重力坝抗滑稳定及应力计算

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YellowRiverEngineeringConsultingCo.,Ltd.四月目录1.计算阐明 11.1目的与规定 11.2基本数据 12.计算参数和研究办法 12.1荷载组合 12.2计算参数及控制原则 22.3计算理论和办法 33.计算过程 43.1荷载计算 43.1.1自重 43.1.2水压力 43.1.3扬压力 63.1.4地震荷载 73.2安全系数及应力计算 94.成果汇总 111.计算阐明1.1目的与规定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。1.2基本数据正常蓄水位：110m；设计洪水位：112.94m；校核洪水位：113.30m；大坝设计洪水原则为1一遇，校核洪水原则为10一遇；坝址区地震动峰值加速度为0.15g（g=9.81m/s²），地震动反映周期为0.25s，对应的地震基本烈度为7度，本工程抗震设计烈度为7度。计算选用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高程下列坡度为1:0.75。计算选用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高程下列坡度为1:0.85。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114.00m，坝基底高程87.80m，坝高26.2m，顶宽13.06m，上游坝坡为1:0.25，下游坝坡在107.33m高程以上竖直，在107.33m高程下列坡度为1:0.75。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高程下列坡度为1:0.75。2.计算参数和研究办法2.1荷载组合作用在坝上的重要荷载涉及：坝体自重、上下游水压力、扬压力、地震力。基本组合：正常蓄水位状况（上游水位110.0m）设计洪水位状况（上游水位112.94m）特殊组合：校核洪水位状况（上游水位113.30m）地震状况（正常蓄水位+地震荷载）2.2计算参数及控制原则水容重γw：9.81KN/m3混凝土容重γc：24KN/m3坝址区岩体重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，容易成为坝体的单薄环节，因此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，安全系数值的控制原则应符合表1-2的规定。根据国内经验，碾压层面的抗剪断参数可取：f’=1.0，c’=1.0MPa。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）f′c′（MPa）fc（MPa）f′c′（MPa）辉绿岩1.21.50.7501.01.0砂岩1.01.10.6500.90.8表1-2抗滑稳定安全系数和坝基允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’】坝踵坝趾基本组合正常蓄水位状况1.053.0>0<坝基允许应力设计洪水状况1.053.0>0<坝基允许应力特殊组合校核洪水状况1.002.5>0<坝基允许应力正常蓄水位+地震1.002.3>0<坝基允许应力重力坝坝基面坝踵、坝趾的垂直应力在运用期的多个荷载组合下（地震荷载除外），坝踵垂直应力不应出现拉应力，坝趾垂直应力应不大于坝基允许压应力。2.3计算理论和办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（涉及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。为了确保构造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。（抗剪强度计算公式）（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’—坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断凝聚力，KPa；A—坝基接触面截面积，m2；ΣW—作用于坝体上的全部荷载对于计算滑动面的法向分值，KN；ΣP—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：式中：σy—坝踵、坝趾垂直应力，KPa；ΣW—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；ΣM—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，KN.m；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，m4。3.计算过程3.1荷载计算3.1.1自重多个工况下，建筑物的自重均相似。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=4756.0KN（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=-13945.54KN.m（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=2969.53KN（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=-4413.025KN.m（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=14081.76KN（向下为正方向）单宽坝段断面形心对坝基中点的力臂L1=0.05m（向右为正方向）力矩MG1=704.09KN.m（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=12432.24KN（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=-40031.81KN.m（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）、地震状况下的动水压力（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状况：上游水深Hu1=18.0m上游水压力Pu1=1587.6KN力臂Lu1=6m力矩MPu1=9525.6KN.m设计洪水位状况：上游水深Hu2=20.94m上游水压力Pu2=2148.57KN力臂Lu2=6.98m力矩MPu2=14997.0KN.m校核洪水位状况：上游水深Hu3=21.3m上游水压力Pu3=2223.08KN力臂Lu3=7.1m力矩MPu3=15783.87KN.m（2）溢流坝段正常蓄水位状况：上游水深Hu1=14.0m上游水压力Pu1=960.4KN力臂Lu1=4.67m力矩MPu1=4481.87KN.m设计洪水位状况：上游水深Hu2=16.94m上游水压力Pu2=1406.12KN力臂Lu2=5.65m力矩MPu2=7939.9KN.m下游水深Hd2=8.8m下游水压力Pd2=-379.456KN力臂Ld2=2.93m力矩MPd2=-1113.07KN.m校核洪水位状况：上游水深Hu3=17.3m上游水压力Pu3=1466.52KN力臂Lu3=5.77m力矩MPu3=8456.94KN.m下游水深Hd3=9.42m下游水压力Pd3=-434.81KN力臂Ld3=3.14m力矩MPd3=-1365.30KN.m（3）进水口坝段正常蓄水位状况：上游水深Hu1=22.2m上游水压力Pu1=2417.38KN力臂Lu1=7.4m力矩MPu1=17888.61KN.m设计洪水位状况：上游水深Hu2=25.14m上游水压力Pu2=3100.06KN力臂Lu2=8.38m力矩MPu2=25978.50KN.m校核洪水位状况：上游水深Hu3=25.5m上游水压力Pu3=3189.48KN力臂Lu3=8.5m力矩MPu3=27110.58KN.m（4）底孔坝段正常蓄水位状况：上游水深Hu1=26.5m上游水压力Pu1=3444.54KN力臂Lu1=8.83m力矩MPu1=30415.29KN.m设计洪水位状况：上游水深Hu2=29.44m上游水压力Pu2=4251.23KN力臂Lu2=9.81m力矩MPu2=41704.57KN.m校核洪水位状况：上游水深Hu3=29.8m上游水压力Pu3=4355.84KN力臂Lu3=9.93m力矩MPu3=43253.49KN.m2、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。设计洪水位状况：单宽坝段上水体面积A2=38.23m2单宽坝段上水重G2=374.68KN力臂L2=-0.12m力矩MG2=-46.35KN.m校核洪水位状况：单宽坝段上水体面积A3=46.81m2单宽坝段上水重G3=458.77KN力臂L3=-0.11m力矩MG3=-50.60KN.m进水口坝段斜断面上水重正常蓄水位状况：上游水深Hu1=22.2m上游水压力Gw1=647.90KN力臂Lu1=12.69m力矩Mw1=8221.85KN.m设计洪水位状况：上游水深Hu2=25.14m上游水压力Gw2=831.12KN力臂Lu2=12.69m力矩Mw2=10546.91KN.m校核洪水位状况：上游水深Hu3=25.5m上游水压力Gw3=854.28KN力臂Lu3=12.69m力矩Mw3=10840.81KN.m3.1.3扬压力为了确保构造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Hu（上游水深），下游处为Hd（下游水深），其间以直线连接。（1）挡水坝段正常蓄水位状况：上游水深Hu1=18.0m扬压力U1=-1455.3KN力臂Lu1=-2.75m力矩MU1=4002.08KN.m设计洪水位状况：上游水深Hu2=20.94m扬压力U2=-1693KN力臂Lu2=-2.75m力矩MU2=4655.75KN.m校核洪水位状况：上游水深Hu3=21.3m扬压力U3=-1722.1KN力臂Lu3=-2.75m力矩MU3=4375.79KN.m（2）溢流坝段正常蓄水位状况：上游水深Hu1=14.0m下游水深Hd1=0m扬压力U1=-891.8KN力臂Lu1=-2.17m力矩MU1=1932.23KN.m设计洪水位状况：上游水深Hu2=16.94m下游水深Hd2=8.8m扬压力U2=-1639.6KN力臂Lu2=-0.67m力矩MU2=1099.87KN.m校核洪水位状况：上游水深Hu3=17.3m下游水深Hd3=9.42m扬压力U3=-1702.1KN力臂Lu3=-0.64m力矩MU3=1087.62KN.m（3）进水口坝段正常蓄水位状况：上游水深Hu1=22.20m扬压力U1=-3275.44KN力臂Lu1=-5.01m力矩MU1=16409.95KN.m设计洪水位状况：上游水深Hu2=25.14m扬压力U2=-3709.22KN力臂Lu2=-5.01m力矩MU2=18583.19KN.m校核洪水位状况：上游水深Hu3=25.50m扬压力U3=-3762.33KN力臂Lu3=-5.01m力矩MU3=18849.27KN.m（4）底孔坝段正常蓄水位状况：上游水深Hu1=26.5m扬压力U1=-3623.91KN力臂Lu1=-4.65m力矩MU1=16851.18KN.m设计洪水位状况：上游水深Hu2=29.44m扬压力U2=-4025.96KN力臂Lu2=-4.65m力矩MU2=18720.71KN.m校核洪水位状况：上游水深Hu3=29.8m扬压力U3=-4075.19KN力臂Lu3=-4.65m力矩MU3=18949.63KN.m3.1.4地震荷载普通状况下，混凝土重力坝在抗震设计中能够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涉及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：式中：αh—水平向设计地震加速度代表值，取0.15g；GEi—集中在质点i的重力作用原则值；ξ—计算系数，拟静力法计算地震作用效应时普通取0.25；ai—质点i的动态分布系数；g—重力加速度，g=9.81m/s²；其中动态分布系数按下式计算：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原则值；根据以上公式计算：挡水坝段：地震惯性力Fi=244.70KN力臂L=8.38m力矩MFi=2050.55KN.m溢流坝段：地震惯性力Fi=152.78KN力臂L=5.56m力矩MFi=849.59KN.m进水口坝段：地震惯性力Fi=739.15KN力臂L=11.01m力矩MFi=8138.04KN.m底孔坝段：地震惯性力Fi=572.16KN力臂L=12.24m力矩MFi=7003.24KN.m2、动水压力采用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下列0.54H0处，其代表值F0按下式计算：式中：αh—水平向设计地震加速度代表值，取0.15g；ρw—水体质量密度原则值；ξ—计算系数，拟静力法计算地震作用效应时普通取0.25；H0—水深；根据以上公式计算：挡水坝段：动水压力F0=758.476KN力臂L=8.28m力矩MF0=6280.18KN.m溢流坝段：动水压力F0=458.83KN力臂L=6.44m力矩MF0=2954.87KN.m进水口坝段：动水压力F0=1156.08KN力臂L=10.212m力矩MF0=11805.89KN.m底孔坝段：动水压力F0=1647.31KN力臂L=12.19m力矩MF0=0.71KN.m3.2安全系数及应力计算坝址区岩体重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。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状况：坝基面法向作用之和∑W=3300.7KN坝基面切向作用之和∑P=1587.6KN力矩之和∑M=-417.87KN.m设计洪水状况：坝基面法向作用之和∑W=3060KN坝基面切向作用之和∑P=2148.57KN力矩之和∑M=5707.22KN.m校核洪水状况：坝基面法向作用之和∑W=3033.9KN坝基面切向作用之和∑P=2223.08KN力矩之和∑M=6574.12KN.m地震+正常蓄水位状况：坝基面法向作用之和∑W=3300.7KN坝基面切向作用之和∑P=2590.77KN力矩之和∑M=7912.87KN.m安全系数及基底应力计算成果：工况正常蓄水位设计洪水校核洪水地震荷载∑W（KN）3300.730603033.93300.7∑P（KN）1587.62148.572223.082590.77∑M（KN.m）-417.875707.226574.127912.87计算参数f’1.0c’（MPa）1.0f0.75安全系数K’10.187.437.166.24K1.561.071.02-基底应力σmax（KPa）209.25311.42328.76374.43σmin（KPa）190.8359.8638.9925.65（2）溢流坝段正常蓄水位状况：坝基面法向作用之和∑W=2077.73KN坝基面切向作用之和∑P=960.4KN力矩之和∑M=.07KN.m设计洪水状况：坝基面法向作用之和∑W=1704.58KN坝基面切向作用之和∑P=1026.67KN力矩之和∑M=3513.67KN.m校核洪水状况：坝基面法向作用之和∑W=1642.16KN坝基面切向作用之和∑P=1031.71KN力矩之和∑M=3766.23KN.m地震+正常蓄水位状况：坝基面法向作用之和∑W=2077.73KN坝基面切向作用之和∑P=1572.01KN力矩之和∑M=5805.54KN.m安全系数及基底应力计算成果：工况正常蓄水位设计洪水校核洪水地震荷载∑W（KN）2077.731704.581642.162077.73∑P（KN）960.41026.671031.711572.01∑M（KN.m）.073513.673766.235805.54计算参数f’0.9c’（MPa）0.8f0.65安全系数K’12.7711.6211.517.80K1.401.081.03-基底应力σmax（KPa）230.87255.87260.03365.94σmin（KPa）88.786.37-7.39-46.29（3）进水口坝段正常蓄水位状况：坝基面法向作用之和∑W=11454.22KN坝基面切向作用之和∑P=2417.38KN力矩之和∑M=26780.80KN.m设计洪水状况：坝基面法向作用之和∑W=11203.66KN坝基面切向作用之和∑P=3100.06KN力矩之和∑M=34718.87KN.m校核洪水状况：坝基面法向作用之和∑W=11173.71KN坝基面切向作用之和∑P=3189.48KN力矩之和∑M=35823.13KN.m地震+正常蓄水位状况：坝基面法向作用之和∑W=11454.22KN坝基面切向作用之和∑P=4312.61KN力矩之和∑M=46724.68KN.m安全系数及基底应力计算成果：工况正常蓄水位设计洪水校核洪水地震荷载∑W（KN）11454.2211203.6611173.7111454.22∑P（KN）2417.383100.063189.484312.61∑M（KN.m）26780.8034718.8735823.1346724.68计算参数f’1.0c’（MPa）1.0f0.75安全系数K’17.1813.3212.939.63K3.552.712.63-基底应力σmax（KPa）558.38602.69609.02690.64σmin（KPa）203.20142.23133.9170.95（2）底孔坝段正常蓄水位状况：坝基面法向作用之和∑W=8808.33KN坝基面切向作用之和∑P=3444.54KN力矩之和∑M=7234.66KN.m设计洪水状况：坝基面法向作用之和∑W=8406.28KN坝基面切向作用之和∑P=4251.23KN力矩之和∑M=20393.47KN.m校核洪水状况：坝基面法向作用之和∑W=8357.05KN坝基面切向作用之和∑P=4355.84KN力矩之和∑M=22171.31KN.m地震+正常蓄水位状况：坝基面法向作用之和∑W=8808.33KN坝基面切向作用之和∑P=5664.01KN力矩之和∑M=17467.43KN.m安全系数及基底应力计算成果：工况正常蓄水位设计洪水校核洪水地震荷载