【水利课件】重力定分析

1、3.3 3.3 重力坝抗滑稳定分析重力坝抗滑稳定分析3.3.1 3.3.1 重力坝抗滑稳定分析概述重力坝抗滑稳定分析概述3.3.2 3.3.2 坝基破坏机理坝基破坏机理3.3.3 3.3.3 沿坝基面抗滑稳定分析沿坝基面抗滑稳定分析3.3.4 3.3.4 深层抗滑稳定分析深层抗滑稳定分析3.3.5 3.3.5 岸坡坝段抗滑稳定分析岸坡坝段抗滑稳定分析3.3.6 3.3.6 提高坝体抗滑稳定的工程措施提高坝体抗滑稳定的工程措施3.3.7 3.3.7 稳定分析设计理论的历史沿革稳定分析设计理论的历史沿革3.3.8 3.3.8 坝基抗滑稳定分析的发展坝基抗滑稳定分析的发展3.3.9 3.3.9 现行

2、规范中有关坝基抗滑稳定的有现行规范中有关坝基抗滑稳定的有关规定与讨论关规定与讨论3.3 3.3 重力坝抗滑稳定分析重力坝抗滑稳定分析3.3.13.3.1重力坝抗滑稳定分析概述重力坝抗滑稳定分析概述问题的由来：问题的由来： 根据混凝土重力坝设计规范（根据混凝土重力坝设计规范（dl5108-1999dl5108-1999）8.1.28.1.2的相关规定，承载能力极限状态：坝体断面、结构及的相关规定，承载能力极限状态：坝体断面、结构及坝基岩体进行强度和坝基岩体进行强度和抗滑稳定计算抗滑稳定计算，必要时进行，必要时进行抗浮抗浮、抗倾抗倾验算；对需抗震设防的坝及结构，尚需按验算；对需抗震设防的坝及结构，

3、尚需按dl5703dl5703（水工建筑物抗震设计规范）进行验算。（水工建筑物抗震设计规范）进行验算。稳定问题的种类：稳定问题的种类： 抗滑稳定：抗滑稳定：坝体沿抗剪能力不足的薄弱面产生滑动；坝体沿抗剪能力不足的薄弱面产生滑动； 抗浮稳定：抗浮稳定：坝体在上、下游水荷载作用下，产生向坝体在上、下游水荷载作用下，产生向上浮起破坏形式；上浮起破坏形式； 抗倾稳定：抗倾稳定：上游坝踵以下岩体受拉产生斜裂缝及坝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。趾以下岩体受压发生压碎而产生倾倒滑移破坏形式。3.3.1 3.3.1 重力坝抗滑稳定分析概述重力坝抗滑稳定分析概述

4、3.3.1 3.3.1 重力坝抗滑稳定分析概述重力坝抗滑稳定分析概述主要关键词主要关键词 （keywords）： 重力坝重力坝 （gravity dam） 抗滑稳定抗滑稳定 （stability against sliding） 稳定分析稳定分析 （ stability analysis） 抗滑稳定分析是重力坝设计中的一项重抗滑稳定分析是重力坝设计中的一项重 要内容要内容。3.3.1 3.3.1 重力坝抗滑稳定分析概述重力坝抗滑稳定分析概述任务任务着重介绍抗滑稳定分析方法。着重介绍抗滑稳定分析方法。目的目的核算坝体沿坝基面或沿核算坝体沿坝基面或沿地基地基深层深层较弱较弱结构面抗滑结构面抗滑 稳

5、定稳定的的安全安全度。度。分析分析方法方法刚体极限平衡刚体极限平衡法法( (rigid limit equilibrium method)rigid limit equilibrium method)；有限单元有限单元法法( (finite element method)finite element method)；地质力学地质力学模型试验模型试验法法( (model testing method)model testing method)。问题分类问题分类v平面问题平面问题各坝段独立受力。各坝段独立受力。v空间问题空间问题坝基内坝基内断层断层多条多条相互切割交错相互切割交错构构成成空间滑动空

6、间滑动体体或地形陡峻或地形陡峻的岸坡段。的岸坡段。3.3.1 3.3.1 重力坝抗滑稳定分析概述重力坝抗滑稳定分析概述刚体极限平衡法：刚体极限平衡法： 将将断裂断裂面（指坝体、岩体或面（指坝体、岩体或大坝大坝与岩体组成的滑与岩体组成的滑裂体等）看成裂体等）看成刚体刚体，不，不考虑考虑滑裂体滑裂体本身本身和滑裂体和滑裂体之间之间变形变形的的影响影响，也不，也不考虑考虑滑裂面上滑裂面上应力分布情况应力分布情况，仅，仅考考虑虑滑裂面上的滑裂面上的合力合力（正（正压力压力、剪应力），而、剪应力），而忽略力矩忽略力矩的的作用效应作用效应。 优点：优点：概念清楚，计算简便，任何规模的工程均概念清楚，计算简

7、便，任何规模的工程均可采用；可采用； 缺点：缺点：是不能考虑岩体受力后所产生变形的影响，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。极限状态与允许的工作状态也有较大的出入。3.3.1 3.3.1 重力坝抗滑稳定分析概述重力坝抗滑稳定分析概述有限单元法：有限单元法： 可计算地基受力后的应力场和位移场，并可模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。应等，研究地基破坏的发展全过程。优点：优点：可以考虑复杂地基的局部化效应及材料的非线性可以考虑复

8、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；本构关系，模拟地基及坝体变形与破坏的全过程等；缺点：缺点：对有限元计算结果的应用及稳定判据的应用上尚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。需进一步研究。3.3.1 3.3.1 重力坝抗滑稳定分析概述重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：一般常用的分析方法有：超载法：超载法：将作用在坝体上的外荷载逐级加大，直至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，外荷载增大倍数滑动面的抗滑稳定处于临界状态，外荷载增大

9、倍数即为抗滑稳定安全系数；即为抗滑稳定安全系数；强度储备法强度储备法：降低软弱夹层和尾岩抗力体的抗剪参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；剪参数值的降低倍数即为安全系数；剪力比例法：剪力比例法：根据有限元法计算在设计荷载作用下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。的抗滑力和和滑动力，两者的比值即为安全系数。3.3.1 3.3.1 重力坝抗滑稳定分析概述重力

10、坝抗滑稳定分析概述地质力学模型试验法：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，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以及自重、静水压力等荷载，能形象地显示滑移破坏的过程。模拟内容不够全面和完善，不能完全依靠试的过程。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。验定量解决问题。优点：优点：能直观的模拟坝体与地基稳定体系中的主要影响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；因素及变形与破坏全过程；缺点：缺点：模拟内容有限，往往需要依据经验作适当简化，模拟内容有限，往往需要依据经验作适当简化，模型

11、一旦建立，不易修改、费用高、周期长，试验结模型一旦建立，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。果受到测试技术与若干不确定性因素的影响等。3.3.2 3.3.2 坝基破坏机理坝基破坏机理荷载：荷载：坝体自重、上、下游坝面水压力、坝基渗坝体自重、上、下游坝面水压力、坝基渗透水压力、坝基岩体应力等。透水压力、坝基岩体应力等。研究方法：研究方法：模型试验、数值分析等。模型试验、数值分析等。基本结论：基本结论： 在水库未蓄水或建成时的低水位状态，坝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，坝基面体自重引起地基下沉，坝踵大于坝趾，坝基面倾向上

12、游；随着库水位的不断上升，坝踵位移倾向上游；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，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本不变）。库满时，大在工程意义上可认为基本不变）。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。坝趾向下游转动的趋势，坝基一般倾向下游。3.3.2 3.3.2 坝基破坏机理坝基破坏机理 随着库水位的上升，在坝趾区不发生屈随着库水位的上升，在坝趾区不发生屈服或仅发生小范围屈服的情况，坝基浅部岩服或仅发生小范围屈服的情况，坝基浅部岩体呈水平向压

13、缩，坝踵与坝趾水平位移差随体呈水平向压缩，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，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。坝发生平行滑动，整体失稳。3.3.2 3.3.2 坝基破坏机理坝基破坏机理 随着库水位的上升，首先在大坝上游坝踵随着库水位的上升，首先在大坝上游坝踵的地基表层出现微裂隙扩张区，然后出现坝的地基表层出现微

14、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；当基岩较软弱，力学强度较低时，部发展；当基岩较软弱，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，导致大坝整体下，贯穿坝下整个浅层基岩，导致大坝整体失稳。失稳。3.3.2 3.3.2 坝基破坏机理坝基破坏机理 不同的地基与坝体弹模比以及抗剪断参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。数的不同，不改变坝基破坏发展

15、的总体特征。坝基越硬，坝踵裂缝出现越早，微裂区越大，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，对坝踵裂只影响坝趾附近基岩的屈服范围，对坝踵裂缝影响不大。缝影响不大。e3.3.2 3.3.2 坝基破坏机理坝基破坏机理结论：结论： 当坝基较软弱时，重力坝均质坝基的失稳破坏主要当坝基较软弱时，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

16、屈服区的发展过程；取决于从坝趾区开始的基岩剪切屈服区的发展过程； 当坝基较坚硬时，重力坝均质坝基将不会出现坝趾当坝基较坚硬时，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：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。明显弱面发生水平滑动破坏。3.3.2 3.3.2 坝基破坏机理坝基破坏机理 均质坝基上混凝土重力坝沿坝基面滑动失稳机理：均质坝基上混

17、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，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。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，计算分析时，以一个坝段或取单宽计算，计算公式有公式有抗剪强度公式抗剪强度公式和和抗剪断公式抗剪断公式。 3.3.2 3.3.2 坝基破坏机理坝基破坏机理重力坝滑动失稳模式：重力坝滑动

18、失稳模式：表面滑动 浅层滑动 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。3.3.3 3.3.3 沿坝基面抗滑稳定分析沿坝基面抗滑稳定分析 一、抗剪强度公式：一、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，而不是面。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： puwfks 其其中中：w 接接触触面面上上的的总总重重力力 p 接接触触面面上上的的总总水水平平力力 u 作作用用在在接接触触面面上上的的扬扬压压力力 f 接接触触面面间间的的

19、摩摩擦擦系系数数 3.3.3 3.3.3 沿坝基面抗滑稳定分析沿坝基面抗滑稳定分析当接触面倾向上游时，并有当接触面倾向上游时，并有的夹角时，的夹角时，其其抗滑稳定安全系数抗滑稳定安全系数为：为：可以看出，坝基面微可以看出，坝基面微倾向上游对倾向上游对ksks有利。有利。3.3.3 3.3.3 沿坝基面抗滑稳定分析沿坝基面抗滑稳定分析 规范规定，规范规定，f f的最后选取应以野外和室内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。验和设计

20、人员研究确定。摩擦系数摩擦系数f f的选取问题的选取问题 一般由若干组一般由若干组试验确定试验确定。但由于试验岩体。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。选用试验值，还值得研究。3.3.3 3.3.3 沿坝基面抗滑稳定分析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摩擦系数的选定直接关系到大坝的造价与安全，安全，f f值愈小，要求坝体剖面愈大。以新安值愈小，要求坝体剖面愈大。以新安江为例，若江为例，若f f值减小值减小0.

21、010.01，坝体混凝土方量增，坝体混凝土方量增加加2 2万万m m3 3。 根据国内外已建工程的统计资料，混凝土根据国内外已建工程的统计资料，混凝土与基岩的与基岩的f f值常取在值常取在0.50.50.80.8之间。之间。3.3.3 3.3.3 沿坝基面抗滑稳定分析沿坝基面抗滑稳定分析二、抗剪断公式：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剪断参数ff、cc计算抗滑稳定安全系数，即：计算抗滑稳定安全系数，即：ff抗剪断摩擦系数抗剪断摩擦系数cc抗剪断凝聚力抗剪断凝聚力3.3.3 3.3.3 沿坝基面抗滑稳定分析沿坝基面

22、抗滑稳定分析很好的岩石，很好的岩石， 好的岩石，好的岩石，中等的岩石，中等的岩石， 较差的岩石较差的岩石 对于大、中型工程，在对于大、中型工程，在设计阶段设计阶段， 应由野外及室内试验成果决定。在应由野外及室内试验成果决定。在规划和可行性研规划和可行性研究阶段究阶段，可以参考规范给定的数值选用。规范规定，可以参考规范给定的数值选用。规范规定如下：如下：3.3.3 3.3.3 沿坝基面抗滑稳定分析沿坝基面抗滑稳定分析注意：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，胶结面的值不值不能高于混凝土的能高于混凝土的；对于对于、类基岩，如果建基面

23、做成较大的起伏差，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可采用混凝土的抗剪断参数。 3.3.4 3.3.4 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，即所部分基岩沿软弱结构面产生滑移，即所谓的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：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，测查明地基中主要缺陷，确定

24、失稳边界，测定抗剪强度参数；定抗剪强度参数；v选择合理的计算方法，并规定相应的安全选择合理的计算方法，并规定相应的安全系数；系数；v选择提高深层稳定性的措施，满足安全系选择提高深层稳定性的措施，满足安全系数。数。 3.3.4 3.3.4 深层抗滑稳定分析深层抗滑稳定分析 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）在深层抗滑稳定分析中，一般根据深层抗滑在深层抗滑稳定分析中，一般根据深层抗滑体的不同，体的不同，分为：分为：3.3.4 3.3.4 深层抗滑稳定分析深层抗滑稳定分析一、单斜面深

25、层抗滑稳定分析：一、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，坝时，坝体与滑裂面上的部分地基可以联合起体与滑裂面上的部分地基可以联合起来视作刚体，用来视作刚体，用抗剪强度公式抗剪强度公式计算安计算安全系数。但是对于要求的安全系数，全系数。但是对于要求的安全系数，尚无明确规定，一般取为尚无明确规定，一般取为3 .105.1sk3.3.4 3.3.4 深层抗滑稳定分析深层抗滑稳定分析 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层滑动面不是一个简单的平面，而是呈复杂的形状，平面，而是呈复杂的形状，譬如两个斜面（譬如两个斜面（如图所如图所示示）

26、，abab是一条缓倾角是一条缓倾角夹层和软弱面，称夹层和软弱面，称为主滑为主滑动面动面，bcbc是另一条是另一条辅助破辅助破裂面裂面，切穿地表。，切穿地表。 bcbc的的位置可根据地基内的反倾位置可根据地基内的反倾向节理拟定，或通过试算向节理拟定，或通过试算选取一条最不利的破裂面。选取一条最不利的破裂面。二、双斜面深层抗滑稳定分析二、双斜面深层抗滑稳定分析3.3.4 3.3.4 深层抗滑稳定分析深层抗滑稳定分析 计算时将滑移体分成两区，在其分界面计算时将滑移体分成两区，在其分界面bdbd上，引入一个需要事先假定与水平面成角上，引入一个需要事先假定与水平面成角的内力的内力r r（抗力）。（抗力）

27、。 分别令分别令区或区或区处于极限平衡状态，区处于极限平衡状态，即可演绎出三种不同的计算方法：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3.3.4 3.3.4 深层抗滑稳定分析深层抗滑稳定分析1.1.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，其沿其沿abab面的抗滑稳定安全系数面的抗滑稳定安全系数为为1 1，则：，则：)cos()sin(sincossincos111111racurpwfwp利用上式求得利用上式求得3.3.4 3.3.4 深层抗滑稳定分析深层抗滑稳定分析 再计算再计算区沿区沿bc面的抗滑稳定安全

28、系面的抗滑稳定安全系数数k2：sin)cos(cos)sin(2222222wracuwrfkk2k2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 k3.3.4 3.3.4 深层抗滑稳定分析深层抗滑稳定分析 与上述方法相反，与上述方法相反，先令先令区处于极限平区处于极限平衡状态衡状态（抗滑稳定安全系数为（抗滑稳定安全系数为1 1），求得抗），求得抗力力r r后，再计算后，再计算区沿区沿abab面的抗滑稳定安全面的抗滑稳定安全系数系数k k1 1，作为整个坝段的抗滑稳定安全系数，作为整个坝段的抗滑稳定安全系数安全系数。安全系数。 这种方法称为：这种方法称为：2.2.被动抗力法被

29、动抗力法: :3.3.4 3.3.4 深层抗滑稳定分析深层抗滑稳定分析 令令区和区和区同时处于极限平衡状态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分别列出两个区的抗滑稳定安全系数k k1 1、k k2 2的计算式，然后的计算式，然后令令k k1 1k k2 2，解出抗力解出抗力r r，再，再将其代回原计算式，即可求出整个滑动体将其代回原计算式，即可求出整个滑动体的的稳定安全系数稳定安全系数。 这样的方法称为：这样的方法称为：3.3.等安全系数法等安全系数法: :3.3.4 3.3.4 深层抗滑稳定分析深层抗滑稳定分析 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

30、剩余推力法、被动抗力法推力法、被动抗力法），由于先令一个），由于先令一个区处于区处于极限平衡状态极限平衡状态，也即相当于这一，也即相当于这一区的区的k k1 1，因而推算出另一区的，因而推算出另一区的k k值要比值要比等安全系数法等安全系数法的大，相比之下，的大，相比之下，等安全等安全系数法系数法更合理。更合理。 4.4.三种方法的比较三种方法的比较: :3.3.4 3.3.4 深层抗滑稳定分析深层抗滑稳定分析 以上分析方法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，等于在地基内增加了一个软弱面，这样必然使抗滑稳定安了一个软弱面，这样必然使抗滑稳

31、定安全系数有所全系数有所降低降低。当岩体比较完整坚固，。当岩体比较完整坚固，或或bdbd面上的抗剪强度足以承担该面上的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剪应力时，则应验算该滑移体的整体抗滑稳定性。滑稳定性。 3.3.4 3.3.4 深层抗滑稳定分析深层抗滑稳定分析5.5.整体深层抗滑稳定整体深层抗滑稳定: : 令令o o点为瞬时滑动中心，受力如图，则所有外荷载对点为瞬时滑动中心，受力如图，则所有外荷载对o o点的力矩点的力矩m m0 0为：为：m m0 0=fd=fd=q=q1 1r r1 1+q+q2 2r r2 2 滑动面上所能提供的最大抗滑力矩滑动面上所能提

32、供的最大抗滑力矩m m1 1与滑动力矩与滑动力矩m m0 0之比，得出整体深层抗滑稳定的安全系数之比，得出整体深层抗滑稳定的安全系数k k：3.3.4 3.3.4 深层抗滑稳定分析深层抗滑稳定分析解决问题的关键在于确定和面上的反力和相应的转动解决问题的关键在于确定和面上的反力和相应的转动中心，反力中心，反力r1、r2及及o1、o2可以通过有限元方法或其可以通过有限元方法或其他方法求解。他方法求解。3.3.5 3.3.5 岸坡坝段抗滑稳定分析岸坡坝段抗滑稳定分析 靠近岸坡的一个坝段设岸坡倾角为靠近岸坡的一个坝段设岸坡倾角为，坝，坝块总重为块总重为w w，坝基面上的扬压力为，坝基面上的扬压力为u

33、u，上游坝面，上游坝面水压力为水压力为p p，坝基面的抗剪强度参数为，坝基面的抗剪强度参数为ff或或ff和和cc，滑动面面积为滑动面面积为a a。将自重分解为对滑动。将自重分解为对滑动面的法向分力面的法向分力n=wcosn=wcos和切向分力和切向分力t=sint=sin，并将切向分力和水压力合成为并将切向分力和水压力合成为s s，则岸坡坝段的，则岸坡坝段的抗滑稳定安全系数为：抗滑稳定安全系数为： 重力坝岸坡坝段的坝基面是一个倾向河床的斜面重力坝岸坡坝段的坝基面是一个倾向河床的斜面或折面。除在水压力作用下有下游滑动趋势。在三向或折面。除在水压力作用下有下游滑动趋势。在三向荷载作用下，岸坡坝段的

34、稳定条件比河床坝段差。荷载作用下，岸坡坝段的稳定条件比河床坝段差。3.3.5 3.3.5 岸坡坝段抗滑稳定分析岸坡坝段抗滑稳定分析3.3.6 3.3.6 提高坝体抗滑稳定的工程措施提高坝体抗滑稳定的工程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；设置齿墙；设置齿墙；增加建筑物重量增加建筑物重量；减少扬压力减少扬压力(如抽水措施如抽水措施)；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。3.3.6 3.3.6 提高坝体抗滑稳定的工程措施提高坝体抗滑稳定的工程措施3.3.6 3.3.6 提

35、高坝体抗滑稳定的工程措施提高坝体抗滑稳定的工程措施3.3.6 3.3.6 提高坝体抗滑稳定的工程措施提高坝体抗滑稳定的工程措施3.3.6 3.3.6 提高坝体抗滑稳定的工程措施提高坝体抗滑稳定的工程措施3.3.7 3.3.7 稳定分析设计理论的历史沿革稳定分析设计理论的历史沿革 重力坝是人类最早使用的一种水坝坝型，重力坝问世重力坝是人类最早使用的一种水坝坝型，重力坝问世3000年之后才出现其他坝型；年之后才出现其他坝型；重力坝从重力坝从5000年前就开始建造，一直使用至今（年前就开始建造，一直使用至今（丹江丹江口、高坝洲、葛洲坝、三峡、向家坝、龙滩等口、高坝洲、葛洲坝、三峡、向家坝、龙滩等）。

36、重）。重力坝仍是当今世界水坝中的主要组成部分；力坝仍是当今世界水坝中的主要组成部分； 早期重力坝凭经验建造，早期重力坝凭经验建造，1919世纪中期法国工程师塞兹世纪中期法国工程师塞兹利提出悬臂梁理论是利提出悬臂梁理论是重力坝设计理论诞生的标志，随重力坝设计理论诞生的标志，随后，德娄克、朗肯、利维等人为重力坝经典设计理论后，德娄克、朗肯、利维等人为重力坝经典设计理论形成作出了突出贡献；形成作出了突出贡献； 从从1616世纪到世纪到1919世纪中期，重力坝断面形状已发展到世纪中期，重力坝断面形状已发展到“块体形块体形”，人们开始注意经济问题，并已认识到坝，人们开始注意经济问题，并已认识到坝体的安全

37、要满足两个外部体的安全要满足两个外部稳定稳定条件（但尚未认识到还条件（但尚未认识到还要满足应力条件），即要满足应力条件），即抗倾稳定抗倾稳定与与抗滑稳定抗滑稳定（提出摩（提出摩擦公式）；擦公式）；3.3.7 3.3.7 稳定分析设计理论的历史沿革稳定分析设计理论的历史沿革1919世纪中叶后，随着应力条件的引入坝工设计，促进世纪中叶后，随着应力条件的引入坝工设计，促进了坝体稳定分析的发展，朗肯在了坝体稳定分析的发展，朗肯在1919世纪世纪世纪世纪8080年代提年代提出无拉应力准则后，出无拉应力准则后，抗倾问题抗倾问题实际上已不对坝体断面实际上已不对坝体断面设计起控制作用，人们实际关心的是设计起控

38、制作用，人们实际关心的是抗滑稳定抗滑稳定问题；问题；抗滑稳定抗滑稳定抗滑稳定抗滑稳定问题实际上是一个抗剪强度问题问题实际上是一个抗剪强度问题（抗剪强度概念（抗剪强度概念17731773年由库仑与莫尔提出，年由库仑与莫尔提出，18871887年克年克拉夫拉德提出了阻止剪切破坏的力包括剪切破坏面上拉夫拉德提出了阻止剪切破坏的力包括剪切破坏面上的的摩擦力摩擦力与与抗剪力抗剪力）；）；20世纪初，凯恩首次提出，重力坝抗滑稳定计算应计世纪初，凯恩首次提出，重力坝抗滑稳定计算应计入入摩擦力摩擦力与与抗剪力抗剪力，但当时认为，但当时认为抗剪力抗剪力不可靠，且难不可靠，且难以精确确定，仅将以精确确定，仅将抗剪

39、力抗剪力作为安全储备加以忽略，抗作为安全储备加以忽略，抗滑稳定计算仍应用滑稳定计算仍应用摩擦公式摩擦公式，这一公式实际提供了大，这一公式实际提供了大于于2 2的安全系数，至今仍被广泛采用；的安全系数，至今仍被广泛采用；3.3.7 3.3.7 稳定分析设计理论的历史沿革稳定分析设计理论的历史沿革随着重力坝坝高的不断增加，对高坝而言，随着重力坝坝高的不断增加，对高坝而言，抗剪力抗剪力在在阻滑力阻滑力中所占的比重相对减小，应用中所占的比重相对减小，应用摩擦公式摩擦公式时的安时的安全储备也相对减小，须用考虑全储备也相对减小，须用考虑抗剪力抗剪力在内的公式进行在内的公式进行计算，最早出现的公式便是计算，

40、最早出现的公式便是剪摩公式（剪摩公式（安全储备不复安全储备不复存在存在）：）：kfsrsauwfp系数；额定剪摩抗滑稳定安全接触面上的扬压力；接触面上的铅直力；滑动力）；接触面上的水平推力（摩擦系数；最大剪应力之比；滑动面上平均剪应力与滑动面面积；材料的纯剪强度；kfsuwpfras3.3.7 3.3.7 稳定分析设计理论的历史沿革稳定分析设计理论的历史沿革 上个世纪上个世纪5050年代，前苏联学者对剪摩公式进行了改进，年代，前苏联学者对剪摩公式进行了改进，应用抗剪断试验关系曲线的成果（应用抗剪断试验关系曲线的成果（=f=f+c+c），），提提出了出了抗剪断公式抗剪断公式（安全储备不复存在安全

41、储备不复存在）：）：与剪摩公式相比，抗剪断公式用抗剪断摩擦系数代替了与剪摩公式相比，抗剪断公式用抗剪断摩擦系数代替了摩擦系数，用抗剪断凝聚力代替了纯剪强度，克服了剪摩擦系数，用抗剪断凝聚力代替了纯剪强度，克服了剪摩公式的缺点。摩公式的缺点。抗剪断公式的关键：抗剪断公式的关键：ff、 cc、k k 的选取。的选取。3.3.7 3.3.7 稳定分析设计理论的历史沿革稳定分析设计理论的历史沿革 稳定计算公式以经验为基础，从安全系数的大小无稳定计算公式以经验为基础，从安全系数的大小无法判断大坝真实的稳定安全度；法判断大坝真实的稳定安全度； 不同国家对于抗剪断强度参数与安全系数的取值各不不同国家对于抗剪

42、断强度参数与安全系数的取值各不相同，甚至同一国家在不同时期的的取值也不相同。相同，甚至同一国家在不同时期的的取值也不相同。 ff取值较固定，取值较固定， c取值变化较大，因此，抗剪断公取值变化较大，因此，抗剪断公式也表达成：式也表达成：pkacpkuwfk210这种提法虽更加合理，部分体现了分项系数的思想，但这种提法虽更加合理，部分体现了分项系数的思想，但由于种种原因并未在实践中得到应用。由于种种原因并未在实践中得到应用。3.3.7 3.3.7 稳定分析设计理论的历史沿革稳定分析设计理论的历史沿革 探讨：探讨：一般认为抗剪断公式优于抗剪强度公式（摩擦公一般认为抗剪断公式优于抗剪强度公式（摩擦公

43、式），但应注意到这样的事实：式），但应注意到这样的事实： 不计凝聚力的残余强度包络线的倾角不计凝聚力的残余强度包络线的倾角r r （f=tan r r ）具有较好的稳定性；具有较好的稳定性； 大坝在长期运行后（大坝在长期运行后（100年以上），凝聚力可能因地基稳年以上），凝聚力可能因地基稳定性的破坏而丧失；定性的破坏而丧失； 从这个角度看，着眼于从这个角度看，着眼于长期稳定性，抗剪强度公式（摩长期稳定性，抗剪强度公式（摩擦公式擦公式）能否认为优于）能否认为优于抗剪断公式抗剪断公式？3.3.7 3.3.7 稳定分析设计理论的历史沿革稳定分析设计理论的历史沿革前苏联的谢尔康诺夫建议：前苏联的谢尔康

44、诺夫建议： kks24312 4 . 12 . 1439 . 02121kkkksmpas，建议的安全系数，值的可信度不同而采用与因考虑、允许抗剪强度；滑动面上的正应力；岩基间，建议采用纯剪强度，对混凝土与如果计算所得的计算截面各点剪应力如果计算所得的计算截面各点剪应力未超过未超过按上式计按上式计算所得的算所得的 值，则认为不会发生滑动破坏。因此，这值，则认为不会发生滑动破坏。因此，这一公式理解为一公式理解为点抗剪强度点抗剪强度公式。公式。3.3.8 3.3.8 坝基抗滑稳定分析的发展坝基抗滑稳定分析的发展刚体极限平衡方法适用于完全由剪切滑动引起的失稳刚体极限平衡方法适用于完全由剪切滑动引起的

45、失稳问题分析，当滑动失稳是由强度不足而被压碎或拉裂问题分析，当滑动失稳是由强度不足而被压碎或拉裂引起时，需引进非线性有限元分析方法考虑变形与滑引起时，需引进非线性有限元分析方法考虑变形与滑动的耦合作用；动的耦合作用；重力坝的抗滑稳定是保证大坝安全的一个重要条件，重力坝的抗滑稳定是保证大坝安全的一个重要条件，容易成为大坝安全的控制性因素；容易成为大坝安全的控制性因素；极限平衡法核算抗滑稳定时不能给出地基内及滑动面极限平衡法核算抗滑稳定时不能给出地基内及滑动面的应力与位移分布，求解时引入诸多假定，对于某些的应力与位移分布，求解时引入诸多假定，对于某些具有特殊地质条件的复杂工程，可能因为忽略了某些具

46、有特殊地质条件的复杂工程，可能因为忽略了某些控制性因素而得出不符合实际的结果，这种情况下，控制性因素而得出不符合实际的结果，这种情况下，需要引入非线性有限元分析方法；需要引入非线性有限元分析方法； 3.3.8 3.3.8 坝基抗滑稳定分析的发展坝基抗滑稳定分析的发展重力坝抗滑稳定分析的的历史与现状表明：重力坝抗滑稳定分析的的历史与现状表明：以经验为基础以经验为基础、计算计算方法可靠方法可靠、理论研究不透理论研究不透；滑动破坏沿人们事先确定的方向进行；滑动破坏沿人们事先确定的方向进行, ,计算方法依据刚体极限平衡方法计算方法依据刚体极限平衡方法; ;进一步努力的方向：进一步努力的方向：可靠度理可

47、靠度理论的研究与应用论的研究与应用、破坏机理的研究破坏机理的研究、断裂力学理论的研究与应用断裂力学理论的研究与应用。 可靠度理论的研究与应用可靠度理论的研究与应用: :基于随机变量的统计与分析，用结构基于随机变量的统计与分析，用结构的失效概率或可靠度来度量坝体的抗滑稳定安全度，使得抗滑稳的失效概率或可靠度来度量坝体的抗滑稳定安全度，使得抗滑稳定计算具有明确的综合安全度的概念。定计算具有明确的综合安全度的概念。 破坏机理的研究破坏机理的研究: :应用数值与模型试验的方法应用数值与模型试验的方法, ,通过研究大坝与地通过研究大坝与地基的应力与变形发展过程，研究其破坏失稳发展的全过程，进一基的应力与

48、变形发展过程，研究其破坏失稳发展的全过程，进一步揭示其破坏失稳的实质。步揭示其破坏失稳的实质。 断裂力学理论的研究与应用断裂力学理论的研究与应用: :以大坝及地基中存在薄弱面或微裂以大坝及地基中存在薄弱面或微裂缝为研究对象研究其扩展、连通以至导致大坝失稳的过程。缝为研究对象研究其扩展、连通以至导致大坝失稳的过程。3.3.9 3.3.9 现行规范中有关坝基抗滑稳定的现行规范中有关坝基抗滑稳定的有关规定与讨论有关规定与讨论 新发布的电力行业标准新发布的电力行业标准dl5108-1999dl5108-1999混凝土重力坝设混凝土重力坝设计规范计规范于于20002000年年7 7月起开始实施，它是按国

49、家标准月起开始实施，它是按国家标准gb50199-94gb50199-94水利水电工程结构可靠度设计统一标准水利水电工程结构可靠度设计统一标准规定的原则进行全面编制修订的。与原设计规范相比，规定的原则进行全面编制修订的。与原设计规范相比，用概率极限状态设计法代替了定值设计法，用分项系用概率极限状态设计法代替了定值设计法，用分项系数极限状态表达式代替单一安全系数表达式。即以结数极限状态表达式代替单一安全系数表达式。即以结构重要性系数构重要性系数、设计状况系数、设计状况系数、作用分项系数、作用分项系数 、材料性能分项系数、材料性能分项系数和结构系数和结构系数来代替设计来代替设计的安全系数的安全系数

50、。3.3.9 3.3.9 现行规范中有关坝基抗滑稳定的现行规范中有关坝基抗滑稳定的有关规定与讨论有关规定与讨论规范规范dl5108-1999dl5108-1999规定对承载能力验算表达式为：规定对承载能力验算表达式为：),(1),(10kmkdkkqkgfrqgsg g永久作用分项系数；永久作用分项系数； g g结构重要性系数结构重要性系数; ;q q可变作用分项系数；可变作用分项系数； 设计状况系数设计状况系数; g gk k永久作用标准值；永久作用标准值； q qk k可变作用标准值；可变作用标准值； k k几何参数标准值；几何参数标准值； f fk k材料性能标准值；材料性能标准值； m

51、 m材料性能分项系数；材料性能分项系数； d1d1基本组合结构系数。基本组合结构系数。3.3.9 3.3.9 现行规范中有关坝基抗滑稳定的现行规范中有关坝基抗滑稳定的有关规定与讨论有关规定与讨论 s()为作用效应函数，此处取s()pr为作用于滑动面之上的全部切向（包括滑动面之上的岩体）作用之和； r()为抗力函数，此处取r()frwr + cr ar（wr滑动面上全部法向作用之和,fr坝基面抗剪断摩擦系数，cr坝基面抗剪断黏聚力）； 3.3.9 3.3.9 现行规范中有关坝基抗滑稳定的现行规范中有关坝基抗滑稳定的有关规定与讨论有关规定与讨论问题问题：上式只有在静定和线性条件下才能总结出来，当问题上式只有在静定和线性条件下才能总结出来，当问题是静不定和非线性时，上式各项作用无法截然分开；是静不定和非线性时，上式各项作用无法截然分开； 包括在作用与抗力函数中的各力均为向量，无法直接包括在作用与抗力函数中的各力均为向量，无法直接比较大小，向某方向投影后方可比较大小，如何确定比较大小，向某方向投影后方可比较大小，如何确定投影方向？投影方向？ mohr-cloumn强度准则只有在上式是等式时才成立，强度准则只有在上式是等式时才成立，不等式时，滑动面上法向应力与剪应力的关系是不清不等式时，滑动面上法向应力与剪应力的关系是不清楚的，上式推导