第三章 岩基上重力坝

1、重庆交通大学河海学院重庆交通大学河海学院第三章第三章 岩基上的重力坝岩基上的重力坝3.1 概述概述一、重力坝的工作原理及特点1.1.工作原理工作原理主要依靠坝体自重产生的抗滑力主要依靠坝体自重产生的抗滑力 满足稳定要求。满足稳定要求。依靠坝体自重产生的压应力来抵依靠坝体自重产生的压应力来抵 消水压力产生的拉应力。消水压力产生的拉应力。2.2.基本剖面基本剖面：三角形三角形3.3.材料材料：混凝土、浆砌石混凝土、浆砌石4.4.布置：布置：直线、折线、拱形、分段直线、折线、拱形、分段5 5、结构型式：、结构型式：类似于以地基为固端的类似于以地基为固端的悬臂梁悬臂梁，因为重力坝常，因为重力坝常沿坝轴

2、线用横缝分成独立工作的若干坝段。沿坝轴线用横缝分成独立工作的若干坝段。3.1 概述概述四川大渡河上龚嘴水电站四川大渡河上龚嘴水电站3.1 概述概述6.6.重力坝的分类重力坝的分类按结构形式分类：实体重力坝、宽缝重力坝、空腹重力坝按结构形式分类：实体重力坝、宽缝重力坝、空腹重力坝按是否溢流分类：溢流重力坝、非溢流重力坝按是否溢流分类：溢流重力坝、非溢流重力坝按筑坝材料分类：混凝土重力坝、浆砌石重力坝按筑坝材料分类：混凝土重力坝、浆砌石重力坝按施工方法：浇筑（常态砼重力坝）、碾压（碾压砼重力坝）按施工方法：浇筑（常态砼重力坝）、碾压（碾压砼重力坝）按坝高分类：高坝（大于按坝高分类：高坝（大于70m

3、70m）、中坝（）、中坝（30-70m30-70m）、低坝（低于）、低坝（低于30m30m）3.1 概述概述新安江大坝新安江大坝3.1 概述概述三三 门门 峡峡 大大 坝坝3.1 概述概述丹江口大坝丹江口大坝3.1 概述概述三峡大坝三峡大坝大朝山水电站（澜沧江，大朝山水电站（澜沧江，115m115m）遵义乌江渡水电站拱型重力坝遵义乌江渡水电站拱型重力坝3.1 概述概述7.重力坝的优点重力坝的优点v对地形对地形(Topography)(Topography)、地质、地质(Geology)(Geology)条件的适条件的适应性强应性强。沙砾石地基上也能够修建高度不大的重。沙砾石地基上也能够修建高度

4、不大的重力坝。对地基的要求比拱坝低，但比土石坝高。力坝。对地基的要求比拱坝低，但比土石坝高。v枢纽泄洪枢纽泄洪(flood-releasing)(flood-releasing)问题容易解决。问题容易解决。重力重力坝可以做成溢流坝，坝内不同高度可设泄水孔，坝可以做成溢流坝，坝内不同高度可设泄水孔，不需另设溢洪道或泄水隧洞，布置紧凑。不需另设溢洪道或泄水隧洞，布置紧凑。v便于施工导流便于施工导流(construction diversion). (construction diversion). 在施工期可以利用坝体导流，不需另设导流洞在施工期可以利用坝体导流，不需另设导流洞。3.1 概述概述v

5、 安全可靠安全可靠: :剖面大且应力低，筑坝材料强度高、耐久性好，剖面大且应力低，筑坝材料强度高、耐久性好，抵抗洪水漫顶、渗漏、地震和战争破坏的能力都比较强。抵抗洪水漫顶、渗漏、地震和战争破坏的能力都比较强。根据统计，在各种坝型中，重力坝的失事率是较低的。根据统计，在各种坝型中，重力坝的失事率是较低的。v 施工方便施工方便: :大体积混凝土，可采用机械化施工，放样、立模、大体积混凝土，可采用机械化施工，放样、立模、浇筑都比较方便，补强、维护和扩建也比较方便浇筑都比较方便，补强、维护和扩建也比较方便. .v结构作用明确结构作用明确: :重力坝沿坝轴线重力坝沿坝轴线 用横缝分成若干坝段，各坝段独用

6、横缝分成若干坝段，各坝段独 立工作，结构作用明确，稳定和立工作，结构作用明确，稳定和 应力计算都比较简单。应力计算都比较简单。v可采用块石筑坝可采用块石筑坝: :用浆砌石本身用浆砌石本身 做材料筑坝，也可在混凝土加做材料筑坝，也可在混凝土加 入块石，以节省水泥。入块石，以节省水泥。3.1 概述概述8.8.v剖面尺寸大，材料用量多剖面尺寸大，材料用量多。因为稳定靠重力。因为稳定靠重力。v中低型重力坝的应力较低，中低型重力坝的应力较低，混凝土材料的强度不混凝土材料的强度不能充分发挥。能充分发挥。v坝体与地基的接触面大，扬压力大，对稳定不利。坝体与地基的接触面大，扬压力大，对稳定不利。v坝体体积大，

7、温度应力严重，需采取温控措施。坝体体积大，温度应力严重，需采取温控措施。3.1 概述概述剖面设计：可参照已建工程。剖面设计：可参照已建工程。稳定分析：分析沿稳定分析：分析沿地基面地基面和和地基内软弱面地基内软弱面的抗滑稳定安全度。的抗滑稳定安全度。应力分析：分析坝体应力是否满足材料强度要求。应力分析：分析坝体应力是否满足材料强度要求。构造设计：坝体细部设计，如廊道系统、防渗系统、排水系统。构造设计：坝体细部设计，如廊道系统、防渗系统、排水系统。地基处理：地基防渗、排水、覆盖层、断层及软弱夹层的处理。地基处理：地基防渗、排水、覆盖层、断层及软弱夹层的处理。泄洪设计：泄洪方式、能力及消能措施等设计

8、。泄洪设计：泄洪方式、能力及消能措施等设计。监测设计：埋设观测探头等。监测设计：埋设观测探头等。三、重力坝的设计内容三、重力坝的设计内容三、重力坝的建设情况三、重力坝的建设情况1919世纪以前采用世纪以前采用浆砌石浆砌石，1919世纪后期才开始采用世纪后期才开始采用砼砼。2020世纪以前采用世纪以前采用材料力学材料力学和和弹性力学弹性力学理论和方法。理论和方法。1919世纪末期才考虑世纪末期才考虑扬压力扬压力的影响，采用排水、防渗措施。的影响，采用排水、防渗措施。2020世纪采用开始设世纪采用开始设横、纵缝横、纵缝，采用，采用施工温度控制施工温度控制。2020世纪世纪6060年代才逐步形成现代

9、筑坝技术。年代才逐步形成现代筑坝技术。3.1 概述概述历史上最早的挡水坝：历史上最早的挡水坝：公元前公元前29002900年古埃及在尼罗河年古埃及在尼罗河上造的高上造的高15m15m、顶长、顶长240240的挡水坝，靠自重维持稳定。的挡水坝，靠自重维持稳定。3.1 概述概述v 20世纪重力坝的发展世纪重力坝的发展n进入进入2020世纪后，筑坝材料由浆砌毛石、块石发展到世纪后，筑坝材料由浆砌毛石、块石发展到混凝土混凝土; ;n19621962年瑞士建成了世界上最高的大狄克桑斯重力坝，年瑞士建成了世界上最高的大狄克桑斯重力坝，坝高达坝高达285m285m。n2020世纪世纪6060年代开始，由于土

10、石坝建设的迅速发展，年代开始，由于土石坝建设的迅速发展，使重力坝在坝工建设中所占的比重有所下降。使重力坝在坝工建设中所占的比重有所下降。n入入2020世纪世纪8080年代，碾压混凝土技术开始运用于重力年代，碾压混凝土技术开始运用于重力坝建设，使重力坝所占比重又有所回升。坝建设，使重力坝所占比重又有所回升。3.1 概述概述v我国重力坝的发展我国重力坝的发展n从从1949194919851985年，在已建成的坝高年，在已建成的坝高30m30m以上的以上的113113座混座混凝土坝中，重力坝达凝土坝中，重力坝达5858座，占总数的座，占总数的5151。n5050年代年代: : 新安江新安江 、古田一

11、级、古田一级n6060年代年代: : 丹江口、丹江口、 刘家峡、三门峡刘家峡、三门峡n7070年代年代: : 黄龙滩、龚嘴重力坝黄龙滩、龚嘴重力坝n8080年代年代: : 乌江渡、潘家口乌江渡、潘家口n9090年代年代: : 万家寨、三峡万家寨、三峡n目前我国在建或拟建的重力坝：目前我国在建或拟建的重力坝：龙滩重力坝龙滩重力坝(216m)(216m)、向家坝重力坝（向家坝重力坝（161m161m）、大岗山重力坝（）、大岗山重力坝（175m175m）、金）、金安桥重力坝（安桥重力坝（156m156m）等）等。l 世界上最高的混凝土重力坝：20世纪90年代修建的、位于瑞士的大狄克逊坝，285m。l

12、 我国最高的实体重力坝：位于湖北省长江的三峡大坝，181m。l 最高的碾压混凝土重力坝：位于广西红水河的龙滩碾压混凝土重力坝，一期192m，最终220m。l 国内坝高100m以上的典型混凝土重力坝：见左表。国内外著名的重力坝3.2 重力坝的荷载及其组合重力坝的荷载及其组合一、作用与载荷一、作用与载荷v作用：作用：指外界环境对水工建筑物的影响。指外界环境对水工建筑物的影响。v荷载：荷载：在结构分析时，如果开始即可用一个明确的外力在结构分析时，如果开始即可用一个明确的外力 来代表外界环境的影响，此作用（外力）称为荷载。来代表外界环境的影响，此作用（外力）称为荷载。v作用的分类作用的分类永久作用：如

13、自重，土压力永久作用：如自重，土压力可变作用：如水荷载、可变作用：如水荷载、温度作用温度作用偶然作用：如偶然作用：如地震作用地震作用、校核洪水、校核洪水3.2 重力坝的荷载及其组合重力坝的荷载及其组合v重力坝的荷载组成重力坝的荷载组成自重：包括固定设备自重：包括固定设备水压力：包括动水和静水压力水压力：包括动水和静水压力扬压力扬压力浪压力浪压力泥沙压力泥沙压力冰压力冰压力土压力土压力地震作用地震作用温度作用温度作用风作用风作用（一）自重（一）自重v 根据大坝的体积和材料容重计算根据大坝的体积和材料容重计算v 坝内较大的孔洞体积应扣除坝内较大的孔洞体积应扣除v 坝上的永久固定设备重量应计入坝上的

14、永久固定设备重量应计入v 沿坝基面滑动，仅计算坝体重量；沿深层滑动，需计入滑沿坝基面滑动，仅计算坝体重量；沿深层滑动，需计入滑体内岩体重；用有限元法计算时，应计入地基初始应力的体内岩体重；用有限元法计算时，应计入地基初始应力的影响。影响。v 常用材料的容重常用材料的容重n混凝土：混凝土：n浆砌石：浆砌石：n浆砌条石：浆砌条石：3.2 重力坝的荷载及其组合重力坝的荷载及其组合324/kN m321 23/kN m323 25/kN m3.2 重力坝的荷载及其组合重力坝的荷载及其组合212xPH（二）静水压力（二）静水压力zPV（V V：压力体的体积）：压力体的体积）3.2 重力坝的荷载及其组合重

15、力坝的荷载及其组合v溢流堰溢流堰abab段、段、bcbc段水压力也段水压力也很小，都可以忽略不计，很小，都可以忽略不计，只计只计算反弧段算反弧段cdcd上的动水压力。上的动水压力。 根据动量方程，可得根据动量方程，可得单单宽宽反弧段上的动水压力反弧段上的动水压力分量为：分量为：2121coscossinsinHVqPvgqPvg（三）动水压力（三）动水压力3.2 重力坝的荷载及其组合重力坝的荷载及其组合（四）扬压力（四）扬压力v扬压力：上浮力扬压力：上浮力+渗流压力渗流压力有防渗排水时坝基面的扬压力分布有防渗排水时坝基面的扬压力分布0.20.353.2 重力坝的荷载及其组合重力坝的荷载及其组合

16、30.150.2排水管幕处的排水管幕处的折减系数为：折减系数为：v坝体内扬压力坝体内扬压力坝体混凝土具有坝体混凝土具有一定的渗透性，特一定的渗透性，特别是施工缝结合不别是施工缝结合不好时。好时。334HH 防渗层，防渗层，3-5m3-5m排水管排水管减小扬压力的措施：减小扬压力的措施： 设帷幕、设排水设帷幕、设排水3.2 重力坝的荷载及其组合重力坝的荷载及其组合设有抽排设施的实体重力坝设有抽排设施的实体重力坝坝底扬压力分布图坝底扬压力分布图1：扬压力折减系数：扬压力折减系数2：残余扬压力折减系数：残余扬压力折减系数3.23.2 重力坝的荷载及其组合重力坝的荷载及其组合（五）波浪压力（五）波浪压

17、力v官厅水库公式（峡谷水库）官厅水库公式（峡谷水库） 5 41 300.8200.016610.42:V :lllzhVDLhhHhcthLLDH吹程（风区长度）坝前水深计算风速v波浪三要素波浪三要素3.23.2 重力坝的荷载及其组合重力坝的荷载及其组合v官厅水库公式的适用条件官厅水库公式的适用条件020/20Vm sDkm且的山区峡谷水库v波高波高 的计算：的计算：lh5%2010%2020 2505250 1000gDhVgDhV当时，取累计频率为 的波高当时，取累计频率为10的波高3.23.2 重力坝的荷载及其组合重力坝的荷载及其组合v波的分类波的分类n深水波：深水波：n浅水波：浅水波：

18、n破碎波：破碎波：v浪压力计算浪压力计算n深水波：深水波：n浅水波：浅水波：2HL02LHH0HH1%4LzLPhh1%1%22secLzlslslsPhhHpHpHphhL3.23.2 重力坝的荷载及其组合重力坝的荷载及其组合（六）土压力及泥沙压力（六）土压力及泥沙压力v 土压力：主动、被动、静止土压力土压力：主动、被动、静止土压力v 泥沙压力泥沙压力（七）冰压力和冰冻作用（七）冰压力和冰冻作用v 静冰压力、动冰压力、冰冻作用静冰压力、动冰压力、冰冻作用220sbs3kN/mkN14522:m/msssbsssPh tgPh水平泥沙压力坝面单位宽度上的:淤沙的泥沙淤，浮积厚度，：淤沙的容重，

19、内摩擦角3.23.2 重力坝的荷载及其组合重力坝的荷载及其组合（八）温度作用（八）温度作用v 温度应力：混凝土温度变化会产生膨胀或收缩，当变形受温度应力：混凝土温度变化会产生膨胀或收缩，当变形受到约束时，产生温度应力。到约束时，产生温度应力。v 温度作用效应：温度作用效应：结构由于温度作用而产生的应力、位移、结构由于温度作用而产生的应力、位移、变形等。变形等。v 热量来源：气温、日照、水温、水泥水化热。热量来源：气温、日照、水温、水泥水化热。v 对重力坝施工期进行适当温控，运用期设置永久性横缝，对重力坝施工期进行适当温控，运用期设置永久性横缝，则则温度荷载不列为主要荷载温度荷载不列为主要荷载。

20、（十）地震作用（十）地震作用v 地震惯性力地震惯性力n甲等设防，采用动力法甲等设防，采用动力法n乙、丙等设防，采用动力法或拟静力法乙、丙等设防，采用动力法或拟静力法n设计烈度小于设计烈度小于8 8度，且坝高度，且坝高70m70m，采用静力法，采用静力法n对于设计烈度为对于设计烈度为8 8、9 9度的度的1 1、2 2级建筑物，需同时计入水级建筑物，需同时计入水平、竖向地震作用平、竖向地震作用3.23.2 重力坝的荷载及其组合重力坝的荷载及其组合ihEiiFGg 水平向地震惯水平向地震惯性力代表值性力代表值水平向设计地震水平向设计地震加速度代表值加速度代表值地震作用效应折地震作用效应折减系数，取

21、减系数，取0.25集中在质点集中在质点i的重的重力作用标准值力作用标准值质点质点i的动的动态分布系数态分布系数v竖向地震惯性力计算同水平地震惯性力，约为水平向的三分之二竖向地震惯性力计算同水平地震惯性力，约为水平向的三分之二v同时计入水平、竖向地震惯性力时，竖向地震惯性力应乘以遇合同时计入水平、竖向地震惯性力时，竖向地震惯性力应乘以遇合系数系数0.50.5v地震动水压力地震动水压力n重力坝铅直面上沿高度分布的地震动水压强：重力坝铅直面上沿高度分布的地震动水压强：n单位宽度上的总地震动水压力单位宽度上的总地震动水压力作用点位于水面以下作用点位于水面以下0.54H0.54H1 1坝面倾斜的情况坝面

22、倾斜的情况作用方向：垂直于坝面、上下游作用方向一致作用方向：垂直于坝面、上下游作用方向一致v地震动土压力地震动土压力3.23.2 重力坝的荷载及其组合重力坝的荷载及其组合 1whwpyyH 分布系数分布系数坝前水深坝前水深2010.65hwFH 二、荷载组合二、荷载组合荷载性质分类荷载性质分类v基本荷载基本荷载自重自重( (坝体及固定设备坝体及固定设备) )正常蓄水位或设计洪水位时的静水压力正常蓄水位或设计洪水位时的静水压力正常蓄水位或设计洪水位时的扬压力正常蓄水位或设计洪水位时的扬压力泥沙压力泥沙压力 正常蓄水位或设计洪水位时的浪压力正常蓄水位或设计洪水位时的浪压力冰压力冰压力 土压力土压力

23、设计洪水位时的动水压力设计洪水位时的动水压力其他出现机会较多的荷载其他出现机会较多的荷载3.2 重力坝的荷载及其组合重力坝的荷载及其组合3.2 重力坝的荷载及其组合重力坝的荷载及其组合v特殊荷载特殊荷载校核洪水位时的静水压力校核洪水位时的静水压力 校核洪水位时的扬压力校核洪水位时的扬压力校核洪水位时的浪压力校核洪水位时的浪压力 校核洪水位时的动水压力校核洪水位时的动水压力地震荷载地震荷载 其他出现机会很少的荷载其他出现机会很少的荷载荷载组合荷载组合v基本组合：基本组合：正常或设计状况正常或设计状况同时出现的同时出现的基本荷载的组合基本荷载的组合v特殊组合：特殊组合：校核或非常状况校核或非常状况

24、同时出现的同时出现的基本荷载基本荷载再再加上加上 一种或几种一种或几种特殊荷载的组合特殊荷载的组合v混凝土重力坝设计规范混凝土重力坝设计规范（水口规范）规定的组合情（水口规范）规定的组合情况见表况见表3-3。3.2 重力坝的荷载及其组合重力坝的荷载及其组合v作用在坝体上的荷载，除自重外，有一定的变化范围作用在坝体上的荷载，除自重外，有一定的变化范围v应根据不同载荷出现的机率，组合成不同的设计情况，应根据不同载荷出现的机率，组合成不同的设计情况，然后用不同的安全系数进行核算，以妥善解决安全和经然后用不同的安全系数进行核算，以妥善解决安全和经济的矛盾。济的矛盾。3.3 重力坝的抗滑稳定分析重力坝的

25、抗滑稳定分析v重力坝失稳破坏的类型（重力坝失稳破坏的类型（示意图）沿抗剪能力不足的沿抗剪能力不足的薄弱层面滑动（滑移破坏，薄弱层面滑动（滑移破坏，刚体极限平衡法）刚体极限平衡法）l沿建基面滑动沿建基面滑动l深层滑动深层滑动坝踵坝踵及以下岩体及以下岩体受拉开裂受拉开裂、坝趾受压破碎坝趾受压破碎产生产生的的倾倒滑移倾倒滑移破坏（强度不足破坏，有限元法）破坏（强度不足破坏，有限元法）v重力坝稳定分析目的及意义v重力坝稳定分析的计算方法v沿建基面的抗滑稳定分析v坝基深层抗滑稳定分析v提高抗滑稳定性的工程措施3.3 重力坝的抗滑稳定分析重力坝的抗滑稳定分析抗滑稳定分析是重力坝设计中的一项重要内容。抗滑稳

26、定分析是重力坝设计中的一项重要内容。v 目的：核算重力坝在各种可能荷载组合下的稳定目的：核算重力坝在各种可能荷载组合下的稳定安全度。安全度。v 建筑物设计基本原则：安全性与经济性。建筑物设计基本原则：安全性与经济性。v 重力坝设计基本原则：重力坝设计基本原则：v 保持稳定保持稳定( (抗滑稳定抗滑稳定) )v 应力不超过材料强度（主要是应力不超过材料强度（主要是坝体不出现拉应力坝体不出现拉应力） 剖面最小剖面最小3.3 重力坝的抗滑稳定分析重力坝的抗滑稳定分析v沿坝基面滑动失稳过程：沿坝基面滑动失稳过程：坝踵坝踵胶结面出现微裂松弛区胶结面出现微裂松弛区坝趾坝趾胶结面出现局部剪切屈胶结面出现局部

27、剪切屈服服屈服范围向上游延伸屈服范围向上游延伸整体滑动失稳整体滑动失稳v抗滑稳定分析内容抗滑稳定分析内容验算坝体沿验算坝体沿坝基面坝基面的抗的抗滑稳定安全度滑稳定安全度验算整体沿验算整体沿深层软弱结深层软弱结构面构面抗滑稳定的安全度抗滑稳定的安全度坝基面坝基面软弱面软弱面3.3 重力坝的抗滑稳定分析重力坝的抗滑稳定分析l 重力坝稳定分析的计算方法重力坝稳定分析的计算方法（1 1）刚体极限平衡法）刚体极限平衡法规范使用，重点讲解。规范使用，重点讲解。 刚体极限平衡法刚体极限平衡法就是坝体、岩体或大坝与坝体组成的滑裂体看成就是坝体、岩体或大坝与坝体组成的滑裂体看成刚体，不考虑滑裂体本身和滑裂体之间

28、变形的影响，也不考虑滑裂面刚体，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力分布情况，仅考虑滑裂面上的合力（正压力、重力），而忽略上应力分布情况，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。力矩的作用效应。（2 2）数值方法）数值方法有限元法、块体元法、流形元法等有限元法、块体元法、流形元法等 （该方法还没有设计控制标准）（该方法还没有设计控制标准）（3 3）模型试验法）模型试验法计算时：计算方法参数标准计算时：计算方法参数标准要配套要配套3.3 重力坝的抗滑稳定分析重力坝的抗滑稳定分析v 目前在进行抗滑稳定分析时，设计部门使用的规范主要是：目前在进行抗滑稳定分

29、析时，设计部门使用的规范主要是： SL319SL31920052005混凝土重力坝设计规范混凝土重力坝设计规范（安全系数法（安全系数法 ） DL5108DL51081999 1999 混凝土重力坝设计规范混凝土重力坝设计规范（分项系数极限状况法（分项系数极限状况法 ）v 抗滑稳定问题分类抗滑稳定问题分类: : 按平面问题分析按平面问题分析各坝段独立受力各坝段独立受力，河床坝段一般作为平面问题处，河床坝段一般作为平面问题处理。理。 按按空间问题分析空间问题分析当河床坝段当河床坝段坝基内断层多条相互切割交错构成空坝基内断层多条相互切割交错构成空间滑动体间滑动体时；地形陡峻的岸坡坝段时；地形陡峻的岸

30、坡坝段。3.3 重力坝的抗滑稳定分析重力坝的抗滑稳定分析一、沿坝基面抗滑稳定分析一、沿坝基面抗滑稳定分析1 1 抗剪强度公式抗剪强度公式( (只接触，不胶结只接触，不胶结) )接触面水平时：接触面水平时：v抗剪强度公式和抗剪断公式抗剪强度公式和抗剪断公式接触面倾斜时：接触面倾斜时：sfWUKPsincossincosWPPUWfKsf 的取值对工程量的影响很大。新安的取值对工程量的影响很大。新安江江f 减少减少0.010.01，砼增加，砼增加2 2万方。万方。3.3 重力坝的抗滑稳定分析重力坝的抗滑稳定分析2 2 抗剪断公式抗剪断公式PAcUWfKs3 3 参数选取参数选取：参照表：参照表3-

31、53-54 4 安全系数的选取：安全系数的选取：参照参照表表3-43-43.3 重力坝的抗滑稳定分析重力坝的抗滑稳定分析抗剪断强度抗剪断强度：是指在任一法向应力下，横切结构面剪切破坏：是指在任一法向应力下，横切结构面剪切破坏时岩体能抵抗的最大剪应力；时岩体能抵抗的最大剪应力；抗剪强度抗剪强度：是指在任一法向应力下，岩体沿已有破裂面剪切：是指在任一法向应力下，岩体沿已有破裂面剪切破坏时的最大应力。破坏时的最大应力。3.3 重力坝的抗滑稳定分析重力坝的抗滑稳定分析v例题：例题：某重力坝基本剖面尺寸如图。某重力坝基本剖面尺寸如图。其余参数如下：其余参数如下：混凝土容重：混凝土容重： 抗剪断强度参数：

32、抗剪断强度参数：最小稳定安全系数：最小稳定安全系数：请按请按抗剪断公式抗剪断公式验算设计洪水情验算设计洪水情况下该坝段沿坝基面的稳定性。况下该坝段沿坝基面的稳定性。9 m50m3 2 m10m1 : 0 .85 2 1 6 5 m1 3 5 m1 7 5 m1 2 5 m0 . 1,9 . 0fMPac3/kN24m0 . 3sK9 m50m10m1 : 0 . 81 6 5 m1 3 5 m1 7 5 m1 2 5 mPPUW5 2 3 2 m121v两种公式的优缺点两种公式的优缺点v两种公式的适用性两种公式的适用性坝基内不存在软弱面时，采用抗剪断公式坝基内不存在软弱面时，采用抗剪断公式对中

33、型工程中的中、低坝，可按抗剪强度公式计算对中型工程中的中、低坝，可按抗剪强度公式计算v重力坝抗滑稳定计算方法的发展趋势重力坝抗滑稳定计算方法的发展趋势确定性向非确定性理论发展，采用可靠度理论设计确定性向非确定性理论发展，采用可靠度理论设计l由抗剪强度、抗剪断公式向由抗剪强度、抗剪断公式向极限状态设计法极限状态设计法发展发展l极限状态分项系数设计法（混凝土重力坝设计规范）极限状态分项系数设计法（混凝土重力坝设计规范）（电力行业）（电力行业）3.3 重力坝的抗滑稳定分析重力坝的抗滑稳定分析二、深层抗滑稳定分析二、深层抗滑稳定分析v深层滑动（图）深层滑动（图）查明缺陷，确定失稳边界、产状，测定抗剪断

34、强度参数查明缺陷，确定失稳边界、产状，测定抗剪断强度参数选择计算方法和安全系数选择计算方法和安全系数选择加固措施选择加固措施v深层抗滑稳定分析方法深层抗滑稳定分析方法刚体极限平衡法刚体极限平衡法：概念清楚、计算方便，不能考虑变形：概念清楚、计算方便，不能考虑变形有限元法有限元法：可以算出应力场、位移场和破坏、发展情况：可以算出应力场、位移场和破坏、发展情况地质力学模型实验地质力学模型实验3.3 重力坝的抗滑稳定分析重力坝的抗滑稳定分析3.3 重力坝的抗滑稳定分析重力坝的抗滑稳定分析刚体极限平衡法刚体极限平衡法1 1 单斜面深层抗滑稳定分析单斜面深层抗滑稳定分析将坝体与软弱面以上坝基当做一个整体

35、进行计算；将坝体与软弱面以上坝基当做一个整体进行计算；计算方法与坝基面抗滑稳定分析一样；计算方法与坝基面抗滑稳定分析一样；当滑动面贯穿时，宜用抗剪强度公式，当滑动面贯穿时，宜用抗剪强度公式，k ks s=1.05=1.051.31.3； 当滑动面未贯穿时，宜用抗剪断公式，当滑动面未贯穿时，宜用抗剪断公式，k ks s2.52.53.53.5。作为一个整体参与计算作为一个整体参与计算水压力水压力2 2 双斜面深层抗滑稳定分析双斜面深层抗滑稳定分析v计算原理计算原理( (图图) )v计算方法计算方法分区计算法分区计算法 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整体计算法

36、整体计算法3.3 重力坝的抗滑稳定分析重力坝的抗滑稳定分析 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等安全系数法更为合理等安全系数法更为合理v中间力的作用方向中间力的作用方向取取=0=0，偏于安全。，偏于安全。取取tantan = = f / Ks。根据有限元计算分析根据有限元计算分析3.3 重力坝的抗滑稳定分析重力坝的抗滑稳定分析 整体计算法整体计算法22110rQrQFdM 22112222211111rQrQrlcNfrlcNfKS矩滑动力阻滑力矩 v求解的困难在于如何获得反力求解的困难在于如何获得反力R R1 1、R R2 23.3 重力坝的抗滑稳定分析重力

37、坝的抗滑稳定分析3.3 重力坝的抗滑稳定分析重力坝的抗滑稳定分析3.3 重力坝的抗滑稳定分析重力坝的抗滑稳定分析（二）有限元法（二）有限元法v安全系数法安全系数法n应力代数和比值法应力代数和比值法n超载系数法：超载倍数即为安全系数超载系数法：超载倍数即为安全系数n强度折减法：强度折减系数即为安全系数强度折减法：强度折减系数即为安全系数v限制位移值法：控制夹层两侧岩体相对位移在一限制位移值法：控制夹层两侧岩体相对位移在一定范围定范围11niniiiisnni iifc lKl三、岸坡坝段抗滑稳定分析三、岸坡坝段抗滑稳定分析v岸坡坝段失稳的特点岸坡坝段失稳的特点坝基是倾向河床的斜面或折面，坝基是倾

38、向河床的斜面或折面，有有向下游和河床向下游和河床滑动的双重趋势，滑动的双重趋势，稳定性不如河床坝段稳定性不如河床坝段3.3 重力坝的抗滑稳定分析重力坝的抗滑稳定分析四、提高重力坝抗滑稳定的工程措施四、提高重力坝抗滑稳定的工程措施利用水重：利用水重：将上游面做成倾斜面以利用水重。将上游面做成倾斜面以利用水重。坡度不宜过缓，否则会产生拉应力坡度不宜过缓，否则会产生拉应力3.3 重力坝的抗滑稳定分析重力坝的抗滑稳定分析利用有利的开挖轮廓线利用有利的开挖轮廓线坝基面倾向上游坝基面倾向上游降低坝踵高程降低坝踵高程倾向上游的锯齿倾向上游的锯齿3.3 重力坝的抗滑稳定分析重力坝的抗滑稳定分析设置齿墙设置齿墙

39、齿墙阻断软弱面，改变滑动面位置，增加抗滑力齿墙阻断软弱面，改变滑动面位置，增加抗滑力3.3 重力坝的抗滑稳定分析重力坝的抗滑稳定分析充分发挥抗力充分发挥抗力体的作用体的作用滑动面由滑动面由abcabc抽水措施：抽水措施：抽去坝底渗透水，减少浮托力。抽去坝底渗透水，减少浮托力。抽水体内浮托力抽水体内浮托力明显低于下游明显低于下游不抽水的不抽水的扬压力扬压力排水廊道内排水廊道内水位明显低水位明显低于下游水位于下游水位抽水后的抽水后的扬压力扬压力3.3 重力坝的抗滑稳定分析重力坝的抗滑稳定分析加固地基加固地基帷幕灌浆帷幕灌浆以减少坝基渗透能力以减少坝基渗透能力固结灌浆固结灌浆以增加坝基强度和整体以增

40、加坝基强度和整体性性断层处理断层处理以减少坝基软弱结构面以减少坝基软弱结构面3.3 重力坝的抗滑稳定分析重力坝的抗滑稳定分析横缝灌浆横缝灌浆将局部或全部横缝灌浆，增加坝体的整体稳定性。将局部或全部横缝灌浆，增加坝体的整体稳定性。横缝灌浆3.3 重力坝的抗滑稳定分析重力坝的抗滑稳定分析预加应力措施预加应力措施上游面设置预上游面设置预应力锚索应力锚索预应力改变了预应力改变了合力方向合力方向施加的预施加的预应力应力3.3 重力坝的抗滑稳定分析重力坝的抗滑稳定分析扁千斤顶扁千斤顶抗力墩抗力墩锚定钢筋锚定钢筋五、坝基抗滑稳定分析的发展五、坝基抗滑稳定分析的发展v 刚体极限平衡法适用于完全由剪切滑动引起的

41、失稳问题分刚体极限平衡法适用于完全由剪切滑动引起的失稳问题分析，当滑动失稳由强度不足而被压碎或拉裂引起时，需采析，当滑动失稳由强度不足而被压碎或拉裂引起时，需采用非线性有限元法考虑变形与滑动的耦合作用。用非线性有限元法考虑变形与滑动的耦合作用。v 重力坝的抗滑稳定是保证大坝安全的一个重要条件，常常重力坝的抗滑稳定是保证大坝安全的一个重要条件，常常成为保证大坝安全的控制性因素。极限平衡法核算抗滑稳成为保证大坝安全的控制性因素。极限平衡法核算抗滑稳定时不能地基内及滑动面的应力与位移分布，求解时引入定时不能地基内及滑动面的应力与位移分布，求解时引入许多假定，对于某些具有特殊地质条件的复杂工程，可能许

42、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控制性因素而得出不符合实际的结果，这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，需要引入非线性有限元方法。种情况下，需要引入非线性有限元方法。3.3 重力坝的抗滑稳定分析重力坝的抗滑稳定分析v 问题问题n以经验为基础，计算方法可靠，但理论研究不透；以经验为基础，计算方法可靠，但理论研究不透；n滑动破坏沿人们事先假定的方向进行，计算方法依据滑动破坏沿人们事先假定的方向进行，计算方法依据刚体极限平衡法。刚体极限平衡法。v 规范：规范：混凝土重力坝设计规范混凝土重力坝设计规范（DL5109-1999DL5109-1999）

43、（SL319-2005SL319-2005），分别采用极限状态设计法和单一安全系），分别采用极限状态设计法和单一安全系数法，设计时要对号入座。数法，设计时要对号入座。v 方向：可靠度理论，破坏机理的研究，断裂力学理论的研方向：可靠度理论，破坏机理的研究，断裂力学理论的研究与应用。究与应用。3.3 重力坝的抗滑稳定分析重力坝的抗滑稳定分析v 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，：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，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，使得抗滑稳定计算具有明确的综合安全度概念。使得抗滑稳定

44、计算具有明确的综合安全度概念。v 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，通过研究：应用数值与模型试验的方法，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，进一步揭示其破坏失稳的机制。的全过程，进一步揭示其破坏失稳的机制。v 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：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。的过程。3.3 重力坝的抗滑稳定分析重力坝的抗滑稳定分析作业作业重力坝失稳破坏

45、型式有哪几种？重力坝失稳破坏型式有哪几种？稳定验算有哪些公式？它们的主要区别在哪里？稳定验算有哪些公式？它们的主要区别在哪里？提高重力坝稳定性的工程措施有哪些？提高重力坝稳定性的工程措施有哪些？推导出被动抗力法的安全系数公式。推导出被动抗力法的安全系数公式。推导出重力坝上游面的剪应力公式推导出重力坝上游面的剪应力公式,给出过程。给出过程。3.3 重力坝的抗滑稳定分析重力坝的抗滑稳定分析向家坝重力坝有限元模型向家坝重力坝有限元模型1MNMX -519912-384096-248280-11246423352159168294984430800566616JAN 22 200818:40:05NO

46、DAL SOLUTIONSUB =1TIME=.136812SXY (AVG)RSYS=0DMX =.012462SMN =-519912SMX =566616向家坝重力坝剪应力分布向家坝重力坝剪应力分布1 JAN 22 200817:41:15DISPLACEMENTSTEP=1SUB =5TIME=.136812DMX =.012462向家坝重力坝变形图向家坝重力坝变形图地质力学模型试验地质力学模型试验v应力分析的目的：强度校核、砼标号分区、配筋分析应力分析的目的：强度校核、砼标号分区、配筋分析v应力分析的过程应力分析的过程一、应力分析方法一、应力分析方法v重力坝应力分析方法总体上分理论计

47、算和模型试验两类重力坝应力分析方法总体上分理论计算和模型试验两类模型试验法模型试验法u光测法、电测法、地质力学模型等，可进行应力、温光测法、电测法、地质力学模型等，可进行应力、温度场、动力分析等。度场、动力分析等。材料力学法材料力学法u应用最广、最简单，应用最广、最简单， 是是重力坝规范规定采用的方法重力坝规范规定采用的方法。不考虑地基的影响，下不考虑地基的影响，下1/3坝计算误差较大，但实践证坝计算误差较大，但实践证明，中低坝可保证工程安全。明，中低坝可保证工程安全。3.4 重力坝的应力分析重力坝的应力分析 3.4 重力坝的应力分析重力坝的应力分析弹性理论的解析法弹性理论的解析法u仅使用于边

48、界简单的情况，较少应用。仅使用于边界简单的情况，较少应用。弹性理论的差分法弹性理论的差分法u对复杂边界的适应性差，没有有限元法普遍。对复杂边界的适应性差，没有有限元法普遍。弹性理论的有限元法弹性理论的有限元法u可很好处理几何、材料、外力等复杂边界和条可很好处理几何、材料、外力等复杂边界和条件，是一种综合能力很强的计算方法，用得很件，是一种综合能力很强的计算方法，用得很普遍。普遍。二、材料力学法坝体为均质、各向同性的连坝体为均质、各向同性的连续弹性体。续弹性体。视坝段为固结于地基上的悬视坝段为固结于地基上的悬臂梁，坝段独立工作，地基臂梁，坝段独立工作，地基变形不影响坝体应力，横缝变形不影响坝体应

49、力，横缝不传力。不传力。坝体水平截面上的正应力按坝体水平截面上的正应力按直线分布。直线分布。基本假定基本假定重力坝材料力学法基本假定重力坝材料力学法基本假定MWyuyd近似悬臂梁3.4 重力坝的应力分析重力坝的应力分析（二）计算单元、计算截面（二）计算单元、计算截面（1 1）计算单元：）计算单元：沿坝轴线方向，取单位沿坝轴线方向，取单位坝宽为计算单元。（对溢流坝段，坝宽为计算单元。（对溢流坝段，取一个坝段为计算单元。取一个坝段为计算单元。（2 2）计算截面）计算截面：在计算单元的横剖面上，：在计算单元的横剖面上，截取若干个控制性水平截面进行应截取若干个控制性水平截面进行应力计算。力计算。 一般

50、选取坝基面、上下游折坡处、一般选取坝基面、上下游折坡处、坝体削弱部位（廊道部位等）以及坝体削弱部位（廊道部位等）以及需要计算坝体应力的部位。需要计算坝体应力的部位。 3.4 重力坝的应力分析重力坝的应力分析v最大最小应力均出现在坝面，首先应校核边缘应力最大最小应力均出现在坝面，首先应校核边缘应力边缘应力计算（不计扬压力）边缘应力计算（不计扬压力）竖向正应力竖向正应力( (水平截面上的正应力水平截面上的正应力) )剪应力剪应力( (上游、下游上游、下游) )水平正应力水平正应力( (竖向截面上的正应力竖向截面上的正应力) () (上游、下游上游、下游) )主应力主应力( (上游、下游上游、下游)

51、 )内部应力计算内部应力计算( (略略) )3.4 重力坝的应力分析重力坝的应力分析对于对于刚建成刚建成的或的或刚开始蓄水的坝刚开始蓄水的坝，在坝体内或坝基中尚，在坝体内或坝基中尚 未形成稳定渗流场时，若要考虑坝踵和坝趾的应力状态，未形成稳定渗流场时，若要考虑坝踵和坝趾的应力状态，可不计入扬压力。可不计入扬压力。 计入扬压力的边缘应力计算计入扬压力的边缘应力计算（当水库正常蓄水且运当水库正常蓄水且运行较长时间后，形成稳定渗流场，需考虑扬压力作用）行较长时间后，形成稳定渗流场，需考虑扬压力作用）v计算方法：将扬压力看做外荷载计算方法：将扬压力看做外荷载v计算过程：计算包括扬压力计算过程：计算包括

52、扬压力的的W W和和MMyuyu 、ydyd( (采采用前述方法用前述方法)计算主应力、计算主应力、剪应力（剪应力（3-483-485050）v计算时需考虑不计扬压力和计扬压计算时需考虑不计扬压力和计扬压力两种情况，均需满足规定要求。力两种情况，均需满足规定要求。3.4 重力坝的应力分析重力坝的应力分析 坝基面的铅直应力坝基面的铅直应力sy 强度指标强度指标yy3.4 重力坝的应力分析重力坝的应力分析SL3192005混凝土重力坝设计规范混凝土重力坝设计规范DL51081999 混凝土重力坝设计规范混凝土重力坝设计规范1、基于材料力学法的应力控制标准、基于材料力学法的应力控制标准坝体应力坝体应

53、力混凝土安全系数混凝土安全系数抗压强度可提高特殊组合抗拉安全系数特殊组合抗拉安全系数抗压安全系数特殊组合基本组合抗压安全系数30)2(0 . 2)2(0 . 45 . 3) 1 (0 . 43.4 重力坝的应力分析重力坝的应力分析四、有限元法四、有限元法有限元法的弹性分析有限元法的弹性分析1 1 基本原理基本原理v结构离散化结构离散化v几何方程几何方程v应力应变关系式（本构方程）应力应变关系式（本构方程）v虚功原理得到单元支配方程虚功原理得到单元支配方程v总体平衡方程组总体平衡方程组v求解方程组求解方程组3.4 重力坝的应力分析重力坝的应力分析3.4 重力坝的应力分析重力坝的应力分析1MNMX

54、 -519912-384096-248280-11246423352159168294984430800566616JAN 22 200818:40:05NODAL SOLUTIONSUB =1TIME=.136812SXY (AVG)RSYS=0DMX =.012462SMN =-519912SMX =5666163.4 重力坝的应力分析重力坝的应力分析1 JAN 22 200817:41:15DISPLACEMENTSTEP=1SUB =5TIME=.136812DMX =.0124623.4 重力坝的应力分析重力坝的应力分析2 计算应用计算应用v 步骤：划分网格、输入信息、计算、整理成果

55、步骤：划分网格、输入信息、计算、整理成果（二）有限元法的非线性分析（二）有限元法的非线性分析v 主要用途：接触问题、安全度、抗滑稳定分析、坝踵断裂问题主要用途：接触问题、安全度、抗滑稳定分析、坝踵断裂问题（三）有限元法的应力控制标准（三）有限元法的应力控制标准（1 1）坝基上游面）坝基上游面 计扬压力时，拉应力区宽度宜小于坝底宽度的计扬压力时，拉应力区宽度宜小于坝底宽度的0.070.07倍（垂直拉应力分布宽倍（垂直拉应力分布宽度度/ /坝底面宽度）或坝踵至帷幕中心线的距离。坝底面宽度）或坝踵至帷幕中心线的距离。（2 2）坝体上游面）坝体上游面 计扬压力时，拉应力区宽度宜小于计算截面宽度的计扬压

56、力时，拉应力区宽度宜小于计算截面宽度的0.070.07倍或计算截面上游倍或计算截面上游面至排水孔（管）中心线的距离。面至排水孔（管）中心线的距离。3.4 重力坝的应力分析重力坝的应力分析四、各种因素对应力的影响四、各种因素对应力的影响地基变形模量对坝体应力的影响地基变形模量对坝体应力的影响坝体混凝土分区对坝体应力的影响坝体混凝土分区对坝体应力的影响纵缝对坝体应力的影响纵缝对坝体应力的影响分期施工对坝体应力的影响分期施工对坝体应力的影响温度变化及施工过程对坝体应力的影响温度变化及施工过程对坝体应力的影响v主要有五种因素的影响主要有五种因素的影响3.4 重力坝的应力分析重力坝的应力分析v混凝土和岩

57、体均为透水性材料，坝体及坝基会形混凝土和岩体均为透水性材料，坝体及坝基会形成稳定的渗流场。成稳定的渗流场。v分析坝体应力时，应加入水流渗流体积力。分析坝体应力时，应加入水流渗流体积力。v常假定岩体内渗流体遵循达西定律。常假定岩体内渗流体遵循达西定律。v一般采用有限元法计算分析。一般采用有限元法计算分析。3.5 重力坝的渗流分析重力坝的渗流分析一、稳定渗流场的计算 渗流基本方程和定解条件渗流基本方程和定解条件达西定律的平面问题的基本方程达西定律的平面问题的基本方程22222222 0 00 0 xyHHkkxxyyHHkkxxyyHHkxyHHxy基本方程：各向同性：各向同性均质：平面问题的定解

58、条件平面问题的定解条件(图图)3.5 重力坝的渗流分析重力坝的渗流分析（二）用有限元法求解水头（二）用有限元法求解水头H H根据单元剖分和有限元原理可获得方程矩阵：根据单元剖分和有限元原理可获得方程矩阵：KH=F H有限元法有限元法计算出来计算出来的渗流场的渗流场(等势线等势线)3.5 重力坝的渗流分析重力坝的渗流分析二、渗流场体积力的计算节点渗透压力节点渗透压力()()()iiijjjpHypHypHypHy3.5 重力坝的渗流分析重力坝的渗流分析xyoimimmjmjjijiyimimmjmjjijixxxppxxppxxppPyyppyyppyyppP212121212121jimimj

59、mjiyjimimjmjixxxpxxpxxpPyypyypyypP21213yP3xP3yP3xP3yP3xP单元渗透压力及其分布单元渗透压力及其分布v逆时针编号，逆时针方法记忆逆时针编号，逆时针方法记忆计算实例计算实例3.5 重力坝的渗流分析重力坝的渗流分析一、坝体温度变化v坝体温度变化过程分三个阶段坝体温度变化过程分三个阶段( (图图) )第一阶段：上升期第一阶段：上升期第二阶段：降温期第二阶段：降温期第三阶段：稳定期第三阶段：稳定期温差：温差：T Tr r=15-25=15-25，T Tr rmaxmax=36=36maxmax :rjjTTTTT水化热温升：（最高温度，入仓温度）因外

60、界气温低于因外界气温低于TmaxTmax，体内降温慢，表面降温快，体内降温慢，表面降温快( (图图) )。体表随气温而变化，体内降到多年平均气温体表随气温而变化，体内降到多年平均气温( (图图) ):( maxmax年均气温最高温度，：ddTTTTT温度回降 值3.6 重力坝的温度应力、温度控制重力坝的温度应力、温度控制 和裂缝防止和裂缝防止二、施工期的温度应力1 1 地基约束引起的应力地基约束引起的应力入仓温度入仓温度T Tj j最高温度最高温度T Tj j+ +T Tr r稳定温度稳定温度T Td d总温降总温降TTT Tj j+ +T Tr rT Td d ，混凝土收缩受限产生水平拉应力