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1、 3 3 重力坝抗滑稳定分析 3 3 1 重力坝抗滑稳定分析概述 3 3 2 坝基破坏机理 3 3 3 沿坝基面抗滑稳定分析 3 3 4 深层抗滑稳定分析 3 3 5 岸坡坝段抗滑稳定分析 3 3 6 提高坝体抗滑稳定的工程措施 3 3 7 稳定分析设计理论的历史沿革 3 3 8 坝基抗滑稳定分析的发展 3 3 9 现行规范中有关坝基抗滑稳定的有关 规定与讨论 1 3 3 重力坝抗滑稳定分析 3 3 1重力坝抗滑稳定分析概述 问题的由来 根据混凝土重力坝设计规范 DL5108 1999 8 1 2 的相关规定 承载能力极限状态 坝体断面 结构及 坝基岩体进行强度和抗滑稳定计算 必要时进行抗浮
2、抗倾验算 对需抗震设防的坝及结构 尚需按 DL5703 水工建筑物抗震设计规范 进行验算 稳定问题的种类 抗滑稳定 坝体沿抗剪能力不足的薄弱面产生滑动 抗浮稳定 坝体在上 下游水荷载作用下 产生向 上浮起破坏形式 抗倾稳定 上游坝踵以下岩体受拉产生斜裂缝及坝 趾以下岩体受压发生压碎而产生倾倒滑移破坏形式 2 3 3 1 重力坝抗滑稳定分析概述 3 3 3 1 重力坝抗滑稳定分析概述 主要关键词 Keywords 重力坝 Gravity dam 抗滑稳定 Stability against sliding 稳定分析 Stability analysis 抗滑稳定分析是重力坝设计中的一项重 要 内
3、容 4 3 3 1 重力坝抗滑稳定分析概述 任务 着重介绍抗滑稳定分析方法 目的 核算坝体沿坝基面或沿地基深层较弱结构面抗滑 稳定的安全度 分析方法 刚体极限平衡法 rigid limit equilibrium method 有限单元法 finite element method 地质力学模型试验法 model testing method 问题分类 v平面问题 各坝段独立受力 v空间问题 坝基内断层多条相互切割交错构 成空间滑动体或地形陡峻的岸坡段 5 3 3 1 重力坝抗滑稳定分析概述 刚体极限平衡法 将断裂面 指坝体 岩体或大坝与岩体组成的滑 裂体等 看成刚体 不考虑滑裂体本身和滑裂体
4、之间 变形的影响 也不考虑滑裂面上应力分布情况 仅考 虑滑裂面上的合力 正压力 剪应力 而忽略力矩 的作用效应 优点 概念清楚 计算简便 任何规模的工程均 可采用 缺点 是不能考虑岩体受力后所产生变形的影响 极限状态与允许的工作状态也有较大的出入 6 3 3 1 重力坝抗滑稳定分析概述 有限单元法 可计算地基受力后的应力场和位移场 并可模 拟地基中软弱结构面的局部化效应及多场耦合作用效 应等 研究地基破坏的发展全过程 优点 可以考虑复杂地基的局部化效应及材料的非线性 本构关系 模拟地基及坝体变形与破坏的全过程等 缺点 对有限元计算结果的应用及稳定判据的应用上尚 需进一步研究 7 3 3 1 重
5、力坝抗滑稳定分析概述 基于有限元法的重力坝抗滑稳定分析 一般常用的分析方法有 超载法 将作用在坝体上的外荷载逐级加大 直至 滑动面的抗滑稳定处于临界状态 外荷载增大倍数 即为抗滑稳定安全系数 强度储备法 降低软弱夹层和尾岩抗力体的抗剪参 数值 直至沿滑动面的抗滑稳定处于临界状态 抗 剪参数值的降低倍数即为安全系数 剪力比例法 根据有限元法计算在设计荷载作用下 滑动面上的正应力和剪应力分布 求出滑动面上总 的抗滑力和和滑动力 两者的比值即为安全系数 8 3 3 1 重力坝抗滑稳定分析概述 地质力学模型试验法 能较好地模拟基岩的结构 强度和变形特性 以及自重 静水压力等荷载 能形象地显示滑移破坏
6、的过程 模拟内容不够全面和完善 不能完全依靠试 验定量解决问题 优点 能直观的模拟坝体与地基稳定体系中的主要影响 因素及变形与破坏全过程 缺点 模拟内容有限 往往需要依据经验作适当简化 模型一旦建立 不易修改 费用高 周期长 试验结 果受到测试技术与若干不确定性因素的影响等 9 3 3 2 坝基破坏机理 荷载 坝体自重 上 下游坝面水压力 坝基渗 透水压力 坝基岩体应力等 研究方法 模型试验 数值分析等 基本结论 在水库未蓄水或建成时的低水位状态 坝 体自重引起地基下沉 坝踵大于坝趾 坝基面 倾向上游 随着库水位的不断上升 坝踵位移 逐渐上抬 坝趾位移变化不明显 时增时减 在工程意义上可认为基
7、本不变 库满时 大 坝在产生向下游水平位移的同时 还有大致绕 坝趾向下游转动的趋势 坝基一般倾向下游 10 3 3 2 坝基破坏机理 随着库水位的上升 在坝趾区不发生屈 服或仅发生小范围屈服的情况 坝基浅部岩 体呈水平向压缩 坝踵与坝趾水平位移差随 库水位的上升而加大 随着坝趾区屈服范围 的扩大 上述趋势逐渐减缓 当坝基屈服区 上下贯通时 坝踵与坝趾水平位移几乎相等 坝体水平位移呈不稳定持续增长的趋势 大坝发生平行滑动 整体失稳 11 3 3 2 坝基破坏机理 随着库水位的上升 首先在大坝上游坝踵 的地基表层出现微裂隙扩张区 然后出现坝 踵裂缝及其尖端的微裂松弛区 并向地基深 部发展 当基岩较
8、软弱 力学强度较低时 则滞后一些或同时在坝趾基岩中出现剪切屈 服 并逐渐向上游发展 在外因及内因作用 下 贯穿坝下整个浅层基岩 导致大坝整体 失稳 12 3 3 2 坝基破坏机理 不同的地基与坝体弹模比以及抗剪断参 数的不同 不改变坝基破坏发展的总体特征 坝基越硬 坝踵裂缝出现越早 微裂区越 大 坝趾处基岩越不易屈服 坝基越软 坝 踵裂缝出现越迟 微裂区越小 坝趾处基岩 越易屈服 对于某一确定的弹模比 抗剪断 参数只影响坝趾附近基岩的屈服范围 对坝 踵裂缝影响不大 13 3 3 2 坝基破坏机理 结论 当坝基较软弱时 重力坝均质坝基的失稳破坏主要 取决于从坝趾区开始的基岩剪切屈服区的发展过程
9、当坝基较坚硬时 重力坝均质坝基将不会出现坝趾 区基岩屈服并逐渐扩展的失稳破坏形式 其破坏形式 可能有两种 当发生过大的超载时 可能出现大坝抗倾破坏 当无过大的超载时 大坝可能沿坝基胶结面这一 明显弱面发生水平滑动破坏 14 3 3 2 坝基破坏机理 均质坝基上混凝土重力坝沿坝基面滑动失稳机理 重力坝岩基的破坏首先开始于坝踵附近产 生的拉裂缝和微裂隙扩张松弛 而后坝趾区 出现剪切屈服区且逐渐向上游发展 最后在 坝下浅层岩基中上下游贯通 形成滑动通道 导致大坝的整体失稳破坏 分析时 以一个坝段或取单宽计算 计算 公式有抗剪强度公式和抗剪断公式 15 3 3 2 坝基破坏机理 重力坝滑动失稳模式 表
10、面滑动 浅层滑动 深层滑动 我国修建了大中型重力坝100余座 其中有1 3存在深层滑动问题 16 3 3 3 沿坝基面抗滑稳定分析 一 抗剪强度公式 坝体与坝基间看成是一个接触面 而不是胶结胶结面 当接触面呈水平时 其抗滑稳定安全系数为 17 3 3 3 沿坝基面抗滑稳定分析 当接触面倾向上游时 并有 的夹角时 其抗滑稳定安全系数为 可以看出 坝基面微 倾向上游对Ks有利 18 3 3 3 沿坝基面抗滑稳定分析 规范规定 f的最后选取应以野外和室内试 验成果为基础 结合现场实际情况 参照地质 条件类似的已建工程的经验等 由地质 试验 和设计人员研究确定 摩擦系数f的选取问题 一般由若干组试验确
11、定 但由于试验岩体 自身的非均匀性质和每次试验条件不可能完全 相同 导致试验成果具有较大的离散性 如何 选用试验值 还值得研究 19 3 3 3 沿坝基面抗滑稳定分析 摩擦系数的选定直接关系到大坝的造价与 安全 f值愈小 要求坝体剖面愈大 以新安江 为例 若f值减小0 01 坝体混凝土方量增加2 万m3 根据国内外已建工程的统计资料 混凝土 与基岩的f值常取在0 5 0 8之间 20 3 3 3 沿坝基面抗滑稳定分析 二 抗剪断公式 认为坝体与基岩接触良好 直接采用接触面上的抗 剪断参数f c 计算抗滑稳定安全系数 即 f 抗剪断摩擦系数 c 抗剪断凝聚力 21 3 3 3 沿坝基面抗滑稳定分
12、析 类基岩类基岩 很好的岩石 f f 1 21 2 1 5 c 1 5 c 1 31 3 1 5Mpa1 5Mpa 类基岩类基岩 好的岩石 f f 1 01 0 1 3 c 1 3 c 1 11 1 1 3Mpa1 3Mpa 类基岩类基岩 中等的岩石 f f 0 90 9 1 2 c 1 2 c 0 70 7 1 1Mpa1 1Mpa 类基岩类基岩 较差的岩石 f f 0 70 7 0 9 c 0 9 c 0 30 3 0 7Mpa0 7Mpa 对于大 中型工程 在设计阶段 f c f c 应 由野外及室内试验成果决定 在规划和可行性研究 阶段 可以参考规范给定的数值选用 规范规定如 下 22
13、 3 3 3 沿坝基面抗滑稳定分析 注意 上述结果不包括基岩内有软弱夹层 的情况 同时 胶结面的f c f c 值不 能高于混凝土的f c f c 对于 类基岩 如果建基面做成较大的起伏差 可采用混凝土的抗剪断参数 23 3 3 4 深层抗滑稳定分析 当坝基内存在不利的缓倾角软弱结构面 时 在水荷载作用下 坝体有可能连同 部分基岩沿软弱结构面产生滑移 即所 谓的深层滑动 地基深层滑动情况十分复杂 失稳和计 算方法还在探索之中 在设计中 应该 v 查明地基中主要缺陷 确定失稳边界 测定抗剪强度参数 v选择合理的计算方法 并规定相应的安全系 数 v选择提高深层稳定性的措施 满足安全系数 24 3
14、3 4 深层抗滑稳定分析 单斜面深层抗滑稳定计算 双斜面深层抗滑稳定计算 多斜面深层抗滑稳定计算 不讲 在深层抗滑稳定分析中 一般根据深层抗滑 体的不同 分为 25 3 3 4 深层抗滑稳定分析 一 单斜面深层抗滑稳定分析 当滑裂面只有一个软弱面时 坝 体与滑裂面上的部分地基可以联合起 来视作刚体 用抗剪强度公式计算安 全系数 但是对于要求的安全系数 尚无明确规定 一般取为 26 3 3 4 深层抗滑稳定分析 在更多的实际工程中 深 层滑动面不是一个简单的 平面 而是呈复杂的形状 譬如两个斜面 如图所 示 AB是一条缓倾角夹 层和软弱面 称为主滑动 面 BC是另一条辅助破裂 面 切穿地表 BC
15、的位置 可根据地基内的反倾向节 理拟定 或通过试算选取 一条最不利的破裂面 二 双斜面深层抗滑稳定分析 27 3 3 4 深层抗滑稳定分析 计算时将滑移体分成两区 在其分界面 BD上 引入一个需要事先假定与水平面成角 的内力R 抗力 分别令 区或 区处于极限平衡状态 即可演绎出三种不同的计算方法 剩余推力法 被动抗力法 等安全系数法 28 3 3 4 深层抗滑稳定分析 1 剩余推力法 先令 区处于极限平衡状态 其沿AB面的抗滑稳定安全系数 为1 则 利用上式求得 29 3 3 4 深层抗滑稳定分析 再计算 区沿BC面的抗滑稳定安全系 数K2 K2即为整个坝段的抗滑 稳定安全系数K 30 3 3
16、 4 深层抗滑稳定分析 与上述方法相反 先令 区处于极限平 衡状态 抗滑稳定安全系数为1 求得抗 力R后 再计算 区沿AB面的抗滑稳定安全 系数K1 作为整个坝段的抗滑稳定安全系数 安全系数 这种方法称为 被动抗力法被动抗力法 2 被动抗力法 31 3 3 4 深层抗滑稳定分析 令 区和 区同时处于极限平衡状态 分别列出两个区的抗滑稳定安全系数K1 K2 的计算式 然后令K1 K2 解出抗力R 再 将其代回原计算式 即可求出整个滑动体 的稳定安全系数 这样的方法称为 等安全系数法等安全系数法 3 等安全系数法 32 3 3 4 深层抗滑稳定分析 上述三种计算方法中的前两种 剩余 推力法 被动抗力法 由于先令一个 区处于极限平衡状态 也即相当于这一 区的K 1 因而推算出另一区的K值要比 等安全系数法的大 相比之下 等安全 系数法更合理 4 三种方法的比较 33 3 3 4 深层抗滑稳定分析 以上分析方法人为地将滑动岩体分 成 区和 区两块 等于在地基内增加 了一个软弱面 这样必然使抗滑稳定安 全系数有所降低 当岩体比较完整坚固 或BD面上的抗剪强度足以承担该面上 的剪应力时 则应验算该
