重力坝的抗滑稳定分析

1、重力坝的抗滑稳定分析教学文本水工建筑物教学资源库项目组编写2014年9月目录1.教案计划表- 1 -2. 教学实施- 2 -【步骤1】复习巩固和引入新课- 2 -【步骤2】课程介绍及知识讲授- 2 -（一）重力坝抗滑稳定分析的目的和类型- 2 -（二）计算方法- 3 -（三）提高坝体抗滑稳定性的措施- 6 -【步骤3】应用案例讲解- 6 - 案例分析- 6 -【步骤4】实训任务布置（或提问）- 7 -【步骤5】学生实训- 7 -【步骤6】评价及反馈- 9 -1.教案计划表 表1 的教案计划表单元名称重力坝的抗滑稳定分析学时2项目名称重力坝设计教学地点多媒体教室学生角色设计辅助人员教学目标知识目

2、标技能目标态度目标 掌握重力坝抗滑稳定分析目的和类型； 掌握重力坝抗滑稳定安全系数计算公式、公式含义及适用情况（单一的安全系数法、分项系数的极限状态设计方法）； 掌握提高坝体抗滑稳定的工程措施。 能计算抗滑稳定安全系数大小； 能判断坝体的抗滑稳定状况，并能对不稳定情况提出最佳的处理方案； 掌握提高坝体抗滑稳定的工程措施。 能按时到课，遵守课堂纪律，积极回答课堂问题，按时上交作业； 课下能积极认真练习教室布置的工作任务； 认真完成老师布置的预习任务。能力训练任务及案例 完成案例任务：用单一的安全系数法或分项系数的极限状态设计方法计算给定条件的非溢流重力坝抗滑稳定安全系数； 完成案例任务：根据计算

3、结果，判断稳定情况及处理方案（不稳定时）。教学重点、难点重点：重力坝抗滑稳定计算情况，重力坝抗滑稳定安全系数计算方法和各种方法的适用情况，重力坝抗滑稳定判断，提高坝体抗滑稳定的措施。难点：重力坝抗滑稳定安全系数计算方法和各种方法的适用情况。教学方法、手段案例法，讲练结合法，黑板、多媒体课件，动画。教学组织过程 复习旧课：自重、水压力、扬压力、浪压力等主要荷载的分布图及计算方法，荷载组合方法及计算。导入新课：重力坝抗滑稳定分析目的和类型，重力坝抗滑稳定安全系数计算公式、公式含义及适用情况（单一的安全系数法、分项系数的极限状态设计方法），提高坝体抗滑稳定的工程措施。然后，教师引入工程案例，提出问题

4、让学生根据已讲的基础知识分组讨论解决问题，教师辅导评价，学生进行基础知识的练习，教师辅导答疑，教师提供答案，评价此过程。教学条件工程案例；练习题；课程相关课件。作 业基础试题（填空、选择题等）、技能训练习题备 注2. 教学实施【步骤l】复习巩固和引入新课教学地点教师任务学生任务教学条件时间（分钟）多媒体教室学习任务引入与教师互动回答多媒体课件5 复习巩固：自重、水压力、扬压力、浪压力等主要荷载的分布图及计算方法，荷载组合方法及计算。 引入新课：1）为什么要进行重力坝抗滑稳定分析？稳定分析情况、方法有哪些？各种稳定分析方法的适用情况。 2）如何提高重力坝的抗滑稳定性？【步骤2】课程介绍及知识讲授

5、教学地点教师任务学生任务教学条件 时间（分钟）多媒体教室 掌握重力坝抗滑稳定分析的目的和类型； 掌握重力坝抗滑稳定安全系数计算公式、公式含义及适用情况（单一的安全系数法、分项系数的极限状态设计方法）； 掌握提高坝体抗滑稳定的措施。听课，获取有关知识和信息多媒体课件25（一）重力坝抗滑稳定分析的目的和类型 分析的目的：核算坝体沿坝基面或沿地基深层软弱结构面的抗滑稳定安全性能（注意：滑动面可以是水平面或倾向面）。 失稳形式有两种：沿坝体抗剪能力不足的薄弱面滑动；在各种荷载作用下，上游坝踵出现拉应力导致裂缝，或下游坝趾压应力过大，坝基岩体或坝体混凝土被压碎，从而产生倾覆破坏。当重力坝满足抗滑稳定和应

6、力要求时，通常不必校核抗倾覆的安全性； 计算单元选取：按平面问题进行，取一个坝段或单位宽度作为计算单元。（二）计算方法 单一的安全系数法（混凝土重力坝设计规范SL 319-2005） 抗剪强度公式（摩擦公式）：把坝体与基岩间看成是一个接触面，而不是胶结面，其抗滑稳定安全系数Ks为（滑动面为水平面）：式中 Ks按抗剪强度公式计算的抗滑稳定安全系数，表4；W作用在坝体上全部荷载的铅直分力代数和，kN；U作用在接触面上的扬压力，kN；P作用在坝体上全部荷载的水平分力代数和，kN； f 坝体混凝土与坝基的接触面间的抗剪摩擦系数，缺乏试验资料时，可按表2、表3选用。当滑动面为倾向面时，其抗滑稳定安全系数

7、Ks为： 式中 接触面与水平面间的夹角，当接触面倾向上游时为正，反之为负。由于抗剪强度公式未考虑坝体混凝土与基岩间的胶结作用，因此该公式不能完全反映坝的实际工作状态，只是一个抗滑稳定的安全指标。当坝基岩体内存在软弱结构面、缓倾角裂隙时，需核算深层抗滑稳定。根据滑动面的分布情况综合分析后，可分为单滑面、双滑面和多滑面计算模式，以刚体极限平衡法计算为主，必要时可辅以有限元法、地质力学模型试验等方法分析深层抗滑稳定，并进行综合评定，其成果可作为坝基处理方案选择的依据。表2 坝基岩体力学参数表3 结构面、软弱层和断层力学参数表4 抗滑稳定的安全系数Ks、Ks 抗剪断强度公式：认为坝体与基岩胶结良好，滑

8、动面上的阻滑力包括抗剪断摩擦力和抗剪断凝聚力，其抗滑稳定安全系数由下式计算（滑动面为水平面）： 当滑动面为倾向面时，其抗滑稳定安全系数Ks 为： 式中 K s按抗剪断强度公式计算的抗滑稳定安全系数，表4；f 坝体混凝土与坝基的接触面间的抗剪断摩擦系数；c 坝体混凝土与坝基的接触面间的抗剪断凝聚力； A 坝体与坝基接触面的面积，m2。其他符号意义同前。该公式考虑了坝体的胶结作用，计入了摩擦力和凝聚力，是比较符合坝的实际工作状态的，物理概念也比较明确。f 、c值，当无实验资料时，可参考表2、表3选用。 分项系数的极限状态设计方法（混凝土重力坝设计规范DL 5108-1999） 坝基面水平时抗滑稳定

9、作用效应函数：抗力函数：坝基面抗滑稳定条件：式中：0结构重要性系数； 设计状况系数；S（·）作用效应函数； R（·）结构及构件抗力函数； d基本组合结构系数。WR作用在坝体上全部荷载设计值(包括扬压力U，下同) 的铅直分力代数和，kN；PR作用在坝体上全部荷载设计值的水平分力代数和，kN；fR坝体混凝土与坝基的接触面间的抗剪断摩擦系数（设计值）；cR坝体混凝土与坝基的接触面间的抗剪断凝聚力（设计值），kpa； A 坝体与坝基接触面的面积，m2。 坝基面倾斜时抗滑稳定作用效应函数：抗力函数：坝基面抗滑稳定条件： 符号意义同前。（三）提高坝体抗滑稳定性的措施 当坝体的抗滑稳定安

10、全系数不能满足要求时，除改变坝体的剖面尺寸外，还可以采取以下的工程措施提高坝体的稳定性。 利用水重。将坝体的上游面做成倾向上游的斜面或折坡面，利用坝面上的水重增加坝的抗滑力，以达到提高坝体稳定的目的。 减小扬压力。通过结构措施或工程措施加强防渗排水，以达到减小扬压力的目的。 提高坝基面的抗剪断参数f 、c值。措施有：将坝基开挖成“大平小不平”等形式；对整体性较差的地基进行固结灌浆；设置齿墙或抗剪键槽等。 预应力锚固措施。一般是在靠近坝体上游面采用深孔锚固预应力钢索，既增加了坝体稳定性，又可消除坝踵处的拉应力。 其他。如增大筑坝材料重度（在坝体混凝土中埋置重度大的块石），或将坝基面开挖成倾向上游

11、的斜面，借以增加抗滑力，提高稳定性。【步骤3】应用案例讲解教学地点教师任务学生任务教学条件时间（分钟）多媒体教室背景资料介绍听课，获取有关知识和信息多媒体课件背景资料5教学内容及要求： 案例分析案例4：根据“单元3”所拟定的非溢流坝基本剖面和荷载计算成果，当f =0.8，c=500kPa时，分析“正常蓄水位情况”下重力坝的抗滑稳定性。解：Ks=3故在正常蓄水位情况下，坝基面的抗滑稳定性满足要求。【步骤4】实训任务布置（或提问）教学地点教师任务学生任务教学条件时间（分钟）多媒体教室布置背景资料分析实训任务接受任务多媒体课件， 背景资料教学内容及要求：根据“单元2【步骤4】实训任务布置”所给的已知

12、条件和拟定的非溢流坝基本剖面，当f Rk=0.82，c Rk=600kPa，0=1.0，=1.0，d=1.2时，分析“设计洪水位情况”下重力坝的抗滑稳定性。训练内容：1）计算重力坝的抗滑稳定安全系数；2）比较当f =0.4时，重力坝的抗滑稳定性。【步骤5】学生实训教学地点教师任务学生任务教学条件提交成果时间（分钟）水工实训室辅导、解惑分组进行背景资料分析水工实训室，背景资料背景资料分析报告5教学内容及要求：1）给予必要的教学提示，如选择计算公式，进行荷载组合；2）学生相互检查，比较计算成果；参考答案：解： 荷载计算及组合（见表5） 以设计洪水位情况为例进行稳定和应力的极限状态验算（其它情况略）

13、。 设计洪水情况的荷载组合：自重+静水压力+淤沙压力+扬压力+浪压力。 计算对象：沿坝轴线取单位长度1m计算。表5 基本组合（设计洪水位情况）时荷载计算表(荷载)作用(分项系数)计算公式作用标准值作用设计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   水平水压力(1.0)PH1(1/2)××292×1      PH2(1/2)××52×1      垂直水压力(1.0)PV1×4×9×1      PV2(1/2)××4×20×1

15、0;     PV3(1/2)×××5×1      泥沙压力(1.2)PSKH2×tan2(45°-18°/ 2）×(1/2)×      PSKV(1/2)××××0.2) ×1      浪压力(1.2)PWK×1

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