水工建筑物(重力坝)教学ppt课件02 重力坝2稳定应力全解.ppt

3 重力坝的稳定分析,目的：验算重力坝在各种可能荷载组合下的稳定安全度。破坏模式：沿坝基面或软弱面的滑动破坏；坝体连同坝基的倾倒滑移破坏。包括：沿坝基面、沿坝基深层、岸坡坝段,一、沿坝基面的抗滑稳定分析,对于重力坝，要求任意一个剖面（截面）上均满足稳定条件。通常，岩基上的重力坝，坝体混凝土和基岩的接触面往往是一个薄弱面，这是因为：（1）两种材料的接触面，抗剪强度较低、坝体水平推力大（2）混凝土干缩可能产生裂缝因此，只要该接触面上满足抗滑稳定要求，则该坝体就能满足稳定要求。,（1）计算公式,A、摩擦公式把滑动面看作是接触面（不是胶结面），滑动面上的抗滑力只计摩擦力，不计凝聚力。滑动面可水平，也可倾斜。,抗滑稳定安全系数建筑物的抗滑力与建筑物所受的滑动力之比，用K表示。,可见，滑动面倾向上游时，对坝体抗滑稳定有利；倾向下游时，对坝体稳定不利。在进行坝基开挖时，应尽量考虑这一影响。,B、抗剪断强度公式,认为坝体与基岩胶结良好，滑动面上的抗滑力包括摩擦力和凝聚力。通过胶结面的抗剪断试验确定抗剪断强度参数。,比较：,摩擦公式忽略了坝体与基岩的胶结作用，不能完全反映坝的实际工作状态。不计凝聚力的抗滑作用，故取较低的安全系数。特点：公式简单、概念明确、使用方便，参数选用经验丰富。凝聚力作为一种安全储备，基岩越坚固完整，胶结越好，安全储备度越高。因此，尽管采用同一安全系数，各工程的真正安全度是不同的。抗剪断强度公式考虑了坝体与基岩的胶结作用，计入了全部的抗滑力，符合实际工作状态。特点：物理概念明确。国内外发展趋势。规范要求：大型工程用抗剪断强度公式；中小型工程可以用摩擦公式。,（2）计算参数,参数取值偏大，稳定没有保证；参数取值偏小，保守、造成浪费。,f值的选取，参考室外试验的屈服极限值（塑性破坏）或比例极限值（脆性破坏）以及市内试验成果。f和c值指室外现场试验测定峰值的小值平均，且考虑室内试验成果。由地质、试验、设计三方人员共同分析研究确定。,规范1999抗滑稳定,抗滑稳定极限状态的效应和抗力函数,二、坝基深层抗滑稳定分析,当坝基内有缓倾角结构面及不利地形时，应核算坝体和坝基岩体的抗滑稳定性。由于地质构造不同，其坝基失稳机理也是各不相同，应作专门研究。关键是确定控制性的软弱结构面的产状和参数。稳定分析方法：刚体极限平衡法有限单元法地质力学模型试验法DEM和DDANMM等,软弱夹层的安全度标准,超载法将作用在坝体上的外荷载分级逐渐加大，直到滑动面的抗滑稳定处于临界状态，外荷载增大的倍数即为抗滑稳定安全系数。强度储备法降低软弱夹层和尾岩抗力体的抗剪参数值，直到滑动面的抗滑稳定处于临界状态，抗剪参数的降低倍数即为抗滑稳定安全系数。剪力比例法由FEM计算在设计荷载作用下滑动面上的正应力和剪应力分布，求出滑动面上总的抗滑力和滑动力，两者的比值即为抗滑稳定安全系数。,1、被动抗力法,假定DBC块处于极限平衡状态，求出抗力R，然后将抗力R作用在滑动块ABD上，按抗剪断公式（或摩擦公式）求出滑动体的稳定安全系数。见P32式（2-20）、（2-21）。抗力R的方向与分界面上的摩擦特性有关，较难确定。近似取界面上的摩擦系数除以安全系数。特点：概念清楚，不需试算，但ABD和BCD块的安全系数不同，不合理。,2、等安全系数法,按ABD块和DBC块具有相等的抗滑稳定安全系数来计算。列出沿AB面和BC面上的抗滑稳定安全系数，用试算法或迭代法求解。见P33式（2-22）、（2-23）。特点：更合理，计算较繁。由于坝基滑动面、抗裂面的抗滑力受岩石性质、产状等因素影响，计算精度较低。要求的抗滑稳定安全系数较坝基面大1.11.3倍。BD面可以是实际存在的构造面，也可以是假设的破裂面。,三、岸坡坝段抗滑稳定,岸坡坝段的坝基面是一个倾向河床的斜面或折面。在水压力作用下有向下游滑动的趋势；在自重作用下还有向河床滑动的趋势。因此，在三向荷载共同作用下，岸坡坝段的稳定条件比河床坝段差。有可能在施工过程失稳（国外有实例）。,四、提高抗滑稳定性的措施,1）将坝的迎水面做成倾斜或折坡形，利用坝面上的水重来增加坝体的抗滑稳定。适用于坝基摩擦系数较小的情况。过缓的坡度容易导致上游面出现拉应力（1：0.11：0.2）。2）将坝基面开挖成倾向上游的斜面，增加抗滑力。但会增加开挖量。也可将坝基面开挖成若干段倾向上游的斜面，形成锯齿状，增加抗剪能力。,提高抗滑稳定性的措施（续）,3）利用地形、地质特点，在坝踵或坝趾设置深入基岩的齿墙，增加抗力。有的采用大型钢筋混凝土抗滑桩。4）采用有效的防渗排水或抽水措施，降低扬压力。5）利用预加应力提高抗滑稳定性，如预应力锚索加固。岸坡坝段：可采用灌浆封闭横缝，限制其侧向位移；将岸坡开挖成高差不大、宽度足够的平台，增加侧向抗滑力。,4 重力坝的应力分析,目的：验算大坝是否满足强度要求根据应力分布进行坝体混凝土分区局部应力集中和特殊结构的应力状态,要求：坝体内各部分材料的应力不超过该种材料的容许应力，即s=s。s=R/k式中：R材料的极限强度；k材料强度的安全系数，一般取k=35，由建筑物的级别及工作情况确定。,计算方法：,模型试验、理论分析（材料力学、弹性力学、有限单元法）材料力学法假定坝体水平截面上的垂直正应力呈直线分布，可按材料力学的偏心受压公式计算。结果在坝体上部2/33/4坝高范围内较准确，靠近坝基部分不能反映地基对坝体应力的影响，复杂部位也不能反映应力状态。弹性理论法将坝体视为弹性的连续体，根据力的平衡条件、变形相容和坝体边界条件，计算应力。只有简单边界可求解，对于实际的坝体和荷载条件，难以求解。有限元法能反映复杂边界、坝体和坝基的材料不均匀性、材料应力应变的非线性、坝基断层破碎带的影响等，还可以考虑温度应力、地震动应力等。问题是如何确定安全度标准、应力和变形指标。设计规范：采用材料力学法。,沿坝轴线取单位长度的坝体作为固接在地基上的变截面悬臂梁，按平面形变问题计算。,1、边缘应力最大和最小应力出现在上下游边缘。,一、应力分析的材料力学法,1）水平截面上的边缘正应力假定任一水平截面上的垂直正应力呈直线分布，由材料力学偏心受压公式计算（P37）：,截面核心水平截面宽度B的中间1/3,2）边缘剪应力,在上下游边缘分别切取三角形微元体，根据平衡条件（y 方向）求得边缘剪应力。,3）铅直面上的边缘正应力,根据上下游坝面微元体的平衡条件（x方向）求得边缘正应力（P39）。,4）边缘主应力,主应力作用面上无剪应力，故上下游坝面为主应力面之一，另一主应力面与之垂直（P39）。,5）有扬压力时的边缘应力,正常运行需考虑扬压力时，将扬压力作为一种荷载计入W和M中，首先计算边缘垂直正应力，然后计算其他应力。,2、内部应力,1）坝体内部的平衡条件取单位厚度的微元体。不计扬压力，由x和y方向的平衡方程，可得,原则：在求得边缘应力后，可根据平衡条件计算坝体内部应力。,2）坝体水平截面上的正应力,3）坝内剪应力,4）坝内水平正应力,5）坝内主应力,重力坝受力特点：在空库时，坝踵处压应力最大，坝趾处压应力最小，甚至出现拉应力。在满库时，坝趾处压应力最大，坝踵处压应力最小，甚至出现拉应力。,主应力等值线主应力大小,主应力轨迹线主应力方向,6）有扬压力的坝内应力,在材料力学法中，水平截面上的扬压力是作为一种外力来处理的。按偏心受压公式可知，在全截面呈梯形(或三角形)的扬压力将在同一截面上引起大小相等而符号相反的应力分布，因此，对于沿全截面呈直线分布的扬压力所产生的坝体应力可不必进行专门计算，只须先不考虑扬压力的影响，计算各点的应力，然后在正应力中分别减去扬压力强度，而剪应力保持不变。,实际的扬压力,由于坝体及坝基的防渗、排水等作用，水平截面上的扬压力一般呈折线分布。计算时，可将扬压力分解为一个在全截面呈梯形或三角形分布和一个在上游部分呈局部三角形分布的图形(见图227)。沿全截面呈直线分布的扬压力对坝体应力的影响已如上述。对于呈局部三角形分布的扬压力(渗透压力部分)引起坝体的应力，计算方法可参阅混凝土重力坝设计规范。对于中、低坝可用简化方法计算，即在利用以上公式计算坝内应力时，只须将局部扬压力计入其他荷载中一起计算即可。,规范1999：坝趾强度,规范1999：坝体强度,规范1999：坝体应力,3、应力控制标准,1）坝基面运用期在各种荷载组合情况下(地震荷载除外)，坝基面下游边缘的最大垂直正应力应小于基岩容许压应力(分别计入和不计入扬压力)；坝基面上游边缘最小正应力应大于零(计入扬压力)，即不产生拉应力，以防坝体与地基接触面被拉裂而导致防渗帷幕的破坏。施工期对下游坝基面的垂直正应力可允许有不大于0.1MPa的拉应力。上述坝基面的容许压应力是根据岩石抗压强度结合坝基地质条件除以安全系数确定的。对强度较高但节理裂隙发育的基岩，压应力的安全系数采用2025；对于中等强度的基岩采用1020；对于强度较低且裂隙较少的基岩及半基岩采用510。,与分析方法有关。,运用期 坝体上游面：计入扬压力最小主应力为压应力,smin=0不计扬压力smin=(0.250.4)ghg为水的容重；h为坝面计算点的静水头。坝体内部一般不允许出现拉应力，但宽缝重力坝离上游坝面较远的局部区域可允许出现拉应力，但不得超过混凝土的容许拉应力；溢流坝堰顶、坝内廊道及孔洞周围出现拉应力，宜配置钢筋。坝体下游面：最大主压应力，应不大于混凝土的容许压应力。施工期 坝体任何截面上的主压应力应不大于混凝土的容许压应力；坝体下游面可容许不大于0.2MPa的主拉应力。,2）坝体,混凝土的容许压应力，可根据其极限强度和相应的安全系数来确定。混凝土的抗压安全系数在基本荷载组合下应不小于4；在除地震荷载外的特殊组合情况下应不小于3.5。当坝体个别部位对混凝土有抗拉强度要求时，抗拉安全系数应不小于4。地震荷载是随时间变化、短暂作用的动荷载，由于在动荷载作用下材料强度有一定提高，因此，在地震情况下，混凝土的容许压应力可比静态情况下提高30%，并允许出现瞬时拉应力，混凝土的抗拉安全系数不小于2.5。,混凝土的容许应力,(1)地基变形对坝体应力的影响,4.非荷载因素对坝体应力的影响,在荷载作用下，坝基面不再保持平面，与假定不符。因此，在坝基面以上约（1/31/4）坝高范围内的应力分布与材料力学计算结果差别较大。在此范围内的应力分布与坝体弹性模量和地基弹性模量的比值有关。,基岩弹性模量的影响,坝体和基岩的弹性模量之比在12的范围内较合适。,(2)地基不均匀对坝体应力的影响,上游坝踵地基刚度较大，可能产生拉应力；相反，下游坝趾地基刚度较大，有利于改善坝踵应力。宜将下游坝趾布置在较坚硬的岩石上。,(3)施工纵缝对坝体应力的影响,受浇筑能力和温度控制的限制，需要分缝分块浇筑，纵缝要灌浆，然后才蓄水。因此，水压力和扬压力等由整个坝体承担，而自重应力由独立坝块引起。n=0，基本相同n0，坝踵处应力状况恶化n0，改善坝踵处应力状态,(4)分期施工对坝体应力的影响,印度柯伊那坝，斜板法两期加高，与下游坝面平行瑞士大狄克桑斯坝，阶梯法四期加高，台阶上浇注独立柱体,分期施工，对坝踵应力不利。降低二期施工时的水位，对改善坝体应力有利。如采用有限单元法，可全过程模拟实际施工过程和蓄水过程。,分期施工,