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1、 工学工学 水工建筑物课件水工建筑物课件重力坝的荷载重力坝的荷载（挡水坝段的主要荷载）（挡水坝段的主要荷载）Seismicload荷载的分类荷载的分类 ( Category of loads) 作用在坝上的荷载，分为：作用在坝上的荷载，分为： 二、荷载组合二、荷载组合 (Load combinations)基本荷载基本荷载(essentialloads)经常地、长期地起作用的荷载经常地、长期地起作用的荷载特殊荷载特殊荷载(exceptionalloads)偶然起作用的荷载偶然起作用的荷载（1）坝体及其上永久设备坝体及其上永久设备的自重；的自重；（2）正常蓄水位正常蓄水位(normal maxi
2、mum level, maximum retention level)或或设计洪水位设计洪水位(design flood level)时的静水压力；时的静水压力；（3）相应于）相应于正常蓄水位或设计洪水位正常蓄水位或设计洪水位时的扬压力；时的扬压力；（4）泥沙压力；）泥沙压力；基本荷载基本荷载（5）相应于）相应于正常蓄水位或设计洪水正常蓄水位或设计洪水位位时的浪压力；时的浪压力；（6）冰压力；）冰压力；（7）土压力；）土压力；（8）相应于）相应于设计洪水位设计洪水位时的动水压时的动水压力；力；（9）其它出现机会较多的荷载）其它出现机会较多的荷载。（1010）校核洪水位校核洪水位(spillwa
3、y design flood level)时时的静水压力；的静水压力；（1111）相应于）相应于校核洪水位校核洪水位时的扬压力；时的扬压力；（1212）相应于）相应于校核洪水位校核洪水位时浪压力；时浪压力；（1313）相应于）相应于校核洪水位校核洪水位时的动水压力；时的动水压力；（1414）地震荷载；）地震荷载；（1515）其它出现机会很少的荷载。）其它出现机会很少的荷载。 特殊荷载特殊荷载(exceptional loads)荷荷 载载 组组 合合 可可 分分 为为 基基 本本 组组 合合 (usual load combination)和和特特殊殊组组合合(unusual or extre
4、me load combination)两类。两类。荷载组合荷载组合(load combination)基基本本组组合合属属正正常常情情况况，由由同同时时出出现的几种基本荷载所组成。现的几种基本荷载所组成。特特殊殊组组合合属属校校核核情情况况，由由同同时时出出现现的的基基本本荷荷载载和和一一种种或或几几种种特特殊殊荷荷载载所所组组成成。设设计计时时，应应从从这这两两类类组组合合中中选选择择几几种种最最不不利利的的、起起控控制制作作用的组合情况进行计算。用的组合情况进行计算。荷载组合表荷载组合表应应根根据据各各种种荷荷载载同同时时作作用用的的实实际际可可能能性，选择计算中性，选择计算中最不利的荷
5、载组合最不利的荷载组合。分分期期施施工工的的坝坝应应按按相相应应的的荷荷载载组组合合分分期进行计算期进行计算。施施工工期期的的情情况况应应作作必必要要的的核核算算，作作为为特殊组合。特殊组合。根根据据地地质质和和其其它它条条件件，如如考考虑虑运运用用时时排排水水设设备备易易于于堵堵塞塞，须须经经常常维维修修时时，应应考虑排水失效的情况作为特殊组合。考虑排水失效的情况作为特殊组合。查表注意事项查表注意事项 对于荷载组合对于荷载组合,各国的习惯做法各国的习惯做法 日日本本:v在在坝坝体体稳稳定定计计算算中中，一一般般不不计计冰冰压压力力, ,只考虑波浪的影响只考虑波浪的影响. .v冬季波浪和冰压力
6、不会同时产生，冬季波浪和冰压力不会同时产生，v在在坝坝体体上上部部，冰冰压压力力和和浪浪压压力力两两者者的的影影响响的的差差别别较较小小，而而在在坝坝的的下下部部对对只只考考虑波浪作用的计算一般偏于安全虑波浪作用的计算一般偏于安全. .v不考虑不考虑温度荷载温度荷载。v美美国国垦垦务务局局规规定定重重力力坝坝荷荷载载组组合合汇汇总总没没有有浪压力而有冰压力浪压力而有冰压力等。等。v规规定定对对于于横横向向灌灌浆浆的的收收缩缩缝缝，由由温温度度升升高高体体积积膨膨胀胀引引起起水水平平推推力力，将将在在两两岸岸坝坝肩肩上上产产生生扭扭转转作作用用和和附附加加荷荷载载；由由于于温温差差作作用用，会会
7、造造成成坝坝内内孔孔洞洞附附近近的的应应力力恶恶化化，对对这这两两种种情情况应考虑况应考虑温度荷载温度荷载。其他各国习惯做法其他各国习惯做法(续续)美国美国:本节完本节完2.3 重力坝的断面设计重力坝的断面设计(cross-sectionalprofile)断面设计的基本经验断面设计的基本经验断面设计的主要原则断面设计的主要原则基本断面的确定基本断面的确定重力坝的实用断面重力坝的实用断面 设计重力坝时，要先进设计重力坝时，要先进行行粗略估算粗略估算，并，并参照参照已建重已建重力坝的力坝的实例实例，初步定出一个，初步定出一个断面，进行结构分析，再修断面，进行结构分析，再修改断面。即所谓改断面。即
8、所谓“先设后计先设后计”。断面设计的基本经验断面设计的基本经验返回返回满足稳定和强度要求满足稳定和强度要求 - -以保证大坝安全以保证大坝安全 力求断面较小力求断面较小 - -以节省坝体工程量；以节省坝体工程量； 断面外形轮廓简单断面外形轮廓简单 - -以利于施工以利于施工返回返回断面设计的主要原则断面设计的主要原则基本剖面基本剖面(originalprofile)的确定的确定基本剖面基本剖面的定义：的定义： 所谓基本剖面是所谓基本剖面是指坝体在指坝体在自重自重、库水库水压力压力和和扬压力扬压力三项主三项主要荷载作用下，要荷载作用下，满足满足强度和稳定要求强度和稳定要求的、的、最小最小的的三角
9、形三角形断面。断面。按按强度强度(strength)控制条件控制条件确定基本断面确定基本断面：混混凝凝土土材材料料的的抗抗压压强强度度比比较较高高，而而抗抗拉拉能能力力较较低低，仅仅为为（1/81/12）抗抗压压强强度度，重重力力坝坝除除高高度度超超过过200m的外，其他坝内压应力均较低，不控制。的外，其他坝内压应力均较低，不控制。通通用用的的设设计计准准则则是是应应避避免免坝坝体体上上游游面面产产生生拉拉应应力，这同时也能保证坝体内部也不出现拉应力。力，这同时也能保证坝体内部也不出现拉应力。基本剖面的确定基本剖面的确定(续续)在库满时在库满时，按材力偏心受压公式计算坝底，按材力偏心受压公式计
10、算坝底水平截面的边缘正应力：（压为正）水平截面的边缘正应力：（压为正）式中：垂直力合力式中：垂直力合力对坝底断面的合力矩对坝底断面的合力矩基本剖面的确定基本剖面的确定(续续)代入后求得上游坝面代入后求得上游坝面:下游坝面下游坝面:令上游坝面应力令上游坝面应力=0,得得（*）基本剖面的确定基本剖面的确定(续续)为为使使B为为最最小小，可可令令上上式式的的微微分分为为零零，简简化整理得：化整理得：（*）取取得：得：0.2，即，即上游面成为上游面成为倒悬倒悬(adversegradient,overhang)，这对施工是很不利的。，这对施工是很不利的。基本剖面的确定基本剖面的确定(续续) 在库空时在
11、库空时，0=g，则 )1 (lgs-=hhyu，lgshhyd= 由第二式可知，必须满足，否则下游面会有拉应力产生。 实际上实际上 ，多取 0=l，即上游面垂直， agg-=hhB1 基本剖面的确定基本剖面的确定(续续)0这时按按稳定稳定(slidingstability)条件条件确定基本断确定基本断面：（面：（作为粗估断面，可用抗剪公式作为粗估断面，可用抗剪公式） 基本剖面的确定基本剖面的确定(续续) 按摩擦概念计算的抗滑稳定安全系数公式为:抗滑稳定安全系数抗滑稳定安全系数(safetyfactor)表（摩擦公式）表（摩擦公式）荷载组合123基本组合1.101.051.05特殊组合11.05
12、1.001.0021.001.001.00基本剖面的确定基本剖面的确定(续续)返回基本剖面的确定基本剖面的确定(续续)重力坝的实用断面重力坝的实用断面(appliedprofile)重重力力坝坝的的基基本本剖剖面面确确定定后后，需需考考虑虑其其他他荷荷载载和和运运用条件，修正基本断面用条件，修正基本断面(如图如图)。如如果果有有泥泥沙沙压压力力、冰冰压压力力，则则需需加宽坝体加宽坝体；如如果果有有风风浪浪则则需需要要加加高高坝坝体体，以以免免库水翻过坝顶；库水翻过坝顶；如如果果考考虑虑坝坝上上交交通通，则则需需要要加加宽宽坝顶坝顶。实用断面与基本断面的关系实用断面与基本断面的关系back坝顶超
13、过静水位的高度按下式计算坝顶超过静水位的高度按下式计算clhhhh+=D02 实用断面的坝顶超高计算实用断面的坝顶超高计算式中式中:2hl浪高。浪高。h0波浪中心高度波浪中心高度hc安全超高，见安全超高，见下表下表设计坝顶高程设计坝顶高程max（设计洪水位正常运设计洪水位正常运用的用的D D h，校合洪水位非常运用的校合洪水位非常运用的D D h）本节完本节完2.4重力坝的抗滑稳定分析重力坝的抗滑稳定分析目的目的核算坝体沿坝基面或沿地基深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。层较弱结构面抗滑稳定的安全度。分析方法分析方法刚体极限平衡法刚体极限平衡法(rigidlimitequ
14、ilibriummethod)；有限单元法；有限单元法；模型试验法。模型试验法。问题分类问题分类v按按平面问题分析平面问题分析各坝段独立受力。各坝段独立受力。v按按空间问题分析空间问题分析坝基内坝基内断层断层多条多条相相互切割交错互切割交错构成构成空间滑动空间滑动体；体；地形陡峻地形陡峻的的岸坡段。岸坡段。抗滑稳定分析是重力坝设计中的一项重要内容。抗滑稳定分析是重力坝设计中的一项重要内容。抗滑稳定分析抗滑稳定分析本课程只讲本课程只讲刚体极限平衡法刚体极限平衡法就是将断裂面（指坝体、就是将断裂面（指坝体、岩体或大坝与坝体组成的滑裂体等）看成刚体，不考虑滑岩体或大坝与坝体组成的滑裂体等）看成刚体，
15、不考虑滑裂体本身和滑裂体之间变形的影响，也不考虑滑裂面上应裂体本身和滑裂体之间变形的影响，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、重力），力分布情况，仅考虑滑裂面上的合力（正压力、重力），而忽略力矩的作用效应。而忽略力矩的作用效应。重力坝失稳模式重力坝失稳模式重力坝失稳模式重力坝失稳模式沿坝基面的抗滑稳定分析沿坝基面的抗滑稳定分析沿坝基面的抗滑稳定分析沿坝基面的抗滑稳定分析深层抗滑稳定分析深层抗滑稳定分析深层抗滑稳定分析深层抗滑稳定分析提高抗滑稳定的措施提高抗滑稳定的措施提高抗滑稳定的措施提高抗滑稳定的措施重力坝稳定破坏重力坝稳定破坏(失稳失稳)的模式的模式 表面滑动 浅层
16、滑动 深层滑动 我国修建了大中型重力坝我国修建了大中型重力坝100余座，余座，其中有其中有1/3存在深层滑动问题。存在深层滑动问题。返回返回沿坝基面的抗滑稳定分析沿坝基面的抗滑稳定分析稳定破坏机理稳定破坏机理： 比比较较复复杂杂，取取决决于于地地基基条条件件。对对于于均均匀匀地地基情况，其基情况，其破坏过程破坏过程是：是： 1 1）在在坝坝踵踵处处岩岩基基和和胶胶合合面面出出现现微微裂裂松松弛弛区区； 2 2）在在坝坝踵踵处处基基岩岩和和胶胶合合面面出出现现局局部部剪剪切切屈服，进而屈服范围逐渐增大并屈服，进而屈服范围逐渐增大并向上游延伸向上游延伸； 3 3）形成滑动通道形成滑动通道，导致大坝
17、的整体失稳。，导致大坝的整体失稳。 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抗剪强度公式和抗剪断公式抗剪断公式。 坝基面滑动坝基面滑动抗剪强度公式抗剪强度公式坝体与坝基间看成是一个接触面，而不是坝体与坝基间看成是一个接触面，而不是交交交交接面。接面。当接触面呈水平时，其当接触面呈水平时，其抗滑稳定安全系数抗滑稳定安全系数为：为：坝基面滑动坝基面滑动抗剪强度公式（续）抗剪强度公式（续）当接触面倾向上游时，并有当接触面倾向上游时，并有的夹的夹角时，其角时，其抗滑稳定安全系数抗滑稳定安全系数为：为：可以看出，微倾向上可以看出，微倾向上游对游对Ks有利。有利。摩擦系数摩擦系数f f的选取
18、问题的选取问题 一一般般由由若若干干组组试试验验确确定定。但但由由于于试试验验岩岩体体自自身身的的非非均均匀匀性性质质和和每每次次试试验验条条件件不不可可能能完完全全相相同同，导导致致试试验验成成果果具具有有较较大大的的离离散散性性，如何选用试验值，还值得研究。如何选用试验值，还值得研究。我国我国78规范规定，规范规定，f的最后选的最后选取应以野外和室内试验成果为基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，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由地质、试验和设计人员研究确定。定。摩擦系数摩擦系数f f的
19、选取问题（的选取问题（续续）根根据据国国内内外外已已建建工工程程的的统统计计资资料料，混混凝凝土土与基岩的与基岩的f值常取在值常取在0.50.8之间。之间。摩擦系数的选定直接关摩擦系数的选定直接关系到大坝的造价与安全系到大坝的造价与安全，f值值愈小，要求坝体剖面愈大。愈小，要求坝体剖面愈大。以新安江为例，若以新安江为例，若f值减小值减小0.01，坝体混凝土方量增加，坝体混凝土方量增加2万万m3坝基面滑动坝基面滑动抗剪断公式抗剪断公式认为坝体与基岩接触良好，直接采用接触面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上的抗剪断参数f f、c c计算抗滑稳定安全计算抗滑稳定安全系数，即：系数
20、，即：f 抗剪断摩擦系数抗剪断摩擦系数c抗剪断凝聚力抗剪断凝聚力 f,cf,c的选取的选取对于大、中型工程，在对于大、中型工程，在设计阶段设计阶段，f f ,c ,c ,c ,c 应应由野外及室内试验成果决定。在由野外及室内试验成果决定。在规划和可行性研究阶规划和可行性研究阶段段，可以参考规范给定的数值选用。规范规定如下：，可以参考规范给定的数值选用。规范规定如下：类基岩类基岩类基岩类基岩很好的岩石，很好的岩石， f f 1.21.21.21.21.5,c1.5,c1.5,c1.5,c1.31.31.31.31.5Mpa1.5Mpa1.5Mpa1.5Mpa类基岩类基岩类基岩类基岩好的岩石，好的
21、岩石， f f 1.01.01.01.01.3, c1.3, c1.3, c1.3, c 1.11.11.11.11.3Mpa1.3Mpa1.3Mpa1.3Mpa类基岩类基岩类基岩类基岩中等的岩石，中等的岩石， f f 0.90.90.90.91.2, c1.2, c1.2, c1.2, c 0.70.70.70.71.1Mpa1.1Mpa1.1Mpa1.1Mpa 类基岩类基岩类基岩类基岩较差的岩石较差的岩石， f f 0.70.70.70.70.9, c0.9, c0.9, c0.9, c 0.30.30.30.30.7Mpa0.7Mpa0.7Mpa0.7Mpaf,cf,c的选取（的选取（续
22、续）注意：注意：上述结果不包括基岩内有软弱夹层上述结果不包括基岩内有软弱夹层的情况；同时，胶结面的的情况；同时，胶结面的f f ,c ,c ,c ,c值不能高于混值不能高于混凝土的凝土的f f ,c ,c ,c ,c ；对于；对于、类基岩，如果建类基岩，如果建基面做成较大的起伏差，基面做成较大的起伏差，可采用混凝土的抗剪断可采用混凝土的抗剪断参数参数。美国垦务局采用美国垦务局采用混凝土混凝土参数，今年来有所提高，大致为参数，今年来有所提高，大致为倍混凝土抗压强度。倍混凝土抗压强度。抗剪强度公式和抗剪强度公式和抗剪断公式选用抗剪断公式选用从上述两个公式看出，从上述两个公式看出，抗剪公式抗剪公式忽
23、略了凝忽略了凝聚力，不合乎实际，而聚力，不合乎实际，而抗剪断公式抗剪断公式则考虑，物则考虑，物理概念明确，比较符合坝体的实际情况，逐渐理概念明确，比较符合坝体的实际情况，逐渐采用较多。采用较多。 我国我国SDJ2178SDJ2178补充规定中建议补充规定中建议：当：当坝基内不存在可能导致深层活动的软弱面时，坝基内不存在可能导致深层活动的软弱面时，应按抗剪断强度公式计算；对中型工程中的中、应按抗剪断强度公式计算；对中型工程中的中、低坝，也可按抗剪强度公式计算。低坝，也可按抗剪强度公式计算。 返回返回深层抗滑稳定分析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，当坝基内存在不利的缓倾角软弱
24、结构面时，在水荷载作用下，坝体有可能连同部分基岩沿在水荷载作用下，坝体有可能连同部分基岩沿软弱结构面产生滑移，即所谓的软弱结构面产生滑移，即所谓的深层滑动深层滑动。地基深层滑动情况十分复杂，失稳和计算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：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，测定查明地基中主要缺陷，确定失稳边界，测定抗剪强度参数；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选择合理的计算方法，并规定相应的安全系数；数；v选择提高深层稳定性的措施，满足安全系数。选择提高深层稳定性的措施，满足安全系数。深层抗滑稳定分析深层抗
25、滑稳定分析在深层抗滑稳定分析中，一般根据在深层抗滑稳定分析中，一般根据深层抗滑体的不同，深层抗滑体的不同，分为分为：单斜面深层抗滑稳定计算单斜面深层抗滑稳定计算双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）多斜面深层抗滑稳定计算（不讲）单斜面深层抗滑稳定分析单斜面深层抗滑稳定分析当滑裂面当滑裂面只有一个软弱面只有一个软弱面时，坝体时，坝体与滑裂面上的部分地基可以联合起来视与滑裂面上的部分地基可以联合起来视作刚体，用作刚体，用抗剪强度公式抗剪强度公式计算安全系数。计算安全系数。但是对于要求的安全系数，尚无明确规但是对于要求的安全系数，尚无明确规定，一般取为定，一般取为
26、返回双斜面深层抗滑稳定分析双斜面深层抗滑稳定分析在更多的实际工程中，深在更多的实际工程中，深层滑动面不是一个简单的平面，层滑动面不是一个简单的平面，而是呈复杂的形状，譬如两个而是呈复杂的形状，譬如两个斜面（斜面（如图所示如图所示），AB是一条是一条缓倾角夹层和软弱面，称缓倾角夹层和软弱面，称为主为主滑动面滑动面，BC是另一条是另一条辅助破裂辅助破裂面面，切穿地表。，切穿地表。BC的位置可根的位置可根据地基内的反倾向节理拟定，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或通过试算选取一条最不利的破裂面。破裂面。双斜面深层抗滑稳定分析双斜面深层抗滑稳定分析计算时将滑移体分成两区，在其分计算
27、时将滑移体分成两区，在其分界面界面BD上，引入一个需要事先假定与水上，引入一个需要事先假定与水平面成角的内力平面成角的内力R（抗力）。（抗力）。分别令分别令区或区或区处于极限平衡状区处于极限平衡状态，即可演绎出三种不同的计算方法；态，即可演绎出三种不同的计算方法；剩余推力法剩余推力法被动抗力法被动抗力法等安全系数法等安全系数法（1）剩余推力法）剩余推力法 先令先令区处于极限平衡状态区处于极限平衡状态，其，其沿沿ABAB面的抗滑稳定安全系数为面的抗滑稳定安全系数为1 1，则：，则：利用上式求得利用上式求得R R（1 1）剩余推力法）剩余推力法 再计算再计算区沿区沿BCBC面的抗滑稳定安全面的抗滑
28、稳定安全系数系数K K2 2：K K2 2即为整个坝段的即为整个坝段的抗滑抗滑稳定安全系数稳定安全系数K K（2 2）被动抗力法）被动抗力法 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（3 3）等安全系数法）等安全系数法 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K1K2，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（等等K法法）三种方
29、法的比较三种方法的比较上述三种计算方法中的前两种上述三种计算方法中的前两种（剩余推力法、被动抗力法剩余推力法、被动抗力法），由），由于先令一个区处于于先令一个区处于极限平衡状态极限平衡状态，也即相当于这一区的也即相当于这一区的K1，因而推，因而推算出另一区的算出另一区的K值要比值要比等安全系数法等安全系数法的为大，相比之下，的为大，相比之下，等安全系数法等安全系数法更合理。更合理。三种方法的比较（三种方法的比较（续续） 以上分析方法人为地将滑动岩体分人为地将滑动岩体分成成区和区和区两块区两块，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，则应验算该滑移体的整体抗滑稳定性。 返回返回提高抗滑稳定的措施提高抗滑稳定的措施选择有利于选择有利于稳定的地基稳定的地基；利用利用水重水重；将坝基开挖成将坝基开挖成有利的轮廓线有利的轮廓线；增加建筑物重量增加建筑物重量；减少扬压力减少扬压力；预加应力措施；预加应力措施；加固地基加固地基；横缝灌浆，横缝灌浆，增加整体性增加整体性。第二章第二章1、6、9习题习题本节完本节完结束结束
