重力壩的抗滑穩(wěn)定分析

1、重力壩的抗滑穩(wěn)定分析教學(xué)文本水工建筑物教學(xué)資源庫項(xiàng)目組編寫2014年9月目錄1.教案計(jì)劃表- 1 -2. 教學(xué)實(shí)施- 2 -【步驟1】復(fù)習(xí)鞏固和引入新課- 2 -【步驟2】課程介紹及知識講授- 2 -（一）重力壩抗滑穩(wěn)定分析的目的和類型- 2 -（二）計(jì)算方法- 3 -（三）提高壩體抗滑穩(wěn)定性的措施- 6 -【步驟3】應(yīng)用案例講解- 6 - 案例分析- 6 -【步驟4】實(shí)訓(xùn)任務(wù)布置（或提問）- 7 -【步驟5】學(xué)生實(shí)訓(xùn)- 7 -【步驟6】評價(jià)及反饋- 9 -1.教案計(jì)劃表 表1 的教案計(jì)劃表單元名稱重力壩的抗滑穩(wěn)定分析學(xué)時(shí)2項(xiàng)目名稱重力壩設(shè)計(jì)教學(xué)地點(diǎn)多媒體教室學(xué)生角色設(shè)計(jì)輔助人員教學(xué)目標(biāo)知識目

2、標(biāo)技能目標(biāo)態(tài)度目標(biāo) 掌握重力壩抗滑穩(wěn)定分析目的和類型； 掌握重力壩抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算公式、公式含義及適用情況（單一的安全系數(shù)法、分項(xiàng)系數(shù)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法）； 掌握提高壩體抗滑穩(wěn)定的工程措施。 能計(jì)算抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)大小； 能判斷壩體的抗滑穩(wěn)定狀況，并能對不穩(wěn)定情況提出最佳的處理方案； 掌握提高壩體抗滑穩(wěn)定的工程措施。 能按時(shí)到課，遵守課堂紀(jì)律，積極回答課堂問題，按時(shí)上交作業(yè)； 課下能積極認(rèn)真練習(xí)教室布置的工作任務(wù)； 認(rèn)真完成老師布置的預(yù)習(xí)任務(wù)。能力訓(xùn)練任務(wù)及案例 完成案例任務(wù)：用單一的安全系數(shù)法或分項(xiàng)系數(shù)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法計(jì)算給定條件的非溢流重力壩抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)； 完成案例任務(wù)：根據(jù)計(jì)算

3、結(jié)果，判斷穩(wěn)定情況及處理方案（不穩(wěn)定時(shí)）。教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)重點(diǎn)：重力壩抗滑穩(wěn)定計(jì)算情況，重力壩抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算方法和各種方法的適用情況，重力壩抗滑穩(wěn)定判斷，提高壩體抗滑穩(wěn)定的措施。難點(diǎn)：重力壩抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算方法和各種方法的適用情況。教學(xué)方法、手段案例法，講練結(jié)合法，黑板、多媒體課件，動(dòng)畫。教學(xué)組織過程 復(fù)習(xí)舊課：自重、水壓力、揚(yáng)壓力、浪壓力等主要荷載的分布圖及計(jì)算方法，荷載組合方法及計(jì)算。導(dǎo)入新課：重力壩抗滑穩(wěn)定分析目的和類型，重力壩抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算公式、公式含義及適用情況（單一的安全系數(shù)法、分項(xiàng)系數(shù)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法），提高壩體抗滑穩(wěn)定的工程措施。然后，教師引入工程案例，提出問題

4、讓學(xué)生根據(jù)已講的基礎(chǔ)知識分組討論解決問題，教師輔導(dǎo)評價(jià)，學(xué)生進(jìn)行基礎(chǔ)知識的練習(xí)，教師輔導(dǎo)答疑，教師提供答案，評價(jià)此過程。教學(xué)條件工程案例；練習(xí)題；課程相關(guān)課件。作 業(yè)基礎(chǔ)試題（填空、選擇題等）、技能訓(xùn)練習(xí)題備 注2. 教學(xué)實(shí)施【步驟l】復(fù)習(xí)鞏固和引入新課教學(xué)地點(diǎn)教師任務(wù)學(xué)生任務(wù)教學(xué)條件時(shí)間（分鐘）多媒體教室學(xué)習(xí)任務(wù)引入與教師互動(dòng)回答多媒體課件5 復(fù)習(xí)鞏固：自重、水壓力、揚(yáng)壓力、浪壓力等主要荷載的分布圖及計(jì)算方法，荷載組合方法及計(jì)算。 引入新課：1）為什么要進(jìn)行重力壩抗滑穩(wěn)定分析？穩(wěn)定分析情況、方法有哪些？各種穩(wěn)定分析方法的適用情況。 2）如何提高重力壩的抗滑穩(wěn)定性？【步驟2】課程介紹及知識講授

5、教學(xué)地點(diǎn)教師任務(wù)學(xué)生任務(wù)教學(xué)條件 時(shí)間（分鐘）多媒體教室 掌握重力壩抗滑穩(wěn)定分析的目的和類型； 掌握重力壩抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算公式、公式含義及適用情況（單一的安全系數(shù)法、分項(xiàng)系數(shù)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法）； 掌握提高壩體抗滑穩(wěn)定的措施。聽課，獲取有關(guān)知識和信息多媒體課件25（一）重力壩抗滑穩(wěn)定分析的目的和類型 分析的目的：核算壩體沿壩基面或沿地基深層軟弱結(jié)構(gòu)面的抗滑穩(wěn)定安全性能（注意：滑動(dòng)面可以是水平面或傾向面）。 失穩(wěn)形式有兩種：沿壩體抗剪能力不足的薄弱面滑動(dòng)；在各種荷載作用下，上游壩踵出現(xiàn)拉應(yīng)力導(dǎo)致裂縫，或下游壩趾壓應(yīng)力過大，壩基巖體或壩體混凝土被壓碎，從而產(chǎn)生傾覆破壞。當(dāng)重力壩滿足抗滑穩(wěn)定和應(yīng)

6、力要求時(shí)，通常不必校核抗傾覆的安全性； 計(jì)算單元選?。喊雌矫鎲栴}進(jìn)行，取一個(gè)壩段或單位寬度作為計(jì)算單元。（二）計(jì)算方法 單一的安全系數(shù)法（混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范SL 319-2005） 抗剪強(qiáng)度公式（摩擦公式）：把壩體與基巖間看成是一個(gè)接觸面，而不是膠結(jié)面，其抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)Ks為（滑動(dòng)面為水平面）：式中 Ks按抗剪強(qiáng)度公式計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，表4；W作用在壩體上全部荷載的鉛直分力代數(shù)和，kN；U作用在接觸面上的揚(yáng)壓力，kN；P作用在壩體上全部荷載的水平分力代數(shù)和，kN； f 壩體混凝土與壩基的接觸面間的抗剪摩擦系數(shù)，缺乏試驗(yàn)資料時(shí)，可按表2、表3選用。當(dāng)滑動(dòng)面為傾向面時(shí)，其抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

7、Ks為： 式中 接觸面與水平面間的夾角，當(dāng)接觸面傾向上游時(shí)為正，反之為負(fù)。由于抗剪強(qiáng)度公式未考慮壩體混凝土與基巖間的膠結(jié)作用，因此該公式不能完全反映壩的實(shí)際工作狀態(tài)，只是一個(gè)抗滑穩(wěn)定的安全指標(biāo)。當(dāng)壩基巖體內(nèi)存在軟弱結(jié)構(gòu)面、緩傾角裂隙時(shí)，需核算深層抗滑穩(wěn)定。根據(jù)滑動(dòng)面的分布情況綜合分析后，可分為單滑面、雙滑面和多滑面計(jì)算模式，以剛體極限平衡法計(jì)算為主，必要時(shí)可輔以有限元法、地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)等方法分析深層抗滑穩(wěn)定，并進(jìn)行綜合評定，其成果可作為壩基處理方案選擇的依據(jù)。表2 壩基巖體力學(xué)參數(shù)表3 結(jié)構(gòu)面、軟弱層和斷層力學(xué)參數(shù)表4 抗滑穩(wěn)定的安全系數(shù)Ks、Ks 抗剪斷強(qiáng)度公式：認(rèn)為壩體與基巖膠結(jié)良好，滑

8、動(dòng)面上的阻滑力包括抗剪斷摩擦力和抗剪斷凝聚力，其抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)由下式計(jì)算（滑動(dòng)面為水平面）： 當(dāng)滑動(dòng)面為傾向面時(shí)，其抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)Ks 為： 式中 K s按抗剪斷強(qiáng)度公式計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，表4；f 壩體混凝土與壩基的接觸面間的抗剪斷摩擦系數(shù)；c 壩體混凝土與壩基的接觸面間的抗剪斷凝聚力； A 壩體與壩基接觸面的面積，m2。其他符號意義同前。該公式考慮了壩體的膠結(jié)作用，計(jì)入了摩擦力和凝聚力，是比較符合壩的實(shí)際工作狀態(tài)的，物理概念也比較明確。f 、c值，當(dāng)無實(shí)驗(yàn)資料時(shí)，可參考表2、表3選用。 分項(xiàng)系數(shù)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法（混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范DL 5108-1999） 壩基面水平時(shí)抗滑穩(wěn)定

9、作用效應(yīng)函數(shù)：抗力函數(shù)：壩基面抗滑穩(wěn)定條件：式中：0結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)； 設(shè)計(jì)狀況系數(shù)；S（·）作用效應(yīng)函數(shù)； R（·）結(jié)構(gòu)及構(gòu)件抗力函數(shù)； d基本組合結(jié)構(gòu)系數(shù)。WR作用在壩體上全部荷載設(shè)計(jì)值(包括揚(yáng)壓力U，下同) 的鉛直分力代數(shù)和，kN；PR作用在壩體上全部荷載設(shè)計(jì)值的水平分力代數(shù)和，kN；fR壩體混凝土與壩基的接觸面間的抗剪斷摩擦系數(shù)（設(shè)計(jì)值）；cR壩體混凝土與壩基的接觸面間的抗剪斷凝聚力（設(shè)計(jì)值），kpa； A 壩體與壩基接觸面的面積，m2。 壩基面傾斜時(shí)抗滑穩(wěn)定作用效應(yīng)函數(shù)：抗力函數(shù)：壩基面抗滑穩(wěn)定條件： 符號意義同前。（三）提高壩體抗滑穩(wěn)定性的措施 當(dāng)壩體的抗滑穩(wěn)定安

10、全系數(shù)不能滿足要求時(shí)，除改變壩體的剖面尺寸外，還可以采取以下的工程措施提高壩體的穩(wěn)定性。 利用水重。將壩體的上游面做成傾向上游的斜面或折坡面，利用壩面上的水重增加壩的抗滑力，以達(dá)到提高壩體穩(wěn)定的目的。 減小揚(yáng)壓力。通過結(jié)構(gòu)措施或工程措施加強(qiáng)防滲排水，以達(dá)到減小揚(yáng)壓力的目的。 提高壩基面的抗剪斷參數(shù)f 、c值。措施有：將壩基開挖成“大平小不平”等形式；對整體性較差的地基進(jìn)行固結(jié)灌漿；設(shè)置齒墻或抗剪鍵槽等。 預(yù)應(yīng)力錨固措施。一般是在靠近壩體上游面采用深孔錨固預(yù)應(yīng)力鋼索，既增加了壩體穩(wěn)定性，又可消除壩踵處的拉應(yīng)力。 其他。如增大筑壩材料重度（在壩體混凝土中埋置重度大的塊石），或?qū)位骈_挖成傾向上游

11、的斜面，借以增加抗滑力，提高穩(wěn)定性?！静襟E3】應(yīng)用案例講解教學(xué)地點(diǎn)教師任務(wù)學(xué)生任務(wù)教學(xué)條件時(shí)間（分鐘）多媒體教室背景資料介紹聽課，獲取有關(guān)知識和信息多媒體課件背景資料5教學(xué)內(nèi)容及要求： 案例分析案例4：根據(jù)“單元3”所擬定的非溢流壩基本剖面和荷載計(jì)算成果，當(dāng)f =0.8，c=500kPa時(shí)，分析“正常蓄水位情況”下重力壩的抗滑穩(wěn)定性。解：Ks=3故在正常蓄水位情況下，壩基面的抗滑穩(wěn)定性滿足要求?！静襟E4】實(shí)訓(xùn)任務(wù)布置（或提問）教學(xué)地點(diǎn)教師任務(wù)學(xué)生任務(wù)教學(xué)條件時(shí)間（分鐘）多媒體教室布置背景資料分析實(shí)訓(xùn)任務(wù)接受任務(wù)多媒體課件， 背景資料教學(xué)內(nèi)容及要求：根據(jù)“單元2【步驟4】實(shí)訓(xùn)任務(wù)布置”所給的已知

12、條件和擬定的非溢流壩基本剖面，當(dāng)f Rk=0.82，c Rk=600kPa，0=1.0，=1.0，d=1.2時(shí)，分析“設(shè)計(jì)洪水位情況”下重力壩的抗滑穩(wěn)定性。訓(xùn)練內(nèi)容：1）計(jì)算重力壩的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；2）比較當(dāng)f =0.4時(shí)，重力壩的抗滑穩(wěn)定性?！静襟E5】學(xué)生實(shí)訓(xùn)教學(xué)地點(diǎn)教師任務(wù)學(xué)生任務(wù)教學(xué)條件提交成果時(shí)間（分鐘）水工實(shí)訓(xùn)室輔導(dǎo)、解惑分組進(jìn)行背景資料分析水工實(shí)訓(xùn)室，背景資料背景資料分析報(bào)告5教學(xué)內(nèi)容及要求：1）給予必要的教學(xué)提示，如選擇計(jì)算公式，進(jìn)行荷載組合；2）學(xué)生相互檢查，比較計(jì)算成果；參考答案：解： 荷載計(jì)算及組合（見表5） 以設(shè)計(jì)洪水位情況為例進(jìn)行穩(wěn)定和應(yīng)力的極限狀態(tài)驗(yàn)算（其它情況略）

13、。 設(shè)計(jì)洪水情況的荷載組合：自重+靜水壓力+淤沙壓力+揚(yáng)壓力+浪壓力。 計(jì)算對象：沿壩軸線取單位長度1m計(jì)算。表5 基本組合（設(shè)計(jì)洪水位情況）時(shí)荷載計(jì)算表(荷載)作用(分項(xiàng)系數(shù))計(jì)算公式作用標(biāo)準(zhǔn)值作用設(shè)計(jì)值垂直力水平力垂直力水平力自重(1.0)W1（1/2)×4×20×24×1960   960   W25×30×24×13600   3600   W3(1/2)×××24&#

14、215;14893   4893   水平水壓力(1.0)PH1(1/2)××292×1      PH2(1/2)××52×1      垂直水壓力(1.0)PV1×4×9×1      PV2(1/2)××4×20×1

15、0;     PV3(1/2)×××5×1      泥沙壓力(1.2)PSKH2×tan2(45°-18°/ 2）×(1/2)×      PSKV(1/2)××××0.2) ×1      浪壓力(1.2)PWK×1

16、1.478(1.124+0.346)×(1/4)      小計(jì)  浮托力(1.0)U1××5×1      滲透力(1.2)U2××24××1      U3(1/2)×××24××1      U4(1/2)××(24-24×0.25) ××1      小計(jì)