重力坝浅层与深层抗滑稳定计算算稿采用规范和手册分别计算.docx
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重力坝浅层与深层抗滑稳定计算算稿采用规范和手册分别计算
果多水电站大坝浅层及深层
抗滑稳定计算
（采用规范和手册分别计算）
一、采用规范计算（坝坡优化前）
1、计算背景
果多水电站位于西藏自治区昌都县境内，是扎曲河流域规划方案中的第二级水电站，坝址区位于昌都县柴维乡果多村附近，距柴维乡约5.8km（公路里程），距昌都地区约59km（公路里程）。
工程以发电为主，初拟正常蓄水位3418m，水库回水至关门山上游大同村附近一带，长约19.6km，最大坝高93m，总库容约0.8亿m3，装机容量165MW。
根据《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》（DL5180-2003），结合本工程装机容量、库容和工程任务，本电站工程等别为三等工程，工程规模为中型。
主要永久性建筑物（如挡泄水及引水发电系统）为3级建筑物；次要建筑物为4级。
永久性次要建筑物为4级，临时建筑物为5级。
2006年11月我院组织完成并提交了《西藏自治区扎曲水电规划报告》，2007年4月，水电水利规划设计总院、西藏自治区发改委及西藏自治区电力工业局共同主持审查并通过了该报告。
2008年7月，我院组织完成了果多水电站预可行性研究报告的编写工作，9月，由水电水利规划设计总院会同西藏自治区发改委、电力工业局在成都主持召开了《西藏自治区扎曲果多水电站预可行性研究报告》审查会议，审议并通过了该报告。
同时会议要求对于水工部分还应补充以下内容，用以验证坝体的稳定性：
1）、坝基浅层抗滑稳定计算；
2）、坝基深层抗滑稳定计算；
本算稿主要进行坝基浅层及深层抗滑稳定计算为目的。
2、计算内容
果多水电站采用碾压混凝土筑坝技术，大坝上游立视如下图2-1所示，最大坝高93m，坝轴线全长235m，从左岸到右岸分别是左岸挡水坝段、引水坝段、冲沙孔坝段、溢流坝段和右岸挡水坝段。
总库容约0.8亿m3，装机容量165MW。
为了研究整个大坝的稳定性，本次计算选取了具有代表性的几个剖面，各剖面位置如下图1-1所示，主要有厂房坝段（坝横0+080.65）、左非溢流坝段（坝横0+107.000）、溢流坝段（坝横0+124.000）和右非溢流坝段（坝横0+170.500和坝横0+191.500）。
该五个坝段选用最大剖面进行计算，结果可反应整个大坝的抗滑稳定性。
图2-1所选计算剖面位置
根据计算结果，最终确定经济合理的坝基抗滑稳定措施。
3、基本资料
（1）特征水位：
校核洪水位：
3418.84（P=0.1%），对应的下游校核洪水位3370.87（P=0.1%大坝）/3369.63（P=0.5%厂房）；
正常蓄水位：
3418.00，对应的下游尾水位：
3358.63m；
死水位：
3413.00m；
泥沙淤积高程：
3378.38m；
（2）材料容重：
素混凝土容重：
γc=24kN/m3；
钢筋混凝土容重：
γc=25kN/m3；
基岩容重：
γc=27kN/m3；
水的容重：
γw＝9.81KN/m3；
泥沙浮容重：
γsb=8KN/m3；
泥沙内摩擦角：
φ=10°；
（4）作用分项系数、材料性能分项系数和结构系数分别见表3-1、表3-2和表3-3：
表3-1作用分项系数表
序号
作用类别
分项系数
1
自重
1.0
2
水压力
1）静水压力
2）动水压力：
时均压力、离心力、冲击力、脉动压力
1.0
1.05、1.1、1.1、1.3
3
扬压力
1）渗透压力
2）浮托力
3）扬压力（有抽排）
4）残余扬压力（有抽排）
1.2（实体重力坝）
1.1（宽缝、空腹重力坝）
1.0
1.1（主排水孔之前）
1.2（主排水孔之后）
4
淤沙压力
1.2
5
浪压力
1.2
表3-2材料性能分项系数表
序号
材料性能
分项系数
备注
1
抗剪断强度
1）混凝土/基岩摩擦系数f'R
黏聚力c'R
1.3
3.0
2）混凝土/混凝土摩擦系数f'c
黏聚力c'c
1.3
3.0
包括常态砼和碾压砼层面
3）基岩/基岩摩擦系数f'd
黏聚力c'd
1.4
3.2
4）软弱结构面摩擦系数f'd
黏聚力c'd
1.5
3.4
2
混凝土强度抗压强度fc
1.5
表3-3结构系数表
序号
项目
组合类型
结构系数
备注
1
抗滑稳定极限状态设计式
基本组合
1.2
包括建基面、层面、深层滑动面
偶然组合
1.2
2
混凝土抗压极限状态设计式
基本组合
1.8
偶然组合
1.8
4、边界条件
1）坝基岩体以T3d2灰色厚层块状砂岩、粉砂岩夹泥岩、泥板岩为主，岩层倾向左岸偏上游，倾角35º～45º，泥岩层面、夹层、裂隙发育。
其中发育少量近EW,N∠20º～30º裂隙，宽0～0.4cm，间距大于2m，长一般1～3m，用投影法计算连通率在30%左右，充填石英、岩屑为主，少量泥质。
2）坝基可能的抗滑稳定破坏模式主要有2种：
a）沿建基面附近的浅层岩体剪切滑移；b）垂直河流向裂隙构成后缘切割面，层面及夹层与顺河向裂隙构成侧向滑移面，沿走向EW,N∠20º～30º组裂隙向下游的剪出破坏。
主要滑动模式示意见下图4-1所示。
图4-1大坝浅层、深层滑动模式示意图
3）考虑到坝基岩体分布型式为缓倾上游偏左岸，坝基深层抗滑稳定的最危险情况如上图4-1所示，坝体带动岩层，并顺着岩层走向从坝址剪出。
偏于安全考虑，计算时没有考虑坝址以后岩体的抗力作用。
4）由于坝体需拉裂坝踵岩石后才能沿底滑面滑出，而上游拉裂面本身也存在一定的抗力作用，计算时考虑了上游拉裂面的抗拉力。
可能拉裂面的抗拉力=此处粘距力×拉裂面面积。
5、参数选取
下表5-1、表5-2是地质专业提供的坝基结构面参数建议值表，根据该资料可拟定深层抗滑稳定主要边界面的地质参数如下：
底滑面为裂隙面时（连通率30%左右）：
裂隙面f1=0.45,c1=100kpa，泥岩层面f2=0.45,c2=100kpa，因此综合参数为f=0.45,c=100kpa；
底滑面为岩屑夹泥型夹层时：
f=0.4,c=50kpa。
表5-1下坝址岩体物理力学参数建议值表
岩体
分类
地层岩性
风化
容重
湿抗压
允许承载力
变模
弹模
泊
松
比
抗剪断
岩/岩
砼/岩
（g/cm3）
（MPa）
（MPa）
（GPa）
（GPa）
f’
C’（MPa）
f’
C’（MPa）
Ⅲ2A
T3d2、J1ch1、J1ch2砂岩、粉砂岩
弱
2.60
60
4.0
6.0
10.0
0.28
0.90
0.80
0.90
0.80
Ⅲ1A
微
2.65
85.0
6.0
10
20.0
0.25
1.10
1.00
1.00
0.90
V
T3d2、J1ch1、J1ch2粉砂质泥岩、泥岩
弱
2.65
10
1.2
2.0
4.0
0.32
0.55
0.30
0.70
0.30
ⅣC
微
2.70
15
2.5
5.0
9.0
0.30
0.80
0.70
0.90
0.70
Ⅲ2A
T3d2砂岩夹泥岩，砂岩约占80%（下坝址坝基部份）
弱
2.61
50
3.4
5.2
8.8
0.32
0.80
0.70
0.85
0.70
Ⅲ1A
微
2.70
70
5.0
9.0
17.0
0.30
1.00
0.90
0.95
0.85
Ⅳ2B
J1ch1、J1ch2砂岩与泥岩互层，砂岩占40%左右
弱
2.63
35
2.0
3.6
6.0
0.30
0.70
0.50
0.78
0.50
Ⅳ1B
微
2.68
45
3.5
5.0
9.0
0.28
0.90
0.80
0.94
0.80
表5-2下坝址结构面参数建议值表
结构面类型
风化程度
抗剪强度
备注
f
c）Mpa）
砂岩层面
弱
0.45
0.05
微
0.55
0.10
泥岩层面
弱
0.3
0.05
微
0.45
0.10
岩屑夹泥型夹层
0.4
0.05
泥夹岩屑型夹层
0.30
0.02
断层（f3~f7）面
0.35
0.05
裂隙面
0.45
0.10
注：
上表参数为在现场及室内试验统计标准值的基础上，考虑现场地质条件、参考相关工程经验提出的地质建议值。
对于沿坝基面的浅层滑动模式，由于各坝段砂岩与泥岩所占的比例不同，剪断岩石参数按其比例取砂岩和泥岩的综合参数。
下图5-1是建基面砂岩和泥岩的分布图，下表5-3是地质建议的建基面砂岩与泥岩分布比例，按比例可计算出各坝段建基面剪断岩石时的综合参数见下表5-4、表5-5、表5-6。
图5-1建基面砂岩与泥岩分布图
表5-3建基面砂岩与泥岩所占比例
位置
泥岩比例（%）
砂岩比例（%）
左岸高高程
21
79
左岸低高程
21
79
河床
6
94
右岸
15
85
表5-4河床坝段剪断岩石综合参数计算表（溢流坝段/左非坝段）
河床
f
c（Kpa）
泥岩
0.8
700
砂岩
1.1
1000
剪断岩石综合
1.08
982
表5-5左岸坝段剪断岩石综合参数计算表（厂房坝段）
左岸
f
c（Kpa）
泥岩
0.55
300
砂岩
0.9
800
剪断岩石综合
0.83
695
表5-6右岸坝段剪断岩石综合参数计算表（右非坝段）
左岸
f
c（Kpa）
泥岩
0.55
300
砂岩
0.9
800
剪断岩石综合
0.85
725
如下图5-2所示，浅层滑动面程波浪状分布，根据地质建议，参数应该为裂隙，剪断岩石和夹层的综合参数。
各结构面所占比例及综合参数计算结果见下表5-7、表5-8和表5-9所示。
图5-2浅层滑动底滑面波浪状分布示意图
表5-7河床坝段浅层滑动综合参数计算表
f
c（Kpa）
权重
裂隙
0.45
100.00
30
82
剪断岩石
1.08
982.00
70
夹层
0.40
50.00
18
综合值
0.80
597.27
备注：
包括溢流坝段（坝横0+124.000）和左非溢流坝段（坝横0+107.000）
表5-8左岸坝段浅层滑动综合参数计算表
f
c（Kpa）
权重
裂隙
0.45
100.00
30
82
剪断岩石
0.83
695.00
70
夹层
0.40
50.00
18
综合值
0.66
432.53
备注：
包括左岸厂房坝段（坝横0+080.65）
表5-9右岸坝段浅层滑动综合参数计算表
f
c（Kpa）
权重
裂隙
0.45
100.00
30
82
剪断岩石
0.85
725.00
70
夹层
0.40
50.00
18
综合值
0.67
449.75
备注：
包括右岸非溢流坝段（坝横0+170.500和坝横0+191.500）
坝体上游拉裂面抗力=此处粘距力×拉裂面面积。
此处粘距力按剪断泥岩与泥岩层面的综合参数考虑。
根据上表5-1和表5-2，泥岩层面c1=0.1MPa，剪断泥岩c2=0.7MPa，其中泥岩层面占30%比例，因此综合参数c=0.1×30%+0.7×70%=0.52MPa。
6、计算工况
本次计算主要考虑以下几种工况，具体见表6-1。
表6-1计算工况及相应水位表
设计状况
荷载组合
主要考虑
情况
上游
水位
下游
水位
备注
持久状况
基本组合
正常水位
情况
3418.00
3358.63
一台机发电
水位
偶然状况1
偶然组合
校核水位
情况
3418.84
大坝：
3370.87（P=1%）
厂房：
3369.63（P=0.5%）
偶然状况2
基本组合
+地震
正常水位
情况
3418.00
3358.63
一台机发电
水位
7、荷载计算
1）坝体自重：
考虑溢流坝、非溢流坝段、厂房坝段坝体自重、闸墩重，廊道忽略，计算时先计算整个坝段的荷载，再换算为单宽进行计算；
2）上下游静水压力：
采用公式
以面力形式施加于坝体上下游面，式中w──水的容重，取9.81kN/m3。
H──相应计算工况的作用水头（m）。
；
3）泥沙压力：
水平泥沙压力标准值计算公式为：
式中：
γsb──泥沙浮容重（kN/m3），取8kN/m3。
hs──坝前泥沙淤积高度（m），淤沙高程为3378.38m。
s──淤沙内摩擦角，取10。
4）浪压力：
本水库属内陆狭谷水库，平均浪高、平均波长按官厅水库公式计算。
根据经验，浪压力一般对抗滑稳定影响较小，因此本次计算未考虑。
6）扬压力：
①、河床坝段考虑采用2道抽排水降压措施，扬压力计算图形如图7-1所示。
其中，坝踵处扬压力为上游全水头，上游帷幕后排水孔处扬压力为上游全水头×0.2（主扬压力折减系数），坝趾处扬压力为下游全水头×0.5（残余扬压力折减系数）。
图7-1河床扬压力计算简图
②、岸坡坝段仅考虑1道抽排水降压措施，扬压力计算图形如图7-2所示。
其中，坝踵处扬压力为上游全水头，上游帷幕后排水孔处扬压力为上游全水头×0.2（主扬压力折减系数），坝趾处扬压力为下游全水头×0.5（残余扬压力折减系数）。
图7-2扬压力计算简图
7）地震力：
本工程区为7度地震，设计烈度为0.09g。
地震荷载计算参考“水工建筑物抗震设计规范（DL5073-2000）”进行。
采用拟静力法计算地震作用效应时，沿建筑物高度作用于质点i的水平向地震惯性力代表值应按下式计算：
式中：
—作用在质点i的水平向地震惯性力代表值；
—地震作用效应折减系数，除另有规定外，取
=0.25；
—集中在质点i的重力作用标准值；
—质点i的动态分布系数；
—重力加速度。
—水平向地震加速度代表值，取值见下表7-1。
表7-1水平向设计烈度地震加速度代表值
设计烈度
7
8
9
0.1g
0.2g
0.4g
注：
g=9.81m/s2
按下式计算：
式中：
n—坝体计算质点总数；
H—坝高，溢流坝的H应算至闸墩顶；
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的标准值。
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应按下式计算：
式中：
F0—总地震动水压力；
H0—水深；
ρw—水体质量密度标准值。
8、计算公式（电力规范）
根据《混凝土重力坝设计规范》－DL5108－1999中8.2承载能力极限状态计算规定，对基本组合，应采用下列极限状态设计表达式：
式中：
——结构重要性系数，对应于结构安全级别为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级的结构及构件，可分别取1.1、1.0、0.9，本工程大坝为Ⅱ级结构，取
=1.0；
——设计状况系数，对应于持久状况、短暂状况、偶然状况，可分别取1.0、0.95、0.85；
——作用效应函数；
——结构及构件抗力函数；
——永久作用分项系数；
——可变作用分项系数；
——永久作用标准值；
——可变作用标准值；
——几何参数的标准值（可作为定值计算）；
——材料性能的标准值；
——材料性能分项系数；
——基本组合结构系数。
对偶然组合，应采用下列极限状态设计表达式：
式中：
——偶然作用代表值；
——偶然组合结构系数。
根据《混凝土重力坝设计规范》－DL5108－1999附录F中坝基深层抗滑稳定计算可知坝基深层存在缓倾角软弱结构面时，具有单滑动面、双滑动面和多滑动面几种可能。
双斜滑动面最为常见情况如图8-1：
图8-1双斜滑动面示意图
双滑动面的坝基深层抗滑稳定极限状态抗力函数：
式中：
∑W——垂直力之和；
G1、G2——分别为岩体ABD、BCD重量的垂直作用；
、
——分别为AB、BC滑动面上的抗剪断摩擦系数；
、
——分别为AB、BC滑动面上的抗剪断粘聚力；
A1、A2——分别为AB、BC面的面积；
、
——分别为AB、BC与水平面的夹角；
U1、U2、U3——分别为AB、BC、BD面上的扬压力；
、
——分别为BD面上的抗力或不平衡剩余推力及剩余推力作用方向与水平面的夹角，为安全考虑，假设为0°。
作用效应函数
S（.）＝∑P
式中：
∑P——作用于深层滑动面的全部水平作用之和。
单滑是双滑的一种特殊情况，采用相同公式进行计算。
坝基面浅层滑动时按下式计算：
①作用效应函数
S（·）=∑PR
②抗滑稳定抗力函数
R（·）=f′R∑WR+C′RAR
式中：
∑PR—坝基面上全部切向作用之和（kN）；
∑WR—坝基面上全部法向作用之和（kN）；
f′R—坝基面抗剪断摩擦系数；
C′R—坝基面抗剪断凝聚力（kN）；
AR—坝基面面积（m2）。
9、地震荷载计算过程
以溢流坝段为例进行地震惯性力和地震动水压力计算如下：
溢流坝段高度H=93m；
上游水深H0=90m（正常工况）；
坝体总重GE=103102.32KN（单宽计算时可根据面积×容重得到，面积计算如下图9-1所示）；
地震加速度代表值ah=0.09g；
地震效应折减系数ξ=0.25；
重力加速度g=9.81m/s2；
水的密度ρw=1000kg/m3。
经计算，地震动水压力
=1291.24KN。
地震惯性力采用拟静力法进行计算，计算时将坝体沿高程方向每3m划分一层，分别计算每层的自重、动态分布系数和水平方向地震作用力，各块地震作用力之和即为整个坝体的地震惯性力。
计算公式见第7节内容。
下表9-1为地震惯性力计算过程。
图9-1坝体总重及分层示意图
表9-1地震惯性力计算过程
编号i
高程h（m）
面积GEi（m2）
重量GEi（KN）
hi（m）
（hi/H）^4
GEi/GE*（hi/H）^4
ai
水平方向地震作用Fi（KN）
1
3421.00
3418.00
94.50
2268.00
91.50
0.94
0.0206123
4.3154
244.68
2
3418.00
3415.00
94.50
2268.00
88.50
0.82
0.0180391
3.8901
220.57
3
3415.00
3412.00
94.50
2268.00
85.50
0.71
0.0157147
3.5060
198.79
4
3412.00
3409.00
94.50
2268.00
82.50
0.62
0.0136226
3.1602
179.18
5
3409.00
3406.00
94.50
2268.00
79.50
0.53
0.0117466
2.8502
161.60
6
3406.00
3403.00
94.50
2268.00
76.50
0.46
0.0100714
2.5733
145.91
7
3403.00
3400.00
94.31
2263.44
73.50
0.39
0.0085648
2.3272
131.69
8
3400.00
3397.00
89.97
2159.28
70.50
0.33
0.0069162
2.1094
113.87
9
3397.00
3394.00
83.97
2015.28
67.50
0.28
0.0054244
1.9177
96.62
10
3394.00
3391.00
81.00
1944.00
64.50
0.23
0.0043625
1.7500
85.05
11
3391.00
3388.00
81.00
1944.00
61.50
0.19
0.0036058
1.6041
77.96
12
3388.00
3385.00
81.54
1956.96
58.50
0.16
0.0029717
1.4780
72.31
13
3385.00
3382.00
87.36
2096.64
55.50
0.13
0.0025793
1.3700
71.81
14
3382.00
3379.00
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