[工学]水工建筑物课件.ppt

1、水工建筑物,第三讲,主讲教授： 李庆斌 2003年春,重力坝的荷载 （挡水坝段的主要荷载）,Seismic load,荷载的分类 ( Category of loads),作用在坝上的荷载，分为：,二、荷载组合 (Load combinations),基本荷载(essential loads)经常地、长期地起作用的荷载 特殊荷载(exceptional loads)偶然起作用的荷载,（1）坝体及其上永久设备的自重； （2）正常蓄水位(normal maximum level, maximum retention level)或设计洪水位(design flood level)时的静水压力； （

2、3）相应于正常蓄水位或设计洪水位时的扬压力； （4）泥沙压力；,基本荷载,（5）相应于正常蓄水位或设计洪水位时的浪压力； （6）冰压力； （7）土压力； （8）相应于设计洪水位时的动水压力； （9）其它出现机会较多的荷载。,（10）校核洪水位(spillway design flood level)时的静水压力； （11）相应于校核洪水位时的扬压力； （12）相应于校核洪水位时浪压力； （13）相应于校核洪水位时的动水压力； （14）地震荷载； （15）其它出现机会很少的荷载。,特殊荷载(exceptional loads),荷载组合可分为基本组合(usual load combination

3、)和特殊组合(unusual or extreme load combination)两类。,荷载组合(load combination),基本组合属正常情况，由同时出现的几种基本荷载所组成。 特殊组合属校核情况，由同时出现的基本荷载和一种或几种特殊荷载所组成。设计时，应从这两类组合中选择几种最不利的、起控制作用的组合情况进行计算。,荷载组合表,应根据各种荷载同时作用的实际可能性，选择计算中最不利的荷载组合。 分期施工的坝应按相应的荷载组合分期进行计算。 施工期的情况应作必要的核算，作为特殊组合。 根据地质和其它条件，如考虑运用时排水设备易于堵塞，须经常维修时，应考虑排水失效的情况作为特殊组合

4、。,查表注意事项,对于荷载组合, 各国的习惯做法,日本:,在坝体稳定计算中，一般不计冰压力,只考虑波浪的影响. 冬季波浪和冰压力不会同时产生， 在坝体上部，冰压力和浪压力两者的影响的差别较小，而在坝的下部对只考虑波浪作用的计算一般偏于安全. 不考虑温度荷载。,美国垦务局规定重力坝荷载组合汇总没有浪压力而有冰压力等。 规定对于横向灌浆的收缩缝，由温度升高体积膨胀引起水平推力，将在两岸坝肩上产生扭转作用和附加荷载；由于温差作用，会造成坝内孔洞附近的应力恶化，对这两种情况应考虑温度荷载。,其他各国习惯做法(续),美国:,本节完,2.3 重力坝的断面设计(cross-sectional profile

5、),断面设计的基本经验 断面设计的主要原则 基本断面的确定 重力坝的实用断面,设计重力坝时，要先进行粗略估算，并参照已建重力坝的实例，初步定出一个断面，进行结构分析，再修改断面。即所谓“先设后计”。,断面设计的基本经验,返回,满足稳定和强度要求 -以保证大坝安全 力求断面较小 -以节省坝体工程量； 断面外形轮廓简单 -以利于施工,返回,断面设计的主要原则,基本剖面(original profile)的确定,基本剖面的定义： 所谓基本剖面是指坝体在自重、库水压力和扬压力三项主要荷载作用下，满足强度和稳定要求的、最小的三角形断面。,按强度(strength)控制条件确定基本断面： 混凝土材料的抗压

6、强度比较高，而抗拉能力较低，仅为（1/81/12）抗压强度，重力坝除高度超过200m的外，其他坝内压应力均较低，不控制。 通用的设计准则是应避免坝体上游面产生拉应力，这同时也能保证坝体内部也不出现拉应力。,基本剖面的确定(续), 在库满时，按材力偏心受压公式计算坝底水平截面的边缘正应力：（压为正） 式中：垂直力合力 对坝底断面的合力矩,基本剖面的确定(续),代入后求得上游坝面: 下游坝面: 令上游坝面应力=0,得 （*）,基本剖面的确定(续),为使B为最小，可令上式的微分为零，简化整理得： （*） 取 得： 0.2，即 上游面成为倒悬(adverse gradient, overhang)，这

7、对施工是很不利的。,基本剖面的确定(续),在库空时,，,，则,，,由第二式可知，,必须满足，否则下游面会有,拉应力产生。,实际上,，多取,，即上游面垂直，,基本剖面的确定(续),0,这时,按稳定(sliding stability)条件确定基本断面：（作为粗估断面，可用抗剪公式）,基本剖面的确定(续),按摩擦概念计算的抗滑稳定安全系数公式为:,抗滑稳定安全系数(safety factor)表（摩擦公式）,基本剖面的确定(续),返回,基本剖面的确定(续),重力坝的实用断面(applied profile),重力坝的基本剖面确定后，需考虑其他荷载和运用条件，修正基本断面(如图)。 如果有泥沙压力、

8、冰压力，则需加宽坝体； 如果有风浪则需要加高坝体，以免库水翻过坝顶； 如果考虑坝上交通，则需要加宽坝顶。,实用断面与基本断面的关系,back,坝顶超过静水位的高度按下式计算,实用断面的坝顶超高计算,式中: 2hl浪高。 h0波浪中心高度 hc安全超高，见下表 设计坝顶高程max（设计洪水位正常运用的D h ，校合洪水位非常运用的D h ）,超高 (freeboard)表（m）,荷载组合,坝的级别,back,本节完,2.4 重力坝的抗滑稳定分析, 目的核算坝体沿坝基面或沿地基深层较弱结构面抗滑稳定的安全度。 分析方法刚体极限平衡法(rigid limit equilibrium method)；

9、有限单元法；模型试验法。 问题分类 按平面问题分析各坝段独立受力。 按空间问题分析坝基内断层多条相互切割交错构成空间滑动体；地形陡峻的岸坡段。,抗滑稳定分析是重力坝设计中的一项重要内容。,抗滑稳定分析,本课程只讲刚体极限平衡法就是将断裂面（指坝体、岩体或大坝与坝体组成的滑裂体等）看成刚体，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），而忽略力矩的作用效应。,重力坝失稳模式 沿坝基面的抗滑稳定分析 深层抗滑稳定分析 提高抗滑稳定的措施,重力坝稳定破坏(失稳)的模式,表面滑动 浅层滑动 深层滑动 我国修建了大中型重力坝100余座，其中有

10、1/3存在深层滑动问题。,返回,沿坝基面的抗滑稳定分析,稳定破坏机理： 比较复杂，取决于地基条件。对于均匀地基情况，其破坏过程是： 1）在坝踵处岩基和胶合面出现微裂松弛区； 2）在坝踵处基岩和胶合面出现局部剪切屈服，进而屈服范围逐渐增大并向上游延伸； 3）形成滑动通道，导致大坝的整体失稳。,分析时，以一个坝段或取单宽计算，计算公式有抗剪强度公式和抗剪断公式。,坝基面滑动抗剪强度公式,坝体与坝基间看成是一个接触面，而不是交接面。当接触面呈水平时，其抗滑稳定安全系数为：,坝基面滑动抗剪强度公式（续）,当接触面倾向上游时，并有的夹角时，其抗滑稳定安全系数为：,可以看出，微倾向上游对Ks有利。,摩擦系

11、数f的选取问题,一般由若干组试验确定。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。,我国78规范规定，f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，参照地质条件类似的已建工程的经验等，由地质、试验和设计人员研究确定。,摩擦系数f的选取问题（续）,根据国内外已建工程的统计资料，混凝土与基岩的f值常取在0.50.8之间。,摩擦系数的选定直接关系到大坝的造价与安全，f值愈小，要求坝体剖面愈大。以新安江为例，若f值减小0.01，坝体混凝土方量增加2万m3,坝基面滑动抗剪断公式,认为坝体与基岩接触良好，直接采用接触面

12、上的抗剪断参数f、c计算抗滑稳定安全系数，即：,f 抗剪断摩擦系数 c 抗剪断凝聚力,f,c的选取,对于大、中型工程，在设计阶段， f ,c 应由野外及室内试验成果决定。在规划和可行性研究阶段，可以参考规范给定的数值选用。规范规定如下：,类基岩很好的岩石， f 1.21.5,c1.31.5Mpa 类基岩好的岩石， f 1.01.3, c 1.11.3Mpa 类基岩中等的岩石， f 0.91.2, c 0.71.1Mpa 类基岩较差的岩石， f 0.70.9, c 0.30.7Mpa,f,c的选取（续）,注意：上述结果不包括基岩内有软弱夹层的情况；同时，胶结面的f ,c值不能高于混凝土的f ,c

13、 ；对于、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。 美国垦务局采用 混凝土参数，今年来有所提高，大致为 倍混凝土抗压强度。,抗剪强度公式和抗剪断公式选用,从上述两个公式看出，抗剪公式忽略了凝聚力，不合乎实际，而抗剪断公式则考虑，物理概念明确，比较符合坝体的实际情况，逐渐采用较多。 我国SDJ2178补充规定中建议：当坝基内不存在可能导致深层活动的软弱面时，应按抗剪断强度公式计算；对中型工程中的中、低坝，也可按抗剪强度公式计算。,返回,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。 地基

14、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： 查明地基中主要缺陷，确定失稳边界，测定抗剪强度参数； 选择合理的计算方法，并规定相应的安全系数； 选择提高深层稳定性的措施，满足安全系数。,深层抗滑稳定分析,在深层抗滑稳定分析中，一般根据深层抗滑体的不同，分为：,单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）,单斜面深层抗滑稳定分析,当滑裂面只有一个软弱面时，坝体与滑裂面上的部分地基可以联合起来视作刚体，用抗剪强度公式计算安全系数。但是对于要求的安全系数，尚无明确规定，一般取为,返回,双斜面深层抗滑稳定分析,在更多的实际工程中，深层滑动面不是一

15、个简单的平面，而是呈复杂的形状，譬如两个斜面（如图所示） ，AB是一条缓倾角夹层和软弱面，称为主滑动面，BC是另一条辅助破裂面，切穿地表。 BC的位置可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。,双斜面深层抗滑稳定分析,计算时将滑移体分成两区，在其分界面BD上，引入一个需要事先假定与水平面成角的内力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 等安全系数法,（1）剩余推力法,先令区处于极限平衡状态，其沿AB面的抗滑稳定安全系数为1，则：,利用上式求得R,（1）剩余推力法,再计算区沿BC面的抗滑稳定安全系数K2：,K2即为

16、整个坝段的抗滑稳定安全系数K,（2）被动抗力法,与上述方法相反，先令区处于极限平衡状态（抗滑稳定安全系数为1），求得抗力R后，再计算区沿AB面的抗滑稳定安全系数K1，作为整个坝段的抗滑稳定安全系数安全系数。 这种方法称为：被动抗力法,（3）等安全系数法,令区和区同时处于极限平衡状态，分别列出两个区的抗滑稳定安全系数K1、K2的计算式，然后令K1K2，解出抗力R，再将其代回原计算式，即可求出整个滑动体的稳定安全系数。 这样的方法称为：等安全系数法 （等K法）,三种方法的比较,上述三种计算方法中的前两种（剩余推力法、被动抗力法），由于先令一个区处于极限平衡状态，也即相当于这一区的K1，因而推算出另一区