水工建筑物重力坝的稳定分析相关知识

水工建筑物重力坝的稳定分析相关知识

一、重力坝滑动失稳模式

（一）表面滑动 （二）浅层滑动 （三）深层滑动 我国修建了大中型重力坝100余座，其中有1/3存在深层滑动问题。 二、抗滑稳定计算截面选取及计算方法

破坏机理 ：重力坝岩基的破坏开始于坝踵附近的拉裂缝和扩张松弛，而后坝趾出现剪切屈服区且逐渐向上游发展，最后在坝下浅层岩基中上下游贯通，形成滑动通道，导致大坝的整体失稳破坏。

（一）计算截面：坝基面或者坝体薄弱面

选择受力大，抗剪强度较低，最容易产生滑动的截面作为计算截面。重力坝抗滑稳定计算主要是核算坝基面及碾压混凝土层面上的滑动稳定性。另外坝基内有软弱夹层、缓倾角结构面时，也应核算其深层滑动性

（二） 抗滑稳定分析方法

1.单一的安全系数法： 计算公式有抗剪强度公式和抗剪断公式

2. 分项系数法极限状态设计方法：《混凝土重力坝设计规范》DL 5108—1999规定，重力坝的抗滑稳定承载能力极限状态进行计算，认为滑动面为胶结面，滑动体为刚体。

三、 单一的安全系数计算法 （一）抗剪公式

1.滑动面水平时：Ks = f(∑W-U)/ ∑P

2.滑动面倾向上游：Ks = [f(∑WCosβ-U+∑PSinβ)]/( ∑PSinβ+∑WCosβ) 公式评价：本公式不考虑凝聚力，偏于安全，凝聚力作为安全储备，所以规定的安全系数较低。

3.摩擦系数 f 的选取问题

①原规范规定，f的最后选取应以野外和室内试验成果为基础，结合现场实际情况，参照地质条件类似的已建工程的经验等，由地质、试验和设计人员研究确定；②根据国内外已建工程的统计资料，混凝土与基岩的f值常取在0.5～0.8之间。③摩擦系数的选定直接关系到大坝的造价与安全，f值愈小，要求坝体剖面愈大。以新安江为例，若f值减小0.01，坝体混凝土方量增加2万m。

4.安全系数Ks的确定：

3

（二）抗剪断公式

1.假定：认为砼与基岩接触良好，直接采用接触面上的抗剪断参数f′和c′。 2.公式：Ks′＝[f′(∑W-U)+C′A]/∑P 3.安全系数Ks′,设计规范规定：不分等级。

基本荷载组合：采用3.0； 特殊荷载组合：（1）采用2.5；（2）采用不小于2.3。 4.抗剪断参数的选定

对于大型工程，在设计阶段， f ′,c′应由野外及室内试验成果决定。在规划阶段，可以参考规范给定的数值选用：

Ⅰ类基岩——很好的岩石， f ′＝1.2～1.5, c’＝1.3～1.5Mpa Ⅱ类基岩——好的岩石， f ′＝1.0～1.3, c’＝1.1～1.3Mpa Ⅲ类基岩——中等的岩石， f '＝0.9～1.2, c’＝0.7～1.1Mpa Ⅳ 类基岩——较差的岩石， f ′＝0.7～0.9, c’＝0.3～0.7Mpa

胶结面的f ′,c′值不能高于混凝土的f ′,c′；对于Ⅰ、Ⅱ类基岩，如果建基面的起伏差较大，可用混凝土的抗剪断参数。

四、分项系数法

（一）公式来源： 新发布的电力行业标准DL5108-1999《混凝土重力坝设计规范》于2000年7月起开始实（二）特点：与原设计规范相比，用概率极限状态设计法代替了定值设计法，用分项系数极限状态表达式代替单一安全系数表达式。即以结构重要性系数γ作用分项系数γ

ｆ

０

、设计状况系数φ、

、材料性能分项系数γ

ｍ

和结构系数γ

ｄ

来代替设计的安全系数Ｋ。

（三）分项系数法基本公式 对承载能力验算表达式为：

?0?S(?GGk,?QQk,?k)? γ

G

1?d1R(fk?m,?k)?0?S(?GGk,?QQk,Ak,ak)?Q

1?d2R(fk?m,ak)永久作用分项系数； γ

G

结构重要性系数; γ可变作用分项系数； φ设

计状况系数;

GK永久作用标准值； QK可变作用标准值； αK几何参数标准值； fK材料

性能标准值；

γm材料性能分项系数； γ

d1

基本组合结构系数。

★核算坝基面抗滑稳定极限状态时，应按材料的标准值和荷载的标准值或代表值分别计算基本组合和偶然组合两种情况。

★ S(·)为作用效应函数，此处取S(·)＝∑PR为作用于滑动面之上的全部切向（包括滑动面之上的岩体）作用之和；

★ R(·)为抗力函数，此处取R(·)＝∑fR∑WR + cR AR（∑WR滑动面上全部法向作用之和,fR坝基面抗剪断摩擦系数，cR坝基面抗剪断黏聚力）；

’

’

’

’

??WR?CR?ARR(?)?fR（四）分项系数法具体计算:

倾向上游滑动面计算式：

1.坝基面抗滑稳定水平滑动面计算式：

S(?)??PR2.坝体混凝土层面抗滑稳定计算同上，但计算参数的选择不同。 3.深层抗滑稳定分析。

①深层滑动：地基内往往存在着较弱夹层或缓倾角断层，坝体档水后，有可能沿这些薄弱面产生滑动，就叫做深层滑动。

②当坝基存在着不利的软弱夹层或缓倾角断层时，坝体有可能沿软弱面产生深层滑动 。 ③计算时选择几个比较危险的滑动面进行试算，然后做出比较分析判断。 ④目前尚无成熟的方法：1）单斜面深层滑动的计算；2）双斜面深层滑动。 五、提高坝体抗滑稳定性的工程措施 （一）利用水重

（二）将坝基开挖成倾向上游的斜面 （三）在坝踵下设齿墙 （四）抽水措施 （五）加固地基 （六）利用预应力

六、稳定分析设计理论的历史沿革

重力坝是人类最早使用的一种水坝坝型，重力坝问世3000年之后才出现其他坝型； 重力坝从5000年前就开始建造，一直使用至今（丹江口、高坝洲、葛洲坝、三峡、向家坝、龙滩等）。重力坝仍是当今世界水坝中的主要组成部分；

早期重力坝凭经验建造，19世纪中期法国工程师塞兹利提出悬臂梁理论是重力坝设计理论诞生的标志，随后，德娄克、朗肯、利维等人为重力坝经典设计理论形成作出了突出贡献；

从16世纪到19世纪中期，重力坝断面形状已发展到“块体形”，人们开始注意经济问题，并已认识到坝体的安全要满足两个外部稳定条件（但尚未认识到还要满足应力条件），即抗倾稳定与抗滑稳定（提出摩擦公式）；

19世纪中叶后，随着应力条件的引入坝工设计，促进了坝体稳定分析的发展，朗肯在19世纪世纪80年代提出无拉应力准则后，抗倾问题实际上已不对坝体断面设计起控制作用，人们实际关心的是抗滑稳定问题；

抗滑稳定问题实际上是一个抗剪强度问题（抗剪强度概念1773年由库仑与莫尔提出，1887年克拉夫拉德提出了阻止剪切破坏的力包括剪切破坏面上的摩擦力与抗剪力）；

20世纪初，凯恩首次提出，重力坝抗滑稳定计算应计入摩擦力与抗剪力，但当时认为抗剪力不可靠，且难以精确确定，仅将抗剪力作为安全储备加以忽略，抗滑稳定计算仍应用摩擦公式，这一公式实际提供了大于2的安全系数，至今仍被广泛采用；