水工建筑物第三講-2003剖面穩(wěn)定分析

1、水工建筑物,第三講,主講教授：,李慶斌,2003,年春,重力壩的荷載,（擋水壩段的主要荷載）,Seismic,load,二、荷載組合,(Load combinations),荷載的分類,( Category of loads),作用在壩上的荷載，分為：,基本荷載,(essential loads),經(jīng)常地、長期地起作用的荷載,特殊荷載,(exceptional loads),偶然起作用的荷載,基本荷載,（,1,）,壩體及其上永久設(shè)備,的自重；,（,2,）,正常蓄水位,(normal maximum level, maximum retention,level),或,設(shè)計(jì)洪水位,(design

2、flood level),時(shí)的靜水壓力；,（,3,）相應(yīng)于,正常蓄水位或設(shè)計(jì)洪水位,時(shí)的揚(yáng)壓力；,（,4,）泥沙壓力；,（,5,）相應(yīng)于,正常蓄水位或設(shè)計(jì)洪水,位,時(shí)的浪壓力；,（,6,）冰壓力；,（,7,）土壓力；,（,8,）相應(yīng)于,設(shè)計(jì)洪水位,時(shí)的動水壓,力；,（,9,）其它出現(xiàn)機(jī)會較多的荷載,。,特殊荷載,(exceptional loads),（,11,）相應(yīng)于,校核洪水位,時(shí)的揚(yáng)壓力；,（,12,）相應(yīng)于,校核洪水位,時(shí)浪壓力；,（,13,）相應(yīng)于,校核洪水位,時(shí)的動水壓力；,（,10,）,校核洪水位,(spillway design flood level),時(shí)的靜水壓力；,（,1

3、4,）地震荷載；,（,15,）其它出現(xiàn)機(jī)會很少的荷載。,荷載組合,(,load combination,),荷,載,組,合,可,分,為,基,本,組,合,(,usual,load,combination,),和,特殊組合,(,unusual,or,extreme,load,combination,),兩類。,基本組合,屬正常情況，由同時(shí)出,現(xiàn)的幾種基本荷載所組成。,特殊組合,屬校核情況，由同時(shí)出,現(xiàn)的基本荷載和一種或幾種特殊荷,載所組成。設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)從這兩類組,合中選擇幾種最不利的、起控制作,用的組合情況進(jìn)行計(jì)算。,荷載組合表,查表注意事項(xiàng),?,應(yīng)根據(jù)各種荷載同時(shí)作用的實(shí)際可能,性，選擇計(jì)算中,最

4、不利的荷載組合,。,?,分期施工的壩應(yīng)按相應(yīng)的荷載組合,分,期進(jìn)行計(jì)算,。,?,施工期的情況應(yīng)作必要的核算，作為,特殊組合。,?,根據(jù)地質(zhì)和其它條件，如考慮運(yùn)用時(shí),排水設(shè)備易于堵塞，須經(jīng)常維修時(shí)，應(yīng),考慮排水失效的情況作為特殊組合。,對于荷載組合,各國的習(xí)慣做法,日,本,:,?,在壩體穩(wěn)定計(jì)算中，一般不計(jì),冰壓力,只考慮波浪的影響,.,?,冬季波浪和冰壓力不會同時(shí)產(chǎn)生，,?,在壩體上部，冰壓力和浪壓力兩者的,影響的差別較小，而在壩的下部對只考,慮波浪作用的計(jì)算一般偏于安全,.,?,不考慮,溫度荷載,。,其他各國習(xí)慣做法,(,續(xù),),美國,:,?,美國墾務(wù)局規(guī)定重力壩荷載組合匯總,沒有,浪壓力而

5、有冰壓力,等。,?,規(guī)定對于橫向灌漿的收縮縫，由溫度升高,體積膨脹引起水平推力，將在兩岸壩肩上產(chǎn),生扭轉(zhuǎn)作用和附加荷載；由于溫差作用，會,造成壩內(nèi)孔洞附近的應(yīng)力惡化，對這兩種情,況應(yīng)考慮,溫度荷載,。,本節(jié)完,2.3,重力壩的斷面設(shè)計(jì),(cross-sectional profile),斷面設(shè)計(jì)的基本經(jīng)驗(yàn),斷面設(shè)計(jì)的主要原則,基本斷面的確定,重力壩的實(shí)用斷面,斷面設(shè)計(jì)的基本經(jīng)驗(yàn),設(shè)計(jì)重力壩時(shí)，要先進(jìn),行,粗略估算,，并,參照,已建重,力壩的,實(shí)例,，初步定出一個(gè),斷面，進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，再修,改斷面。即所謂“,先設(shè)后,計(jì),”。,返回,斷面設(shè)計(jì)的主要原則,滿足穩(wěn)定和強(qiáng)度要求,-,以保證大壩安全,力求

6、斷面較小,-,以節(jié)省壩體工程量；,斷面外形輪廓簡單,-,以利于施工,返回,基本剖面,(original profile),的確定,基本剖面,的定義：,所謂基本剖面是,指壩體在,自重,、,庫水,壓力,和,揚(yáng)壓力,三項(xiàng)主,要荷載作用下，,滿足,強(qiáng)度和穩(wěn)定要求,的、,最小,的,三角形,斷面。,基本剖面的確定,(,續(xù),),按,強(qiáng)度,(strength),控制條件,確定基本斷面,：,混凝土材料的抗壓強(qiáng)度比較高，而抗拉能力較,低，僅為（,1/81/12,）抗壓強(qiáng)度，重力壩除高度超過,200m,的外，其他壩內(nèi)壓應(yīng)力均較低，不控制。,通用的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是應(yīng)避免壩體上游面產(chǎn)生拉應(yīng),力，這同時(shí)也能保證壩體內(nèi)部也不出現(xiàn)

7、拉應(yīng)力。,基本剖面的確定,(,續(xù),),在庫滿時(shí),，按材力偏心受壓公式計(jì)算壩底,水平截面的邊緣正應(yīng)力：（壓為正）,W,6,?,M,?,?,?,?,2,B,B,式中：垂直力合力,對壩底斷面的合力矩,B,2,h,h,2,2,?,M,?,12,(,?,h,?,2,?,h,?,?,3,?,?,2,?,?,2,?,B,2,?,?,),基本剖面的確定,(,續(xù),),代入后求得上游壩面,:,h,2,?,yu,?,h,?,h,(,1,?,?,),?,?,(,2,?,?,),?,?,?,?,2,B,下游壩面,:,2,h,?,yd,?,?,h,(,?,h,?,?,?,?,),?,?,B,?,令上游壩面應(yīng)力,yu,=0

8、,得,B,1,?,（,*,）,h,?,h,(,1,?,?,),?,(,2,?,?,),?,?,?,基本剖面的確定,(,續(xù),),為使,B,為最小，可令上式的微分為零，簡,化整理得：,?,?,1,?,?,h,2,?,（,*,）,3,?,h,?,24,KN,/,m,得：,?,取,0.2,，即,上游面成為,倒懸,(adverse gradient,overhang),，這對施工是很不利的。,基本剖面的確定,(,續(xù),),?,0,，則,在庫空時(shí),，,?,?,?,?,h,(,1,?,?,),，,?,?,?,h,?,yu,h,yd,h,由第二式可知，,0,必須滿足，否則下游面會有,拉應(yīng)力產(chǎn)生。,實(shí)際上,?,?

9、,0,，多取,，即上游面垂直，,B,?,1,這時(shí),h,?,h,若取,?,h,?,?,?,?,24,KN,/,m,，,?,10,KN,/,m,B,當(dāng),?,?,0,.,2,時(shí)，,m,?,0,.,67,h,當(dāng),?,?,0,.,4,時(shí)，,m,0.71,3,3,，,基本剖面的確定,(,續(xù),),按,穩(wěn)定,(,sliding stability,),條件,確定基本斷,面：（,作為粗估斷面，可用抗剪公式,）,按,摩擦概念,計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全,系數(shù)公式為,:,基本剖面的確定,(,續(xù),),抗滑穩(wěn)定安全系數(shù),(,safety factor,),表（摩擦公式）,荷載組合,基本組合,1,特殊,組合,2,1,1.10,1

10、.05,1.00,2,3,1.05,1.05,1.00,1.00,1.00,1.00,基本剖面的確定,(,續(xù),),將,?,P,、,?,W,代入抗剪強(qiáng)度公式，假設(shè),?,0,，整理得：,B,K,?,?,h,f,(,h,?,?,?,),B,若取,?,h,?,24,KN,/,m,，,?,?,0,.,3,，,f,?,0,.,7,，,k,1.05,，,則求得,h,?,0,.,71,，,B,與強(qiáng)度公式得到的,h,相比，當(dāng)良好巖石,f,0.7,時(shí)，兩,3,者所得斷面基本一致；但若巖石條件較差，,f,0.5,，,B,則求得,h,1.0,，即由穩(wěn)定條件確定的壩底寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)的,大于強(qiáng)度條件確定的壩底寬，這時(shí)，應(yīng)將上游

11、面傾斜,(batter),，以利用上游的水重增加穩(wěn)定。,返回,重力壩的實(shí)用斷面,(,applied profile,),重力壩的基本剖面確定后，需考慮其他荷載和運(yùn),用條件，修正基本斷面,(,如圖,),。,?,如果有泥沙壓力、冰壓力，則需,加寬壩體,；,?,如果有風(fēng)浪則需要,加高壩體,，以免,庫水翻過壩頂；,?,如果考慮壩上交通，則需要,加寬,壩頂,。,實(shí)用斷面與基本斷面的關(guān)系,back,實(shí)用斷面的壩頂超高計(jì)算,壩頂超過靜水位的高度按下式計(jì)算,D,h,?,2,h,?,h,?,h,l,0,c,式中,:,2h,l,浪高。,h,0,波浪中心高度,h,c,安全超高，見,下表,設(shè)計(jì)壩頂高程,max,（,設(shè)

12、計(jì)洪水位正常運(yùn),用的,D,h,，,校合洪水位非常運(yùn)用的,D,h,）,本節(jié)完,2.4,重力壩的抗滑穩(wěn)定分析,抗滑穩(wěn)定分析是重力壩設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要內(nèi)容。,目的,核算壩體沿壩基面或沿地基深,層較弱結(jié)構(gòu)面抗滑穩(wěn)定的安全度。,分析方法,剛體極限平衡法,(rigid,limit equilibrium method),；有限單元法,；模型試驗(yàn)法。,問題分類,?,按平面問題分析,各壩段獨(dú)立受力。,?,按空間問題分析,壩基內(nèi)斷層多條相,互切割交錯構(gòu)成空間滑動體；地形陡峻的,岸坡段。,抗滑穩(wěn)定分析,本課程只講,剛體極限平衡法,就是將斷裂面（指壩體,、巖體或大壩與壩體組成的滑裂體等）看成剛體，不考慮,滑裂體本身和

13、滑裂體之間變形的影響，也不考慮滑裂面上,應(yīng)力分布情況，僅考慮滑裂面上的合力（正壓力、重力）,，而忽略力矩的作用效應(yīng)。,重力壩失穩(wěn)模式,沿壩基面的抗滑穩(wěn)定分析,深層抗滑穩(wěn)定分析,提高抗滑穩(wěn)定的措施,重力壩穩(wěn)定破壞,(,失穩(wěn),),的模式,表面滑動,淺層滑動,深層滑動,我國修建了大中型重力壩,100,余座，,其中有,1/3,存在深層滑動問題。,返回,沿壩基面的抗滑穩(wěn)定分析,穩(wěn)定破壞機(jī)理,：,比較復(fù)雜，取決于地基條件。對于均勻地,基情況，其,破壞過程,是：,1,）在壩踵處巖基和膠合面,出現(xiàn)微裂松弛,區(qū),；,2,）在壩踵處基巖和膠合面出現(xiàn)局部剪切,屈服，進(jìn)而屈服范圍逐漸增大并,向上游延伸,；,3,）,形

14、成滑動通道,，導(dǎo)致大壩的整體失穩(wěn)。,分析時(shí)，以一個(gè)壩段或取單寬計(jì)算，,計(jì)算公式有,抗剪強(qiáng)度公式,和,抗剪斷公式,。,壩基面滑動,抗剪強(qiáng)度公式,壩體與壩基間看成是一個(gè)接觸面，而不是交接面。,當(dāng)接觸面呈水平時(shí)，其,抗滑穩(wěn)定安全系數(shù),為：,W,?,U,K,s,?,?,f,?,?,P,?,W,其中：,接觸面上的總重力,?,P,接觸面上的總水平力,U,作用在接觸面上的揚(yáng)壓力,f,接觸面間的摩擦系數(shù),壩基面滑動,抗剪強(qiáng)度公式（續(xù)）,當(dāng)接觸面傾向上游時(shí)，并有,的夾,角時(shí)，其,抗滑穩(wěn)定安全系數(shù),為：,可以看出，微傾向上,游對,Ks,有利。,摩擦系數(shù),f,的選取問題,一般由若干組,試驗(yàn)確定,。但由于試驗(yàn)巖,體自

15、身的非均勻性質(zhì)和每次試驗(yàn)條件不可能,完全相同，導(dǎo)致試驗(yàn)成果具有較大的離散性，,如何選用試驗(yàn)值，還值得研究。,我國,78,規(guī)范規(guī)定，,f,的最后選,取應(yīng)以野外和室內(nèi)試驗(yàn)成果為基,礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，參照地,質(zhì)條件類似的已建工程的經(jīng)驗(yàn)等，,由地質(zhì)、試驗(yàn)和設(shè)計(jì)人員研究確,定。,摩擦系數(shù),f,的選取問題（,續(xù),）,根據(jù)國內(nèi)外已建工程的統(tǒng)計(jì)資料，混凝土,與基巖的,f,值常取在,0.5,0.8,之間。,摩擦系數(shù)的選定直接關(guān),系到大壩的造價(jià)與安全,，,f,值,愈小，要求壩體剖面愈大。,以新安江為例，若,f,值減小,0.01,，壩體混凝土方量增加,2,萬,m,3,壩基面滑動,抗剪斷公式,認(rèn)為壩體與基巖接觸良

16、好，直接采用接觸面,上的抗剪斷參數(shù),f,、,c,計(jì)算抗滑穩(wěn)定安全,系數(shù)，即：,f,抗剪斷摩擦系數(shù),c,抗剪斷凝聚力,f,c的選取,對于大、中型工程，在,設(shè)計(jì)階段,，,f,c,應(yīng),由野外及室內(nèi)試驗(yàn)成果決定。在,規(guī)劃和可行性研究階,段,，可以參考規(guī)范給定的數(shù)值選用。規(guī)范規(guī)定如下：,類基巖,很好的巖石，,f,1.2,1.5,c,1.3,1.5Mpa,類基巖,好的巖石，,f,1.0,1.3, c,1.1,1.3Mpa,類基巖,中等的巖石，,f,0.9,1.2, c,0.7,1.1Mpa, 類基巖,較差的巖石,，,f,0.7,0.9, c,0.3,f,c的選取（,續(xù),）,注意：,上述結(jié)果不包括基巖內(nèi)有軟

17、弱夾層,的情況；同時(shí)，膠結(jié)面的,f,c,值不能高于混,凝土的,f,c,；對于、類基巖，如果建,基面做成較大的起伏差，,可采用混凝土的抗剪斷,參數(shù),。,f,?,0,.,65,，,c,?,2.8MPa,f,?,?,1,.,0,1,.,2,，,c,?,0.1,美國墾務(wù)局采用,混凝土,參數(shù)，今年來有所提高，大致為,倍混凝土抗壓強(qiáng)度。,抗剪強(qiáng)度公式和,抗剪斷公式選用,從上述兩個(gè)公式看出，,抗剪公式,忽略了凝,聚力，不合乎實(shí)際，而,抗剪斷公式,則考慮，物,理概念明確，比較符合壩體的實(shí)際情況，逐漸,采用較多。,我國,SDJ21,78,補(bǔ)充規(guī)定中建議,：當(dāng),壩基內(nèi)不存在可能導(dǎo)致深層活動的軟弱面時(shí)，,應(yīng)按抗剪斷

18、強(qiáng)度公式計(jì)算；對中型工程中的中、,低壩，也可按抗剪強(qiáng)度公式計(jì)算。,返回,深層抗滑穩(wěn)定分析,當(dāng)壩基內(nèi)存在不利的緩傾角軟弱結(jié)構(gòu)面時(shí)，,在水荷載作用下，壩體有可能連同部分基巖沿,軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生滑移，即所謂的,深層滑動,。,地基深層滑動情況十分復(fù)雜，失穩(wěn)和計(jì)算,方法還在探索之中。在設(shè)計(jì)中，應(yīng)該：,?,查明地基中主要缺陷，確定失穩(wěn)邊界，測定,抗剪強(qiáng)度參數(shù)；,?,選擇合理的計(jì)算方法，并規(guī)定相應(yīng)的安全系,數(shù)；,?,選擇提高深層穩(wěn)定性的措施，滿足安全系數(shù)。,深層抗滑穩(wěn)定分析,在深層抗滑穩(wěn)定分析中，一般根據(jù),深層抗滑體的不同，,分為,：,單斜面深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算,雙斜面深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算,多斜面深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算（不

19、講）,單斜面深層抗滑穩(wěn)定分析,當(dāng)滑裂面,只有一個(gè)軟弱面,時(shí)，壩體,與滑裂面上的部分地基可以聯(lián)合起來視,作剛體，用,抗剪強(qiáng)度公式,計(jì)算安全系數(shù)。,但是對于要求的安全系數(shù)，尚無明確規(guī),定，一般取為,K,s,?,1,.,05,1,.,3,返回,雙斜面深層抗滑穩(wěn)定分析,在更多的實(shí)際工程中，深,層滑動面不是一個(gè)簡單的平面，,而是呈復(fù)雜的形狀，譬如兩個(gè),斜面（,如圖所示,）,，,AB,是一條,緩傾角夾層和軟弱面，稱,為主,滑動面,，,BC,是另一條,輔助破裂,面,，切穿地表。,BC,的位置可根,據(jù)地基內(nèi)的反傾向節(jié)理擬定，,或通過試算選取一條最不利的,破裂面。,雙斜面深層抗滑穩(wěn)定分析,計(jì)算時(shí)將滑移體分成兩區(qū)

20、，在其分,界面,BD,上，引入一個(gè)需要事先假定與,水平面成角的內(nèi)力,R,（抗力）。,分別令區(qū)或區(qū)處于極限平衡狀,態(tài)，即可演繹出三種不同的計(jì)算方法；,剩余推力法,被動抗力法,等安全系數(shù)法,（,1,）剩余推力法,先令區(qū)處于極限平衡狀態(tài),，其,沿,AB,面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為,1,，則：,?,P,cos,?,?,?,W,sin,?,?,f,?,?,W,cos,?,?,?,P,sin,?,?,R,sin(,?,?,?,),?,U,?,1,1,1,1,?,c,1,A,1,?,R,cos(,?,?,?,),利用上式求得,R,（,1,）剩余推力法,再計(jì)算區(qū)沿,BC,面的抗滑穩(wěn)定安全,系數(shù),K,2,：,f,2,R,sin(,?,?,?,),?,W,2,cos,?,?,U,2,?,c,2,A,2,K,2,?,R,cos(,?,