（水工结构工程专业论文）混凝土重力坝抗滑稳定及应力控制标准研究.pdf

人近理l ：人学硕+ 学位论文 摘要 抗滑稳定安全性一直是重力坝设计最为关键和最为关注的问题，历史上由于坝基缺 陷引起重力坝失事或者修改方案的事例不胜枚举。随着科学技术和经济的飞速发展，水 电事业得到了前所未有的腾飞，大坝的地质条件变得越来越复杂，抗滑稳定的计算方法 也越来越多。但现阶段除了传统的刚体极限平衡法有相应的设计标准可依之外，其它的 譬如有限元法等更精确的计算方法还处于从属地位，怎么解决这一矛盾是摆在科研工作 者面前的一件大事。 针对这一问题，本文总结了国内外在重力坝抗滑稳定方面的经验和研究成果，结合 龙开口碾压混凝土重力坝，对计算重力坝深浅层抗滑稳定的各种方法进行了深入系统的 研究。全文共分为五章。 本文首先介绍了国内外在重力坝抗滑稳定方面的分析现状，然后分别用刚体极限平 衡法、有限元法、分项系数法等针对龙开口碾压混凝土重力坝2 甜挡水坝段进行了静动 力工况下的抗滑稳定分析，并用弹塑性有限元法探讨了坝体的超载能力和强度储备能 力，揭示了坝体一坝基系统在超载和降强度过程中的渐进破坏过程和破坏方式；最后对 抗滑稳定安全系数和安全度进行了探讨，综合对比分析了各种计算结果的安全度水准， 同时借鉴材料力学法抗滑稳定的判定准则提出了对深层抗滑稳定以及有限元法计算结 果评价标准的建议值。 第五章探讨了有限元等效应力法在重力坝强度分析中的应用，有限元等效应力法计 算出来的结果有效的避免了坝体角缘部位的应力集中，为坝体强度的综合评定提供了相 应的依据，同时也有机统一了有限单元法和材料力学法在重力坝坝体应力计算中的应 用。计算结果表明此分析方法得出的应力结果可以按现行的重力坝设计规范规定的应力 标准评价重力坝坝体安全度；此分析方法在重力坝强度的综合评价方面有良好的应用前 景。 本文立足于工程实际，对重力坝的深浅层抗滑稳定问题进行了深入的研究；同时又 着重思考总结，提出了深层抗滑稳定以及有限元法在评价坝体抗滑稳定和强度方面的建 议标准，为有限元法制定相应的设计准则和向前发展做了一些有现实意义的工作。 最后，作者对本文进行了总结并提出了在本课题需要进一步研究和解决的问题。 关键词：重力坝；抗滑稳定；刚体极限平衡法；有限元法；分项系数法；设计准则；应 力控制标准 混凝土重力坝抗滑稳定及戍力控制标准研究 s t u d yo na n t i s l i d i n gs t a b i l i t ya n ds t r e s sc r i t e r i ao f c o n c r e t eg r a v i t yd a m a b s t r a c t a n t i s l i d i n gs t a b i l i t yi st h ek e yp r o b l e mi nt h eg r a v i t yd a md e s i g n t h e r ew e r em a n y a c c i d e n t ss u c ha sf a i l u r eo ft h ed a mo rm o d i f yo ft h ed e s i g na r ec a u s e db yt h ed a mb a s e d e f e c t s 、i t ht h ea d v a n c e m e n to fs o i c n c e , t e c h n o l o g ya n de c o n o m y , h y d r o e l e c t r i c i t yi s q u i c k l yd e v e l o p e d ，t h eg e o l o g i c a lc o n d i t i o no ft h ed a mb e c o m e s m o r ea n dm o r ec o m p l i c a t e d n o w , e s p e c tf u rt h er i g i de q u i l i b r i u ml i m i tm e t h o d ，o t h e rm e t h o d ss u c ha sf e md o n th a v e d e s i g nc r i t e r i o na n di si ns u b o r d i n a t es t a t u s i ti sa ni m p o r t a n tm a t t e rt ob es o l v e df o r r e s e a r c h e r s a i m e da tt h ep r o b l e m , e x p e r i e n c e sa n dr e s e a r c hf i n d i n g si nt h ea s p e c to fa n t i - s l i d i n g s t a b i l i t yo ft h eg r a v i t yd a ma r es u m m a r i z e di nt h ep a p e ra n ds y s t e m a t i cr e s e a r c hh a sb e e n p e r f o r m e dc o m b i n e dw i t l lt h ee x a m p l eo fl o n g - k a i k o uc o n c r c t eg r a v i t yd a m 1 1 璩w h o l e p a p e rc o n s i s t so f f i v ec h a p t e r s f i r s t l yt h ep r e s e n ti n v e s t i g a t i o nm e t h o do fa n t i - s l i d i n gs t a b i l i t yo fg r a v i t yd a mb o t ha t h o m ea n da b r o a dh a sb e e np r e s e n t e d , a n dr i g i de q u i l i b r i u ml i m i tm e t h o d ，f e mm e t h o da n d p a r t i a lc o e f f i c i e n tm e t h o da r es t a t e di nd c t a l la g a i n s t2 4 # d a mo f l o n g - k a i - k o up o w e rs t a t i o n , a tt h es a m et i m e , e l a s t o p l a s t i cf e mm e t h o di sa p p l i e dt od i s c u s st h eo v e r l o a da n dt h es t r e n g t h r e s e r v ea b i l i t yo ft h ed 瓤1 t h er e s u l t sr e v e a lt h ep r o g r e s s i v ed e s t r u c t i o np r o c e s sa n dt h e d e s t r u c t i v em o d eo f t h es y s t e m ，a tl a s t , t h ea u t h o ra n a l y s e st h es a f e t yd e g r e eo f a l lr e s u l t sa n d t h es a f c t yd s g r e ec o m p a r a t i v e l ya n ds u g g e s t st h ep r o p o s e dd e s i g nc r i t e r i o no f f e ma n dd e e p a n t i s l i d i n gs t a b i l i t y c h a p t e rf i v ed i s c u s s e st h eu s eo ff e me q u i v a l e n ts t r e s sm e t h o d0 1 1g r a v i t yd a m8 t 1 e s $ a n a l y s i s 。他m e t h o d 啪a v o i dt h es t r e s sc o n c e n t r a t i o no ng r a v i t yd a mh e e la n dt h er e s u l t s 咖b eu s e df o rs a f e t ya s s e s s m e n to fg r a v i t yd a m s c a s es t u d ys h o w st h a te q u i v a l e n ts t r e s si 3 s o m e w h a tm e s hi n d e p e n d e n t , a n ds u i t a b l et ob eu s e dt oe v a l u a t et h ec o r n e rs t r e s so fg r a v i t y d a m s i th a sag o o dp r o s p e c ti nt h es t r e s sa s s e s s m e n to f g r a v i t yd a m s b a s e do nt h ea c t u a lp r o j e c t , a n t i s l i d i n gs t a b i l i t yh a sb e e ns y s t e m a t i c a l l yr e s e a r c h e di n t h ep a p e r a l s ot h ea u t h o rt a k e sm u c hm o r ea t t e n t i o ni nt h i n k i n ga n ds u m m a r z i n g , s u g g e s t s t h ep r o p o s e dd e s i g nc r i t e r i o no f d e e pa n t i - s l i d i n gs t a b i l i t ya n ds t r e s sc r i t e r i aw i t l lf e m f i n a l l y , t h ea u t h o rs m m n a r i z e st h ew o r kt h a th a sb e e nd o n e , a n dp r o p o u n d st h ep r o b l e m s t h a th a v et ob ei n v e s t i g a t e da n ds o l v e d k e yw o r d s ：g r a v i t yd a m sa n t i - s l i d i n gs 协b m w = r i g i de q u m b r i u ml i m i tm e t h o d f e m ip a r t i a lc o e f f i c i e n t = d e s i g nc r i t e r i o n ；s t r e s sc r i t e r i a i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果尽我所知，除了丈中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 作者签名：日期：巫互翌 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：盈塑生： 导师签名：埤型妄 们7 年厂月纱日们年月日 大连理i ：大学硕十研究生学位论文 1 绪论 1 1 研究坝体抗滑稳定问题的重要性 一座按照现代理论设计、用现代施工工艺浇筑起来的混凝土大坝，只要地基岩体比 较完整，没有重大的缺陷，发生整体失稳的可能性是非常小的。过去，由于对坝基问题 的重要性认识不足，因而对地基地质勘测、抗滑稳定的研究和工程处理工作做的不够， 往往造成重大的损失。根据国际大坝会议“大坝失事和事故”委员会在1 9 7 4 年的统计， 失事的重力坝中，有4 0 是由于坝基缺陷而引起的。美国奥斯汀( a u s t i n ) 重力坝于1 9 8 3 年建成，高2 0 7 m ，地基是石灰岩，蓄水以后，有1 5 2 m 长的坝段沿石灰岩中被软化的 页岩夹层发生滑动破坏。法国布泽( b o u z e y ) 坝，建于1 8 8 1 年，高2 2 m ，建基面为薄 层粘土贯穿的风化砂岩，美国圣佛兰西斯( s t f r a n c i s ) 坝，1 9 2 7 年建成，高6 2 m ， 蓄水以后，由于坝基泥质胶结砾岩浸水崩解和岩层中的石膏细脉溶解，于1 9 2 8 年失事。 在我国也有类似问题。黄坛口重力坝因左岸坡地质问题于1 9 5 3 年被迫停工，不得不补 作勘探，进行加固处理，延长了工期，造成了浪费。解放后，类似问题迭有发生。据1 9 7 9 年的不完全统计，仅因未能及时发现坝基的软弱夹层，以致改变设计、延误工期和后期 加固的大中型闸坝就有3 0 余座。在国外，有的混凝土坝地基的处理费用甚至与坝体造 价相接近。由此可见，抗滑稳定闯题是关系到大坝安全性和经济性的重要问题。由于地 基条件的复杂性，勘探测试手段不足，以及人们认识的局限性，长期以来，对于这样的 地基问题，主要依据经验和估算来进行设计。近年来，由于岩石力学的发展，各种勘探、 测试和处理手段的进步，特别是有限元和高速度、大容量的电子计算机的出现，设计工 作正由定性估计向定量分析进展。但由于问题的复杂性，许多问题还没有得到满意的解 决，诸如：不同结构的岩石坝基的破坏机理，合理的分析方法，材料强度、安全准则的 确定等。因此，如何利用现代的勘探，测试、计算的先进手段来进一步完善坝体抗滑稳 定的分析和处理设计，仍然是摆在水利和地质工程者面前的一项重大任务。【i j 1 2 重力坝抗滑稳定的分析方法 重力坝是个“悬臂式”结构，它承受水的巨大推力，靠各截面上的抗剪强度来维持 稳定。因此保证重力坝有足够的抗滑稳定安全系数，始终是重力坝设计的重要内容之一。 由于重力坝的抗滑稳定问题比较复杂，对于分析方法尚无统一和明确的规定，需由 设计人员根据具体情况，参考类似工程经验做出判断。一般来说，重力坝抗滑稳定问题 的解决方法都是：分析方法以刚体极限平衡法为主，辅以有限元分析或模型试验，验算 混凝十重力坝抗滑稳定及应力控制标准研究 的安全系数以整体安全度为主，辅以对局部安全度的检查，采用的安全度标准比照正常 条件下的安全度要求予以提高。p ( 1 ) 刚体极限平衡法 刚体极限平衡法将失稳块体视为一个或若干个作整体滑移的刚体，研究它达到临界 失稳状态的条件，从而估算其稳定性。刚体极限平衡法应用非常广泛，这是因为它具有 很多优点：该法概念清楚，计算简便，计算工作量小，可以手算，易于掌握，任何规模 都可采用，有丰富的工程经验，而且有比较成熟的与之配套的设计准则。当滑移面为单 一平面时，该法能较合理地确定其稳定性。刚体极限平衡法也有其缺陷，如：它只能对 坝基的抗滑稳定性作笼统的分析，不能确定相应的变位和应力分布，也不能探索破坏机 理：滑动面也要先假定，通过试算才能找出最危险的滑动面，计算荷载要合理的确定， 对滑动面、抗力面的抗剪断试验参数的可靠性与计算方法的合理性应密切配套，否则对 结果影响很大；由于刚体极限平衡法是基于滑动面上的所有点同时进入滑动状态，与实 际情况不符；双滑面及多滑面的安全系数没有规范可查；即使是浅层和单滑面的安全系 数，虽然有规范可查，但规范上的建议取值是由经验丰富的工程师及专家根据自身经验 所定的，有很大的人为性；在有尾岩抗力体存在的情况，假定坝基滑动面从坝趾垂线下 方b 点开始脱离夹层面与实际不符，因而计算结果有较大误差。在计算中b d 面上的抗力 方向角也不能准确确定( 图2 4 ) 。总的来说，刚体极限平衡法不能对坝体抗滑稳定安全度 做出准确的评价，但它是经过工程实践检验的。所以目前该法仍是计算坝体抗滑稳定的 基本方法。 ( z ) 有限单元法 大容量、高速度电子计算机的出现和有限元的发展，大大提高了水利工作者对复杂 水工结构的处理能力。在重力坝的设计中，过去难以用弹性理论求解的问题，诸如：复 杂的边界条件，多种的材料分区，复杂的地质工程条件，材料的不同性状，分级加载， 分期旌工，施工分缝，以及动力问题等，在有限法计算中都能予以考虑。 由此可见它是一种比刚体法更为合理和精确的分析方法。有限元分析可提供坝体及 地基内各点的应力及变位值，所以可以算出沿软弱面上的局部安全系数，并可由此估算 整体抗滑系数；通过有限元分析可以了解在抗力体中的应力方向、应力大小及变位值， 以及上游基岩中的拉应力数值和范围；该法还可以了解破坏区的分布，范围，以便找出 最危险的部位，并分析其严重程度；还可分析各种加固措施的作用。对于一些重要的工 程，特别是抗滑稳定问题较严重的情况，除刚体极限平衡法外，常常进行有限元分析与 模型试验，作为校核、验证或深入研究的手段。 定连理i ：大学硕十研究生学位论文 线弹性的有限元分析，由于没有考虑坝体和坝基的材料非线性的性质，因而计算出 来的结果与实际情况有一定的距离。中等高度以下且地质条件又比较简单的重力坝，可 用线弹性有限元作初步的分析。对于高坝，工程地质条件复杂的坝基，宜用非线性分析。 但是另一方面，采用有限单元法计算出来坝体的应力、变位大小与网格划分有关； 存在应力奇点，应力趋于集中；网格愈密，应力集中程度愈高，所以通常会在坝踵或者 上游折坡点等坝体角缘部位的应力过于集中，造成应力失真。对于理想的弹性材料，上 述现象是可以理解的，但是对于实际的混凝土材料和岩石地基，由于这些材料中存在微 裂隙和塑性，应力集中现象将大为缓和，所以线弹性有限元法反映的这些地方的应力集 中现象不一定符合实际。这样一来想按照材料力学的方法规定某一个值对应力进行限制 是不可能的。所以混凝土重力坝设计规范州规定：用有限单元法计算混凝土重力坝 上游垂直应力时，控制标准为：坝基上游面：记扬压力时，拉应力区宽度宜小于坝底 宽度的0 0 7 倍( 垂直拉应力分布宽度，坝底面宽度) 或坝踵至帷幕中心线的距离。坝 体上游面：记扬压力时，拉应力区宽度宜小于计算截面宽度的o 0 7 倍或计算截面上游面 至排水孔中心线的距离。 所以有限元法由于缺少相应的判别准则一直到现在还是处于从属地位，研究有限元 法在坝体抗滑以及在坝体强度方面的应用和对应的设计准则具有一定的现实意义。 ( 3 ) 模型试验法 模型试验是研究坝体及地基的应力、变位和失稳问题的一种重要手段。但是用模型 试验研究深层抗滑稳定问题有一定的困难。因为模型试验必须反映地基内的各种情况和 性质，否则就和原型无相似之处，失去试验的意义。按照模型反映的实际情况来分，试 验可以分为三种级别：第一类是不反应地质条件的弹性模型( 将坝体和地基都视为是弹 性材料，但弹性常数可以不同) ，亦即常规的静力试验。第二类只能反映地基中的一些 重大断裂。第三类能进一步反映地基内的更多因素和条件，要求满足材料本构关系的相 似要求。后者常称为“地质力学模型试验”。但总的来说这种方法还是比较麻烦，只有 在重大工程项目上才用这种方法作为计算的补充参考。 ( 4 ) 分项系数法 最新的混凝土重力坝设计规范l 牛j 在原有的基础上采用概率极限状态设计原则， 以分项系数极限状态设计表达式进行结构和地基的稳定性验算，混凝土重力坝应分别按 承载能力极限状态和正常使用极限状态进行下列计算和验算： 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、抗倾验算；对需抗震设防的坝及结构，尚需按d l 5 0 7 3 进行验算。 混凝十重力坝抗滑稳定及麻力控制标准研究 正常使用极限状态：按材料力学方法进行坝体上下游面混凝土拉应力验算，必要时进 行坝体及结构变形计算：复杂地基局部渗透稳定验算。 这种设计方法的设计表达式由一组分项系数和基本变量代表值所组成，它们反映了 由各种原因产生的不定性、变异性的影响。分析系数极限状态设计方法与传统的单一安 全系数或多项系数设计方法有本质上的不同，它的各种分项系数都是根据可靠度理论并 与规定的目标可靠指标相联系，经优选而确定的。因而采用这一方法的设计计算结果隐 含地反映了规定的可靠度水平。这也是新规范推荐的方法。 ( 5 ) 可靠度方法 前面提到的刚体极限平衡法和有限元法对重力坝结构稳定性分析一般都采取确定 性方法，所以不能反映结构参数和外荷载的不定性。一方面，在结构计算中的力学方法 ( 如有限元法、边界元等) 比较精确；而另一方面，参数的选取却很粗略。这就形成了 一大矛盾。可靠度方法就是解决这一矛盾的有力工具，它可以将结构参数视为随机变量 与现有的力学计算方法相结合进行结构计算和可靠性分析。在可靠度理论基础上，随机 有限元法也发展了起来。在有限元计算中考虑不确定因素就形成了随机有限元法。国内 随机有限元的研究起步相对较晚，但发展很快。清华大学姚耀武等以非线性有限元理论 和可靠度理论为基础，以二维弹塑性问题为对象，提出了非线性随机有限元的基本思路， 并研究了重力坝坝基在考虑非线性特性和随机特性情况下的破坏过程和可靠性指标；河 海大学的刘宁等提出了“条件可靠指标”的概念，并以此作为寻求结构最大可能失效模 式的判断依据，较好地考虑了失效单元功能函数间相关性的影响。 ( 6 ) 其它方法 如块体单元法、不连续变形分析法d d a 以及其它方法等等，这里不再一一列举。 1 3 现阶段存在的问题 上面介绍了重力坝抗滑稳定的多种分析方法，其中刚体极限平衡法由于出现最早， 理论成熟，并经过无数工程实践的检验，所以目前该法仍是计算坝体抗滑稳定的基本方 法；对于层面抗滑已经有相应的规范可依，但对于深层抗滑问题由于考虑因素众多、条 件复杂，还没有制定相应的规范。有限单元法发展很快，它能考虑诸如：复杂的边界条 件，多种的材料分区，复杂的地质工程条件，材料的不同性状，分级加载，分期施工， 施工分缝，以及动力问题等多种因素，可见它是一种比刚体法更为合理和精确的分析方 法；但是另一方面采用此种方法计算出来坝体的应力、变位大小与网格划分有关；存在 应力奇点，应力趋于集中；网格愈密，应力集中程度愈高，所以通常会在坝踵或者上游 折坡点等坝体角缘部位的应力过于集中，造成应力失真。可见它具有数值不稳定性，受 人连理l ：大学硕十研究生学位论文 人为因素影响较大，现在还不能制定相应的判别准则来衡量有限元法的计算结果，所以 尽管此种方法更合理更精确，但一直到现在还是处于从属地位。模型试验法实施复杂、 投资巨大、比较麻烦，只有在重大工程项目上才用这种方法作为计算的补充参考。分项 系数法实施简单，概念明确，来源于可靠度理论，隐含的反应了规定的可靠度水平，是 新规范推荐使用的一种方法，值得推广。总的来说，现阶段计算抗滑稳定和坝体强度存 在的主要问题如下： ( 1 ) 深层滑动的评定准则问题怎么解决； ( 2 ) 针对有限元法一直处于从属地位的现象怎么引入相应的依据来评判坝体的抗滑稳定 和强度问题； ( 3 ) 针对深层滑动的多滑动面问题怎么解决； “) 怎么有机统一、评定刚体极限平衡法和有限元法计算结果的安全度问题； ( 5 ) 有限元法和分项系数法两者的统一问题。 1 4 本论文主要完成的工作 本论文主要研究对比了混凝土重力坝深浅层抗滑稳定的计算方法，同时针对有限元 法更精确更先进而不能成为坝体综合评定的首选方法的问题，引入了有限元等效应力 法，具体探讨了其在重力坝强度分析中的应用。总的来说，本文主要的研究工作总结如 下： ( 1 ) 本文分别用刚体极限平衡法、弹塑性有限元法、分项系数法来分析计算了龙开 口碾压混凝土重力坝2 甜挡水坝段的深浅层抗滑稳定。从实际工程的角度针对刚体极限 平衡法总结提出了深层滑动的评定准则问题。 ( 2 ) 针对有限元法一直处于从属地位的现象引入有限元抗滑富裕系数，此系数不管 是采用线弹性程序还是非线性程序其值比较稳定，也反映了应力分布和变形协调，是一 个可利用的安全度指标：同时针对此值提出了建议的评判准则。另一方面，综合分项系 数刚体极限平衡法和有限元法的理论引入了分项系数有限元法，该法实质上是基于可靠 度思想，有坚实的科学依据，比起基于经验的传统安全系数法判断结构安全度更为先进， 也使得有限元法在评判重力坝深浅层抗滑方面有了相应的设计准则。 ( 3 ) 对2 4 # 挡水坝段分别进行了超载法和强度储备法( 等比例降强度和等保证率降强 度) 分析，揭示了坝体一坝基系统在超载和降强度过程中的渐进破坏过程和破坏方式。 计算结果表明，2 错挡水坝段具有足够的超载安全度和强度储备安全度。 ( 4 ) 把现行混凝土拱坝设计规范中被广泛采用的有限元等效应力法试用在重力坝应 力计算中，通过有限元等效应力法来研究重力坝坝踵应力集中问题，提出以有限元等效 混凝十重力坝抗滑稳定及应力控制标准研究 应力作为坝踵代表应力。该方法可以得到比较稳定的坝踵应力值，解决了坝踵应力随网 格的变化而变化的问题，而且能反映结构的竖向静力平衡条件，具有明确的物理意义， 适合作为控制应力在重力坝工程中比较局部角缘应力，可为规定重力坝应力控制标准、 指导重力坝设计提供有益的补充。 人连理+ i ：人学硕十研究生学位论文 2 刚体极限平衡法在抗滑稳定分析中的应用 抗滑稳定分析是重力坝设计中的一项重要内容，其目的是核算坝体沿坝基面或沿地 基深层软弱结构面抗滑稳定的安全度。由于重力坝沿坝轴线方向用横缝分割成若干个独 立的坝段，所以稳定分析可以按平面问题来处理。但是对于地基中存在多条相互切割交 错的软弱结构面构成的空间滑动体或位于地形陡峻的岸坡段，则应按空间问题进行分 析。混凝土重力坝设计规范”也明确规定了抗滑稳定采用材料力学法即刚体极限平 衡法来进行，刚体极限平衡法把滑动的岩体看作是刚体，只是考虑滑动体上力的平衡， 不考虑力矩的平衡，目前该方法仍然是规范推荐的计算抗滑稳定的首选方法。下面就该 方法做简要的介绍。 2 1 层面抗滑稳定分析 以一个坝段或取单宽作为计算单元。计算公式有抗剪强度公式和抗剪断公式。 ( 1 ) 抗剪强度公式 将坝体和基岩间看成是一个接触面，而不是胶结面。 当接触面呈水平时( 图2 1 ) ，其抗滑稳定安全系数疋为： 蟛= 厂( w - v ) e p ( 2 1 ) 式中矿- 妾触面以上的总铅直力； 尸接触面以上的总水平力； 【，一作用在接触面上的扬压力： 厂接触面间的摩擦系数。 当接触面倾向上游时( 图2 2 ) ，抗滑稳定安全系数k 。为： 髟= 雩麓差篇产 c ：也， 式中 接触面与水平面问的夹角 由式2 - 2 可以看出，当接触面倾向上游时，对坝体抗滑有利，而当接触面倾向下游 时，为负值，使抗滑力减小，滑动力增加，对坝体稳定不利。 摩擦系数厂值要有若干组试验确定。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。如何让选用试验值，仍然是一个 值得研究的问题。规范s d j 2 1 1 9 7 8 9 j 规定，厂值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，参照地质条件类似已建工程的经验等，由地质、试验和设计 混凝十重力坝抗滑稳定及j 节力控制标准研究 人员研究确定。近年来，我国很多工程采用了先进行抗剪断试验，再进行抗剪试验的方 法来确定摩擦系数。根据国内外已建工程的统计资料，混凝土与基岩日j 的厂值常取在 o 5 o 8 之间。摩擦系数的选定直接关系到大坝的造价和安全，厂值愈小，为维持稳定 所需的矽，即坝体剖面愈大，以新安江工程为例，若，值减小0 0 1 ，坝体混凝土就要 增多2 万m 3 。 由于抗剪强度公式没有考虑坝体混凝土和基岩问的粘聚力，而将其作为安全储备， 因此相应的安全系数妫值就不能定的过高。这里的& 值只是一个抗滑稳定的安全指 标，并不反应坝体真实的安全程度。规范s d j 2 1 1 9 7 8 9 】中规定：用抗剪强度公式设计时， 各种核载组合情况下的安全系数见表2 1 。 值得注意的是：式2 - l 中的矿和p 基本上与坝高的平方成正比，而坝体混凝土 与基岩接触面间的凝聚力则与坝高成正比，因此用式2 - l 核算抗滑稳定时，高坝的安全 储备要比低坝小。 表2 1 抗滑稳定安全系数磁 t a b 2 1t h es a f ef a c t o ra g a i n s ts l i d i n g ( 妊) 坝的级别 荷载组合 l 2 3 基本组合 1 1 01 0 51 0 5 ll ，0 51 0 01 0 0 特殊组合 21 o ot o o1 0 0 ( 2 ) 抗剪断公式 利用抗剪断公式时，认为坝体混凝土与基岩接触良好，直接利用接触面上的抗剪断 参数和j 计算抗滑稳定安全系数。此处，是抗剪断摩擦系数，c 是抗剪断凝聚力。 ：f ( e w 了- f u ) 一+ e a ( 2 - 3 ) 对于大中型工程，在设计阶段，强度参数，和c 应有野外及室内试验成果；在规划 和可行性研究阶段可参照规范给定的数值选用。由于各国对厂和c 。的取值标准不同，要 求的安全系数砭也不同。厂。和c 值的确定方法与，相同。 关于甏：的规定见表2 2 。 欠连理f ：人学硕士研究生学位论文 表2 2 抗滑稳定安全系数彰 t a b 2 2t h es a f ef a c t o ra g a i n s ts l i d i n g ( ) 荷载组合不分坝的级别 基本组合3 o l 2 5 特殊组合 22 3 上述抗剪断公式2 1 ，形式简单，对于摩擦系数厂的选择，多年来积累了丰富的经 验，在国内外应用广泛。但该公式忽略了坝体与基岩间的胶结作用，不能完全反映坝的 实际工作状态。抗剪断公式2 3 ，直接采用接触面上的抗剪断参数，物理概念明确，比 较完全反映坝的实际工作情况，已日益为各国所采用。我国的混凝土重力坝设计规范 ( 试行) 补充规定( s d j 2 1 1 9 7 8 ) 建议：当坝基内不存在可能导致深层滑动的软弱结 构面时，应按抗剪断强度公式计算；对中型工程的中低坝，也可按抗剪强度公式计算。 目前采用的稳定计算公式，大都是半经验性的，理论上不够成熟。多年来，人们对 重力坝的稳定分析做了大量的试验和计算分析，积累了丰富的实践经验。重力坝的底宽 与坝高之比已有2 0 世纪三四十年代的0 9 左右，降低到7 0 年代的0 7 左右。随着岩石 力学和计算方法的不断发展和完善，进一步减小宽高比还是有潜力的。 2 2 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。我国已建和在建的大中型闸、坝工程 中，有相当一部分的地基内存在软弱夹层，其中，有些工程由于在勘探阶段对地质情况 没有了解清楚或缺乏正确的判断，以致在出现问题之后，不得不改变原设计或进行后期 加固。在国外，也存在这类问题，如：美国奥斯丁坝，就是沿着地基内被水软化的页岩 层面滑动破坏的。因此，在勘探、设计和施工各个阶段，对深层滑动问题应给与足够的 重视。 ( 1 ) 单斜面深层抗滑稳定计算 如图2 3 所示，在地基内只有一个软弱面。在计算中将软弱面以上的坝体和地基视 为刚体，按式2 - 2 计算刚体沿软弱面的抗滑稳定安全系数。 由于软弱面上的、c 值较难确定，迄今为止，世界各国对深层抗滑稳定安全系数 均未给出明确的规定。有的文献建议：当整个可能滑动面基本上都有软弱结构面构成 时，宣采用抗剪强度公式计算，疋值用1 0 5 1 3 0 ，但由于作为安全储备的凝聚力己接 混凝十重力坝抗滑稳定及应力控制标准研究 近于零，所以在选用抗剪强度指标是要十分慎重；可能滑动面仅有一部分通过软弱结 构面，其余部分切穿岩体或混凝土，有条件提供一定抗滑力的抗立体时，应采用抗剪断 公式核算，要求鬈：三2 5 3 5 。 ( 2 ) 双斜面深层抗滑稳定计算 很多实际工程的地基内往往存在很多多条相互切割交错的断层或软弱夹层，构成复 杂的滑动面。在作深层抗滑稳定分析时，应验算几个可能的滑动通道，从中我出最不利 的滑动面组合，进而计算其抗滑稳定安全系数。 如图2 4 所示，a b 是一条缓倾角夹层或软弱面，成为主滑裂面，b c 是另一条辅助 破裂面，切穿地表。关于b c 的位置可以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。计算时将滑移体分成两块，在其界面b d 上，引入一个事先假 定与水平面成l l ，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、被动抗力法及等安全系数法。 剩余推力法 先令区处于极限平衡状态，其沿a b 面上的抗滑稳定安全系数为1 ，求解出来r 之后再计算区沿b c 面上的抗滑稳定安全系数墨，局即认为是整个坝段的抗滑稳定 安全系数。 k = 避拦等斋蔫罴篙学可 q 4 ， 由上式解出r 之后，代入下式求出b c 面上的抗滑稳定安全系数作为整个坝段的安全系 数。 k：疋：f2rsin(+,b)+g2cosfl+u3s i n , 8 - u 2 + e 2 a 2( 2 - 5 ) 2 r c o s ( + p 、一g 2 s i np + u 3 s p 其中石、c l 、正。、c 2 块体a b d 、b c d 上可能滑动面上的摩擦系数和凝聚力； 4 、4 分别为滑动面a b 、b c 的面积； p 、矽一作用于块体a b d 上的总水平力、总垂直力； 口、口一分别为滑动面a b 、b c 与水平面的夹角； “、以、以分别为a b 、b c 、b d 面上的扬压力； r 、分别为b d 面上的抗力以及抗力与水平面的夹角； g l 、g 2 分别为区和区的重量。 被动抗力法 大连理j ：大学硕士研究生学位论文 与剩余推力法相反，先令区处于极限平衡状态，求得抗力r 后再计算区沿a b 面的抗滑稳定安全系数墨，并作为整个坝段的抗滑稳定安全系数。 墨：基坚! ! 堕竺旦鱼竺! 壁坠! 垫生二丝j 鱼生：l( 2 6 ) r c o s ( _ l f ，+ ) 一g js i n 卢+ u c o s p 由上式解出r 之后，代入下式求出a b 面上的抗滑稳定安全系数作为整个坝段的安全系 数。 m = 堑篝罱器筹等等学c ：4 ， 里面符号的意义同上。 等安全系数法 令区和区同时处于极限平衡状态，分别列出两个区抗滑稳定安全系数墨、匠的 计算式，然后令k = ，解出抗力r ，再将其带入原计算式的任何一个，就可以求出整 个滑移体抗滑稳定安全系数。 上述三种计算方法中的前两种，由于先令一个区处于极限平衡状态，也即这一区的 k = i ，因而推算出的另一区的k 值要比等安全系数法为大。另外，当a b 面上的抗剪能 力较大时，用剩余推力法计算出来的安全系数有可能为零或者是负值，这是不符合实际 情况的，因此这种计算方法己逐渐被淘汰。同时由实际计算可知，当b c 面上的抗剪能 力较大时，计算出来的r 值比较大，这时带入被动抗力法计算公式2 7 计算出来的足值 也会出现负值。相比之下，等安全系数法更为合理。所以经历了很长时间的实践现在被 动抗力法和等安全系数法应用比较广泛，其中被动抗力法还是规范推荐使用的方法。 抗力r 与水平面的夹角缈难于准确给出。我国工程界根据经验常假定= o ，但是这 样求出来的成果偏于安全；或假定t g 等于b d 面上的厂除于安全系数；或参照有限元 法分析成果，用b d 面上各点主应力的平均倾角作为值。 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。当岩体比较稳定坚固，或阴面上的抗 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，如图2 5 所 示。 设r 、足分别为a b 面和b c 面上反力的合力，作用点为q 和q ，自作用点做滑动 面的交线，交点o 即为瞬时滑动中心，将蜀、是分解为m 、q i 和2 、q 2 ，并令所有 混凝十重力坝抗滑稳定及戍力控制标准研究 外荷载对d 点的力矩为m o ，则： 毛= f d = 蜴= q 2 吒。将滑动面上所能提供的最大抗 滑力矩与滑动力矩 厶相比，便可以得出整体深层抗滑稳定的安全系数 k ：! 笾垫必竖丝鱼生匕( 2 - 8 ) 岛+ q 2 吒 式中 z 、q 和五、岛a b 面和b c 面上的摩擦系数和凝聚力； 、疋一力臂； 、厶- a b 面和b c 面的长度。 解决问题的关键在于确定a b 面和b c 面上的反力和相应的转动中心，反力墨、是 及作用点q 、0 2 可以通过有限元方法或其他方法求解。 2 3 岸坡坝段的抗滑稳定分析 当靠近两岸岸坡坝段的坝基面是倾向河床的斜面或折面时，该坝段在上游水压力及 坝体自重作用下，有向下游及河床滑动的趋势，在三向荷载作用下使其抗滑稳定性不如 河床坝段。 图2 6 是靠近岸坡的一个坝段，设岸坡倾角为口，坝体总重为形，坝基面上的扬压力 为u ，上游坝面水压力为p ，坝基面的抗剪强度参数为，或，。和c ，滑动面面积为a 。 将自重矿分解为对滑动面的法向分力n = w c o s o 和切向分力r = w s i n o ，并将切向分力 和水压力和成为s ，则岸坡坝段的抗滑稳定安全系数为： k s = 丁f ( n - v ) ( 2 9 ) 或者k = f ( n _ - u 广) + 一c a ( 2 l 。) 式2 - 9 、2 - 1 0 中的s = r 2 + j p 2 。 u 图2 1 水平层面抗滑稳定计算简图 f i g 2 1 t h e f i g o f h o r i z o n t a l l a y e r a g a i n s ts l i d i n g 图2 2 倾斜层面抗滑稳定计算简图 f i g 2 2t h ef i go f g r a d i e n tl a y e ra g a i n s ts l i d i n g 塑蔓叁兰堡堕壅尘塑! 鱼苎 l 5 乙 。1 r r r 图2 3 坝基内的软弱面简图 f i g 2 3t h e w e a kp l a n e si nt h ed a mb a s e b 图2 4 双斜面深层抗滑稳定计算简图 f i g 2 4t h ef i go f t w od e e ps l i ps u r f a c e 图2 5 整体深层抗滑稳定计算简图 f i g 2 5t h ef i go f t h ed e e ps t i ps t n r f a c e 图2 6 岸坡坝段抗滑稳定计算简图 f i g 2 6t h e b a n ko f d a ma g a i n s ts l i d i n g 1 3 混凝十重力坝抗滑稳定及虑力控制标准研究 2 4 工程实例应用 本文以金沙江中游河段上龙开口水电站2 4 # 挡水坝段作为分析对象。探讨各种计算 方法在重力坝抗滑稳定分析中的应用，综合对比各种方法计算结果之间的联系。 2 4 1 工程概况 龙开口水电站位于云南省境内的金沙江中游河段上，是金沙江中游河段规划梯级电 站的第六级。枢纽区位于鹤庆县中江乡境内。电站地理位置适中，距昆明、攀技花和大 理的直线距离分别为5 6 5 k m 、2 6 6 k m 和2 2 6 k m ，距鹤庆县县城公路里程约1 2 0 k i n ，现有 简易公路可达坝址区右岸，对外交通较为便利。 坝址控制流域面积2 4 x1 0 4 k i n 2 ，多年平均流量1 6 8 0 m 3 s 。坝址附近年平均气温在 1 2 6 c 1 9 0 c 之间，年平均降雨量在5 9 0 8 m m 左右。 工程的开发任务以发电为主，兼顾灌溉。水库建成后发展旅游和库区航运，促进经 济与环境协调发展。水库正常蓄水位1 2 9 8 0 0 m ，水库总库容5 4 5 亿o ，调节库容1 1 2 亿m 3 ，具有周调节性能；混凝土重力坝最大坝高11 9 m ，电站总装机容量为5 x 3 6 0 m w 。 按照防洪标准( g b 5 0 2 0 1 - - 9 4 ) 和水电枢纽工程等级划分及设计安全标准 ( d l 5 1 8 0 - 2 0 0 3 ) 规定，本工程工程规模为大( 1 ) 型，工程等别为一等。其主要建筑物：大 坝、泄洪建筑物和引水发电建筑物属l 级建筑物，次要建筑物属3 级建筑物。大坝、泄 洪建筑物设计洪水重现期为5 0 0 年，非常运用洪水重现期为5 0 0 0 年：发电厂房设计洪 水重现期为2 0 0 年，非常运用洪水重现期为1 0 0 0 年，消能防冲建筑物设计洪水重现期 为1 0 0 年。 龙开口水电站主要建筑物由混凝土重力式拦河坝、河床开敞式溢流坝、泄洪冲沙中 孔、右岸坝后式厂房及户内升压开关站、厂房右侧冲沙底孔等组成。溢流坝、泄洪冲沙 中孔坝段布置在河床主河道上，厂房引水坝段布置在右河床台地上、左右岸均采用混凝 土重力式挡水坝。坝顶全长8 5 5 m ，坝顶高程1 3 0 3 o o m 。 其中2 4 # 挡水坝段坝段厚度2 5 m ，坝顶高程1 3 0 3