重力坝抗滑稳定及应力计算Word文档下载推荐.docx
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9.81KN/m3
混凝土容重γc：
24KN/m3
坝址区岩体主要为坚硬的辉绿岩和砂岩，大坝的建基面基本上分布在弱风化的辉绿岩和砂岩上。
坝基面抗滑稳定计算的岩体及混凝土物理力学参数按表1-1取值，坝基面抗滑稳定安全系数和坝基应力应满足表1-2规定的数值。
由于碾压混凝土坝的碾压层面的结合质量受材料性质、混凝土配合比、施工工艺、施工管理水平以及施工现场气候条件等许多因素的影响，容易成为坝体的薄弱环节，所以需要核算沿坝体混凝土碾压层面的抗滑稳定，坝体碾压层面的抗滑稳定计算采用抗剪断公式，安全系数值的控制标准应符合表1-2的要求。
根据国内经验，碾压层面的抗剪断参数可取：
f’=1.0，c’=1.0MPa。
表1-1抗滑稳定计算岩体及混凝土力学参数
岩性
抗剪断强度
（岩体）
抗剪强度
（砼/岩体）
f′
c′（MPa）
f
c（MPa）
辉绿岩
1.2
1.5
0.75
1.0
砂岩
1.1
0.65
0.9
0.8
表1-2抗滑稳定安全系数和坝基容许应力
计算工况
抗滑稳定安全系数
坝基应力（MPa）
抗剪安全系数【K】
抗剪断安全系数【K’】
坝踵
坝趾
基本组合
正常蓄水位情况
1.05
3.0
>
<
坝基容许应力
设计洪水情况
特殊组合
校核洪水情况
1.00
2.5
正常蓄水位+地震
2.3
重力坝坝基面坝踵、坝趾的垂直应力在运用期的各种荷载组合下（地震荷载除外），坝踵垂直应力不应出现拉应力，坝趾垂直应力应小于坝基容许压应力。
2.3计算理论和方法
混凝土重力坝坝体稳定采用刚体极限平衡法计算，分别计算各坝段不同水平截面（包括坝体混凝土碾压层面、坝体混凝土-基岩结合面）上的外加荷载及应力，并计算出抗剪和抗剪断稳定安全系数，以及坝基截面的垂直应力。
为了确保结构即使在排水系统失效时也能安全运行，本次设计时扬压力考虑全水头。
（抗剪强度计算公式）
（抗剪断强度计算公式）
式中：
K’—按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数；
f—坝体混凝土与坝基接触面的抗剪摩擦系数；
f’—坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断摩擦系数；
C’—坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断凝聚力，KPa；
A—坝基接触面截面积，m2；
ΣW—作用于坝体上的全部荷载对于计算滑动面的法向分值，KN；
ΣP—作用于坝体上的全部荷载对于计算滑动面的切向分值，KN；
坝基截面的垂直应力按下式计算：
σy—坝踵、坝趾垂直应力，KPa；
ΣW—作用于坝段上或1m坝长上的全部荷载在坝基截面上法向力总和，KN；
ΣM—作用于坝段上或1m坝长上的全部荷载对坝基截面形心轴的力矩总和，KN.m；
A—坝段或1m坝长的坝基截面积，m²
；
x—坝基截面上计算点到形心轴的距离，m；
J—坝段或者1m坝长的坝基截面对形心轴的惯性矩，m4。
3.计算过程
3.1荷载计算
3.1.1自重
各种工况下，建筑物的自重均相同。
挡水坝段：
单宽坝段（1m坝长）断面面积A1=198.167m2
单宽坝段断面自重G1=4756.0KN（向下为正方向）
单宽坝段断面形心对坝基中点的力臂L1=-2.93m（向右为正方向）
力矩MG1=-13945.54KN.m（顺时针方向为正）
溢流坝段：
单宽坝段（1m坝长）断面面积A1=123.73m2
单宽坝段断面自重G1=2969.53KN（向下为正方向）
单宽坝段断面形心对坝基中点的力臂L1=-1.486m（向右为正方向）
力矩MG1=-4413.025KN.m（顺时针方向为正）
进水口坝段：
单宽坝段（1m坝长）断面面积A1=586.74m2
单宽坝段断面自重G1=14081.76KN（向下为正方向）
单宽坝段断面形心对坝基中点的力臂L1=0.05m（向右为正方向）
力矩MG1=704.09KN.m（顺时针方向为正）
底孔坝段：
单宽坝段（1m坝长）断面面积A1=518.01m2
单宽坝段断面自重G1=12432.24KN（向下为正方向）
单宽坝段断面形心对坝基中点的力臂L1=-3.22m（向右为正方向）
力矩MG1=-40031.81KN.m（顺时针方向为正）
3.1.2水压力
水压力分为水平向静水压力、竖向水压力（溢流坝段泄洪时）、地震情况下的动水压力（此荷载为地震荷载）。
1、水平向静水压力
（1）挡水坝段
正常蓄水位情况：
上游水深Hu1=18.0m
上游水压力Pu1=1587.6KN
力臂Lu1=6m
力矩MPu1=9525.6KN.m
设计洪水位情况：
上游水深Hu2=20.94m
上游水压力Pu2=2148.57KN
力臂Lu2=6.98m
力矩MPu2=14997.0KN.m
校核洪水位情况：
上游水深Hu3=21.3m
上游水压力Pu3=2223.08KN
力臂Lu3=7.1m
力矩MPu3=15783.87KN.m
（2）溢流坝段
上游水深Hu1=14.0m
上游水压力Pu1=960.4KN
力臂Lu1=4.67m
力矩MPu1=4481.87KN.m
上游水深Hu2=16.94m
上游水压力Pu2=1406.12KN
力臂Lu2=5.65m
力矩MPu2=7939.9KN.m
下游水深Hd2=8.8m
下游水压力Pd2=-379.456KN
力臂Ld2=2.93m
力矩MPd2=-1113.07KN.m
上游水深Hu3=17.3m
上游水压力Pu3=1466.52KN
力臂Lu3=5.77m
力矩MPu3=8456.94KN.m
下游水深Hd3=9.42m
下游水压力Pd3=-434.81KN
力臂Ld3=3.14m
力矩MPd3=-1365.30KN.m
（3）进水口坝段
上游水深Hu1=22.2m
上游水压力Pu1=2417.38KN
力臂Lu1=7.4m
力矩MPu1=17888.61KN.m
上游水深Hu2=25.14m
上游水压力Pu2=3100.06KN
力臂Lu2=8.38m
力矩MPu2=25978.50KN.m
上游水深Hu3=25.5m
上游水压力Pu3=3189.48KN
力臂Lu3=8.5m
力矩MPu3=27110.58KN.m
（4）底孔坝段
上游水深Hu1=26.5m
上游水压力Pu1=3444.54KN
力臂Lu1=8.83m
力矩MPu1=30415.29KN.m
上游水深Hu2=29.44m
上游水压力Pu2=4251.23KN
力臂Lu2=9.81m
力矩MPu2=41704.57KN.m
上游水深Hu3=29.8m
上游水压力Pu3=4355.84KN
力臂Lu3=9.93m
力矩MPu3=43253.49KN.m
2、竖向水压力
竖向水压力是在溢流坝段泄洪时作用在溢流坝面上的水压力，水面线按堰上水深和下游水深的平均初估。
单宽坝段上水体面积A2=38.23m2
单宽坝段上水重G2=374.68KN
力臂L2=-0.12m
力矩MG2=-46.35KN.m
单宽坝段上水体面积A3=46.81m2
单宽坝段上水重G3=458.77KN
力臂L3=-0.11m
力矩MG3=-50.60KN.m
进水口坝段斜断面上水重
上游水压力Gw1=647.90KN
力臂Lu1=12.69m
力矩Mw1=8221.85KN.m
上游水压力Gw2=831.12KN
力臂Lu2=12.69m
力矩Mw2=10546.91KN.m
上游水压力Gw3=854.28KN
力臂Lu3=12.69m
力矩Mw3=10840.81KN.m
3.1.3扬压力
坝底面上游处的扬压力作用水头为Hu（上游水深），下游处为Hd（下游水深），其间以直线连接。
扬压力U1=-1455.3KN
力臂Lu1=-2.75m
力矩MU1=4002.08KN.m
扬压力U2=-1693KN
力臂Lu2=-2.75m
力矩MU2=4655.75KN.m
扬压力U3=-1722.1KN
力臂Lu3=-2.75m
力矩MU3=4375.79KN.m
下游水深Hd1=0m
扬压力U1=-891.8KN
力臂Lu1=-2.17m
力矩MU1=1932.23KN.m
扬压力U2=-1639.6KN
力臂Lu2=-0.67m
力矩MU2=1099.87KN.m
扬压力U3=-1702.1KN
力臂Lu3=-0.64m
力矩MU3=1087.62KN.m
上游水深Hu1=22.20m
扬压力U1=-3275.44KN
力臂Lu1=-5.01m
力矩MU1=16409.95KN.m
扬压力U2=-3709.22KN
力臂Lu2=-5.01m
力矩MU2=18583.19KN.m
上游水深Hu3=25.50m
扬压力U3=-3762.33KN
力臂Lu3=-5.01m
力矩MU3=18849.27KN.m
扬压力U1=-3623.91KN
力臂Lu1=-4.65m
力矩MU1=16851.18KN.m
扬压力U2=-4025.96KN
力臂Lu2=-4.65m
力矩MU2=18720.71KN.m
扬压力U3=-4075.19KN
力臂Lu3=-4.65m
力矩MU3=18949.63KN.m
3.1.4地震荷载
一般情况下，混凝土重力坝在抗震设计中可以只计入顺水流向的水平向地震作用。
抗震计算考虑的地震作用包括建筑物自重和地震惯性力，水平向地震作用的动水压力，此时，大坝上游水位采用正常蓄水位。
1、地震惯性力
采用拟静力法计算重力坝地震作用效应时，沿建筑物高度作用于质点i的水平向地震惯性力代表值按下式计算：
αh—水平向设计地震加速度代表值，取0.15g；
GEi—集中在质点i的重力作用标准值；
ξ—计算系数，拟静力法计算地震作用效应时一般取0.25；
ai—质点i的动态分布系数；
g—重力加速度，g=9.81m/s²
其中动态分布系数按下式计算：
n—坝体计算质点总数；
H—坝高；
hi、hj—分别为质点i、j的高度；
GE—产生地震惯性力的建筑物总重力作用的标准值；
根据以上公式计算：
地震惯性力Fi=244.70KN
力臂L=8.38m
力矩MFi=2050.55KN.m
地震惯性力Fi=152.78KN
力臂L=5.56m
力矩MFi=849.59KN.m
地震惯性力Fi=739.15KN
力臂L=11.01m
力矩MFi=8138.04KN.m
地震惯性力Fi=572.16KN
力臂L=12.24m
力矩MFi=7003.24KN.m
2、动水压力
采用拟静力法计算重力坝地震作用效应时，单位宽度坝面的总地震动水压力作用在水面以下0.54H0处，其代表值F0按下式计算：
ρw—水体质量密度标准值；
H0—水深；
动水压力F0=758.476KN
力臂L=8.28m
力矩MF0=6280.18KN.m
动水压力F0=458.83KN
力臂L=6.44m
力矩MF0=2954.87KN.m
动水压力F0=1156.08KN
力臂L=10.212m
力矩MF0=11805.89KN.m
动水压力F0=1647.31KN
力臂L=12.19m
力矩MF0=20080.71KN.m
3.2安全系数及应力计算
根据地质报告的描述，挡水坝段的建基面基本都在弱风化的辉绿岩上，因此，计算采用辉绿岩的参数。
溢流坝段部位的辉绿岩厚度较小，其建基面大部分位于砂岩上，为安全起见，计算采用砂岩的参数。
坝基面法向作用之和∑W=3300.7KN
坝基面切向作用之和∑P=1587.6KN
力矩之和∑M=-417.87KN.m
设计洪水情况：
坝基面法向作用之和∑W=3060KN
坝基面切向作用之和∑P=2148.57KN
力矩之和∑M=5707.22KN.m
校核洪水情况：
坝基面法向作用之和∑W=3033.9KN
坝基面切向作用之和∑P=2223.08KN
力矩之和∑M=6574.12KN.m
地震+正常蓄水位情况：
坝基面切向作用之和∑P=2590.77KN
力矩之和∑M=7912.87KN.m
安全系数及基底应力计算结果：
工况
正常蓄水位
设计洪水
校核洪水
地震
荷载
∑W（KN）
3300.7
3060
3033.9
∑P（KN）
1587.6
2148.57
2223.08
2590.77
∑M（KN.m）
-417.87
5707.22
6574.12
7912.87
计算参数
f’
c’（MPa）
安全系数
K’
10.18
7.43
7.16
6.24
K
1.56
1.07
1.02
-
基底应力
σmax（KPa）
209.25
311.42
328.76
374.43
σmin（KPa）
190.83
59.86
38.99
25.65
坝基面法向作用之和∑W=2077.73KN
坝基面切向作用之和∑P=960.4KN
力矩之和∑M=2001.07KN.m
坝基面法向作用之和∑W=1704.58KN
坝基面切向作用之和∑P=1026.67KN
力矩之和∑M=3513.67KN.m
坝基面法向作用之和∑W=1642.16KN
坝基面切向作用之和∑P=1031.71KN
力矩之和∑M=3766.23KN.m
坝基面切向作用之和∑P=1572.01KN
力矩之和∑M=5805.54KN.m
2077.73
1704.58
1642.16
960.4
1026.67
1031.71
1572.01
2001.07
3513.67
3766.23
5805.54
12.77
11.62
11.51
7.80
1.40
1.08
1.03
230.87
255.87
260.03
365.94
88.78
6.37
-7.39
-46.29
坝基面法向作用之和∑W=11454.22KN
坝基面切向作用之和∑P=2417.38KN
力矩之和∑M=26780.80KN.m
坝基面法向作用之和∑W=11203.66KN
坝基面切向作用之和∑P=3100.06KN
力矩之和∑M=34718.87KN.m
坝基面法向作用之和∑W=11173.71KN
坝基面切向作用之和∑P=3189.48KN
力矩之和∑M=35823.13KN.m
坝基面切向作用之和∑P=4312.61KN
力矩之和∑M=46724.68KN.m
11454.22
11203.66
11173.71
2417.38
3100.06
3189.48
4312.61
26780.80
34718.87
35823.13
46724.68
17.18
13.32
12.93
9.63
3.55
2.71
2.63
558.38
602.69
609.02
690.64
203.20
142.23
133.91
70.95
（2）底孔坝段
坝基面法向作用之和∑W=8808.33KN
坝基面切向作用之和∑P=3444.54KN
力矩之和∑M=7234.66KN.m
坝基面法向作用之和∑W=8406.28KN
坝基面切向作用之和∑P=4251.23KN
力矩之和∑M=20393.47KN.m
坝基面法向作用之和∑W=8357.05KN
坝基面切向作用之和∑P=4355.84KN
力矩之和∑M=22171.31KN.m
坝基面切向作用之和∑P=5664.01KN
力矩之和∑M=17467.43KN.m
8808.33
8406.28
8357.05
3444.54
4251.23
4355.84
5664.01
7234.66
20393.47
22171.31
17467.43
10.65
8.54
8.32
6.48
1.92
1.48
1.44
371.78
458.94
470.89
580.85
260.09
144.10
128.61
51.03
4.结果汇总
稳定及应力计算结果汇总见表4-1和表4-2。
表4-1挡水坝段抗滑稳定安全系数和坝基应力计算结果
坝基应力（Mpa）
抗剪安全系数
抗剪断安全系数
正常蓄水情况
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