I1混凝土重力坝抗滑稳定及坝基应力计算程序.docx
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I1混凝土重力坝抗滑稳定及坝基应力计算程序
I－1混凝土重力坝抗滑稳定及坝基应力计算程序
作者朱凤娟（水电部天津勘测设计院）
校核牟广丞（水电部天津勘测设计院）
一、编制目的和依据
本程序根据“混凝土重力坝设计规范”（SDJ21-78）、“水工建筑物抗震设计规范”（SDJ10-78）及“混凝土重力坝设计规范修改补充规定”（1985年1月《水利水电技术》）编制。
用本程序对选定的混凝土重力坝断面作抗滑稳定和坝基应力计算，能迅速获得成果，方便设计。
本程序例题有详细的手算考证，并验算了潘家口工程、板桥溢流坝、石漫滩挡水坝，成果正确。
尽管补充规定末列入抗剪安全系数公式，但考虑到目前抗剪断面两个公式并用的实际情况，所以程序中仍然列入了两个公式。
二、程序说明
（一）计算原理及公式
1，抗剪安全系数公式：
抗剪断安全系数公式：
上、下游面垂直正应力：
2，荷载种类：
（1）坝体自重：
自动根据断面尺计算，溢流坝闸墩及上部结构作为附加重量加入,廊道、大孔口等作为附加重量扣除。
（2）水压力:
根据上、下游水位自动计算。
设置C9标识符,使电站坝段厂坝间分缝时,不计下游面水压力、水重计及变坝坡影响。
（3）泥沙压力:
水平泥沙压力计算公式如下:
式中:
γs---泥沙浮容重
Φ---泥沙内磨擦角.
泥沙重计算类同水重。
（4）扬压力:
根据修改规定,坝基扬压力图形改为仅在排水幕处折减一次。
（5）浪压力：
输入浪高之半hL及波长之半LL根据规范附录二提供公式自动计算。
（6）地震惯性力：
当某种荷载组合计入地震时，程序自动计算水平地震惯性力，当地震烈度大于７度时，计入竖向地震惯性力。
（7）地震动水压力：
单宽总地震动水压力（水平）为：
当上游面垂直和直立坡大于1／2坝高时＝90，否则为水面点与坝脚的连线与水平面夹角。
当≠90时，竖向动水压力为
（8）附加荷载：
溢流顶水量、闸墩与闸门所受的水压力、泄流时的动水压力、冰压力等均可作为附加荷载计入。
（二）适用范围及功能
适用各种高度及各种类型混凝土重力坝的抗滑稳定及坝基应力计算。
可输出各种荷载组合情况下各分项的力及力矩；总竖向力、总水平力、总力矩；抗滑稳定系数及坝基上下游坝面σy值。
（三）主要变量说明
1，输入变量（采用吨－米制）。
简单变量
NI――截面总数;
NK――荷载组合数;
NC――附加重量数;
NL――附加荷载信息,有填１，无填０；
C9――填０表示下游无厂房挡水，填１表示有厂房挡水；
HH――坝体总高度（计地震时溢流坝算至闸墩顶）；
H9――坝基高程；
GC――混凝土容重；
GW――水容重；
GS――泥沙浮容重；
FE――泥沙内磨擦角；
F1――混凝土与基岩面抗剪磨擦系数；
F2――混凝土与基岩面抗剪断磨擦系数；
C2――抗剪断凝聚力（吨/米2）；
K1――坝基排水幕折减系数；
L1――坝基排水幕到上游面距离；
KK――地震系数；（KK=Kn·Cn）
FU――上游地震动水压力折减角；
FD――下游地震动水压力折减角；
数组：
X1（I）,X2（I）,Y1（I）---依次为各计算截面的上游面水平坐标、下游面水平坐标、高度坐标。
一般取坝基为水平轴X，坝轴线处为Y轴。
I从0到NI。
HU（K）,HD（K）,HS（K）,KE（K）---依次为上游水位、下游水位，淤沙高程、地震标记（计时填1，不计填0）。
K从1到NK。
HL（K）,LL（K）---浪高之半、波长之半。
K从1到NK。
当NC≠0时输入附加重量；
Z1（I,0）,Z1（I,1）,Z1（I,2）---依次为附加重量、附加重量重心X坐标、Y坐标。
I从1到NC。
当NL＝1时输入附加荷载；
Z2（K）,Z3（K）,Z4（K）,Z5（K）---附加竖向合力、该合力作用点水平坐标、附加水平合力、该合力作用点Ｙ坐标。
K从1到NK，即一种荷载组合填一组。
2，输出变量说明
Q0--总地震水平惯性力／（∑Wi△I）
Q1--总地震竖向惯性力／（∑Wi△I′）
W
（1）,M
（1）--坝体总自重及力矩（力矩是指对坝基截面形心之矩，下同）；
V
（2）,M
（2）--上游水平水压力及力矩；
V（3）,M（3）--下游水平水压力及力矩；
V（4）,M（4）--上游泥沙水平水压力及力矩；
W（5）,M（5）--上游水重及力矩；
W（6）,M（6）--下游水重及力矩；
W（7）,M（7）--泥沙重及力矩；
W（8）,M（8）--扬压力及力矩；
W（9）,M（9）--浪压力及力矩；
W（10）,V（10）,M（10）--附加竖向荷载、水平荷载及二者引起的力矩；
W（11）,V（11）,M（11）--上游地震动水压力及力矩；
W（12）,V（12）,M（12）--下游地震动水压力及力矩；
V（13）,M（13）--水平地震惯性力及力矩；
W（14）,M（14）--竖向地震惯性力及力矩；
SW--总竖向力（吨）（向下为正）；
SV--总水平力（吨）（指向上游为正）；
SM--总力矩（吨·米）（逆时针为正）；
K1--抗剪安全系数；
K2--抗剪断安全系数；
SYU--上游面垂直正应力（吨／米２）；
SYD--下游面垂直正应力（吨／米２）；
（四）操作与填写的一些说明
程序一次标多种荷载组合情况全算完。
将输入变量按程序,形成数据文件,启动程序,键入数据文件名,即可计算完毕。
计算截面编号从坝顶0截面开始朝下编,溢流坝从堰顶朝下编,凡有折坡处均需设一计算截面。
溢流面、挑流鼻坎可设几个计算截面来近似吻合曲面。
考虑到计算地震惯性力时分布曲线的影响，分块高差不宜过大。
三、例题考证
例题1，某挡水坝高70米，如图１所示，要求计算三种情况：
情况1：
坝体自重＋水压力（上游▽225.0，下游▽180.0）＋泥沙压力（淤沙高程▽186）＋浪压力＋扬压力；
情况2：
同情况1，浪压力用附加荷载形式计；
情况3：
情况2＋8度地震。
图1挡水坝断面图
数据表
序号
变量名
数值
说明
1
NI
7
计算截面总数
2
NK
3
荷载组合数
3
NC
1
有一个附加重量数
4
NL
1
有附加荷载
5
C9
0
下游无厂房挡水
6
HH
70
坝体总高度
7
H9
160
坝基截面高程
8
GC
2.4
混凝土容重；
9
GW
1
水容重
10
GS
0.5
泥沙浮容重
11
FE
0
泥沙内磨擦角
12
F1
0.7
混凝土与基岩磨擦系数
13
F2
1.2
混凝土与基岩抗剪断磨擦系数
14
C2
65
凝聚力
15
K1
0.3
坝基排水幕折减系数
16
L1
12
坝基排水幕到上游面距离
17
KK
0.05
８度地震的ＫH.CZ值
18
FU
90
上游动水压力折减角
19
FD
55.008
下游动水压力折减角
20
X1（I）,X2（I）,
Y（I）
0,7,70,0,7,60,
0,14,50,0,21,40,
0,28,30,-3,35,20,
-6,42,10,-9,49,0
从计算截面0到7,依次输入上游面X座标,下游面X座标及Y座标
21
HU（K）,HD（K）,
HS（K）,KE（K）
225,180,186,0,
225,180,186,0,
225,180,186,1
从组合1到3，依次输入上游水位、下游水位，淤沙高程、地震标记。
22
HL（K）,LL（K）
0.503359,5.033590,0,0,0
从组合1到3依次输入浪高之半、波长之半
23
Z1（I,0）,Z1（I,1）,Z1（I,2）
-28.8,7,5
扣廊道附加重量,重心X、Y坐标
24
Z2（K）,Z3（K）,
Z4（K）,Z5（K）
0,0,0,0,
0,0,-2,63.8,
0,0,-2,63.8
从组合1到3依次输入附加竖向荷载，作用点X坐标、附加水平荷载、作用点Y坐标。
数据文件为I-1-1.INT:
7,3,1,1,0,70,160,2.4,1,0.5,0,0.7,1.2,65
0.3,12,0.05,90,55.008
0,7,70,0,7,60,0,14,50,0,21,40,0,28,30
-3,35,20,-6,42,10,-9,49,0
225,180,186,0,225,180,186,0,225,180,186,1
0.503359,5.03359,0,0,0,0
-28.8,7,5
0,0,0,0,0,0,-2,63.8,0,0,-2,63.8
计算结果文件为I-1-1.OUT:
**************************************************
***混凝土重力坝抗滑稳定及坝基应力计算书***
**************************************************
06-08-1998
输入数据（单位:
力--吨;力矩--吨-米;长度--米;应力--吨/米/米）:
计算截面总数NI=7荷载组合数NK=3
附加重量数NC=1附加荷载标志NL=1
厂房挡水标志C9=0
坝体总高度HH=70.000坝基截面高程H9=160.000
混凝土容重GC=2.40水容重GW=1.00
泥沙浮容重GS=0.50泥沙内摩擦角FE=0.00
混凝土与基岩面抗剪摩擦系数F1=0.700混凝土与基岩面抗剪断摩擦系数F2=1.200
抗剪断凝聚力C2=65.000坝基排水幕折减系数K1=0.300
坝基排水幕到上游面距离L1=12.000地震系数KK=0.050
上游地震动水压力折减角FU=90.00下游地震动水压力折减角FD=55.01
截面号上游面X坐标下游面X坐标高度坐标
00.0007.00070.000
10.0007.00060.000
20.00014.00050.000
30.00021.00040.000
40.00028.00030.000
5-3.00035.00020.000
6-6.00042.00010.000
7-9.00049.0000.000
荷载组合数上游水位下游水位淤沙高程地震标记浪高之半波长之半
1225.000180.000186.00000.50345.0336
2225.000180.000186.00000.00000.0000
3225.000180.000186.00010.00000.0000
附加重量重心X坐标重心Y坐标
-28.8007.0005.000
附加竖向力作用点的X坐标附加水平力作用点的Y坐标
0.0000.0000.0000.000
0.0000.000-2.00063.800
0.0000.000-2.00063.800
总地震水平惯性力平衡系数Q0=0.0476
总地震竖向惯性力平衡系数Q1=0.0181
----------------------------------------------------------
荷载组合1
截面号荷载名称竖向力水平力力矩
1坝体自重4495.200.0023457.60
2上游水平水压力0.00-2112.50-45770.83
3下游水平水压力0.00200.001333.33
4泥沙水平水压力0.00-169.00-1464.67
5上游水重450.000.0011227.50
6下游水重140.000.00-3406.67
7泥沙重50.700.001338.48
8扬压力-1821.500.00-8968.50
9浪压力0.00-3.33-212.31
10附加荷载0.000.000.00
总竖向力SW=3314.400（t）
总水平力SV=-2084.830（t）
总力矩SM=-22466.061（t-m）
抗剪安全系数K1=1.113
抗剪断安全系数K2=3.716
坝基上游面垂直正应力SYU=17.075（t/m^2）
坝基下游面垂直正应力SYD=97.215（t/m^2）
----------------------------------------------------------
荷载组合2
截面号荷载名称竖向力水平力力矩
1坝体自重4495.200.0023457.60
2上游水平水压力0.00-2112.50-45770.83
3下游水平水压力0.00200.001333.33
4泥沙水平水压力0.00-169.00-1464.67
5上游水重450.000.0011227.50
6下游水重140.000.00-3406.67
7泥沙重50.700.001338.48
8扬压力-1821.500.00-8968.50
9浪压力0.000.000.00
10附加荷载0.00-2.00-127.60
总竖向力SW=3314.400（t）
总水平力SV=-2083.500（t）
总力矩SM=-22381.350（t-m）
抗剪安全系数K1=1.114
抗剪断安全系数K2=3.718
坝基上游面垂直正应力SYU=17.226（t/m^2）
坝基下游面垂直正应力SYD=97.064（t/m^2）
----------------------------------------------------------
荷载组合3
截面号荷载名称竖向力水平力力矩
1坝体自重4495.200.0023457.60
2上游水平水压力0.00-2112.50-45770.83
3下游水平水压力0.00200.001333.33
4泥沙水平水压力0.00-169.00-1464.67
5上游水重450.000.0011227.50
6下游水重140.000.00-3406.67
7泥沙重50.700.001338.48
8扬压力-1821.500.00-8968.50
9浪压力0.000.000.00
10附加荷载0.00-2.00-127.60
11上游地震动水压力0.00-137.31-4105.64
12下游地震动水压力-5.56-7.9552.38
13水平地震惯性力0.00-292.19-8854.84
14竖向地震惯性力-112.380.00-771.51
总竖向力SW=3196.458（t）
总水平力SV=-2520.946（t）
总力矩SM=-36060.965（t-m）
抗剪安全系数K1=0.888
抗剪断安全系数K2=3.017
坝基上游面垂直正应力SYU=-9.207（t/m^2）
坝基下游面垂直正应力SYD=119.429（t/m^2）
----------------------------------------------------------
------计算结束------
例题2，板桥溢流坝，如图2所示，要求计算三种情况：
情况1：
（校核洪水）：
上游▽119.1，下游▽97.7，淤沙▽92；
情况2：
（设计水位,开门）：
上游▽117.5，下游▽93.9，淤沙▽92；
情况3：
同情况2，关闭闸门。
注:
前两种情况溢流时，不计动水压力。
数据文件为I-1-2.INT：
6,3,4,1,0,33,71,2.4,1,0.5,0,0.75,1.2,120
0.25,6,0,0,0
0,6,33,0,10.5,31.3,0,19.665,24
-0.5,23.93,19,-1.3581,30.59,10.419,-1.9,37.9,5,-2.4,37.9,0
119.1,97.7,92,0,117.5,93.9,92,0,117.5,93.9,92,0
0,0,0,0,0.33,3.73,
265.54,14.365,38,-10.97,5.5,22
-26.48,3.6,4,-2.19,1.953,32
47.75,1.92,-20.1,38.033,42.69,1.92,-16.08,37.5,61.93
2.785,-91.125,37.5
计算结果文件为I-1-2.OUT:
**************************************************
***混凝土重力坝抗滑稳定及坝基应力计算书***
**************************************************
03-10-2000
输入数据（单位:
力--吨;力矩--吨-米;长度--米;应力--吨/米/米）:
计算截面总数NI=6荷载组合数NK=3
附加重量数NC=4附加荷载标志NL=1
厂房挡水标志C9=0
坝体总高度HH=33.000坝基截面高程H9=71.000
混凝土容重GC=2.40水容重GW=1.00
泥沙浮容重GS=0.50泥沙内摩擦角FE=0.00
混凝土与基岩面抗剪摩擦系数F1=0.750混凝土与基岩面抗剪断摩擦系数F2=1.200
抗剪断凝聚力C2=120.000坝基排水幕折减系数K1=0.250
坝基排水幕到上游面距离L1=6.000地震系数KK=0.000
上游地震动水压力折减角FU=0.00下游地震动水压力折减角FD=0.00
截面号上游面X坐标下游面X坐标高度坐标
00.0006.00033.000
10.00010.50031.300
20.00019.66524.000
3-0.50023.93019.000
4-1.35830.59010.419
5-1.90037.9005.000
6-2.40037.9000.000
荷载组合数上游水位下游水位淤沙高程地震标记浪高之半波长之半
1119.10097.70092.00000.00000.0000
2117.50093.90092.00000.00000.0000
3117.50093.90092.00000.33003.7300
附加重量重心X坐标重心Y坐标
0.000265.54014.365
38.000-10.9705.500
22.000-26.4803.600
4.000-2.1901.953
附加竖向力作用点的X坐标附加水平力作用点的Y坐标
32.00047.7501.920-20.100
38.03342.6901.920-16.080
37.50061.9302.785-91.125
荷载组合1
截面号荷载名称竖向力水平力力矩
12154.180.0010280.49
20.00-1042.80-14211.45
30.00356.443172.36
40.00-110.25-771.75
586.640.001653.35
6245.430.00-3206.07
711.030.00214.44
8-1248.010.00-1673.70
90.000.000.00
1032.001.92-998.59
总竖向力SW=1281.259（t）
总水平力SV=-794.685（t）
总力矩SM=-5540.924（t-m）
抗剪安全系数K1=1.209
抗剪断安全系数K2=8.020
坝基上游面垂直正应力SYU=11.323（t/m^2）
坝基下游面垂直正应力SYD=52.263（t/m^2）
----------------------------------------------------------
荷载组合2
截面号荷载名称竖向力水平力力矩
12154.180.0010280.49
20.00-990.00-13340.25
30.00262.212001.50
40.00-110.25-771.75
582.800.001580.58
6172.080.00-2439.15
711.030.00214.44
8-1112.560.00-1845.76
90.000.000.00
1038.031.92-979.42
总竖向力SW=1345.557（t）
总水平力SV=-836.125（t）
总力矩SM=-5299.323（t-m）
抗剪安全系数K1=1.207
抗剪断安全系数K2=7.715
坝基上游面垂直正应力SYU=13.811（t/m^2）
坝基下游面垂直正应力SYD=52.966（t/m^2）
----------------------------------------------------------
荷载组合3
截面号荷载名称竖向力水平力力矩
12154.180.0010280.49
20.00-990.00-13340.25
30.00262.212001.50
40.00-110.25-771.75
582.800.001580.58
6172.080.00-2439.15
711.030.00214.44
8-1112.560.00-1845.76
90.00-1.57-71.63
1037.502.79-1910.53
总竖向力SW=1345.024（t）
总水平力SV=-836.833（t）
总力矩SM=-6302.071（t-m）
抗剪安全系数K1=1.205
抗剪断安全系数K2=7.708
坝基上游面垂直正应力SYU=10.093（t/m^2）
坝基下游面垂直正应力SY
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