重力坝抗滑稳定及应力计算.docx

1、重力坝抗滑稳定及应力计算项目名称：几内亚凯勒塔（KALETA ）水电站工程项目阶段：复核阶段计算书名称：重力坝抗滑稳定及应力计算审查:校核:计算:黄河勘测规划设计有限公司Yellow River Engin eeri ng Con suit ing Co. ,Ltd.二一二年四月1.计算说明 11.1目的与要求 11.2基本数据 12.计算参数和研究方法 12.1荷载组合 12.2计算参数及控制标准 22.3计算理论和方法 33.计算过程 43.1荷载计算 43.1.1自重 43.1.2水压力 43.1.3扬压力 83.1.4地震荷载 103.2安全系数及应力计算 134.结果汇总 171.计

2、算说明1.1 目的与要求下列计算是有关挡水坝段、 溢流坝段、进水口、底孔坝段抗滑稳定性和基底 应力计算。1.2 基本数据正常蓄水位： 110m ；设计洪水位： 112.94m ；校核洪水位： 113.30m ；大坝设计洪水标准为 100 年一遇，校核洪水标准为 1000 年一遇；坝址区地震动峰值加速度为 0.15g (g=9.81m/s2)，地震动反应周期为0.25s , 相应的地震基本烈度为 7度，本工程抗震设计烈度为 7 度。计算选取的挡水坝段坝顶高程114.00m，坝基底高程92.00m，坝高22m , 坝顶宽5m。上游坝面竖直，下游坝坡在 107.33m高程以上竖直，在107.33m

3、高程以下坡度为 1:0.75。计算选取的溢流坝段堰顶高程110.00m，坝基底高程96.00m，坝高14m， 上游坝面竖直， 下游坝坡在 108.59m 高程以上为 Creager 剖面，在 108.59m 高 程以下坡度为 1:0.85。正常蓄水位时， 溢流坝段下游无水； 设计洪水位 112.94m 时，下游水位 104.80m ；校核洪水位 113.30m 时，下游水位 105.42m 。进水口坝段顶高程 114.00m，坝基底高程 87.80m，坝高26.2m，顶宽 13.06m ，上游坝坡为 1:0.25，下游坝坡在 107.33m 高程以上竖直，在 107.33m 高程以下坡度为 1

4、:0.75。底孔坝段顶高程114.00m，坝基底高程83.50m，坝高30.5m，顶宽10.0m， 上游坝面竖直，下游坝坡在 107.33m 高程以上竖直，在 107.33m 高程以下坡度 为 1:0.75。2.计算参数和研究方法2.1 荷载组合作用在坝上的主要荷载包括：坝体自重、上下游水压力、扬压力、地震力。基本组合：正常蓄水位情况（上游水位 110.0m）设计洪水位情况（上游水位 112.94m ）特殊组合：校核洪水位情况（上游水位 113.30m ）地震情况（正常蓄水位+地震荷载）2.2计算参数及控制标准水容重 丫 w: 9.81KN/m 3混凝土容重丫 C: 24KN/m 3坝址区岩体

5、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

6、性抗剪断强度（岩体）抗剪强度（岩体）抗剪断强度（砼/岩体）f,c (MPa)fc (MPa)f c ( MPa)辉绿岩1.21.50.7501.01.0砂岩1.01.10.6500.90.8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】坝踵坝趾基本正常蓄水位情况1.053.00坝基容许应力组合设计洪水情况1.053.00坝基容许应力特殊组合校核洪水情况1.002.50坝基容许应力正常畜水位+地震1.002.30坝基容许应力重力坝坝基面坝踵、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

7、，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。fW一（抗剪强度计算公式）式中：K按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数;KN ;工M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

8、对形心轴的惯性矩， m43.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：2 单宽坝段（1m坝长）断面面积A1=198.167m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:2 单宽坝段（1m坝长）断面面积A1=123.73m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）

9、进水口坝段:单宽坝段（1m坝长）断面面积A1=586.74m 2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=518.01m 2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

10、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）溢流坝段正常蓄水位情况：上游水深 Hu1=14.0m 上游水压力 Pu1=960.4KN 力臂 Lu1=4.67m力矩 M

11、Pu1=4481.87KN.m设计洪水位情况：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校核洪水位情况：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)进水口坝段正常蓄水位情况：

12、上游水深Hui=22.2m上游水压力Pui=2417.38KN力臂 Lui=7.4m力矩 Mpui=17888.61KN.m设计洪水位情况：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校核洪水位情况：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)底孔坝段正常蓄水位情况：上游水深Hui=26.5m上游水压力Pui=3444.54KN力臂 Lui=8.83m力矩 Mpui=30415.29KN.m设计洪水位情况：上游水深Hu2=29

13、.44m上游水压力Pu2=4251.23KN力臂 Lu2=9.81m力矩 Mpu2=41704.57KN.m校核洪水位情况：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.m2、竖向水压力水面线按堰上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, 水深和下游水深的平均初估。设计洪水位情况：单宽坝段上水体面积A2=38.23m 2单宽坝段上水重G2= 374.68KN力臂 L2=-0.12m力矩 Mg2= -46.35KN.m校核洪水位情况:单宽坝段上水重G3=458.77KN力臂 L3=-0.11m力矩 Mg3

14、= -50.60KN.m进水口坝段斜断面上水重正常蓄水位情况：上游水深Hu1=22.2m上游水压力Gwi=647.90KN力臂 Lui=12.69m力矩 Mwi=8221.85KN.m设计洪水位情况：上游水深Hu2=25.14m上游水压力 Gw2=831.12KN力臂 Lu2=12.69m力矩 Mw2=10546.91KN.m校核洪水位情况：上游水深Hu3=25.5m上游水压力Gw3=854.28KN力臂 Lu3=12.69m力矩 Mw3=10840.81KN.m3.1.3扬压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。坝底面上游处的扬压力作用水头为 Hu （

15、上游水深），下游处为Hd （下游水深），其间以直线连接。（1）挡水坝段正常蓄水位情况：上游水深Hu1=18.0m扬压力 U1=-1455.3KN力臂 Lu1=-2.75m力矩 Mu1=4002.08KN.m设计洪水位情况：上游水深Hu2=20.94m扬压力 U2=-1693KN力臂 Lu2=-2.75m力矩 Mu2=4655.75KN.m校核洪水位情况：上游水深Hu3=21.3m 扬压力 U3=-1722.1KN 力臂 Lu3=-2.75m力矩 Mu3=4375.79KN.m(2)溢流坝段正常蓄水位情况：上游水深Hui=14.0m下游水深Hdi=Om扬压力 Ui=-891.8KN力臂 Lui=

16、-2.17m力矩 Mui=1932.23KN.m设计洪水位情况：上游水深Hu2=i6.94m下游水深Hd2=8.8m扬压力 U2=-i639.6KN力臂 Lu2=-0.67m力矩 Mu2=iO99.87KN.m校核洪水位情况：上游水深Hu3=i7.3m下游水深Hd3=9.42m扬压力 U3=-i702.iKN力臂 Lu3=-0.64m力矩 Mu3=iO87.62KN.m(3)进水口坝段正常蓄水位情况：上游水深Hui=22.20m扬压力 Ui=-3275.44KN力臂 Lui=-5.0im力矩 Mui=i6409.95KN.m设计洪水位情况：上游水深Hu2=25.14m扬压力 U2=-3709.

17、22KN力臂 Lu2=-5.01m力矩 Mu2=18583.19KN.m校核洪水位情况：上游水深Hu3=25.50m扬压力 U3=-3762.33KN力臂 Lu3=-5.01m力矩 Mu3=18849.27KN.m(4)底孔坝段正常蓄水位情况：上游水深Hui=26.5m扬压力 Ui=-3623.91KN力臂 Lui=-4.65m力矩 Mui=16851.18KN.m设计洪水位情况：上游水深Hu2=29.44m扬压力 U2=-4025.96KN力臂 Lu2=-4.65m力矩 Mu2=18720.71KN.m校核洪水位情况：上游水深Hu3=29.8m扬压力 U3=-4075.19KN力臂 Lu3=

18、-4.65m力矩 Mu3=18949.63KN.m3.1.4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：R6討/g式中：a h 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；E 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

19、中动态分布系数按下式计算:4ai =1.41 4(hH)1 4 Gel (hj/H)4v Ge j式中：n坝体计算质点总数；H 坝咼；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：挡水坝段：地震惯性力Fi=244.70KN力臂 L=8.38m力矩 MFi=2050.55KN.m溢流坝段：地震惯性力Fi=152.78KN力臂 L=5.56m力矩 MFi=849.59KN.m进水口坝段：地震惯性力Fi=739.15KN力臂 L=11.01m力矩 MFi=8138.04KN.m底孔坝段：地震惯性力Fi=572.16KN力臂 L=12.24m力矩 M

20、Fi=7003.24KN.m2、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0.54H。处，其代表值Fo按下式计算：F。=0.65： h ；wH0式中：a h 水平向设计地震加速度代表值，取 0.15g ；p w 水体质量密度标准值；E 计算系数，拟静力法计算地震作用效应时一般取 0.25 ;H 0 水深；根据以上公式计算：挡水坝段：动水压力F0=758.476KN力臂 L=8.28m力矩 MF0=6280.18KN.m溢流坝段：动水压力F0=458.83KN力臂 L=6.44m力矩 MF0=2954.87KN.m进水口坝段：动水压力F0=1156

21、.08KN力臂 L=10.212m力矩 MF0=11805.89KN.m底孔坝段：动水压力F0=1647.31KN力臂 L=12.19m力矩 MF0=20080.71KN.m3.2安全系数及应力计算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。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。（1）挡水坝段 正常蓄水位情况：坝基面法向作用之和刀 W=3300.7KN坝基面切向作用之和刀P=1587.6KN力矩之和刀M=-41

22、7.87KN.m设计洪水情况：坝基面法向作用之和刀W=3060KN坝基面切向作用之和刀P=2148.57KN力矩之和刀M=5707.22KN.m校核洪水情况：坝基面法向作用之和刀W=3033.9KN坝基面切向作用之和刀P=2223.08KN力矩之和刀M=6574.12KN.m地震+正常蓄水位情况：坝基面法向作用之和刀 W=3300.7KN坝基面切向作用之和刀P=2590.77KN力矩之和刀M=7912.87KN.m安全系数及基底应力计算结果：工况正常畜水位设计洪水校核洪水地震荷载刀 W ( KN)3300.730603033.93300.7刀 P (KN)1587.62148.572223.0

23、82590.77刀M (KN.m )-417.875707.226574.127912.87计算参数f 1.0c (MPa)1.0f0.75安全系数K10.187.437.166.24K1.561.071.02-基底应力(T max ( KPa )209.25311.42328.76374.43(T min ( KPa )190.8359.8638.9925.65(2)溢流坝段正常蓄水位情况：坝基面法向作用之和刀W=2077.73KN坝基面切向作用之和刀P=960.4KN力矩之和刀M=2001.07KN.m设计洪水情况：坝基面法向作用之和刀 W=1704.58KN坝基面切向作用之和刀P=102

24、6.67KN力矩之和刀M=3513.67KN.m校核洪水情况：坝基面法向作用之和刀 W=1642.16KN坝基面切向作用之和刀P=1031.71KN力矩之和刀M=3766.23KN.m地震+正常蓄水位情况：坝基面法向作用之和刀W=2077.73KN坝基面切向作用之和刀P=1572.01KN力矩之和刀M=5805.54KN.m安全系数及基底应力计算结果:工况正常畜水位设计洪水校核洪水地震荷载刀 W ( KN)2077.731704.581642.162077.73刀 P (KN)960.41026.671031.711572.01刀M (KN.m )2001.073513.673766.2358

25、05.54计算参数f 0.9c (MPa)0.8f0.65安全系数K12.7711.6211.517.80K1.401.081.03-基底应力(T max ( KPa )230.87255.87260.03365.94(T min ( KPa )88.786.37-7.39-46.29(3)进水口坝段正常蓄水位情况：坝基面法向作用之和刀 W=11454.22KN坝基面切向作用之和刀P=2417.38KN力矩之和刀M=26780.80KN.m设计洪水情况：坝基面法向作用之和刀 W=11203.66KN坝基面切向作用之和刀P=3100.06KN力矩之和刀M=34718.87KN.m校核洪水情况：坝

26、基面法向作用之和刀 W=11173.71KN坝基面切向作用之和刀P=3189.48KN力矩之和刀M=35823.13KN.m地震+正常蓄水位情况：坝基面法向作用之和刀 W=11454.22KN坝基面切向作用之和刀P=4312.61KN力矩之和刀M=46724.68KN.m安全系数及基底应力计算结果:工况正常畜水位设计洪水校核洪水地震荷载刀 W ( KN)11454.2211203.6611173.7111454.22刀 P (KN)2417.383100.063189.48H4312.61 n刀M (KN.m )26780.8034718.8735823.1346724.68计算参数f 1.0

27、c (MPa)1.0f0.75安全系数K17.1813.3212.939.63K3.552.712.63-基底应力(T max ( KPa )558.38602.69609.02690.64I(T min ( KPa )203.20142.23133.9170.95(2)底孔坝段正常蓄水位情况:坝基面法向作用之和刀W=8808.33KN坝基面切向作用之和刀P=3444.54KN 力矩之和刀M=7234.66KN.m设计洪水情况：坝基面法向作用之和刀W=8406.28KN坝基面切向作用之和刀P=4251.23KN力矩之和刀M=20393.47KN.m校核洪水情况：坝基面法向作用之和刀W=8357.05KN坝基面切向作用之和刀P=4355.84KN力矩之和刀M=22171.31KN.m震+正常蓄水位情况:坝基面法向作用之和刀W=8808.33KN坝基面切向作用之和刀P=5664.01KN 力矩之和刀M=17467.43KN.m安全系数及基底应力计算结果：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情况1.5610.180.2090.190设计洪水情况1.077.430.3110.060特殊组合校核洪水