第二节 非溢流重力坝的剖面设计
非溢流重力坝剖面型式、尺寸的确定，将影响到荷载的计算、稳定和应力分析，因此，剖面设计以及其他相关结构的布置，是重力坝设计的关键步骤。
一、剖面设计的基本原则与步骤
非溢流坝剖面设计的基本原则：①满足稳定和强度要求，保证大坝安全；②工程量小，造价低；③结构合理，运用方便；④利于施工，方便维修。
图2－4 重力坝的基本剖面
剖面拟定的步骤：首先拟定基本剖面；其次根据运用以及其他要求，将基本剖面修改成实用剖面；最后按规范要求对实用剖面进行应力分析和稳定验算，经过几次反复修正和计算后，得到合理的设计剖面。
二、基本剖面
重力坝承受的主要荷载是静水压力，控制剖面尺寸的主要指标是稳定和强度要求。作用于上游面的水平水压力呈三角形分布，重力坝的基本剖面为与水平水压力对应的、上游近于垂直的三角形，如图2－4所示。
理论分析和工程实践证明，混凝土重力坝上游面可做成折坡，折坡点一般位于1/3～2/3坝高处，以便利用上游坝面水重增加坝体的稳定性；上游坝坡系数常采用n＝0～0.2，下游坝坡系数常采用m＝0.6～0.8，坝底宽约为B＝（0.7～0.9）H（H为坝高或最大挡水深度）。基本剖面的拟定常采用工程类比法。
三、实用剖面
基本剖面拟定后，要进一步根据作用在坝体上的荷载以及运用条件，并考虑坝顶交通、设备和防浪墙布置，施工和检修等综合需要，把基本剖面修改成实用剖面。
（一）坝顶宽度
为了满足运用、施工和交通的需要，坝顶必须有一定的宽度。当有交通要求时，应按交通要求布置。一般情况坝顶宽度可采用坝高的8%～10%，且不小于3m。碾压混凝土坝坝顶宽不小于5m；当坝顶布置移动式启闭机时，坝顶宽度要满足安装门机轨道的要求。
（二）坝顶高程
为了交通和运用管理的安全，非溢流重力坝的坝顶应高于校核洪水位，坝顶上游的防浪墙顶的高程应高于波浪高程，其与正常蓄水位或校核洪水位的高差Δh由下式确定：
式中 Δh——防浪墙顶至正常蓄水位或校核洪水位的高差，m；
h1%——超值累积频率为1%时波浪高度，m；
hz——波浪中心线高出正常蓄水位或校核洪水位的高度，m；
hc——安全超高，m，查表2－1。
表2－1 安全超高hc 值表单位：m
波浪的几何要素如图2－5所示，波高hl为波峰到波谷的高度，波长L为波峰到波峰的距离，因空气阻力比水的阻力小，所以波浪中心线高出静水面一定高度hz。
图2－5 波浪几何要素及风区长度
（a）波浪要素；（b）、（c）风区长度
由于影响波浪的因素很多，目前主要用半经验公式确定波浪要素。下列官厅水库公式适用于峡谷水库。
式中 v0——计算风速，m，是指水面以上10m处10min的多年最大风速平均值，水库为正常蓄水位和设计洪水位时，宜采用相应洪水期多年平均最大风速的1.5～2.0倍，校核洪水位时，宜采用相应洪水期最大风速的多年平均值；
D——风区长度（有效吹程），m，是指风作用于水域的长度，为自坝前沿风向到对岸的距离；当风区长度内水面由局部缩窄，且缩窄处的宽度B小于12倍计算波长时，用风区长度D＝5B（也不小于坝前到缩窄处的距离）；水域不规则时，按规范要求计算。
式中 H——坝前水深，m。
事实上波浪系列是随机的，即相继到来的波高有随机变动，是个随机过程。天然的随机波列用统计特征值表示，如超值累计频率（又称保证率）为P，波高值以hP表示，即超高值累计频率为1%、5%的波高记为h1%、h5%。
官厅水库公式所得波高hl累计频率为5%，适用于v0＜20m/s，D＜20km，且
＝20～250的情况。推算1%波高需乘以1.43。波浪几何要素的计算详见DL 5077—1997《水工建筑物荷载设计规范》。
因设计与校核情况计算hl和hz用的计算风速不同，查出的安全超高值hc不同，故Δh的计算结果不同，因此坝顶上游防浪墙墙顶高程按下式计算，并选用较大值作为选定高程：
坝顶或防浪墙顶高程＝设计洪水位＋Δh设
坝顶或防浪墙顶高程＝校核洪水位＋Δh校
式中Δh设、Δh校按式（2－1）分别计算。
（三）坝顶布置
坝顶结构布置（图2－6）的原则是安全、经济、合理、实用，故有下列布置型式：①坝顶部分伸向上游；②坝顶部分伸向下游；③坝顶建成矩形实体结构，必要时为移动式闸门启闭机铺设隐型轨道。坝顶排水一般都排向上游。坝顶常设防浪墙，高度一般为1.2m，厚度应能抵抗波浪及漂浮物的冲击，与坝体牢固地连在一起，防浪墙在坝体分缝处也留伸缩缝，缝内设止水。
图2－6 坝顶结构布置
1—防浪墙；2—公路；3—起重机轨道；4—人行道；5—坝顶排水管；6—坝体排水管；7—最高水位
（四）实用剖面型式
根据坝顶布置的需要，坝体实用剖面的上游坝面，常采用以下三种型式。
（1）铅直坝面。上游坝面为铅直面，便于施工，利于布置进水口、闸门和拦污设备，但是可能会使下游坝面产生拉应力，此时可修改下游坝坡系数m值。
（2）斜坡坝面。当坝基条件较差时，可利用斜面上的水重，提高坝体的稳定性。
（3）折坡坝面。是最常用的实用剖面。既可利用上游坝面的水重增加稳定，又可利用折坡点以上的铅直面布置进水口，还可以避免空库时下游坝面产生拉应力，折坡点（1/3～2/3坝前水深）处应进行强度和稳定验算，如图2－7所示。
图2－7 非溢流重力坝实用剖面型式
（a）上游铅直坝面；（b）上游斜坡坝面；（c）上游折坡坝面
实用剖面应该以剖面的基本参数为依据，以强度和稳定为约束条件，建立坝体工程量最小的目标函数，进行优化设计，确定最终的设计方案和相关尺寸。