河海大學(xué)水工建筑物(重力壩)教學(xué)課件02-重力壩2穩(wěn)定應(yīng)力

1、3 重力壩的穩(wěn)定分析重力壩的穩(wěn)定分析目的：目的：驗(yàn)算重力壩在各種可能荷載組合下的穩(wěn)定安全度。驗(yàn)算重力壩在各種可能荷載組合下的穩(wěn)定安全度。破壞模式破壞模式：沿壩基面或軟弱面的滑動(dòng)破壞；沿壩基面或軟弱面的滑動(dòng)破壞；壩體連同壩基的傾倒滑移破壞。壩體連同壩基的傾倒滑移破壞。包括：包括：沿壩基面、沿壩基面、沿壩基深層、沿壩基深層、岸坡壩段岸坡壩段一、沿壩基面的抗滑穩(wěn)定分析一、沿壩基面的抗滑穩(wěn)定分析對(duì)于重力壩，要求任意一個(gè)剖面（截面）上均滿足穩(wěn)定條對(duì)于重力壩，要求任意一個(gè)剖面（截面）上均滿足穩(wěn)定條件。通常，巖基上的重力壩，壩體混凝土和基巖的接觸面件。通常，巖基上的重力壩，壩體混凝土和基巖的接觸面往往是一個(gè)

2、薄弱面，這是因?yàn)椋和且粋€(gè)薄弱面，這是因?yàn)椋海?）兩種材料的接觸面，抗剪強(qiáng)度較低、壩體水平推力大）兩種材料的接觸面，抗剪強(qiáng)度較低、壩體水平推力大（2）混凝土干縮可能產(chǎn)生裂縫）混凝土干縮可能產(chǎn)生裂縫因此，只要該接觸面上滿足抗滑穩(wěn)定要求，則該壩體就能因此，只要該接觸面上滿足抗滑穩(wěn)定要求，則該壩體就能滿足穩(wěn)定要求。滿足穩(wěn)定要求。（1）計(jì)算公式）計(jì)算公式A、摩擦公式、摩擦公式把滑動(dòng)面看作是接觸面（不是膠結(jié)面），滑動(dòng)面上的抗滑力只計(jì)摩擦力，把滑動(dòng)面看作是接觸面（不是膠結(jié)面），滑動(dòng)面上的抗滑力只計(jì)摩擦力，不計(jì)凝聚力?；瑒?dòng)面可水平，也可傾斜。不計(jì)凝聚力。滑動(dòng)面可水平，也可傾斜。摩擦系數(shù)揚(yáng)壓力全部水平向作用

3、力全部豎向重力式中：fUPWPUWfK)(抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)建筑物的抗滑力與建筑物所受的滑動(dòng)力之比，用建筑物的抗滑力與建筑物所受的滑動(dòng)力之比，用K表示。表示?；瑒?dòng)面與水平面的夾角揚(yáng)壓力全部水平向作用力全部豎向重力式中：UPWWPPUWfKsincos)sincos(可見，滑動(dòng)面傾向上游時(shí)，對(duì)壩體可見，滑動(dòng)面傾向上游時(shí)，對(duì)壩體抗滑穩(wěn)定有利；傾向下游時(shí)，對(duì)壩抗滑穩(wěn)定有利；傾向下游時(shí)，對(duì)壩體穩(wěn)定不利。在進(jìn)行壩基開挖時(shí)，體穩(wěn)定不利。在進(jìn)行壩基開挖時(shí)，應(yīng)盡量考慮這一影響。應(yīng)盡量考慮這一影響。B、抗剪斷強(qiáng)度公式、抗剪斷強(qiáng)度公式凝聚力抗剪斷摩擦系數(shù)接觸面面積式中：cfAPAcUWfK)(認(rèn)為壩

4、體與基巖膠結(jié)良好，滑動(dòng)面上的抗滑力包括認(rèn)為壩體與基巖膠結(jié)良好，滑動(dòng)面上的抗滑力包括摩擦力和摩擦力和凝聚力凝聚力。通過膠結(jié)面的抗剪斷試驗(yàn)確定抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)。通過膠結(jié)面的抗剪斷試驗(yàn)確定抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)。比較：比較：摩擦公式摩擦公式忽略了壩體與基巖的膠結(jié)作用，不能完全反映忽略了壩體與基巖的膠結(jié)作用，不能完全反映壩的實(shí)際工作狀態(tài)。不計(jì)凝聚力的抗滑作用，故取較低的安壩的實(shí)際工作狀態(tài)。不計(jì)凝聚力的抗滑作用，故取較低的安全系數(shù)。全系數(shù)。特點(diǎn)特點(diǎn)：公式簡(jiǎn)單、概念明確、使用方便，參數(shù)選用經(jīng)驗(yàn)豐富。：公式簡(jiǎn)單、概念明確、使用方便，參數(shù)選用經(jīng)驗(yàn)豐富。凝聚力作為一種安全儲(chǔ)備，基巖越堅(jiān)固完整，膠結(jié)越好，安凝聚力作為一種安

5、全儲(chǔ)備，基巖越堅(jiān)固完整，膠結(jié)越好，安全儲(chǔ)備度越高。因此，盡管采用同一安全系數(shù)，各工程的真全儲(chǔ)備度越高。因此，盡管采用同一安全系數(shù)，各工程的真正安全度是不同的。正安全度是不同的?？辜魯鄰?qiáng)度公式抗剪斷強(qiáng)度公式考慮了壩體與基巖的膠結(jié)作用，計(jì)入了考慮了壩體與基巖的膠結(jié)作用，計(jì)入了全部的抗滑力，符合實(shí)際工作狀態(tài)。全部的抗滑力，符合實(shí)際工作狀態(tài)。特點(diǎn)特點(diǎn)：物理概念明確。國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì)。：物理概念明確。國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì)。規(guī)范要求：大型工程用抗剪斷強(qiáng)度公式；中小型工程可以用規(guī)范要求：大型工程用抗剪斷強(qiáng)度公式；中小型工程可以用摩擦公式。摩擦公式。（2）計(jì)算參數(shù)）計(jì)算參數(shù)參數(shù)取值偏大，穩(wěn)定沒有保證；參數(shù)取值偏小，保

6、守、造成參數(shù)取值偏大，穩(wěn)定沒有保證；參數(shù)取值偏小，保守、造成浪費(fèi)。浪費(fèi)。f值的選取，參考室外試驗(yàn)的屈值的選取，參考室外試驗(yàn)的屈服極限值（塑性破壞）或比例服極限值（塑性破壞）或比例極限值（脆性破壞）以及市內(nèi)極限值（脆性破壞）以及市內(nèi)試驗(yàn)成果。試驗(yàn)成果。f和和c值指室外現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)定峰值指室外現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)定峰值的小值平均，且考慮室內(nèi)試值的小值平均，且考慮室內(nèi)試驗(yàn)成果。驗(yàn)成果。由地質(zhì)、試驗(yàn)、設(shè)計(jì)三方人員由地質(zhì)、試驗(yàn)、設(shè)計(jì)三方人員共同分析研究確定。共同分析研究確定。規(guī)范規(guī)范1999抗滑穩(wěn)定抗滑穩(wěn)定抗滑穩(wěn)定極限狀態(tài)的效應(yīng)和抗力函數(shù)抗滑穩(wěn)定極限狀態(tài)的效應(yīng)和抗力函數(shù)二、壩基深層抗滑穩(wěn)定分析二、壩基深層抗滑穩(wěn)定分

7、析當(dāng)壩基內(nèi)有緩傾角結(jié)構(gòu)面及不利地形時(shí)，應(yīng)核算壩體和壩基巖體的抗滑穩(wěn)當(dāng)壩基內(nèi)有緩傾角結(jié)構(gòu)面及不利地形時(shí)，應(yīng)核算壩體和壩基巖體的抗滑穩(wěn)定性。由于地質(zhì)構(gòu)造不同，其壩基失穩(wěn)機(jī)理也是各不相同，應(yīng)作專門研究。定性。由于地質(zhì)構(gòu)造不同，其壩基失穩(wěn)機(jī)理也是各不相同，應(yīng)作專門研究。關(guān)鍵是關(guān)鍵是確定控制性的軟弱結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀和參數(shù)確定控制性的軟弱結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀和參數(shù)。穩(wěn)定分析方法：穩(wěn)定分析方法：剛體極限平衡法剛體極限平衡法有限單元法有限單元法地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)法地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)法DEM和和DDANMM等等軟弱夾層的安全度標(biāo)準(zhǔn)軟弱夾層的安全度標(biāo)準(zhǔn)超載法超載法將作用在壩體上的外荷載分級(jí)逐漸加大，直到滑動(dòng)將作用在壩體上的外荷載

8、分級(jí)逐漸加大，直到滑動(dòng)面的抗滑穩(wěn)定處于臨界狀態(tài)，外荷載增大的倍數(shù)即為抗滑穩(wěn)定面的抗滑穩(wěn)定處于臨界狀態(tài)，外荷載增大的倍數(shù)即為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。安全系數(shù)。強(qiáng)度儲(chǔ)備法強(qiáng)度儲(chǔ)備法降低軟弱夾層和尾巖抗力體的抗剪參數(shù)值，直降低軟弱夾層和尾巖抗力體的抗剪參數(shù)值，直到滑動(dòng)面的抗滑穩(wěn)定處于臨界狀態(tài)，抗剪參數(shù)的降低倍數(shù)即為到滑動(dòng)面的抗滑穩(wěn)定處于臨界狀態(tài)，抗剪參數(shù)的降低倍數(shù)即為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)?？够€(wěn)定安全系數(shù)。剪力比例法剪力比例法由由FEM計(jì)算在設(shè)計(jì)荷載作用下滑動(dòng)面上的正應(yīng)計(jì)算在設(shè)計(jì)荷載作用下滑動(dòng)面上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力分布，求出滑動(dòng)面上總的抗滑力和滑動(dòng)力，兩者的力和剪應(yīng)力分布，求出滑動(dòng)面上總的抗滑力和滑動(dòng)力，兩者的

9、比值即為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。比值即為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。1、被動(dòng)抗力法、被動(dòng)抗力法假定假定DBC塊處于極限平衡狀態(tài)，塊處于極限平衡狀態(tài)，求出抗力求出抗力R，然后將抗力，然后將抗力R作用作用在滑動(dòng)塊在滑動(dòng)塊ABD上，按抗剪斷公上，按抗剪斷公式（或摩擦公式）求出滑動(dòng)體式（或摩擦公式）求出滑動(dòng)體的穩(wěn)定安全系數(shù)。的穩(wěn)定安全系數(shù)。見見P32式（式（2-20）、（）、（2-21）。）?？沽沽的方向與分界面上的摩的方向與分界面上的摩擦特性有關(guān)，較難確定。近似擦特性有關(guān)，較難確定。近似取界面上的摩擦系數(shù)除以安全取界面上的摩擦系數(shù)除以安全系數(shù)。系數(shù)。特點(diǎn)：概念清楚，不需試算，特點(diǎn)：概念清楚，不需試算，但但ABD

10、和和BCD塊的安全系數(shù)不塊的安全系數(shù)不同，不合理。同，不合理。2、等安全系數(shù)法、等安全系數(shù)法按按ABD塊和塊和DBC塊具有相等的塊具有相等的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)來計(jì)算?？够€(wěn)定安全系數(shù)來計(jì)算。列列出沿出沿AB面和面和BC面上的抗滑穩(wěn)面上的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，用試算法或迭代定安全系數(shù)，用試算法或迭代法求解。見法求解。見P33式（式（2-22）、）、（2-23）。）。特點(diǎn)：更合理，計(jì)算較繁。特點(diǎn)：更合理，計(jì)算較繁。由于壩基滑動(dòng)面、抗裂面的抗由于壩基滑動(dòng)面、抗裂面的抗滑力受滑力受巖石性質(zhì)、產(chǎn)狀巖石性質(zhì)、產(chǎn)狀等因素等因素影響，計(jì)算精度較低。要求的影響，計(jì)算精度較低。要求的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)較壩基面大抗滑穩(wěn)定安

11、全系數(shù)較壩基面大1.11.3倍。倍。BD面可以是實(shí)際存在的構(gòu)造面，面可以是實(shí)際存在的構(gòu)造面，也可以是假設(shè)的破裂面。也可以是假設(shè)的破裂面。三、岸坡壩段抗滑穩(wěn)定三、岸坡壩段抗滑穩(wěn)定岸坡壩段的壩基面是一個(gè)傾向河床的斜面或折面。岸坡壩段的壩基面是一個(gè)傾向河床的斜面或折面。在水壓力在水壓力作用下有向下游滑動(dòng)的趨勢(shì)；在自重作用下還有向河床滑動(dòng)作用下有向下游滑動(dòng)的趨勢(shì)；在自重作用下還有向河床滑動(dòng)的趨勢(shì)的趨勢(shì)。因此，在三向荷載共同作用下，岸坡壩段的穩(wěn)定條。因此，在三向荷載共同作用下，岸坡壩段的穩(wěn)定條件比河床壩段差。有可能在施工過程失穩(wěn)（國(guó)外有實(shí)例）。件比河床壩段差。有可能在施工過程失穩(wěn)（國(guó)外有實(shí)例）。四、提高

12、抗滑穩(wěn)定性的措施四、提高抗滑穩(wěn)定性的措施1）將壩的迎水面做成傾斜或折坡）將壩的迎水面做成傾斜或折坡形，利用壩面上的水重來增加壩體形，利用壩面上的水重來增加壩體的抗滑穩(wěn)定。的抗滑穩(wěn)定。適用于壩基摩擦系數(shù)適用于壩基摩擦系數(shù)較小的情況較小的情況。過緩的坡度容易導(dǎo)致。過緩的坡度容易導(dǎo)致上游面出現(xiàn)拉應(yīng)力（上游面出現(xiàn)拉應(yīng)力（1：0.11：0.2）。）。2）將壩基面開挖成傾向上游的斜）將壩基面開挖成傾向上游的斜面，增加抗滑力。但會(huì)增加開挖量。面，增加抗滑力。但會(huì)增加開挖量。也可將壩基面開挖成若干段傾向上也可將壩基面開挖成若干段傾向上游的斜面，形成鋸齒狀，增加抗剪游的斜面，形成鋸齒狀，增加抗剪能力。能力。提高

13、抗滑穩(wěn)定性的措施（續(xù)）提高抗滑穩(wěn)定性的措施（續(xù)）3）利用地形、地質(zhì)特點(diǎn)，在壩踵）利用地形、地質(zhì)特點(diǎn)，在壩踵或壩趾設(shè)置深入基巖的齒墻，增或壩趾設(shè)置深入基巖的齒墻，增加抗力。有的采用大型鋼筋混凝加抗力。有的采用大型鋼筋混凝土抗滑樁。土抗滑樁。4）采用有效的防滲排水或抽水措）采用有效的防滲排水或抽水措施，降低揚(yáng)壓力。施，降低揚(yáng)壓力。5）利用預(yù)加應(yīng)力提高抗滑穩(wěn)定性，）利用預(yù)加應(yīng)力提高抗滑穩(wěn)定性，如預(yù)應(yīng)力錨索加固。如預(yù)應(yīng)力錨索加固。l岸坡壩段：岸坡壩段：可采用灌漿封閉橫縫，可采用灌漿封閉橫縫，限制其側(cè)向位移；將岸坡開挖成限制其側(cè)向位移；將岸坡開挖成高差不大、寬度足夠的平臺(tái)，增高差不大、寬度足夠的平臺(tái)，增

14、加側(cè)向抗滑力。加側(cè)向抗滑力。4 重力壩的應(yīng)力分析重力壩的應(yīng)力分析目的：目的：驗(yàn)算大壩是否滿足強(qiáng)度要求驗(yàn)算大壩是否滿足強(qiáng)度要求根據(jù)應(yīng)力分布進(jìn)行壩體混凝土分區(qū)根據(jù)應(yīng)力分布進(jìn)行壩體混凝土分區(qū)局部應(yīng)力集中和特殊結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)局部應(yīng)力集中和特殊結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)要求：要求：壩體內(nèi)各部分材料的應(yīng)力不超過該種材料的容許應(yīng)力，即壩體內(nèi)各部分材料的應(yīng)力不超過該種材料的容許應(yīng)力，即s=0不計(jì)揚(yáng)壓力不計(jì)揚(yáng)壓力smin=(0.250.4)ghg為水的容重；為水的容重；h為壩面計(jì)算點(diǎn)的靜水頭。為壩面計(jì)算點(diǎn)的靜水頭。壩體內(nèi)部一般不允壩體內(nèi)部一般不允許出現(xiàn)拉應(yīng)力許出現(xiàn)拉應(yīng)力，但寬縫重力壩離上游壩面較遠(yuǎn)的局部區(qū)域可，但寬縫重力壩

15、離上游壩面較遠(yuǎn)的局部區(qū)域可允許出現(xiàn)拉應(yīng)力，但不得超過混凝土的容許拉應(yīng)力；溢流壩允許出現(xiàn)拉應(yīng)力，但不得超過混凝土的容許拉應(yīng)力；溢流壩堰頂、壩內(nèi)廊道及孔洞周圍出現(xiàn)拉應(yīng)力，宜配置鋼筋。堰頂、壩內(nèi)廊道及孔洞周圍出現(xiàn)拉應(yīng)力，宜配置鋼筋。 壩體下游面：壩體下游面：最大主壓應(yīng)力，應(yīng)不大于混凝土的容許壓應(yīng)力最大主壓應(yīng)力，應(yīng)不大于混凝土的容許壓應(yīng)力。施工期施工期 壩體任何截面上的主壓應(yīng)力應(yīng)不大于混凝土的容許壓應(yīng)壩體任何截面上的主壓應(yīng)力應(yīng)不大于混凝土的容許壓應(yīng)力；壩體下游面可容許不大于力；壩體下游面可容許不大于0.2MPa的主拉應(yīng)力。的主拉應(yīng)力。2）壩體）壩體混凝土的容許壓應(yīng)力，可根據(jù)其混凝土的容許壓應(yīng)力，可根據(jù)

16、其極限強(qiáng)度和相應(yīng)的安全系數(shù)極限強(qiáng)度和相應(yīng)的安全系數(shù)來確定。來確定?；炷恋目箟喊踩禂?shù)在基本荷載組合下應(yīng)不小于混凝土的抗壓安全系數(shù)在基本荷載組合下應(yīng)不小于4；在除地震荷載外的特殊組合情況下應(yīng)不小于；在除地震荷載外的特殊組合情況下應(yīng)不小于3.5。當(dāng)壩體。當(dāng)壩體個(gè)別部位對(duì)混凝土有抗拉強(qiáng)度要求時(shí)，抗拉安全系數(shù)應(yīng)不小個(gè)別部位對(duì)混凝土有抗拉強(qiáng)度要求時(shí)，抗拉安全系數(shù)應(yīng)不小于于4。 地震荷載是隨時(shí)間變化、短暫作用的動(dòng)荷載，由于在動(dòng)荷地震荷載是隨時(shí)間變化、短暫作用的動(dòng)荷載，由于在動(dòng)荷載作用下材料強(qiáng)度有一定提高，因此，在載作用下材料強(qiáng)度有一定提高，因此，在地震情況下，混凝地震情況下，混凝土的容許壓應(yīng)力可比靜態(tài)情

17、況下提高土的容許壓應(yīng)力可比靜態(tài)情況下提高30%，并允許出現(xiàn)瞬時(shí)，并允許出現(xiàn)瞬時(shí)拉應(yīng)力，混凝土的抗拉安全系數(shù)不小于拉應(yīng)力，混凝土的抗拉安全系數(shù)不小于2.5?；炷恋娜菰S應(yīng)力混凝土的容許應(yīng)力(1) 地基變形對(duì)壩體應(yīng)力的影響地基變形對(duì)壩體應(yīng)力的影響4. 非荷載因素對(duì)壩體應(yīng)力的影響非荷載因素對(duì)壩體應(yīng)力的影響在荷載作用下，壩基面不再保持平面，與假定不符。因此，在荷載作用下，壩基面不再保持平面，與假定不符。因此，在壩基面以上在壩基面以上約（約（1/31/4）壩高范圍內(nèi)的應(yīng)力分布與材料力學(xué)計(jì)算結(jié)果差別較大）壩高范圍內(nèi)的應(yīng)力分布與材料力學(xué)計(jì)算結(jié)果差別較大。在此。在此范圍內(nèi)的應(yīng)力分布與范圍內(nèi)的應(yīng)力分布與壩體彈性

18、模量和地基彈性模量的比值壩體彈性模量和地基彈性模量的比值有關(guān)。有關(guān)?；鶐r彈性模量的影響基巖彈性模量的影響壩體和基巖的彈性模量之比在壩體和基巖的彈性模量之比在12的范圍內(nèi)較合適。的范圍內(nèi)較合適。(2) 地基不均勻?qū)误w應(yīng)力的影響地基不均勻?qū)误w應(yīng)力的影響上游壩踵地基剛度較大，可能產(chǎn)生拉應(yīng)力；相反，下游壩趾地上游壩踵地基剛度較大，可能產(chǎn)生拉應(yīng)力；相反，下游壩趾地基剛度較大，有利于改善壩踵應(yīng)力。宜將下游壩趾布置在較堅(jiān)基剛度較大，有利于改善壩踵應(yīng)力。宜將下游壩趾布置在較堅(jiān)硬的巖石上。硬的巖石上。(3) 施工縱縫對(duì)壩體應(yīng)力的影響施工縱縫對(duì)壩體應(yīng)力的影響受澆筑能力和溫度控制的限制，受澆筑能力和溫度控制的限制，需要分縫分塊澆筑，縱縫要灌需要分縫分塊澆筑，縱縫要灌漿，然后才蓄水。因此，水壓漿，然后才蓄水。因此，水壓力和揚(yáng)壓力等由整個(gè)壩體承擔(dān)，力和揚(yáng)壓力等由整個(gè)壩體承擔(dān)，而自重應(yīng)力由獨(dú)立壩塊引起。而自重應(yīng)力由獨(dú)立壩塊引起。n=0，基本相同，基本相同n0，壩踵處應(yīng)力