水工建筑物(重力坝)教学ppt课件02 重力坝2稳定应力全解

3 重力坝的稳定分析重力坝的稳定分析目的：目的：验算重力坝在各种可能荷载组合下的稳定安全度。验算重力坝在各种可能荷载组合下的稳定安全度。破坏模式破坏模式：沿坝基面或软弱面的滑动破坏；沿坝基面或软弱面的滑动破坏；坝体连同坝基的倾倒滑移破坏。坝体连同坝基的倾倒滑移破坏。包括：包括：沿坝基面、沿坝基面、沿坝基深层、沿坝基深层、岸坡坝段岸坡坝段3 重力坝的稳定分析目的：验算重力坝在各种可能荷载组合下的1一、沿坝基面的抗滑稳定分析一、沿坝基面的抗滑稳定分析对于重力坝，要求任意一个剖面（截面）上均满足稳定条件。对于重力坝，要求任意一个剖面（截面）上均满足稳定条件。通常，岩基上的重力坝，坝体混凝土和基岩的接触面往往是通常，岩基上的重力坝，坝体混凝土和基岩的接触面往往是一个薄弱面，这是因为：一个薄弱面，这是因为：（1）两种材料的接触面，抗剪强度较低、坝体水平推力大）两种材料的接触面，抗剪强度较低、坝体水平推力大（2）混凝土干缩可能产生裂缝）混凝土干缩可能产生裂缝因此，只要该接触面上满足抗滑稳定要求，则该坝体就能满因此，只要该接触面上满足抗滑稳定要求，则该坝体就能满足稳定要求。足稳定要求。一、沿坝基面的抗滑稳定分析对于重力坝，要求任意一个剖面（截面2（1）计算公式）计算公式A、摩擦公式、摩擦公式把滑动面看作是接触面（不是胶结面），滑动面上的抗滑力只计摩擦力，把滑动面看作是接触面（不是胶结面），滑动面上的抗滑力只计摩擦力，不计凝聚力。滑动面可水平，也可倾斜。不计凝聚力。滑动面可水平，也可倾斜。抗滑稳定安全系数抗滑稳定安全系数建筑物的抗滑力与建筑物所受的滑动力之比，用建筑物的抗滑力与建筑物所受的滑动力之比，用K表示。表示。（1）计算公式A、摩擦公式抗滑稳定安全系数建筑物的抗滑力3可见，滑动面倾向上游时，对坝体可见，滑动面倾向上游时，对坝体抗滑稳定有利；倾向下游时，对坝抗滑稳定有利；倾向下游时，对坝体稳定不利。在进行坝基开挖时，体稳定不利。在进行坝基开挖时，应尽量考虑这一影响。应尽量考虑这一影响。可见，滑动面倾向上游时，对坝体抗滑稳定有利；倾向下游时，对坝4B、抗剪断强度公式、抗剪断强度公式认为坝体与基岩胶结良好，滑动面上的抗滑力包括认为坝体与基岩胶结良好，滑动面上的抗滑力包括摩擦力和摩擦力和凝聚力凝聚力。通过胶结面的抗剪断试验确定抗剪断强度参数。通过胶结面的抗剪断试验确定抗剪断强度参数。B、抗剪断强度公式认为坝体与基岩胶结良好，滑动面上的抗滑力包5比较：比较：摩擦公式摩擦公式忽略了坝体与基岩的胶结作用，不能完全反映忽略了坝体与基岩的胶结作用，不能完全反映坝的实际工作状态。不计凝聚力的抗滑作用，故取较低的安坝的实际工作状态。不计凝聚力的抗滑作用，故取较低的安全系数。全系数。特点特点：公式简单、概念明确、使用方便，参数选用经验丰富。：公式简单、概念明确、使用方便，参数选用经验丰富。凝聚力作为一种安全储备，基岩越坚固完整，胶结越好，安凝聚力作为一种安全储备，基岩越坚固完整，胶结越好，安全储备度越高。因此，尽管采用同一安全系数，各工程的真全储备度越高。因此，尽管采用同一安全系数，各工程的真正安全度是不同的。正安全度是不同的。抗剪断强度公式抗剪断强度公式考虑了坝体与基岩的胶结作用，计入了考虑了坝体与基岩的胶结作用，计入了全部的抗滑力，符合实际工作状态。全部的抗滑力，符合实际工作状态。特点特点：物理概念明确。国内外发展趋势。：物理概念明确。国内外发展趋势。规范要求：大型工程用抗剪断强度公式；中小型工程可以用规范要求：大型工程用抗剪断强度公式；中小型工程可以用摩擦公式。摩擦公式。比较：摩擦公式忽略了坝体与基岩的胶结作用，不能完全反映坝6（2）计算参数）计算参数参数取值偏大，稳定没有保证；参数取值偏小，保守、造成参数取值偏大，稳定没有保证；参数取值偏小，保守、造成浪费。浪费。f值的选取，参考室外试验的屈值的选取，参考室外试验的屈服极限值（塑性破坏）或比例服极限值（塑性破坏）或比例极限值（脆性破坏）以及市内极限值（脆性破坏）以及市内试验成果。试验成果。f和和c值指室外现场试验测定峰值指室外现场试验测定峰值的小值平均，且考虑室内试值的小值平均，且考虑室内试验成果。验成果。由地质、试验、设计三方人员由地质、试验、设计三方人员共同分析研究确定。共同分析研究确定。（2）计算参数参数取值偏大，稳定没有保证；参数取值偏小，保守7规范规范1999抗滑稳定抗滑稳定规范1999抗滑稳定8抗滑稳定极限状态的效应和抗力函数抗滑稳定极限状态的效应和抗力函数抗滑稳定极限状态的效应和抗力函数9二、坝基深层抗滑稳定分析二、坝基深层抗滑稳定分析当坝基内有缓倾角结构面及不利地形时，应核算坝体和坝基岩体的抗滑稳当坝基内有缓倾角结构面及不利地形时，应核算坝体和坝基岩体的抗滑稳定性。由于地质构造不同，其坝基失稳机理也是各不相同，应作专门研究。定性。由于地质构造不同，其坝基失稳机理也是各不相同，应作专门研究。关键是关键是确定控制性的软弱结构面的产状和参数确定控制性的软弱结构面的产状和参数。稳定分析方法：稳定分析方法：刚体极限平衡法刚体极限平衡法有限单元法有限单元法地质力学模型试验法地质力学模型试验法DEM和和DDANMM等等二、坝基深层抗滑稳定分析当坝基内有缓倾角结构面及不利地形时，10软弱夹层的安全度标准软弱夹层的安全度标准超载法超载法将作用在坝体上的外荷载分级逐渐加大，直到滑动将作用在坝体上的外荷载分级逐渐加大，直到滑动面的抗滑稳定处于临界状态，外荷载增大的倍数即为抗滑稳定面的抗滑稳定处于临界状态，外荷载增大的倍数即为抗滑稳定安全系数。安全系数。强度储备法强度储备法降低软弱夹层和尾岩抗力体的抗剪参数值，直降低软弱夹层和尾岩抗力体的抗剪参数值，直到滑动面的抗滑稳定处于临界状态，抗剪参数的降低倍数即为到滑动面的抗滑稳定处于临界状态，抗剪参数的降低倍数即为抗滑稳定安全系数。抗滑稳定安全系数。剪力比例法剪力比例法由由FEM计算在设计荷载作用下滑动面上的正应计算在设计荷载作用下滑动面上的正应力和剪应力分布，求出滑动面上总的抗滑力和滑动力，两者的力和剪应力分布，求出滑动面上总的抗滑力和滑动力，两者的比值即为抗滑稳定安全系数。比值即为抗滑稳定安全系数。软弱夹层的安全度标准超载法将作用在坝体上的外荷载分级逐渐111、被动抗力法、被动抗力法假定假定DBC块处于极限平衡状态，块处于极限平衡状态，求出抗力求出抗力R，然后将抗力，然后将抗力R作用作用在滑动块在滑动块ABD上，按抗剪断公上，按抗剪断公式（或摩擦公式）求出滑动体式（或摩擦公式）求出滑动体的稳定安全系数。的稳定安全系数。见见P32式（式（2-20）、（）、（2-21）。）。抗力抗力R的方向与分界面上的摩擦的方向与分界面上的摩擦特性有关，较难确定。近似取特性有关，较难确定。近似取界面上的摩擦系数除以安全系界面上的摩擦系数除以安全系数。数。特点：概念清楚，不需试算，特点：概念清楚，不需试算，但但ABD和和BCD块的安全系数不块的安全系数不同，不合理。同，不合理。1、被动抗力法假定DBC块处于极限平衡状态，求出抗力R，然后122、等安全系数法、等安全系数法按按ABD块和块和DBC块具有相等的块具有相等的抗滑稳定安全系数来计算。抗滑稳定安全系数来计算。列列出沿出沿AB面和面和BC面上的抗滑稳面上的抗滑稳定安全系数，用试算法或迭代定安全系数，用试算法或迭代法求解。见法求解。见P33式（式（2-22）、）、（2-23）。）。特点：更合理，计算较繁。特点：更合理，计算较繁。由于坝基滑动面、抗裂面的抗由于坝基滑动面、抗裂面的抗滑力受滑力受岩石性质、产状岩石性质、产状等因素等因素影响，计算精度较低。要求的影响，计算精度较低。要求的抗滑稳定安全系数较坝基面大抗滑稳定安全系数较坝基面大1.11.3倍。倍。BD面可以是实际存在的构造面，面可以是实际存在的构造面，也可以是假设的破裂面。也可以是假设的破裂面。2、等安全系数法按ABD块和DBC块具有相等的抗滑稳定安全系13三、岸坡坝段抗滑稳定三、岸坡坝段抗滑稳定岸坡坝段的坝基面是一个倾向河床的斜面或折面。岸坡坝段的坝基面是一个倾向河床的斜面或折面。在水压力作在水压力作用下有向下游滑动的趋势；在自重作用下还有向河床滑动的趋用下有向下游滑动的趋势；在自重作用下还有向河床滑动的趋势势。因此，在三向荷载共同作用下，岸坡坝段的稳定条件比河。因此，在三向荷载共同作用下，岸坡坝段的稳定条件比河床坝段差。有可能在施工过程失稳（国外有实例）。床坝段差。有可能在施工过程失稳（国外有实例）。三、岸坡坝段抗滑稳定岸坡坝段的坝基面是一个倾向河床的斜面或折14四、提高抗滑稳定性的措施四、提高抗滑稳定性的措施1）将坝的迎水面做成倾斜或折坡）将坝的迎水面做成倾斜或折坡形，利用坝面上的水重来增加坝体形，利用坝面上的水重来增加坝体的抗滑稳定。的抗滑稳定。适用于坝基摩擦系数适用于坝基摩擦系数较小的情况较小的情况。过缓的坡度容易导致。过缓的坡度容易导致上游面出现拉应力（上游面出现拉应力（1：0.11：0.2）。）。2）将坝基面开挖成倾向上游的斜）将坝基面开挖成倾向上游的斜面，增加抗滑力。但会增加开挖量。面，增加抗滑力。但会增加开挖量。也可将坝基面开挖成若干段倾向上也可将坝基面开挖成若干段倾向上游的斜面，形成锯齿状，增加抗剪游的斜面，形成锯齿状，增加抗剪能力。能力。四、提高抗滑稳定性的措施1）将坝的迎水面做成倾斜或折坡形，利15提高抗滑稳定性的措施（续）提高抗滑稳定性的措施（续）3）利用地形、地质特点，在坝踵）利用地形、地质特点，在坝踵或坝趾设置深入基岩的齿墙，增加或坝趾设置深入基岩的齿墙，增加抗力。有的采用大型钢筋混凝土抗抗力。有的采用大型钢筋混凝土抗滑桩。滑桩。4）采用有效的防渗排水或抽水措）采用有效的防渗排水或抽水措施，降低扬压力。施，降低扬压力。5）利用预加应力提高抗滑稳定性，）利用预加应力提高抗滑稳定性，如预应力锚索加固。如预应力锚索加固。l岸坡坝段：岸坡坝段：可采用灌浆封闭横缝，可采用灌浆封闭横缝，限制其侧向位移；将岸坡开挖成高限制其侧向位移；将岸坡开挖成高差不大、宽度足够的平台，增加侧差不大、宽度足够的平台，增加侧向抗滑力。向抗滑力。提高抗滑稳定性的措施（续）3）利用地形、地质特点，在坝踵或坝164 重力坝的应力分析重力坝的应力分析目的：目的：验算大坝是否满足强度要求验算大坝是否满足强度要求根据应力分布进行坝体混凝土分区根据应力分布进行坝体混凝土分区局部应力集中和特殊结构的应力状态局部应力集中和特殊结构的应力状态要求：要求：坝体内各部分材料的应力不超过该种材料的容许应力，即坝体内各部分材料的应力不超过该种材料的容许应力，即s=0不计扬压力不计扬压力smin=(0.250.4)ghg为水的容重；为水的容重；h为坝面计算点的静水头。为坝面计算点的静水头。坝体内部一般不允坝体内部一般不允许出现拉应力许出现拉应力，但宽缝重力坝离上游坝面较远的局部区域可，但宽缝重力坝离上游坝面较远的局部区域可允许出现拉应力，但不得超过混凝土的容许拉应力；溢流坝允许出现拉应力，但不得超过混凝土的容许拉应力；溢流坝堰顶、坝内廊道及孔洞周围出现拉应力，宜配置钢筋。堰顶、坝内廊道及孔洞周围出现拉应力，宜配置钢筋。坝体下游面：坝体下游面：最大主压应力，应不大于混凝土的容许压应力最大主压应力，应不大于混凝土的容许压应力。施工期施工期 坝体任何截面上的主压应力应不大于混凝土的容许压应坝体任何截面上的主压应力应不大于混凝土的容许压应力；坝体下游面可容许不大于力；坝体下游面可容许不大于0.2MPa的主拉应力。的主拉应力。2）坝体）坝体运用期2）坝体38混凝土的容许压应力，可根据其混凝土的容许压应力，可根据其极限强度和相应的安全系数极限强度和相应的安全系数来确定。来确定。混凝土的抗压安全系数在基本荷载组合下应不小于混凝土的抗压安全系数在基本荷载组合下应不小于4；在除地震荷载外的特殊组合情况下应不小于；在除地震荷载外的特殊组合情况下应不小于3.5。当坝体个。当坝体个别部位对混凝土有抗拉强度要求时，抗拉安全系数应不小于别部位对混凝土有抗拉强度要求时，抗拉安全系数应不小于4。地震荷载是随时间变化、短暂作用的动荷载，由于在动荷地震荷载是随时间变化、短暂作用的动荷载，由于在动荷载作用下材料强度有一定提高，因此，在载作用下材料强度有一定提高，因此，在地震情况下，混凝地震情况下，混凝土的容许压应力可比静态情况下提高土的容许压应力可比静态情况下提高30%，并允许出现瞬时，并允许出现瞬时拉应力，混凝土的抗拉安全系数不小于拉应力，混凝土的抗拉安全系数不小于2.5。混凝土的容许应力混凝土的容许应力混凝土的容许压应力，可根据其极限强度和相应的安全系数来确定。39(1)地基变形对坝体应力的影响地基变形对坝体应力的影响4.非荷载因素对坝体应力的影响非荷载因素对坝体应力的影响在荷载作用下，坝基面不再保持平面，与假定不符。因此，在荷载作用下，坝基面不再保持平面，与假定不符。因此，在坝基面以上在坝基面以上约（约（1/31/4）坝高范围内的应力分布与材料力学计算结果差别较大）坝高范围内的应力分布与材料力学计算结果差别较大。在此。在此范围内的应力分布与范围内的应力分布与坝体弹性模量和地基弹性模量的比值坝体弹性模量和地基弹性模量的比值有关。有关。(1)地基变形对坝体应力的影响4.非荷载因素对坝体应力的40基岩弹性模量的影响基岩弹性模量的影响坝体和基岩的弹性模量之比在坝体和基岩的弹性模量之比在12的范围内较合适。的范围内较合适。基岩弹性模量的影响坝体和基岩的弹性模量之比在12的范围内较41(2)地基不均匀对坝体应力的影响地基不均匀对坝体应力的影响上游坝踵地基刚度较大，可能产生拉应力；相反，下游坝趾地上游坝踵地基刚度较大，可能产生拉应力；相反，下游坝趾地基刚度较大，有利于改善坝踵应力。宜将下游坝趾布置在较坚基刚度较大，有利于改善坝踵应力。宜将下游坝趾布置在较坚硬的岩石上。硬的岩石上。(2)地基不均匀对坝体应力的影响上游坝踵地基刚度较大，可能42(3)施工纵缝对坝体应力的影响施工纵缝对坝体应力的影响受浇筑能力和温度控制的限制，受浇筑能力和温度控制的限制，需要分缝分块浇筑，纵缝要灌需要分缝分块浇筑，纵缝要灌浆，然后才蓄水。因此，水压浆，然后才蓄水。因此，水压力和扬压力等由整个坝体承担，力和扬压力等由整个坝体承担，而自重应力由独立坝块引起。而自重应力由独立坝块引起。n=0，基本相同，基本相同n0，坝踵处应力状况恶化，坝踵处应力状况恶化n0，改善坝踵处应力状态，改善坝踵处应力状态(3)施工纵缝对坝体应力的影响受浇筑能力和温度控制的限制，43(4)分期施工对坝体应力的影响分期施工对坝体应力的影响印度柯伊那坝印度柯伊那坝，斜板法两期加高，与下游坝面平行，斜板法两期加高，与下游坝面平行瑞士大狄克桑斯坝瑞士大狄克桑斯坝，阶梯法四期加高，台阶上浇注独立柱体，阶梯法四期加高，台阶上浇注独立柱体(4)分期施工对坝体应力的影响印度柯伊那坝，斜板法两期加高44分期施工，对坝踵应力不利。分期施工，对坝踵应力不利。降低二期施工时的水位，对降低二期施工时的水位，对改善坝体应力有利。改善坝体应力有利。如采用有限单元法，可全过如采用有限单元法，可全过程模拟实际施工过程和蓄水程模拟实际施工过程和蓄水过程。过程。分期施工分期施工分期施工，对坝踵应力不利。降低二期施工时的水位，对改善坝体应45