重力坝抗滑稳定及应力计算

1、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 Engineering Consulting Co. ,Ltd.二一二年四月目录1. 计算说明 错. 误 ! 未定义书签目的与要求 错. 误 ! 未定义书签基本数据 错. 误 ! 未定义书签2. 计算参数和研究方法 错. 误 ! 未定义书签荷载组合 错. 误 ! 未定义书签计算参数及控制标准 错 误 ! 未定义书签计算理论和方法 错. 误 ! 未定义书签3. 计算过程 错. 误 ! 未定义书签荷载计算 错. 误 ! 未定义书

2、签自重 错. 误 ! 未定义书签水压力 错. 误 ! 未定义书签扬压力 错. 误 ! 未定义书签地震荷载 错. 误 ! 未定义书签安全系数及应力计算 错 误 ! 未定义书签4. 结果汇总 错. 误 ! 未定义书签1. 计算说明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。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，相应 的地震基本烈度为 7 度，本工程

3、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高 程以下坡度为 1:。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:。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.

4、00m，坝基底高程 87.80m，坝高 26.2m，顶宽 13.06m， 上游坝坡为 1:，下游坝坡在 107.33m 高程以上竖直，在 107.33m 高程以下坡度 为 1: 。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: 。2. 计算参数和研究方法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

5、水位 113.30m） 地震情况（正常蓄水位 +地震荷载） 计算参数及控制标准水容重 w：m3混凝土容重 c： 24KN/m3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。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

6、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 =， c=。表 1-1 抗滑稳定计算岩体及混凝土力学参数岩性抗剪断强度（岩体）抗剪强度（岩体）抗剪断强度 （砼 / 岩体）fc（MPa）fc（MPa）fc（MPa）辉绿岩0砂岩0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0坝基容许应力组合设计洪水情况0坝基容许应力特殊组合校核洪水情况0坝基容许应力正常蓄水位 +地震0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

7、外），坝踵垂直应力不应出现拉应力，坝趾垂直应力应小于坝基容许压应力。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。K f PW （抗剪强度计算公式）f W C AK f WP CA（抗剪断强度计算公式）式中： K按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数； f坝体混凝土与坝基接触面的抗剪摩擦系数； f坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断摩擦系数； C坝体混凝土

8、与坝基接触面的抗剪断凝聚力， KPa； A坝基接触面截面积， m2； W作用于坝体上的全部荷载对于计算滑动面的法向分值，KN； P作用于坝体上的全部荷载对于计算滑动面的切向分值， KN； 坝基截面的垂直应力按下式计算：W M xAJ式中： y 坝踵、坝趾垂直应力， KPa； W作用于坝段上或 1m 坝长上的全部荷载在坝基截面上法向力总和，KN；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，；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 坝长的坝基截面对形心轴的惯性矩， m43. 计算过程荷载计算3.1.1 自重各种工况

9、下，建筑物的自重均相同。挡水坝段：单宽坝段（ 1m 坝长）断面面积 A1=198.167m2 单宽坝段断面自重 G1=（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=（顺时针方向为正）溢流坝段：单宽坝段（ 1m 坝长）断面面积 A1=123.73m2单宽坝段断面自重 G1= （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= （顺时针方向为正）进水口坝段：单宽坝段（ 1m 坝长）断面面积 A1=586.74m2单宽坝段断面自重 G1=（向下为正方向）单宽坝段断面形心对坝基中点的力臂 L1

10、=0.05m（向右为正方向） 力矩 MG1=（顺时针方向为正）底孔坝段：单宽坝段（ 1m 坝长）断面面积 A1=518.01m2单宽坝段断面自重 G1=（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=（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= 力臂 Lu1=6m 力矩 M Pu1=设计洪水位情况： 上游水深 Hu2=20.94m 上游水压力 P

11、u2= 力臂 Lu2=6.98m 力矩 MPu2=校核洪水位情况： 上游水深 Hu3=21.3m 上游水压力 Pu3= 力臂 Lu3=7.1m 力矩 MPu3=（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= 力臂 Lu1=4.67m 力矩 M Pu1=设计洪水位情况： 上游水深 Hu2=16.94m 上游水压力 Pu2= 力臂 Lu2=5.65m 力矩 MPu2=下游水深 Hd2=8.8m下游水压力 Pd2= 力臂 Ld2=2.93m 力矩 M Pd2=校核洪水位情况： 上游水深 Hu3=17.3m 上游水压力 Pu3=力臂 Lu3=5.77m力矩 MPu3

12、=下游水深 Hd3=9.42m下游水压力 Pd3=力臂 Ld3=3.14m 力矩 MPd3=（ 3）进水口坝段 正常蓄水位情况：上游水深 Hu1=22.2m 上游水压力 Pu1= 力臂 Lu1=7.4m 力矩 M Pu1=设计洪水位情况： 上游水深 Hu2=25.14m 上游水压力 Pu2= 力臂 Lu2=8.38m 力矩 MPu2=校核洪水位情况： 上游水深 Hu3=25.5m 上游水压力 Pu3= 力臂 Lu3=8.5m 力矩 MPu3=（4）底孔坝段 正常蓄水位情况：上游水深 Hu1=26.5m 上游水压力 Pu1= 力臂 Lu1=8.83m 力矩 M Pu1=设计洪水位情况： 上游水深

13、 Hu2=29.44m 上游水压力 Pu2= 力臂 Lu2=9.81m 力矩 MPu2=校核洪水位情况： 上游水深 Hu3=29.8m 上游水压力 Pu3= 力臂 Lu3=9.93m力矩 M Pu3=、竖向水压力 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， 水面线按堰上 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=38.23m2 单宽坝段上水重 G2= 力臂 L2=-0.12m力矩 MG2= 校核洪水位情况： 单宽坝段上水体面积 A3=46.81m2 单宽坝段上水重 G3=力臂 L3=-0.11m力矩 MG3= 进水口坝段斜断面上水重 正常蓄水位情况：上游水

14、深 Hu1=22.2m 上游水压力 Gw1= 力臂 Lu1=12.69m 力矩 M w1=设计洪水位情况： 上游水深 Hu2=25.14m 上游水压力 Gw2= 力臂 Lu2=12.69m 力矩 Mw2=校核洪水位情况： 上游水深 Hu3=25.5m 上游水压力 Gw3= 力臂 Lu3=12.69m 力矩 Mw3=3.1.3 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 H（u 上游水深），下游处为 H（d 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=力臂 Lu1=

15、-2.75m力矩 M U1=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 M U2=校核洪水位情况： 上游水深 Hu3=21.3m 扬压力 U3=力臂 Lu3=-2.75m力矩 M U3=（2）溢流坝段 正常蓄水位情况：上游水深 Hu1=14.0m 下游水深 Hd1=0m 扬压力 U1=力臂 Lu1=-2.17m力矩 M U1=设计洪水位情况： 上游水深 Hu2=16.94m 下游水深 Hd2=8.8m 扬压力 U2=力臂 Lu2=-0.67m力矩 M U2=校核洪水位情况：上游水深 Hu3=17.3m下游水深 Hd3=9.42

16、m 扬压力 U3=力臂 Lu3=-0.64m力矩 MU3=（3）进水口坝段正常蓄水位情况：上游水深 Hu1=22.20m扬压力 U1=力臂 Lu1=-5.01m力矩 M U1=设计洪水位情况：上游水深 Hu2=25.14m扬压力 U2=力臂 Lu2=-5.01m力矩 MU2=校核洪水位情况：上游水深 Hu3=25.50m扬压力 U3=力臂 Lu3=-5.01m力矩 MU3=（4）底孔坝段正常蓄水位情况：上游水深 Hu1=26.5m扬压力 U1=力臂 Lu1=-4.65m力矩 MU1=设计洪水位情况：上游水深 Hu2=29.44m扬压力 U2=力臂 Lu2=-4.65m力矩 MU2=校核洪水位情

17、况：上游水深 Hu3=29.8m扬压力 U3=力臂 Lu3=-4.65m力矩 MU3=3.1.4 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：Fih GEi ai / g式中： 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；计算系数，拟静力法计算地震作用效应时一般取；ai质点 i 的

18、动态分布系数； g重力加速度， g=9.81m/s2； 其中动态分布系数按下式计算：ai1 4(hi /H )4n G 41 4 GEi (hj /H)4i 1 GE式中： n坝体计算质点总数；H坝高；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= 力臂 L=8.38m 力矩 M Fi=溢流坝段： 地震惯性力 Fi= 力臂 L=5.56m 力矩 M Fi=进水口坝段： 地震惯性力 Fi= 力臂 L=11.01m 力矩 M Fi=底孔坝段： 地震惯性力 Fi=力臂 L=12.24m力矩 MFi=、动水压力采用

19、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 作用在水面以下处，其代表值 F0 按下式计算：2F0 0.65 h wH0式中： h 水平向设计地震加速度代表值，取 0.15g；w水体质量密度标准值；计算系数，拟静力法计算地震作用效应时一般取；H0水深；根据以上公式计算：挡水坝段：动水压力 F0=力臂 L=8.28m力矩 MF0=溢流坝段：动水压力 F0=力臂 L=6.44m力矩 MF0=进水口坝段：动水压力 F0=力臂 L=10.212m力矩 MF0=底孔坝段：动水压力 F0=力臂 L=12.19m力矩 MF0= 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

20、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 W=坝基面切向作用之和 P= 力矩之和 M=设计洪水情况： 坝基面法向作用之和 W=3060KN 坝基面切向作用之和 P= 力矩之和 M=校核洪水情况： 坝基面法向作用之和 W= 坝基面切向作用之和 P= 力矩之和 M=地震 +正常蓄水位情况： 坝基面法向作用之和 W= 坝基面切向作用之和 P=力矩之和 M=安全系

21、数及基底应力计算结果：工况正常蓄水位设计洪水校核洪水地震荷载W（KN）3060P（KN）M（）计算参数fc（MPa）f安全系数KK-基底应力max（ KPa）min（ KPa）（2）溢流坝段正常蓄水位情况： 坝基面法向作用之和 W= 坝基面切向作用之和 P= 力矩之和 M=设计洪水情况： 坝基面法向作用之和 W= 坝基面切向作用之和 P= 力矩之和 M=校核洪水情况： 坝基面法向作用之和 W= 坝基面切向作用之和 P= 力矩之和 M=地震 +正常蓄水位情况： 坝基面法向作用之和 W= 坝基面切向作用之和 P=力矩之和 M=安全系数及基底应力计算结果：工况正常蓄水位设计洪水校核洪水地震荷载W（K

22、N）P（KN）M（）计算参数fc（MPa）f安全系数KK-基底应力max（ KPa）min（ KPa）（3）进水口坝段 正常蓄水位情况：坝基面法向作用之和 W= 坝基面切向作用之和 P= 力矩之和 M=设计洪水情况： 坝基面法向作用之和 W= 坝基面切向作用之和 P= 力矩之和 M=校核洪水情况： 坝基面法向作用之和 W= 坝基面切向作用之和 P= 力矩之和 M=地震 +正常蓄水位情况：坝基面法向作用之和 W=坝基面切向作用之和 P= 力矩之和 M=安全系数及基底应力计算结果：工况正常蓄水位设计洪水校核洪水地震荷载W（KN）P（KN）M（）计算参数fc（MPa）f安全系数KK-基底应力max（ KPa）min（ KPa）（2）底孔坝段 正常蓄水位情况：坝基面法向作用之和 W= 坝基面切向作用之和 P= 力矩之和