于（

2）的揚壓力泥沙壓力相應的浪壓力冰壓力土壓力相應于防洪高水位時的動水壓力。九、重力壩的荷載組合2、特殊荷載（偶然作用——頻率低，作用時間短）相應于校核洪水位時的上、下游靜水壓力其他出現(xiàn)機會較多的荷載相應校核洪水位的揚壓力相應校核洪水位的浪壓力相應校核洪水位的動水壓力地震作用其他出現(xiàn)機會較少的荷載第三節(jié)重力壩的可靠度設(shè)計原理簡介水工結(jié)構(gòu)設(shè)計的目是保證結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足安全性、適用性、耐久性的要求，而結(jié)構(gòu)的安全性、適用性、耐久性則構(gòu)成了結(jié)構(gòu)的可靠性，也稱為結(jié)構(gòu)的基本功能要求。分項系數(shù)承載能力極限狀態(tài)的基本組合設(shè)計表達式QG

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??承載能力極限狀態(tài)的偶然組合設(shè)計表達式K?

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?正常使用極限狀態(tài)設(shè)計表達式：?

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4c2?短期效應組合長期效應組合式中：S（●）——作用效應函數(shù)R

（●）——結(jié)構(gòu)抗力函數(shù)；第四節(jié) 重力壩的穩(wěn)定分析一、重力壩滑動失穩(wěn)模式二、重力壩的抗滑穩(wěn)定計算三、提高壩體抗滑穩(wěn)定性的工程措施?

重力壩主要依靠自身重力維持穩(wěn)定。因此抗滑穩(wěn)定分析是設(shè)計中的重要課題。?

重力壩可能沿壩基平面滑動，也可能沿地基中緩傾角斷層或軟弱夾層滑動。?

按照目前的設(shè)計方法，高度H小于100m的重力壩，控制剖面尺寸常常是穩(wěn)定而不是應力。?

目前的計算公式大都是半徑驗性的，因為影響因素很多。一、重力壩滑動失穩(wěn)模式表面滑動淺層滑動深層滑動我國修建了大中型重力壩100余座，其中有1/3存在深層滑動問題。一、重力壩滑動失穩(wěn)模式(一)壩基面抗滑穩(wěn)定極限狀態(tài)重力壩依靠自重等作用在壩體與基巖膠結(jié)面上產(chǎn)生的摩擦力與粘聚力來維持滑移穩(wěn)定,當水平力足夠大時,摩擦力與粘聚力就達到其抗剪斷強度,此時,該平衡將達到極限狀態(tài).(二)壩體層面的抗滑穩(wěn)定極限狀態(tài)重力壩的施工是分層澆筑，水平施工縫也是抗滑(抗剪斷)相對薄弱面.因此，重力壩設(shè)計中也要對層面進行抗滑穩(wěn)定計算.(三)壩基深層抗滑穩(wěn)定極限狀態(tài)在很多情況下，重力壩的最危險滑動面往往不在壩身與地基的接觸面，而是在地基內(nèi)部。因為基巖內(nèi)經(jīng)常有各種形式的軟弱面存在,壩體將帶動一部分基巖沿這些軟弱面滑動,即所謂的深層滑動.?1、分項系數(shù)法介紹?是在分項系數(shù)極限狀態(tài)設(shè)計式中?？紤]結(jié)構(gòu)安全級別、設(shè)計狀況、作用(荷載)和材料性能的變異性以及計算模式不定性與目標可靠指標相聯(lián)系的系數(shù)。?分項系數(shù)的設(shè)置應能保證各種水工結(jié)構(gòu)設(shè)計的計算可靠指標盡可能地逼近目標可靠指標．且誤差絕對值的加權(quán)平均值也為最小。二、重力壩的抗滑穩(wěn)定計算2、分項系數(shù)法基本公式?

新發(fā)布的電力行業(yè)標準DL5108-1999《混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范》于2000年7月起開始實施，它是按國家標準

GB50199-94《水利水電工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標準》規(guī)定的原則進行全面編制修訂的。? 與原設(shè)計規(guī)范相比，用概率極限狀態(tài)設(shè)計法代替了定值設(shè)計法，用分項系數(shù)極限狀態(tài)表達式代替單一安全系數(shù)表達式。即以結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ０、設(shè)計狀況系數(shù)φ、作用分項系數(shù)γｆ 、材料性能分項系數(shù)γｍ和結(jié)構(gòu)系數(shù)γｄ來代替設(shè)計的安全系數(shù)Ｋ。2、分項系數(shù)法基本式規(guī)范DL5108-1999規(guī)定對承載能力驗算表達式為1kmd1kR

(

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G

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Q

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)?GGγγQGKKγφQKfKαγm永久作用分項系數(shù)；可變作用分項系數(shù)；永久作用標準值；幾何參數(shù)標準值；

材料性能分項系數(shù)；γd1結(jié)構(gòu)重要性系數(shù);設(shè)計狀況系數(shù);可變作用標準值；材料性能標準值；基本組合結(jié)構(gòu)系數(shù)。10kd

2

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)★核算壩基面抗滑穩(wěn)定極限狀態(tài)時，應按材料的標準值和荷載的標準值或代表值分別計算基本組合和偶然組合兩種情況?！颯(·)為作用效應函數(shù)，此處取S(·)＝∑PR

為作用于滑動面之上的全部切向（包括滑動面之上的巖體）作用之和；★

R(·)為抗力函數(shù)，此處取R(·)＝∑f′R∑WR

cos+c′R

AR（∑WR滑動面上全部法向作用之和,f′R壩基面抗剪斷摩擦系數(shù)，c′R壩基面抗剪斷黏聚力）；3、分項系數(shù)法具體計算S

(?)

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C?傾向上游滑動面計算式：（一）壩基面抗滑穩(wěn)定水平滑動面計算式:R(?)?

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?CR?AR（二）壩體混凝土層面抗滑穩(wěn)定計算R(?)?

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Pc（三）深層抗滑穩(wěn)定分析深層滑動：地基內(nèi)往往存在著軟弱夾層或緩傾角斷層，壩體檔水后，有可能沿這些薄弱面產(chǎn)生滑動，就叫做深層滑動（三）深層抗滑穩(wěn)定分析?計算時選擇幾個比較危險的滑動面進行試算，然后做出比較分析判斷。目前尚無成熟的方法：單斜面深層滑動的計算雙斜面深層滑動除了增加壩體自重外，提高壩體抗滑穩(wěn)定的工程措施，主要圍繞著增加阻滑力、減少滑動力的原則，通過多方案技術(shù)經(jīng)濟比較，確定最佳方案組合。常采用以下工程措施。利用水重將壩基開挖成傾向上游的斜面在壩踵下設(shè)齒墻抽水措施加固地基利用預應力（7）其它措施三、提高壩體抗滑穩(wěn)定性的工程措施當壩底面與基巖間的抗剪強度參數(shù)較小時，常將上游壩面做成傾向上游的斜面，利用壩面上的水重來提高壩體的抗滑穩(wěn)定性。但應注意，上游壩面的坡度不宜過緩，否則，在上游壩面容易產(chǎn)生拉應力，對壩體強度不利。1.利用水重2.采用有利的開挖輪廓線開挖壩基時，最好利用巖面的自然坡度，使壩基面傾向上游。有時，有意將壩踵高程降低，使壩基面傾向上游，但這種做法將加大上游水壓力，增加開挖量和混凝土澆筑量，故很少采用。當壩基比較堅固時，可以開挖成鋸齒狀，形成局部的傾向上游的斜面，這種方法已廣泛采用。壩基開挖輪廓3.設(shè)置齒墻當基巖內(nèi)有傾向下游的軟弱面時，可在壩踵部位設(shè)齒墻，切斷較淺的軟弱面加大了滑動體重量，又增加了滑動面的面積，同時也增大了抗滑體抗力。4.抽水措施當下游水位較高，壩體承受的浮托力較大時，可考慮在壩基面上設(shè)置排水系統(tǒng)，定時抽水以減少壩底浮托力。如：我國的龔嘴工程，下游水深達30m，采取抽水措施后，浮托力只按10m水深計算，節(jié)省了壩體混凝土澆筑量。5.加固地基：帷幕灌漿、固結(jié)灌漿以及斷層、軟弱夾層的處理等。

6.預加應力措施在靠近壩體上游面，采用深孔錨固高強度鋼索，并施加預應力，既可增加壩體的抗滑穩(wěn)定，又可消除壩踵處的拉應力，國外有些支墩壩，在壩趾處采用施加預應力的措施，改變合力R的方向，使ΣPV

/ΣPH增大，從而提高了壩體的抗滑穩(wěn)定性。其它措施橫縫灌漿：將部分壩段或整個壩體的橫縫進行局部或全部灌漿，以增強壩的整體性和穩(wěn)定性。防滲排水在壩基內(nèi)布置防滲排水幕、保證排水暢通，降低揚壓力，有利于穩(wěn)定。空腹拋石如果是空腹重力壩或?qū)捒p重力壩，可在空腔內(nèi)填塊石，提高壩體穩(wěn)定性。第五節(jié) 重力壩斷面設(shè)計一、設(shè)計原則二、基本剖面三、實用剖面四、實用斷面的優(yōu)化設(shè)計第五節(jié) 重力壩斷面設(shè)計重力壩的基本斷面一般是指在水壓力(水位與壩頂齊平)、自重和揚壓力等主要荷載作用下，滿足穩(wěn)定、強度要求的最小三角形斷面。一、設(shè)計原則1、滿足穩(wěn)定和強度要求2、工程量少、外形輪廓3、便于施工4、運用方便