中小型水库大坝安全评价毕业论文.doc

目 录摘要.1前言31 绪论51.1 水库大坝安全状况51.2 评价范围51.3 评价报告内容52 结构安全评价72.1 土石坝结构安全评价72.1.1 土石坝的结构病害特点72.1.2 土石坝结构安全评价内容82.1.3 评价方法82.1.4 评价标准82.1.5 土石坝坝坡稳定计算方法92.2 重力坝结构安全评价132.2.1 重力坝结构病害特点132.2.2 评价内容142.2.3 评价方法142.2.4 评价标准142.2.5 重力坝稳定和应力计算163 大坝渗流安全评价223.1 土石坝的渗流安全评价233.1.1 土石坝的渗流病害特点233.1.2 评价内容233.1.3 评价方法233.1.4 评价标准243.1.5 土石坝渗透变形的判别263.1.6 渗流变形判别方法273.1.7 土石坝渗流计算分析303.2 混凝土坝的渗流安全评价393.2.1 混凝土坝的渗流病害特点393.2.2 评价内容403.2.3 评价方法403.2.4 评价标准413.3 综合评价464 日常巡视检查464.1 日常巡视检查项目464.1.1 水库防洪调度464.1.2 坝基464.1.3 大坝坝体474.1.4 水库475 定量评价485.1 工程概况485.2 稳定性评价485.3 应力评价52致 谢57参 考 文 献58摘要 水库大坝安全评价一般应编制工程质量评价报告、大坝运行管理评价报告、防洪标准复核报告、结构安全评价报告、渗流安全评价、抗震安全评价报告、金属结构安全评价报告等7个报告和大坝安全综合评价报告。由于时间所限，本次毕业设计从定性和定量两个方面对中小型水库大坝进行安全评价。中小型水库大坝定性评价包括结构安全评价、渗流评价和日常巡视评价。结构安全评价的内容包括应力变形及稳定分析，其中土石坝的重点是变形及稳定分析；混凝土坝及泄水输水的重点是应力及稳定分析。渗流安全评价的任务是复核原设计、施工的渗流控制措施和当前的实际渗流状态能否保证大坝安全运行。日常巡视评价就是对水库大坝的各个部位进行检查，以及时发现问题，尽早解决问题。以QW大坝为工程实例，由于时间所限，仅从稳定和强度两个方面对中小型水库大坝进行定量评价。稳定性评价使用抗剪强度公式，评价结果满足要求；强度评价使用的是材料力学法，评价结果符合要求。关键词：结构安全 渗流安全 日常巡视 抗滑稳定 材料力学法前言 我国现有水库8.5万余座，大多建于20世纪50-70年代，这些水库在调节利用水资源、除害兴利、促进国民经济发展和保障人民生命财产安全中发挥了重要的作用。但是，由于水库当时建设时期物资相对匮乏，技术水平相对落后，且大都为“三边”工程，工程质量很差，导致大量水库存在病险情和不安全因素。据统计，水利系统管理的水库约8.3万座，其中，病险水库约3万余座，约占水库总数的40%左右，这不但严重影响了水库大坝效益的发挥，而且严重威胁着水库下游人民的生命财产安全。安全评价包括大坝运行管理评价、工程质量评价、防洪标准复核、结构安全评价、大坝渗流安全评价、抗震安全评价、金属结构安全评价、工程地质勘察复核、现场安全检查和大坝综合评价。这些安全评价归结起来，分为定性评价和定量评价两部分。本设计主要从变形、渗流和日常巡视三方面进行定性评价，主要从抗滑稳定分析和强度计算进行定量评价。抗滑稳定分析是重力坝设计的一项重要内容，其目的是核算坝体沿坝基面或坝基内部缓倾角软弱结构面抗滑稳定的安全度。因为重力坝沿坝轴线方向用横缝分隔成若干个独立的坝段，所以稳定分析可以按平面问题进行。但对于地基中存在多条互相切割交错的软弱面构成空间滑动体或位于地形陡峻的岸坡段，则应按空间问题进行分析。重力坝的失稳破坏过程是比较复杂的，理论分析、试验原型观测结果表明，位于均质坝基上的混凝土重力坝沿坝基面的失稳机理是：首先在坝踵处基岩和胶结面出现微裂松弛区，随后在坝址处基岩和胶结面出现局部区域的剪切屈服，进而屈服范围逐渐增大并向上游延伸，最后，形成滑动通道，导致坝的整体失稳。进行抗滑稳定分析常用的公式有抗剪强度公式和抗剪断公式，本设计使用的为抗剪强度公式。重力坝应力分析的目的是为了检验大坝在施工期和运用期是否满足强度要求，同时也是为研究、解决设计和施工中的某些问题，如为坝体混凝土标号分区和某些部位的配筋等提供依据。应力分析的过程是：首先进行荷载计算和荷载组合，然后选择适宜的方法进行应力计算，最后检验坝体各部位的应力是否满足强度要求。应力分析方法有很多种，包括模型试验法、材料力学法、弹性理论的解析法、弹性理论的差分法和弹性理论的有限元法。本设计使用的是材料力学法，这是应用最广、最简便，也是重力坝设计规范中规定采用的计算方法。材料力学法不考虑地基的影响，假定水平截面上的正应力按直线分布，使计算结果在地基附近约1/3坝高范围内，与实际情况不符，但这个方法有长期的实践经验。多年的工程实践证明，对于中等高度的坝，应用这一方法，并按规定的指标进行设计，是可以保证工程安全的。对于较高的坝，特别是在地基条件比较复杂的情况下，还应该同时采用其他方法进行应力分析。1 绪论1.1 水库大坝安全状况我国已建各类水库大坝8.6万多座，这些水库大坝在防洪、灌溉、供水、发电等方面发挥了巨大的效益。然而这些水库大坝大多建于20世纪50-70年代，普遍存在防洪标准低、工程质量差、管理维护不善、工程老化等问题。不难预见，对这些大坝进行除险加固处理将是必然的。然而，目前对水库大坝进行除险加固处理存在很大的随意性和隐蔽性。本课题基于变形和渗流监测资料的分析以及大坝日常巡视等对中小型大坝进行安全评价。1.2 评价范围根据导则规定，导则所指的“大坝”是包括永久性挡水建筑物以及与大坝安全有关的泄水、输水和过坝建筑物及金属结构等。大坝安全评价是针对大坝等水工建筑物结构、工程运行管理、工程质量等方面的系统评价，要求做到评价全面，重点突出。对于工程建筑物，一般包含主坝、副坝等挡水建筑物；溢洪道、泄水隧洞、管涵、灌溉渠首、供水取水口和电站进水口等与大坝安全有关的泄水、输水建筑物；以及与工程安全运用有关的过坝建筑物和金属结构等。近坝影响大坝安全、溢洪道泄流安全和消能防冲的岸坡也应纳入评价范围。1.3 评价报告内容水库大坝安全评价一般应编制工程质量评价报告、大坝运行管理评价报告、防洪标准复合报告（或称“防洪安全评价报告”）、结构安全评价报告、渗流安全评价、抗震安全评价报告、金属结构安全评价报告等7个报告和大坝安全综合评价报告。本设计将主要从结构安全评价、渗流安全评价、现场安全检查3个方面来进行阐述，并将结合实际工程实例对其在这三个方面进行评价。图1.1 评价内容流程图2 结构安全评价结构安全是水库大坝安全的基本要求，结构安全评价时首先应按国家安及行业现行规范复合计算目前大坝在静力条件下的稳定应力及变形，再根据现行有关规范综合评价其安全性。结构安全评价的内容包括应力变形及稳定分析，其中土石坝的重点是变形及稳定分析；混凝土坝及泄水输水的重点是应力及稳定分析。结构安全评价时，应综合现场检查勘察和监测资料分析工作，对以暴露出来的问题或异常情况进行重点复合计算。同时，应复核大坝现状实际工作条件与原设计相比是否发生变化，特别是随着时间的增长，材料力学性能是否衰变。对于运行时间不长，经过正规设计和审查的大坝，当大坝工作条件和材料性能未发生改变时，可适当简化有关复合计算。2.1 土石坝结构安全评价2.1.1 土石坝的结构病害特点a. 土质防渗体土石坝土质防渗体土石坝主要有均质坝心墙坝斜墙坝等，其结构安全主要包括坝坡是否稳定，坝顶宽度是否满足运行防汛交通要求，坝顶放浪墙是否连续满足防渗要求，以及大坝变形是否导致不均匀沉降乃至裂缝。b. 非土质防渗体土石坝非土质防渗体土石坝常见坝型主要为钢筋混凝土面板坝沥青混凝土心墙或面板坝。1） 钢筋混凝土面板坝土面板堆石坝是近年来迅速发展的一种坝型。混凝土面板堆石坝具有坝体断面小安全性好施工方便工期短导流简化造价低等优点。早期的面板堆石坝采用厚层抛填的方法填筑，密实度不高，蓄水后变形量大，面板易裂缝及接缝张开而发生严重渗漏。2） 沥青混凝土心墙及面板坝沥青混凝土心墙或面板坝主要病害是沥青混凝土心墙或面板开裂产生渗漏。2.1.2 土石坝结构安全评价内容土石坝结构安全评价的主要内容包括坝体变形和坝坡稳定的分析复核。坝体变形分析主要项目有沉降分析水平位移分析裂缝分析等，必要时进行应力应变分析。2.1.3 评价方法 a. 变形分析变形分析方法或途径有变形监测资料分析和变形计算分析，两者应相互验证和补充。对有变形监测资料的大坝，首先应作监测资料分析；当缺乏变形监测资料且大坝已发生异常变形和开裂的，或沿坝轴线地址条件变化较大有开裂疑虑的，可进行变形计算分析。 b. 坝坡稳定计算分析坝坡抗滑稳定计算采用刚体极限平衡法。对于均质坝厚斜墙坝和厚心墙坝，采用计及条块间作用力的简化毕肖普法；对于有软弱夹层薄斜墙薄心墙坝的坝坡稳定分析，可采用满足力和力矩平衡的摩根斯顿普赖斯法。对于有软弱土夹层的情况，以及薄斜强和薄心墙，或有明显薄弱施工接合面的坝，应采用折线滑动静力计算方法或滑楔法计算坝坡抗滑稳定安全系数。坝坡安全稳定系数有多极值特性，滑动破坏面应在不同位置进行分析比较，直到求得最小稳定安全系数。土石坝结构安全评价应分别计算正常运用条件和非正常运用条件时，稳定渗流期的上下游坝坡和水库水位降落期的上游坝坡稳定性。有土工膜做成的斜墙土石坝，除应进行沿有关部位的坝坡和坝基稳定分析外，并应沿土工膜和土的接触带进行稳定分析。2.1.4 评价标准1）坝体变形土石坝坝体变形目前尚难给出具体的评价标准，一般要求对变形监测资料及坝体裂缝情况综合评价，并分析坝体是否会产生裂缝。2）坝坡稳定坝坡稳定分析是土石坝结构安全评价的重要手段。根据碾压式土石坝设计规范（SL2742001），当采用简化毕肖普法和滑楔法（假定滑楔之间作用力平行于坡面和滑底斜面的平均坡度时）计算的坝坡抗滑稳定最小安全系数不满足表5.1要求时，其安全性不满足要求。表2.1 坝坡抗滑稳定最小安全系数表 运用 条件 工程等级1234正常运用条件1.501.351.301.25非正常运用条件1.301.251.201.15当采用瑞典圆弧法和滑楔法（假定滑楔之间作用力为水平方向）计算坝坡抗滑稳定安全系数时，对1级坝正常运用条件最小安全系数应不小于1.30，其他情况比表1.1规定的数值可减小8%。2.1.5 土石坝坝坡稳定计算方法a. 坝坡失稳状态和稳定计算方法土石坝失稳破坏状态主要有滑坡、液化、塑性流动。为保证土石坝安全运行，三种失稳状态都是不允许发生的。对于运行一段时间的土石坝，要通过计算来复核运行中的土石坝是否具有足够的稳定性，评价其安全状况。土石坝的安全评价要进行坝坡滑动或坝体连同部分坝基滑动情况的抗滑稳定验算；地震区砂性地基或坝体中的砂性土区域则要进行抗液化的动力分析；而塑性流动现象的防止主要应在筑坝材料设计和地基处理设计方面有相应的对策。坝坡稳定复核的分析方法大致有两类，即滑动面法和应力应变分析法。滑动面法理论存在以下缺点：假设的滑动面形状未必复合实际；有限个滑动面的计算结果未必能找出最小安全度的滑动面所在；在力学上滑动体基本上按刚体极限平衡分析也与实际有距离。应力应变法没有上述这些明显缺点，精度较高，且成果包括计算区域所有各点的应力和变形，除稳定验算外还可用于坝的其他设计、计算项目。不过应力应变分析法所依据的塑形理论尚在研究发展之中，采用的本构关系模型受人为因素的影响较大。滑动面法的优势是有较多的工程验证类比资料，而且滑动体受力直观明确，计算方便。所以现行规范关于最小抗滑稳定安全系数的定量规定，都是采用滑动面法验算给出的；而对应力应变分析法，规范尚未给出验算稳定安全度的定量判据。b. 作用荷载及工况组合1）作用力特点作为挡水建筑物，土石坝会受到自重、水荷载等作用；作为可通过渗流的散粒体结构，它又受到渗透力、孔隙压力等作用；在地震区的土石坝还要受到地震作用。2）计算工况土石坝结构安全评价（不含抗震安全评价）应考虑以下两种计算工况和荷载组合。（1）稳定渗流期，主要荷载是自重与渗透力。由于这时渗透力指向下游，常只要复核下游坝坡的稳定。（2）库水位降落期，主要荷载是自重、渗透力与空隙压力。由于这时渗透力指向上游，主要验算上游坝坡的稳定。c. 土体抗剪强度指标的取值土体抗剪强度指标应取筑坝土样，通过剪切试验，并且绘抗剪强度包络线求取。但剪切试验方法有多种，同一工况还可能有不同的计算方法。计算方法的不同主要考虑孔隙压力有两种方法，其一是总应力法，其二是有效应力法。总应力法使孔隙压力对土体抗剪强度的影响笼络地暗含于实际上降低了的抗剪强度指标中，抗剪强度可简单地表示为 有效应力法则将总应力扣除孔隙压力视为可产生抗剪摩擦力的有效应力，这时相应的指标是符合土体颗粒骨架实际的有效的摩擦系数和凝聚力，有效抗剪强度的表达式为 抗剪强度指标的测定和采用的方法可按表1.2选用。 黏性土料抗剪强度指标大于11组应采用小值平均值确定，对坝壳堆石料、砾石土等粗粒料，以及粘性土在试验组数较少的情况下，可根据试验成果和参考类似工程确定。 坝坡稳定复核时，稳定渗流期应采用有效应力法，库水位降落期应同时用有效应力法和总应力法，以较小的安全系数为准。表2.2 抗剪强度指标的选取控制稳定的时期强度计算方法 土 类使用仪器试验方法与代号 强度指标 备注稳定渗流期和水库水位降落期 有效应力 法无黏性土直剪仪慢剪（S）， 要预先饱和，浸润线以上的土不需要饱和三轴仪固结排水剪（CD） 黏性土直剪仪慢剪（S）三轴仪固结不排水剪测孔隙压力（CU）,或固结排水剪（CD） 总应力法黏性土渗透系数小于cm/s直剪仪固结快剪（R），水库水位降落期任何渗透系数三轴仪固结不排水剪（CU）d. 瑞典圆弧法均质坝、厚心墙坝和厚斜墙坝的可能滑动面都近似圆弧。因此，假定坝体或坝基有一系列圆柱形破坏面，按平面问题考虑即为圆弧面。圆弧内的土体绕其圆心转动稳定性若能满足则表示坝坡稳定，即土体绕圆心的抗滑力大于滑动力矩，否则边坡丧失稳定。坝坡稳定计算时首先确定坝体浸润线的位置。然后在不同的区域采用不同的物理力学性能指标。坝体浸润线以上采用湿重度，下游水位以下用浮重度。考虑渗透力的作用时，可采用替代重度法代替渗透力的作用。对浸润线以下，下游水位以上的坝体，计算滑动力 矩时用饱和重度，计算抗滑力矩时则用浮重度。 图2.1 坝坡稳定计算示意图 将圆弧内土体分成若干条，土条宽度b取为R的分数，即b=R/m，m一般取1020.以i土条为例，其自重为Gi=（）b，GI在滑弧上可分解为切向分力和法向力。忽略条块间的相互作用，边坡的稳定安全系数为土条编号的方法以圆心正下方的一条为i=0，并依次向上游为i=1,2,3，.，向下游为i=-1，-2，-3，.，于是有：因此 如需要考虑孔隙压力的作用，可用总应力法或有效应力法，总应力法计算抗滑力时采用快剪或三轴不排水剪强度指标。对于高坝，用有效应力法更符合实际。计算滑动面的抗滑力时，采用有效强度指标和，坝坡的稳定安全系数为式中 uii土条弧面上孔隙压力。最危险圆弧位置的确定要按照一定的方式，取一系列的滑动面复核比较，求出最小安全系数，相应的滑动面即为最危险或具有最小安全系数的滑动面。 e. 简化毕肖普法1955年毕肖普提出了只考虑土条间水平力作用而忽略竖向力作用的简化法，其安全系数为其中 式中Kc出现等式左右两边，故只能用试算或迭代法求解。2.2 重力坝结构安全评价2.2.1 重力坝结构病害特点 重力坝一般为混凝土或砌石结构，运行一定时间后容易出现以下一些结构病害现象：（1）地基未作认真处理，或者地基恶化，导致大坝沿建基面抗滑稳定不能满足要求。（2）坝基防渗帷幕不能满足要求，渗漏严重，排水不畅，坝基扬压力超过设计采用值，降低坝体抗滑稳定安全性。（3）坝体表面、廊道、泄水管道以及闸墩等部位出现危害裂缝。（4）坝体混凝土出现严重碳化现象。（5）坝体混凝土强度严重降低。（6）砌石坝砌筑砂浆或细石混凝土不密实，石料风化严重，坝体整体性能降低。（7）坝体混凝土出现贯穿性裂缝，导致混凝土钙化物析出，坝体渗漏。2.2.2 评价内容 重力坝结构安全评价内容主要为抗滑稳定和结构安全评价。抗滑稳定复核包括沿建基面的抗滑稳定和沿坝基软弱夹层抗滑稳定性。强度复核主要包括应力复核与局部配筋计算。此外，还需对近坝库岸的稳定性进行复核和评价。2.2.3 评价方法混凝土坝结构安全评价方法主要有现场检查法、监测资料分析法及计算分析法。当有监测资料时，应优先采用监测资料分析法并结合现场检查与计算分析综合评价大坝的结构安全性；当缺乏监测资料时，可采用计算分析结合现场检查评价大坝的结构安全性。由于安全评价是对大坝现状安全的评价，因此必须重视和紧密结合大坝的工程现状与运行表现，避免评价工作变成纯设计复核或单纯的计算，应重视对观测资料的分析，计算分析还应结合大坝的运行表现进行。（1）现场检查法。（2）监测资料分析法。（3）计算分析法。2.2.4 评价标准 判断一座大坝结构上是否安全，应该首先观察大坝是否存在直观上的险情，然后再结合观测值和计算值是否超过或小于规范、设计、试验等规定的控制指标来综合评判大坝的结构安全性。三方面并不是孤立的，相互之间存在内在联系，例如现场检查发现问题部位的附近如果有观测设施，一般会在观测资料中得到有效反应，也可能是计算分析中应力、变形、稳定等不利的部位。对于混凝土重力坝，其结构安全评价标准如下：（1）在现场检查或观察中，如发现下列情况，可认为大坝结构不安全或存在安全隐患，应进一步监测，并进行进一步的检测及必要的计算分析。 1）坝体表面或孔洞、泄水管道等削弱部位以及闸墩等部位出现对结构安全有危害的裂缝。2）坝体混凝土出现严重碳化现象。3）在坝体表面或坝体内出现混凝土受压破碎现象。 4）坝体沿坝基面发生明显的位移或坝身明显倾斜。5）坝基下游出现隆起现象或两岸坝肩山体发生明显位移。6）坝基发生明显的变形或位移。7）坝基断层两侧出现明显相对位移。8）坝基或两岸出现大量渗水或涌水现象。9）当溢流坝泄流时，坝体发生共振。10）廊道内明显漏水。（2）当利用观测资料对大坝的结构安全进行评价时，如出现下列情况，可认为大坝结构不安全或存在隐患。 1）位移、变形、应力、裂缝开合度等实测资料超过有关规范或设计、试验规定的容许值。 2）位移、变形、应力、裂缝开合度等在设计或校核条件下的数学模型推算值超过有关规范或设计、试验规定的容许值。3）位移、变形、应力、裂缝开合度等观测值与作用荷载、时间、空间等因素的关系突然变化，与以往同样情况对比有较大幅度增长。（3）当采用分析计算法进行大坝结构安全评价时，重力坝的强度与稳定复核控制标准应满足混凝土重力坝设计规范（SL3192005）的要求，无论哪一项内容不符合规范规定的要求，均可认为大坝结构不安全或存在安全隐患。 1）沿建基面稳定复核当采用抗剪强度公式时，抗滑稳定安全系数应不小于表1.3规定的数值。2）混凝土重力坝坝基面在各种荷载组合情况下所承受的最大垂直正应力应小于坝基容许正应力（计算时分别计入扬压力和不计入扬压力）；最小正应力应大于0（计算时应计入扬压力）。3）混凝土重力坝坝体应力应满足以下要求：a.上游面的最小主应力（不计入扬压力）应满足0.025H，为库水容重（KN/m），H为坝面计算点的静水头（m）。b.坝体最大主压应力应不大于混凝土的容许压应力值。c.坝体内一般不容许出现主拉应力。宽缝重力坝离上游面较远的局部区域，可容许出现不超过混凝土容许拉应力的拉应力；在配置了钢筋的溢流堰顶部、廊道及其他孔洞周边可容许出现拉应力，但需进行配筋验算。2.2.5 重力坝稳定和应力计算 a. 坝基面抗滑稳定计算坝体沿建基面抗滑稳定应按抗剪断强度公式或抗剪强度计算坝基面的抗滑稳定安全系数。抗剪断强度的计算公式：式中 按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数；坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断摩擦系数；坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断凝聚力，kPa；坝基接触面截面积，；作用于坝体上全部荷载（包括扬压力，下同）对滑动平面的法向分值，kN；作用于坝体上全部荷载对滑动平面的切向分值，kN。抗剪强度的计算公式为 式中 按抗剪强度计算的抗滑稳定安全系数； 坝体混凝土与坝基接触面的抗剪摩擦系数。1级、2级坝结构安全评价时，应对原设计采用的坝体混凝土与坝基接触面之间的抗剪断摩擦系数、凝聚力和抗剪摩擦系数进行综合分析，必要时进行试验验证确定；3级以下的中、低坝，若无条件进行试验，可根据坝基地质条件，参照下表选用。表2.3 坝基岩体力学参数坝基岩体力学参数岩体分类混凝土与坝基接触面岩体1.50-1.301.50-1.300.85-0.751.60-1.402.50-2.0040.0-20.01.30-1.101.30-1.100.75-0.651.40-1.202.00-1.5020.0-10.01.10-0.901.10-0.700.65-0.551.20-0.801.50-0.7010.0-5.00.90-0.700.70-0.300.55-0.400.80-0.550.70-0.305.0-2.00.70-0.400.30-0.050.55-0.400.30-0.052.0-0.2注： 表中参数限制于硬质岩，软质岩应根据软化系数进行必要的折减。 b. 坝基面垂直应力计算 重力坝坝基截面的垂直应力应按下式计算：式中 坝踵、坝趾垂直应力，kPa；作用于坝段上或1m坝长上全部荷载（包括扬压力，下同）在坝基截面上法向力的总和，kN；作用于坝段上或1m坝长上全部荷载对坝基截面形心轴的力矩总和，A坝段或1m坝长的坝基截面积，；坝基截面上计算点到形心轴的距离，m。坝段或者1m坝长的坝基截面对形心轴的惯性矩，。 c. 坝基深层抗滑稳定计算 坝基深层存在缓倾角结构面时，根据地质资料可概化为单滑动面，进行抗滑稳定分析。双滑动面为最常见的情况，见下图。图2.2 双滑动面示意图深层抗滑稳定计算采用等安全系数法，应按抗剪断强度公式或抗剪强度公式进行计算。1. 抗剪断强度公式考虑ABD块的稳定，则有：考虑BCD块的稳定，则有：式中 、按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数； 作用于坝体上全部荷载（不包括扬压力，下同）的垂直分值，kN； 作用于坝体上全部荷载的水平分值，kN； 、分别为岩体ABD、BCD重量的垂直作用力，kN； 、分别为AB、BC滑动面的抗剪断摩擦系数； 、分别为AB、BC滑动面的抗剪断凝聚力，kPa； 、分别为AB、BC面的面积，； 、分别为AB、BC面与水平面的夹角；、分别为AB、BC、BD面上的扬压力，kN； 分别为BD面上的作用力，kN； BD面上的作用力与水平面的夹角，夹角值需经论证后选用，从偏于安全考虑可取。2. 抗剪强度公式计算 对于采用抗剪断强度公式计算仍不乏满足要求的坝段，可采用抗剪强度公式计算抗滑稳定安全系数，其安全系数指标经论证确定。考虑BCD块的稳定，则有：考虑BCD块的稳定，则有：式中 、按抗剪强度计算的抗滑稳定安全系数； 、分别为AB、BC滑动面的抗剪摩擦系数。通过以上两式及,求解、值。结构面、软弱层、断层等软弱结构面抗剪断摩擦系数、凝聚力和抗剪摩擦系数可根据其类型和形状参照下表选用。表2.4 结构面、软弱层和断层力学参数类别胶结的结构面0.800.600.2500.1000.700.55无充填的结构面0.700.450.1500.0500.650.40岩块岩屑型0.550.450.2500.1000.500.40岩屑夹泥型0.450.350.1000.0500.400.30泥夹岩屑型0.350.250.0500.0200.300.23泥0.250.180.0050.0020.230.18 d. 坝体应力计算重力坝坝体应力复核计算以材料力学法为主，有限元法为辅。材料力学法计算公式如下。（1） 上游面垂直正应力（参照下图）：式中 坝体计算截面上、下游方向的宽度； 计算截面上全部垂直力之和（包括扬压力，下同），以向下为正，对于实体重力坝，计算时取单位长度坝体（下同）； 计算截面上全部垂直力及水平力对于计算截面形心的力矩之和，以使上游面产生压应力者为正。 图2.3 重力坝坝面应力计算示意图计算截面上全部水平推力总和，以指向上游为正（2） 下游面垂直正应力（参见上图）：（3） 上游面剪应力：式中 上游坝坡； P计算截面在上游坝面所承受的水压力强度（如有泥沙压力时，应计入在内）； 计算截面在上游坝面处的扬压力强度。（4） 下游面剪应力：式中 下游坝坡； 计算截面在下游坝面所承受的水压力强度（如有泥沙压力时，应计入在内）； 计算截面在下游坝面处的扬压力强度。（5） 上游水平正应力：（6） 下游面水平正应力：（7） 上游面主应力：（8） 下游面主应力：以上（3）（8）式适用于计及扬压力的情况。如需计算不计及截面上扬压力的作用时，则上游面和下游面的各种应力计算公式中将、取值为0.3 大坝渗流安全评价对于土石坝而言，渗透水流除侵湿土体降低其强度指标外，当渗透力大到一定程度时将导致坝坡滑动、防渗体被击穿、坝基管涌、流土等重大渗流事故，直接影响大坝的运行安全。对于混凝土大坝，坝基扬压力的大小关系到大坝的抗滑稳定安全及受力安全；两岸坝肩渗透压力（地下水位）的高低关系到坝肩岸坡岩体的抗滑稳定安全。带有侵蚀性的渗流对建筑物和坝基的可溶物质造成侵蚀，影响结构安全问题。渗流安全评价的任务是复核原设计、施工的渗流控制措施和当前的实际渗流状态能否保证大坝安全运行。3.1 土石坝的渗流安全评价3.1.1 土石坝的渗流病害特点(1)坝基渗漏；（2）坝肩渗漏；（3）坝体及防渗体渗漏；（4）下游排水体及反滤料淤堵；（5）坝下涵管渗漏；（6）防渗体与刚性建筑物接触渗漏；（7）动物危害；（8）岩溶渗漏；（9）侵蚀性危害。3.1.2 评价内容根据导则及土石坝的特点，土石坝渗流安全评价主要包括以下内容： (1)复核土石坝的防渗与反滤排水设施是否完善，设计、施工是否满足现行有关规范要求。特别注意检查土石坝的坝基及两岸坝肩防渗处理措施是否完善；检查土石坝防渗体与刚性建筑物的接触渗流安全性；检查过坝涵管的渗流安全性。(2)检查土石坝运行中发生过的渗流异常现象，判断是否影响土石坝安全。 (3)分析土石坝现状条件下各防渗、反滤和排水设施的工作性态，并预测在未来高水位运行时的渗流安全。 (4)检查土石坝地下水侵蚀性及坝基可溶成分，评价渗流侵蚀性对大坝安全的影响。 (5)检查土石坝有无动物危害，特别是白蚁危害，评价岩溶渗漏对大坝安全的影响。 (6)检查土石坝坝基及其库区是否存在岩溶渗漏，评价岩溶渗漏对大坝安全的影响。 (7)对存在渗流安全隐患的大坝，应分析产生渗流隐患的原因及可能产生的危害。3.1.3 评价方法土石坝的渗流安全评价的方法主要有现场检查法、监测资料分析法、计算分析（模型试验）与经验类比法及专题研究论证法。 1.现场检查法现场检查法包括现场观察及现场钻孔检查、检测等。对于坝体渗漏应采用钻孔注水及取芯试验，通过检测的渗透系数和土体的物理学性状评价坝体的防渗性能及其渗流安全。对土石坝现场进行检查中，当发生以下现象时，可认为大坝的渗流状态不安全或存在严重的渗流隐患。(1)通过坝基、坝体及两端岸坡的渗流量在相同条件下不断增大，渗漏出现浑浊或可疑物质，出水位置升高或移动等。(2)土石坝上、下游坝坡湿软、塌陷、渗水；坝址区严重冒水、翻砂、松软隆起或塌陷；库内出现漏水漩涡，覆盖产生严重塌坑或裂缝。(3)坝体与两端岸坡、输水管（洞）壁等接合部严重漏水，出现浑浊。(4)渗流压力和渗流量同时增大，或突然改变其与库水位的既往关系，在相同条件下有较大增长。 2.监测资料分析方法监测资料分析方法，就是将实际观测的渗流、渗压数据与设计或试验给定的允许值，如允许比降等进行比较，判断大坝渗流的安全性。(1)渗压分析评价根据观测资料，复核土石坝有关部位的实测渗透比降，推算未来高水位情况的渗透比降，并与其设计允许值相比较，结合土石坝的具体特点和运行工况等作全面论证。若渗流压力和渗流量在相同原因作用下保持稳定或随时间变小时，可判定渗流状态安全。 (2)渗流量的分析评价 渗流量分析应着重研究其当前观测值与历史显现值得相对变化，渗漏水的水质和携出物含量及其与库水相比的变化情况，结合渗流压力分析，综合评价大坝的渗流安全。若在相同库水位下渗流量和渗流压力同时增大，携出物增多，则表示渗流状况向不利安全的方向发展。 3.计算分析法当缺少监测资料时，可根据土石坝的具体情况、地质结构和有关渗透参数采用计算分析法。计算分析法就是采用模拟各种岩土介质的渗透特性和各种入渗、排水边界条件，计算坝体及坝基各种水位的渗流场，并且可根据现状水位实测渗流场，预测未来高水位的大坝渗流场，通过渗流场中的渗透比降与允许渗透比降的比较来评价大坝渗流安全评价。3.1.4 评价标准 1.坝体及防渗体碾压式土石坝设计规范对坝体及防渗体作了如下规定： (1)均质坝坝体黏土渗透系数不大于；心墙和斜墙防渗体黏土渗透系数不大于；铺盖黏土渗透系数不大于，并小于坝基砂砾石的。 (2)土质防渗体断面应自上而下逐渐加厚，顶部的水平宽度不宜小于3.0m；底部的厚度，斜墙不宜小于水头的，心墙不宜小于水头的。 (3)土质防渗体顶部在正常蓄水位或设计洪水位以上应满足一定的超高，具体规定按下表取值。表3.1 正常运用情况下的防渗体顶部超高 单位：防渗体结构形式超高斜墙0.800.60心墙0.600.30 (4)铺盖应由上游向下游逐渐加厚，前端最小厚度可取0.51.0m，末端与坝身防渗体连接厚度应由渗流计算确定，且应满足构造和施工要求；铺盖与坝基土接触面应平整，压实。当铺盖和基土之间不满足反滤原则时，应设反滤层。(5)面板堆石坝混凝土面板的抗渗等级应不低于下表的要求。表3.2 混凝土抗渗标号要求面板心墙承受水头小于303070大于70抗渗标号小于S4小于S6小于S8 (6)沥青混凝土心墙渗透系数不大于。 2.坝基这里所指的坝基包括两岸坝肩。土石坝坝基有土质坝基和岩质坝基两种，土质坝基本身有可能发生渗透破坏，还有可能引起坝体发生渗透破坏。岩质坝基主要容易引起坝体发生渗透破坏，本身不易发生渗透破坏。(1)土质坝基渗透变形对土质坝基，其本身渗透破坏及引起坝体发生渗透破坏形式有管涌、流土、接触流土及接触冲刷这4种形式，因此其判别方法和评价标准与土质防渗体分区坝坝体类似。(2)基岩灌浆土质防渗体坝，当其基岩透水性较大时，应做帷幕灌浆，高坝还宜同时进行固结灌浆处理。灌浆帷幕的设计标准应按灌浆后基岩的透水率控制：1级、2级坝及高坝透水率宜为35Lu，3级及其以下的坝透水率宜为510Lu；基岩相对不透水层透水率的标准与帷幕相同。(3) 混凝土防渗墙 1)要求墙底宜嵌入基岩0.51.0m。对风化较深和断层破碎带可根据坝高和断层破碎情况加深。2）防渗墙允许渗透比降可按80100作为控制上限值。 3)混凝土防渗墙渗透比降较大，可能产生混凝土的溶蚀问题，从而使其强度和防渗能力降低。因此，应对其溶蚀年限提出要求。根据试验研究，按其强度降低50%的年限作为选择墙厚的准则。(4)防渗体基岩面要求对断层、张开节理裂隙防渗体基岩面应逐条开挖清理，并用混凝土或砂浆封堵。坝基岩面上宜设置混凝土盖板、喷混凝土或水泥砂浆。(5) 截水槽(6) 黏土防渗体与刚性建筑物接触面3.1.5 土石坝渗透变形的判别土体渗透变形稳定的判别，是土石坝渗流安全评价的重要环节。土石坝渗透变形稳定性的判别包括：坝体渗透变形稳定性判别、坝基渗透变形稳定性的判别、坝体与坝基接触面渗透变形稳定性的判别，以及它们与相邻建筑物接触面渗透变形稳定性的判别。土石坝渗透变形的形式及其发生发展过程，与地质条件、土粒级配、水力条件及防渗排渗措施等因素有关，通常分为管涌、流土、接触冲刷、接触流失四种。（1） 管涌：在一定的渗流作用下，土体中的细粒沿着骨架颗粒所形成的孔隙管道的移动或被渗流带走，这种现象叫管涌，它发生在砂砾料中。（2） 流土：在一定的渗流作用下，土体中的颗粒群同时起动而流失，它既可以发生在无粘性土中，也可发生在黏性土中。（3） 接触冲刷：渗流沿着两种不同的介质的接触面流动时，把其中颗粒层的细粒带走，这里的接触面可以是任意方向的（4） 接触流失：渗流垂直于两种不同介质的接触面流动，把其中一层的细粒，移入到另一层中去，例如反滤层的淤塞就是这种变形。3.1.6 渗流变形判别方法1.管涌和流土渗透变形的判别管涌和流土型渗流变形的判别比较复杂，包括三个步骤：判别渗透变形类型确定临界水力比降及允许水力比降判断渗流变形的安全性。（1）根据土的细粒含量判别管涌和流土：管涌： 流土：式中 土的细粒颗粒含量，以质量百分率计，%； 土的孔隙率，%对于不连续级配的土，级配曲线中至少有一个以上的粒径级的颗粒含量小于或等于3%的平缓段，粗细粒的区分粒径以平缓段粒径级的最大和最小粒径的平均粒径区分，或以最小粒径为区分粒径，相应于此粒径的含量为细粒含量。式中 粗细粒的区分粒径，mm； 小于该粒径的含量占总土重70%的颗粒粒径，mm； 小于该粒径的含量占总土重10%的颗粒粒径，mm。（2）对于不均匀系数大于5的不连续级配土可采用下列方法判别：管涌：25% 过渡型取决于土的密度、粒级、形状：35%流土：土的不均匀系数可采用下式计算：式中 土的不均匀系数； 占总土重60%的颗粒粒径，mm； 占总土重10%的颗粒粒径，mm。（3）渗透变形的临界水力比降。渗透变形的临界水力比降计算如下：管涌型或过度型：自下而上渗流管涌型或过渡型的临界水力比降计算宜采用下式：式中 、占总土重的5%和20%的土粒粒径，mm。管涌型也可采用下式计算：式中 k土的渗透系数，cm/s； 占总土重3%的土粒粒径，mm。流土型：自下而上渗流流土型的临界水力比降计算采用下式：式中 土的临界水力比降； 土的颗粒密度与水的密度之比； 土的孔隙率，%。（4） 土的允许比降。渗透变形的允许水力比降是以土的临界水力比降除以安全系数确定的。管涌的允许比降是土粒在孔隙中开始移动并被带走时的水力比降，一般情况下，土体在此水力比降下还有一定的承受水力比降的潜力，故取1.5的安全系数。通常流土破坏是土体整体破坏，对水工建筑物的危害较大，安全系数可取2，对于特别重要的工程也可用2.5.无试验资料时，无粘性土的允许水力比降可根据下表选用经验值。表3.3 无黏性土允许水力比降渗透变形型式管涌型过渡型流土型级配连续级配不连续允许水力比降0.150.250.100.200.250.400.250.350.350.500.500.80 (5)判别渗透变形的安全性。将实测或计算的水力比降与允许水力比降进行比较，若小于允许水力比降则渗透变形是安全的。否则不安全。3.1.7 土石坝渗流计算分析1. 土石坝渗流计算的一般规定 （1）渗流计算应包括以下内容： 1）确定坝体侵润线及其下游出逸点的位置，绘制坝体及坝基内的等势线分布图或流网图。2) 确定坝体与坝基的渗流量。 3)确定坝坡出逸段与下游坝基表面的出逸比降，以及不同土层之间的渗透比降。4)确定库水位降落时上游坝坡内的侵润线位置或孔隙压力。5）确定坝肩的等势线、渗流量和渗透比降。 （2）渗流计算应包括以下水位组合情况：1）上游正常蓄水位与下游相应的最低水位。2）上游设计洪水位与下游相应的水位。3）上游校核洪水位与下游相应的水位。4）库水位降落时上游坝坡稳定最不利的情况。2.水力学公式法（1）不透水坝基均质土坝渗流计算。 1）下游坡无排水设施或有贴坡式排水，见图1，计算公式如下： （1） （2） （3） （4）式中 单位宽度渗流量，； 坝身渗透系数，； 上游水位，m； 下游水位，m； 下游出逸点高度，m； 上游坡坡率； 下游坡坡率；图3.1 无排水设施土坝渗流计算图解联立方程式（1）、（2），即可求得和。解联立方程时可用一组值分别代入式（1）、（2），得到两条和关系曲线，两曲线的交点即为两方程式的解。侵润线计算式为2）下游有褥垫式排水土坝（图2）渗流计算公式如下： （1） （2）图3.2 有褥垫式排水土坝渗流计算图褥垫式排水，排水体的工作长度为 （3）侵润线计算式为 （4）3）有排水棱体（见图3）土坝渗流计算公式如下： 式中系数随棱体临水坡坡率而定，其值见下表。图3.3 有排水棱体土坝渗流计算图表3.4 系数与临水坡坡率的关系00.511.522.531.3471.2481.1831.1421.1151.0981.0851 侵润线计算式为(2)透水坝基均质土坝渗流计算（图4）。图3.4 透水地基均质土坝渗流计算图 1)渗流量计算。修建在透水坝基上的均质土坝，渗流量计算方法是将坝身和地基的渗透量分开计算，总单位宽度渗流量q为两者之和为式中 不透水地基上求得的相同排水型式的均质土坝单位宽度渗流量。 2)侵润线计算。透水地基上的均质土坝，由于地基透水的影响，坝身侵润线降低。如按不透水地基的侵润线计算偏于安全。计算侵润线时，近似考虑地基透水的影响，可采用以下公式。计算时应先计算特征水深，根据不同的排水型式分为下列情况。下游坡有贴坡排水或无排水设备时按下列公式计算。当时（k为坝身渗透系数，为地基渗透系数）：当时：有褥垫式排水（）时按下列公式计算：有排水棱体时按下列公式计算。下游有水（）求解的方程式为下游无水（）：求得特征水深以后，无论坝身采用何种排水型式，侵润线均按下式计算：对于上式中，对于采用褥垫式排水和排水棱体的土坝，取。上述建立在有限深透水地基上均质土坝渗流计算方法，也可以推广应用到无限深透水地基情况的计算。选择地基的有效深度，当地基大于有效深度时，侵润线位置不再改变。地基的有效深度可取为因此，当地基的实际深度，按实有地基深度计算；当时，按有效深度计算。仅为计算侵润线位置时使用，计算渗流量仍按实际深度计算。(3)透水坝基黏土心墙坝渗流计算。具有截水墙的黏土心墙坝的渗流计算，一般心墙土料的渗透系数比坝壳土料的渗透系数小很多，上游楔形体内水位可以认为没有降低，即不考虑上游楔形体对渗流的影响。且把坝体分为两段，心墙及截水墙为一段，其后的坝体及坝基为一段，如下图所示。心墙部分以矩形断面代替实际的断面，矩形断面的宽度采用坝体内心墙上下底宽的平均值。其心墙段的单宽渗流量为 （1）心墙后的单宽渗流量为 （2）根据水流连续条件，解（1）、（2）式，得心墙后水深为 （3） （4）图3.5 透水地基黏土心墙坝渗流计算图 （5）（6）将式（3）代入（1）式或（2）式即可得单宽渗流量。心墙后侵润线按式（7）计算： （7）当时，就可得到不透水地基上黏土心墙坝的渗流计算公式。(4)背水坡渗流出口比降计算。 1)渗流出口比降是校核背水坡渗流稳定的重要数据，坡面由于受渗透力作用产生的局部破坏，极易危及下游坡的整体安全，在渗流安全评价中应该充分重视。一些公式在靠近水边线（下游有水）或坡脚（下游无水）计算得到的比降，这说明这些公式在水边线或坡脚附近有局限性，也说明在这些部位的坡面最容易发生渗流破坏。 2)不透水地基上均质土坝坡面渗流比降计算。A. 下游无水（）见下（图1）。 渗出点A点： （8）坝坡与不透水面交点B点： （9）式中 下游无水背水坡出口比降。 A、B两点之间呈直线变化。B.下游有水见图2. 图3.6 下游无水计算（以弧度角计分） 图3.7下游有水计算（以弧度角计分） 渗出段AB： （10）（）式中下游有水背水坡出口比降。 （11） （12）浸没段BC： （13） 或 （14）式（13）、（14）的适用范围为或。 （15） （16） 式中 、系数； 坡面的坡角，弧度。3)透水地基均质土坝坡面渗流比降计算。A. 下游无水（）（见图3）沿渗出段AB： （17）沿地基段BC： （18）B.下游有水（见图4） 图3.8 透水地基下游无水计算 图3.9 透水地基下游有水计算 （以弧度角计分）沿渗出段AB采用式（17），沿浸没坡BC采用式（19）、（20），沿浸没地基面CD采用式（21）。 （19） （20） （21）3.2 混凝土坝的渗流安全评价3.2.1 混凝土坝的渗流病害特点 根据混凝土坝的特点和我国混凝土坝的情况，将混凝土坝的渗流病害分成以下几类： （1）坝基及坝肩渗漏。由于基岩裂隙发育或存在顺河向断层穿过坝基，裂隙和断层未进行防渗处理或防渗处理不完善，致使下游坝脚或下游两坝肩岸坡不同高程出现渗漏点，或导致坝基扬压力较高。 （2）坝体渗漏。由于大坝施工质量差，混凝土出现蜂窝或冷缝，砌筑砂浆成为渗水通道，碾压混凝土透水或层面缝渗水；或者坝体出现温度裂缝；或坝基及坝肩变形过大引起坝体开裂等。致使下游坝坡出现渗漏，如砌石的砌缝渗漏和裂缝渗漏、混凝土的裂缝渗漏、碾压混凝土的层面缝渗漏等。坝体渗漏会导致坝体扬压力升高。 （3）岩溶渗漏。由于水库周边及库底岩溶未进行防渗处理或处理不完善，致使出现大岩溶渗漏，导致大坝坝基扬压力较高，或水库存水困难。 (4)侵蚀性危害。坝基存在可溶成分，地下水侵蚀性使坝基透水性增