1、3 重力壩的穩(wěn)定分析,目的：驗(yàn)算重力壩在各種可能荷載組合下的穩(wěn)定安全度。 破壞模式： 沿壩基面或軟弱面的滑動(dòng)破壞； 壩體連同壩基的傾倒滑移破壞。 包括： 沿壩基面、 沿壩基深層、 岸坡壩段,一、沿壩基面的抗滑穩(wěn)定分析,對(duì)于重力壩，要求任意一個(gè)剖面（截面）上均滿足穩(wěn)定條件。通常，巖基上的重力壩，壩體混凝土和基巖的接觸面往往是一個(gè)薄弱面，這是因?yàn)椋?（1）兩種材料的接觸面，抗剪強(qiáng)度較低、壩體水平推力大 （2）混凝土干縮可能產(chǎn)生裂縫 因此，只要該接觸面上滿足抗滑穩(wěn)定要求，則該壩體就能滿足穩(wěn)定要求。,（1）計(jì)算公式,A、摩擦公式 把滑動(dòng)面看作是接觸面（不是膠結(jié)面），滑動(dòng)面上的抗滑力只計(jì)摩擦力，不計(jì)凝聚

2、力。滑動(dòng)面可水平，也可傾斜。,抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)建筑物的抗滑力與建筑物所受的滑動(dòng)力之比，用K表示。,可見(jiàn)，滑動(dòng)面傾向上游時(shí)，對(duì)壩體抗滑穩(wěn)定有利；傾向下游時(shí)，對(duì)壩體穩(wěn)定不利。在進(jìn)行壩基開(kāi)挖時(shí)，應(yīng)盡量考慮這一影響。,B、抗剪斷強(qiáng)度公式,認(rèn)為壩體與基巖膠結(jié)良好，滑動(dòng)面上的抗滑力包括摩擦力和凝聚力。通過(guò)膠結(jié)面的抗剪斷試驗(yàn)確定抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)。,比較：,摩擦公式忽略了壩體與基巖的膠結(jié)作用，不能完全反映壩的實(shí)際工作狀態(tài)。不計(jì)凝聚力的抗滑作用，故取較低的安全系數(shù)。 特點(diǎn)：公式簡(jiǎn)單、概念明確、使用方便，參數(shù)選用經(jīng)驗(yàn)豐富。凝聚力作為一種安全儲(chǔ)備，基巖越堅(jiān)固完整，膠結(jié)越好，安全儲(chǔ)備度越高。因此，盡管采用同一安全系數(shù)，

3、各工程的真正安全度是不同的。 抗剪斷強(qiáng)度公式考慮了壩體與基巖的膠結(jié)作用，計(jì)入了全部的抗滑力，符合實(shí)際工作狀態(tài)。 特點(diǎn)：物理概念明確。國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì)。 規(guī)范要求：大型工程用抗剪斷強(qiáng)度公式；中小型工程可以用摩擦公式。,（2）計(jì)算參數(shù),參數(shù)取值偏大，穩(wěn)定沒(méi)有保證；參數(shù)取值偏小，保守、造成浪費(fèi)。,f值的選取，參考室外試驗(yàn)的屈服極限值（塑性破壞）或比例極限值（脆性破壞）以及市內(nèi)試驗(yàn)成果。 f和c值指室外現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)定峰值的小值平均，且考慮室內(nèi)試驗(yàn)成果。 由地質(zhì)、試驗(yàn)、設(shè)計(jì)三方人員共同分析研究確定。,規(guī)范1999抗滑穩(wěn)定,抗滑穩(wěn)定極限狀態(tài)的效應(yīng)和抗力函數(shù),二、壩基深層抗滑穩(wěn)定分析,當(dāng)壩基內(nèi)有緩傾角結(jié)構(gòu)面及不

4、利地形時(shí)，應(yīng)核算壩體和壩基巖體的抗滑穩(wěn)定性。由于地質(zhì)構(gòu)造不同，其壩基失穩(wěn)機(jī)理也是各不相同，應(yīng)作專門研究。關(guān)鍵是確定控制性的軟弱結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀和參數(shù)。 穩(wěn)定分析方法： 剛體極限平衡法 有限單元法 地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)法 DEM和DDA NMM等,軟弱夾層的安全度標(biāo)準(zhǔn),超載法將作用在壩體上的外荷載分級(jí)逐漸加大，直到滑動(dòng)面的抗滑穩(wěn)定處于臨界狀態(tài)，外荷載增大的倍數(shù)即為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。 強(qiáng)度儲(chǔ)備法降低軟弱夾層和尾巖抗力體的抗剪參數(shù)值，直到滑動(dòng)面的抗滑穩(wěn)定處于臨界狀態(tài)，抗剪參數(shù)的降低倍數(shù)即為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。 剪力比例法由FEM計(jì)算在設(shè)計(jì)荷載作用下滑動(dòng)面上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力分布，求出滑動(dòng)面上總的抗滑力和滑動(dòng)力，

5、兩者的比值即為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。,1、被動(dòng)抗力法,假定DBC塊處于極限平衡狀態(tài)，求出抗力R，然后將抗力R作用在滑動(dòng)塊ABD上，按抗剪斷公式（或摩擦公式）求出滑動(dòng)體的穩(wěn)定安全系數(shù)。見(jiàn)P32式（2-20）、（2-21）。 抗力R的方向與分界面上的摩擦特性有關(guān)，較難確定。近似取界面上的摩擦系數(shù)除以安全系數(shù)。 特點(diǎn)：概念清楚，不需試算，但ABD和BCD塊的安全系數(shù)不同，不合理。,2、等安全系數(shù)法,按ABD塊和DBC塊具有相等的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)來(lái)計(jì)算。列出沿AB面和BC面上的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，用試算法或迭代法求解。見(jiàn)P33式（2-22）、（2-23）。 特點(diǎn)：更合理，計(jì)算較繁。 由于壩基滑動(dòng)面、抗裂面的

6、抗滑力受巖石性質(zhì)、產(chǎn)狀等因素影響，計(jì)算精度較低。要求的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)較壩基面大1.11.3倍。 BD面可以是實(shí)際存在的構(gòu)造面，也可以是假設(shè)的破裂面。,三、岸坡壩段抗滑穩(wěn)定,岸坡壩段的壩基面是一個(gè)傾向河床的斜面或折面。在水壓力作用下有向下游滑動(dòng)的趨勢(shì)；在自重作用下還有向河床滑動(dòng)的趨勢(shì)。因此，在三向荷載共同作用下，岸坡壩段的穩(wěn)定條件比河床壩段差。有可能在施工過(guò)程失穩(wěn)（國(guó)外有實(shí)例）。,四、提高抗滑穩(wěn)定性的措施,1）將壩的迎水面做成傾斜或折坡形，利用壩面上的水重來(lái)增加壩體的抗滑穩(wěn)定。適用于壩基摩擦系數(shù)較小的情況。過(guò)緩的坡度容易導(dǎo)致上游面出現(xiàn)拉應(yīng)力（1：0.11：0.2）。 2）將壩基面開(kāi)挖成傾向上游

7、的斜面，增加抗滑力。但會(huì)增加開(kāi)挖量。也可將壩基面開(kāi)挖成若干段傾向上游的斜面，形成鋸齒狀，增加抗剪能力。,提高抗滑穩(wěn)定性的措施（續(xù)）,3）利用地形、地質(zhì)特點(diǎn)，在壩踵或壩趾設(shè)置深入基巖的齒墻，增加抗力。有的采用大型鋼筋混凝土抗滑樁。 4）采用有效的防滲排水或抽水措施，降低揚(yáng)壓力。 5）利用預(yù)加應(yīng)力提高抗滑穩(wěn)定性，如預(yù)應(yīng)力錨索加固。 岸坡壩段：可采用灌漿封閉橫縫，限制其側(cè)向位移；將岸坡開(kāi)挖成高差不大、寬度足夠的平臺(tái)，增加側(cè)向抗滑力。,4 重力壩的應(yīng)力分析,目的： 驗(yàn)算大壩是否滿足強(qiáng)度要求 根據(jù)應(yīng)力分布進(jìn)行壩體混凝土分區(qū) 局部應(yīng)力集中和特殊結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài),要求： 壩體內(nèi)各部分材料的應(yīng)力不超過(guò)該種材料的

8、容許應(yīng)力，即s=s。 s=R/k 式中：R材料的極限強(qiáng)度；k材料強(qiáng)度的安全系數(shù)，一般取k=35，由建筑物的級(jí)別及工作情況確定。,計(jì)算方法：,模型試驗(yàn)、理論分析（材料力學(xué)、彈性力學(xué)、有限單元法） 材料力學(xué)法假定壩體水平截面上的垂直正應(yīng)力呈直線分布，可按材料力學(xué)的偏心受壓公式計(jì)算。結(jié)果在壩體上部2/33/4壩高范圍內(nèi)較準(zhǔn)確，靠近壩基部分不能反映地基對(duì)壩體應(yīng)力的影響，復(fù)雜部位也不能反映應(yīng)力狀態(tài)。 彈性理論法將壩體視為彈性的連續(xù)體，根據(jù)力的平衡條件、變形相容和壩體邊界條件，計(jì)算應(yīng)力。只有簡(jiǎn)單邊界可求解，對(duì)于實(shí)際的壩體和荷載條件，難以求解。 有限元法能反映復(fù)雜邊界、壩體和壩基的材料不均勻性、材料應(yīng)力應(yīng)變

9、的非線性、壩基斷層破碎帶的影響等，還可以考慮溫度應(yīng)力、地震動(dòng)應(yīng)力等。問(wèn)題是如何確定安全度標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)力和變形指標(biāo)。 設(shè)計(jì)規(guī)范：采用材料力學(xué)法。,沿壩軸線取單位長(zhǎng)度的壩體作為固接在地基上的變截面懸臂梁，按平面形變問(wèn)題計(jì)算。,1、邊緣應(yīng)力 最大和最小應(yīng)力出現(xiàn)在上下游邊緣。,一、應(yīng)力分析的材料力學(xué)法,1）水平截面上的邊緣正應(yīng)力 假定任一水平截面上的垂直正應(yīng)力呈直線分布，由材料力學(xué)偏心受壓公式計(jì)算（P37）：,截面核心水平截面寬度B的中間1/3,2）邊緣剪應(yīng)力,在上下游邊緣分別切取三角形微元體，根據(jù)平衡條件（y 方向）求得邊緣剪應(yīng)力。,3）鉛直面上的邊緣正應(yīng)力,根據(jù)上下游壩面微元體的平衡條件（x方向）求得

10、邊緣正應(yīng)力（P39）。,4）邊緣主應(yīng)力,主應(yīng)力作用面上無(wú)剪應(yīng)力，故上下游壩面為主應(yīng)力面之一，另一主應(yīng)力面與之垂直（P39）。,5）有揚(yáng)壓力時(shí)的邊緣應(yīng)力,正常運(yùn)行需考慮揚(yáng)壓力時(shí)，將揚(yáng)壓力作為一種荷載計(jì)入W和M中，首先計(jì)算邊緣垂直正應(yīng)力，然后計(jì)算其他應(yīng)力。,2、內(nèi)部應(yīng)力,1）壩體內(nèi)部的平衡條件 取單位厚度的微元體。不計(jì)揚(yáng)壓力，由x和y方向的平衡方程，可得,原則：在求得邊緣應(yīng)力后，可根據(jù)平衡條件計(jì)算壩體內(nèi)部應(yīng)力。,2）壩體水平截面上的正應(yīng)力,3）壩內(nèi)剪應(yīng)力,4）壩內(nèi)水平正應(yīng)力,5）壩內(nèi)主應(yīng)力,重力壩受力特點(diǎn)： 在空庫(kù)時(shí)，壩踵處壓應(yīng)力最大，壩趾處壓應(yīng)力最小，甚至出現(xiàn)拉應(yīng)力。 在滿庫(kù)時(shí)，壩趾處壓應(yīng)力最大

11、，壩踵處壓應(yīng)力最小，甚至出現(xiàn)拉應(yīng)力。,主應(yīng)力等值線主應(yīng)力大小,主應(yīng)力軌跡線主應(yīng)力方向,6）有揚(yáng)壓力的壩內(nèi)應(yīng)力,在材料力學(xué)法中，水平截面上的揚(yáng)壓力是作為一種外力來(lái)處理的。按偏心受壓公式可知，在全截面呈梯形(或三角形)的揚(yáng)壓力將在同一截面上引起大小相等而符號(hào)相反的應(yīng)力分布，因此，對(duì)于沿全截面呈直線分布的揚(yáng)壓力所產(chǎn)生的壩體應(yīng)力可不必進(jìn)行專門計(jì)算，只須先不考慮揚(yáng)壓力的影響，計(jì)算各點(diǎn)的應(yīng)力，然后在正應(yīng)力中分別減去揚(yáng)壓力強(qiáng)度，而剪應(yīng)力保持不變。,實(shí)際的揚(yáng)壓力,由于壩體及壩基的防滲、排水等作用，水平截面上的揚(yáng)壓力一般呈折線分布。計(jì)算時(shí)，可將揚(yáng)壓力分解為一個(gè)在全截面呈梯形或三角形分布和一個(gè)在上游部分呈局部三角

12、形分布的圖形(見(jiàn)圖227)。沿全截面呈直線分布的揚(yáng)壓力對(duì)壩體應(yīng)力的影響已如上述。對(duì)于呈局部三角形分布的揚(yáng)壓力(滲透壓力部分)引起壩體的應(yīng)力，計(jì)算方法可參閱混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范。對(duì)于中、低壩可用簡(jiǎn)化方法計(jì)算，即在利用以上公式計(jì)算壩內(nèi)應(yīng)力時(shí)，只須將局部揚(yáng)壓力計(jì)入其他荷載中一起計(jì)算即可。,規(guī)范1999：壩趾強(qiáng)度,規(guī)范1999：壩體強(qiáng)度,規(guī)范1999：壩體應(yīng)力,3、應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn),1）壩基面 運(yùn)用期在各種荷載組合情況下(地震荷載除外)，壩基面下游邊緣的最大垂直正應(yīng)力應(yīng)小于基巖容許壓應(yīng)力(分別計(jì)入和不計(jì)入揚(yáng)壓力)；壩基面上游邊緣最小正應(yīng)力應(yīng)大于零(計(jì)入揚(yáng)壓力)，即不產(chǎn)生拉應(yīng)力，以防壩體與地基接觸面被拉裂而

13、導(dǎo)致防滲帷幕的破壞。 施工期對(duì)下游壩基面的垂直正應(yīng)力可允許有不大于0.1MPa的拉應(yīng)力。 上述壩基面的容許壓應(yīng)力是根據(jù)巖石抗壓強(qiáng)度結(jié)合壩基地質(zhì)條件除以安全系數(shù)確定的。對(duì)強(qiáng)度較高但節(jié)理裂隙發(fā)育的基巖，壓應(yīng)力的安全系數(shù)采用2025；對(duì)于中等強(qiáng)度的基巖采用1020；對(duì)于強(qiáng)度較低且裂隙較少的基巖及半基巖采用510。,與分析方法有關(guān)。,運(yùn)用期 壩體上游面： 計(jì)入揚(yáng)壓力最小主應(yīng)力為壓應(yīng)力,smin=0 不計(jì)揚(yáng)壓力smin=(0.250.4)gh g為水的容重；h為壩面計(jì)算點(diǎn)的靜水頭。壩體內(nèi)部一般不允許出現(xiàn)拉應(yīng)力，但寬縫重力壩離上游壩面較遠(yuǎn)的局部區(qū)域可允許出現(xiàn)拉應(yīng)力，但不得超過(guò)混凝土的容許拉應(yīng)力；溢流壩堰頂

14、、壩內(nèi)廊道及孔洞周圍出現(xiàn)拉應(yīng)力，宜配置鋼筋。 壩體下游面： 最大主壓應(yīng)力，應(yīng)不大于混凝土的容許壓應(yīng)力。 施工期 壩體任何截面上的主壓應(yīng)力應(yīng)不大于混凝土的容許壓應(yīng)力；壩體下游面可容許不大于0.2MPa的主拉應(yīng)力。,2）壩體,混凝土的容許壓應(yīng)力，可根據(jù)其極限強(qiáng)度和相應(yīng)的安全系數(shù)來(lái)確定?；炷恋目箟喊踩禂?shù)在基本荷載組合下應(yīng)不小于4；在除地震荷載外的特殊組合情況下應(yīng)不小于3.5。當(dāng)壩體個(gè)別部位對(duì)混凝土有抗拉強(qiáng)度要求時(shí)，抗拉安全系數(shù)應(yīng)不小于4。 地震荷載是隨時(shí)間變化、短暫作用的動(dòng)荷載，由于在動(dòng)荷載作用下材料強(qiáng)度有一定提高，因此，在地震情況下，混凝土的容許壓應(yīng)力可比靜態(tài)情況下提高30%，并允許出現(xiàn)瞬時(shí)拉應(yīng)力，混凝土的抗拉安全系數(shù)不小于2.5。,混凝土的容許應(yīng)力,(1) 地基變形對(duì)壩體應(yīng)力的影響,4. 非荷載因素對(duì)壩體應(yīng)力的影響,在荷載作用下，壩基面不再保持平面，與假定不符。因此，在壩基面以上約（1/31/4）壩高范圍內(nèi)的應(yīng)力分布與材料力學(xué)計(jì)算結(jié)果差別較大。在此范圍內(nèi)的應(yīng)力分布與壩體彈性模量和地基彈性模量的比值有關(guān)。,基巖彈性模量的影響,壩體和基巖的彈性模量之比在12的范圍內(nèi)較合適。,(2) 地基不均勻?qū)误w應(yīng)力的影響,上游壩踵地基剛度較大，可能產(chǎn)生拉應(yīng)力；相反，下游壩趾地基剛度較大，有利于改善壩踵應(yīng)力。宜將下游壩趾布置在較堅(jiān)硬的巖石上。,(3) 施工縱縫對(duì)壩體應(yīng)力的影響,受澆