水工建筑物--第六章重力坝概述+荷载+稳定

1、水水 工工 建建 筑筑 物物 2022年年6月月16日日赖赖 国国 伟伟 第一节第一节 概述概述第二节第二节 重力坝的荷载及其组合重力坝的荷载及其组合第三节第三节 重力坝的稳定分析重力坝的稳定分析第四节第四节 重力坝的应力分析重力坝的应力分析第五节第五节 重力坝的剖面设计重力坝的剖面设计第六节第六节 重力坝的泄水与消能防重力坝的泄水与消能防第七节第七节 重力坝的材料与构造重力坝的材料与构造第八节第八节 重力坝的地基处理重力坝的地基处理第九节第九节 其它型式的重力坝其它型式的重力坝第一节第一节 概述概述术语解释术语解释坝：坝：拦截江河渠道水流以抬高水位或调节流量的挡水建筑物。拦截江河渠道水流以抬

2、高水位或调节流量的挡水建筑物。坝轴线：坝轴线：在平面上代表大坝位置的一条横断河谷的线。在平面上代表大坝位置的一条横断河谷的线。一般一般重力坝与拱坝用坝顶上游侧重力坝与拱坝用坝顶上游侧在水平面上的投影线在水平面上的投影线，土坝用坝顶，土坝用坝顶中心线作为坝轴线。中心线作为坝轴线。大坝分类：大坝分类：大坝大坝混凝土坝混凝土坝砌石坝砌石坝土石坝土石坝橡胶坝橡胶坝钢坝钢坝木坝木坝草坝等草坝等按筑坝材料分按筑坝材料分重力坝重力坝 拱坝拱坝支墩坝支墩坝按结构特点分按结构特点分一、工作原理一、工作原理l重力坝是用重力坝是用混凝土混凝土(concrete) (concrete) 或者或者浆砌石浆砌石(grou

3、ted rubble)(grouted rubble)材料材料建建筑而成的挡水建筑物。筑而成的挡水建筑物。l工作原理：工作原理：在库水压力及其它外荷作用下，主要依靠坝体自重来保持在库水压力及其它外荷作用下，主要依靠坝体自重来保持稳定。稳定。 ( (依靠其自身重量在地基上产生的摩擦力和坝与地基之间的凝聚力来抵依靠其自身重量在地基上产生的摩擦力和坝与地基之间的凝聚力来抵抗坝前水压力等推力，以保持坝体的抗滑稳定。抗坝前水压力等推力，以保持坝体的抗滑稳定。) )l剖面特点：剖面特点：重力坝基本剖面重力坝基本剖面呈三角形呈三角形。通常上游面铅直或稍倾斜。通常上游面铅直或稍倾斜。l结构型式：结构型式：类似

4、于以地基为类似于以地基为固端的悬臂梁固端的悬臂梁，因为重力坝常沿坝轴线用，因为重力坝常沿坝轴线用横缝分成独立工作的若干坝段。横缝分成独立工作的若干坝段。 二、工作特点二、工作特点l优点：优点：（1 1）坝体材料抗冲性能好，）坝体材料抗冲性能好，泄洪和施工导流泄洪和施工导流问题容易解决。问题容易解决。泄洪：泄洪：可可坝顶溢流坝顶溢流，或在坝身开设，或在坝身开设泄水孔泄洪泄水孔泄洪，不需另设溢洪洞或泄，不需另设溢洪洞或泄水隧洞。水隧洞。这是重力坝的一个很大优点，这样不用另设河岸溢洪道、隧这是重力坝的一个很大优点，这样不用另设河岸溢洪道、隧洞等其它泄水建筑物，枢纽布置也较紧凑。洞等其它泄水建筑物，枢

5、纽布置也较紧凑。施工导流：施工导流：可以利用坝体导流，不需另设导流洞。可以利用坝体导流，不需另设导流洞。（2 2）断面形状简单，结构作用明确，施工方便，安全可靠。）断面形状简单，结构作用明确，施工方便，安全可靠。结构作用明确。结构作用明确。重力坝沿坝沿坝轴线用横缝分成若干坝段，各坝段独重力坝沿坝沿坝轴线用横缝分成若干坝段，各坝段独立工作，结构作用明确，立工作，结构作用明确，稳定和应力计算都比较简单稳定和应力计算都比较简单。施工方便。施工方便。大体积混凝土，可采用机械化施工，放样、立模、浇筑都大体积混凝土，可采用机械化施工，放样、立模、浇筑都比较方便，补强、维护和扩建也比较方便。比较方便，补强、

6、维护和扩建也比较方便。安全可靠。安全可靠。剖面大且应力低，筑坝材料强度高、耐久性好，抵抗洪水剖面大且应力低，筑坝材料强度高、耐久性好，抵抗洪水漫顶、渗漏、地震的能力漫顶、渗漏、地震的能力都比较强。都比较强。根据统计，在各种坝型中，重力根据统计，在各种坝型中，重力坝的失事率是较低的。坝的失事率是较低的。（3 3） 适合于在各种气候条件下修建。适合于在各种气候条件下修建。但在：但在： 冬季，冬季，当温度低于当温度低于-3-3时，混凝土中水会结冰，时，混凝土中水会结冰，施工施工需采用加热、保需采用加热、保温、防冻措施等。温、防冻措施等。 夏季，夏季，当温度高于当温度高于3030时，时，施工施工需采用

7、低热水泥、低温水、加冰屑、需采用低热水泥、低温水、加冰屑、预冷骨料，掺外加剂延长初凝时间。预冷骨料，掺外加剂延长初凝时间。（4 4） 对地基的要求比拱坝低，但比土石坝高。对地基的要求比拱坝低，但比土石坝高。l 缺点：缺点：（1 1）坝体体积大，耗费材料多，）坝体体积大，耗费材料多，不能充分利用材料强度不能充分利用材料强度。（因为稳定靠重力。）（因为稳定靠重力。）（2 2）坝体与地基的接触面大，作用在）坝体与地基的接触面大，作用在坝底面上的扬压力大坝底面上的扬压力大。（对稳定不利。）（对稳定不利。）（3 3）施工期对大体积混凝土）施工期对大体积混凝土温控要求高温控要求高。三、重力坝的分类三、重力

8、坝的分类（1 1）按坝顶是否溢流可分）按坝顶是否溢流可分 l溢流重力坝溢流重力坝既可挡水，又可泄水的重力坝。既可挡水，又可泄水的重力坝。l非溢流重力坝非溢流重力坝（2 2）按结构型式可分）按结构型式可分 l实体重力坝实体重力坝(concrete solid gravity dam) 整个坝体除若干小空腔外均用混凝土填筑的重力坝。整个坝体除若干小空腔外均用混凝土填筑的重力坝。l宽缝重力坝宽缝重力坝( (concrete slotted gravity dam) ) 如果将实体重力坝如果将实体重力坝横缝的中部横缝的中部加宽成空腔加宽成空腔，即成为宽缝重力坝。，即成为宽缝重力坝。特点：特点：减少扬压

9、力，节约混凝土方量减少扬压力，节约混凝土方量101020 20 ；改善混凝土浇筑；改善混凝土浇筑时的散热条件；施工复杂，模板用量多。时的散热条件；施工复杂，模板用量多。实体重力坝实体重力坝宽缝重力坝宽缝重力坝l支墩坝（包括大头坝、平板坝、连拱坝）支墩坝（包括大头坝、平板坝、连拱坝）定义（定义（结构型式）：结构型式）：支墩坝是由一系列独立的支墩坝是由一系列独立的支墩支墩顺坝轴线排列，前面顺坝轴线排列，前面设设挡水构件挡水构件，形成横断河道的挡水坝。，形成横断河道的挡水坝。分类分类 ：按挡水构件的型式不同，可分为以下几类：按挡水构件的型式不同，可分为以下几类：（1）大头坝）大头坝：把支墩的上游端向

10、：把支墩的上游端向两侧扩大两侧扩大，成为挡水的大头结构。，成为挡水的大头结构。（2）平板坝）平板坝：挡水构件：挡水构件采用钢筋混凝土平面板采用钢筋混凝土平面板，支承在支墩上。，支承在支墩上。（3）连拱坝）连拱坝：挡水构件：挡水构件采用钢筋混凝土连续拱面板采用钢筋混凝土连续拱面板，支承在支墩上。，支承在支墩上。 传力过程传力过程：挡水构件承受水压力等荷载，经支墩将荷载传给地基。挡水构件承受水压力等荷载，经支墩将荷载传给地基。特点：特点：节约混凝土方量，充分利用材料强度；侧向稳定性差，对地基节约混凝土方量，充分利用材料强度；侧向稳定性差，对地基的要求严格；钢筋用量较大，施工复杂。的要求严格；钢筋用

11、量较大，施工复杂。特点：特点：节约混凝土方量，充分利用材料强度；节约混凝土方量，充分利用材料强度；侧向稳定性差，对地基的要求严格；侧向稳定性差，对地基的要求严格；钢筋用量较大，施工复杂。钢筋用量较大，施工复杂。l空腹重力坝空腹重力坝 在坝内设置在坝内设置大型纵向空腔大型纵向空腔的重力坝。的重力坝。特点：特点：减少扬压力，节约混凝土方量减少扬压力，节约混凝土方量20203030；空腹可布置水电站厂房；施工复杂，模板用空腹可布置水电站厂房；施工复杂，模板用量多。量多。l预应力重力坝预应力重力坝特点：特点：利用利用受拉钢筋或钢杆受拉钢筋或钢杆对重力坝施加预应力，对重力坝施加预应力，改善坝体应力；加大

12、抗滑稳定性；施工复杂，改善坝体应力；加大抗滑稳定性；施工复杂，钢筋用量多。钢筋用量多。 目前仅在小型工程和旧坝加固工程中采用。目前仅在小型工程和旧坝加固工程中采用。空腹重力坝空腹重力坝预应力重力坝预应力重力坝（3 3）按施工方式可分）按施工方式可分 l常态混凝土重力坝常态混凝土重力坝l碾压混凝土重力坝：碾压混凝土重力坝：用用干贫混凝土干贫混凝土或或无坍落度干硬性混凝土无坍落度干硬性混凝土经碾压而成的混凝土重力坝。经碾压而成的混凝土重力坝。（背景资料：背景资料：2020世纪七十年代，通过减少混凝土中水和水泥用量，发展了世纪七十年代，通过减少混凝土中水和水泥用量，发展了用用无坍落度混凝土无坍落度混

13、凝土经施工机械运输、摊铺，用振动碾压而成的混凝土经施工机械运输、摊铺，用振动碾压而成的混凝土，称，称为为碾压混凝土碾压混凝土（RCCRCC）。施工时碾压厚度，一般为）。施工时碾压厚度，一般为30cm30cm。）贫混凝土：贫混凝土：水泥用量较普通混凝土低的水泥用量较普通混凝土低的混凝土混凝土, ,一般每立方砼为一般每立方砼为100100200kg200kg，因而又称为经济混凝土。因而又称为经济混凝土。碾压混凝土坝主要特点碾压混凝土坝主要特点 ： 节约水泥，可简化温控措施节约水泥，可简化温控措施。碾压混凝土碾压混凝土一般都掺入较大一般都掺入较大数量（胶凝材料的数量（胶凝材料的30%30%70%70

14、%）的粉煤灰或其他具有一定活）的粉煤灰或其他具有一定活性的掺合料，因而水泥用量显著减少，性的掺合料，因而水泥用量显著减少，水泥用量为水泥用量为50 50 120kg/m120kg/m3 3 ，而，而常态混凝土常态混凝土的水泥用量为的水泥用量为160 160 220kg/m220kg/m3 3 。可缩短工期可缩短工期。工期一般工期一般可缩短可缩短1/51/51/31/3，甚至更短。，甚至更短。降低造价降低造价。碾压混凝土的单价比常规混凝土碾压混凝土的单价比常规混凝土低低151530%30%，有，有的低的低50%50%左右。左右。（4 4）按坝高分可分）按坝高分可分 l低坝：低坝：坝高在坝高在30

15、m 30m 以下；以下；l中坝：中坝：坝高在坝高在30m30m70m70m（含（含30m 30m 和和70m70m）；）；l高坝：高坝：坝高在坝高在70m 70m 以上为高坝。以上为高坝。( (低坝的高度为低坝的高度为50m50m以下，中坝的高度为以下，中坝的高度为50mlOOm50mlOOm，高度在，高度在100m100m以上者为高坝以上者为高坝电力行业标准电力行业标准混凝土拱坝设计规范混凝土拱坝设计规范20062006年修订年修订) )四、重力坝的布置四、重力坝的布置应根据地形地质条件，结合枢纽各组成建筑物应根据地形地质条件，结合枢纽各组成建筑物综合考虑综合考虑。 例如：泄水溢流坝段、深孔

16、坝段尽量布置在原河床；例如：泄水溢流坝段、深孔坝段尽量布置在原河床； 水电站多为采用坝后式。水电站多为采用坝后式。坝轴线一般布置成直线坝轴线一般布置成直线，必要时也可布置成，必要时也可布置成折线或稍带拱形的曲线折线或稍带拱形的曲线。后者称为拱形重力坝后者称为拱形重力坝。总体布置总体布置还应注意各坝段外形的还应注意各坝段外形的协调一致协调一致，尤其，尤其上游坝面上游坝面要保持齐平要保持齐平。 五、重力坝的设计内容五、重力坝的设计内容（1 1）剖面设计（非溢流重力坝）：）剖面设计（非溢流重力坝）：参照已建工程经验，初步拟定剖面尺寸。参照已建工程经验，初步拟定剖面尺寸。 （2 2）稳定计算：）稳定计

17、算：验算坝体沿建基面或地基中软弱结构面的稳定安全度。验算坝体沿建基面或地基中软弱结构面的稳定安全度。 （3 3）应力计算：）应力计算：使应力条件满足设计规范要求，保证大坝和坝基有足够的使应力条件满足设计规范要求，保证大坝和坝基有足够的强度。强度。（4 4）溢流重力坝和泄水孔的孔口尺寸的设计：）溢流重力坝和泄水孔的孔口尺寸的设计： 包括泄水建筑物体型、溢包括泄水建筑物体型、溢流堰顶高程、溢流重力坝前沿的宽度和泄水孔进口的高程、泄水孔口的流堰顶高程、溢流重力坝前沿的宽度和泄水孔进口的高程、泄水孔口的尺寸，以及泄水重力坝的应力稳定计算。尺寸，以及泄水重力坝的应力稳定计算。（5 5）电站坝段及其它建筑

18、物设计）电站坝段及其它建筑物设计（6 6）构造设计：）构造设计： 根据施工和运行要求，确定坝体的细部构造，如分缝、根据施工和运行要求，确定坝体的细部构造，如分缝、廊道系统、排水系统、止水系统等。廊道系统、排水系统、止水系统等。（7 7）地基处理：）地基处理： 根据地质条件，进行地基的防渗、排水设计；进行断层根据地质条件，进行地基的防渗、排水设计；进行断层等地质结构面的处理。等地质结构面的处理。 （8 8）监测设计：）监测设计： 包括坝体内部和外部的观测设计。包括坝体内部和外部的观测设计。 六、国内外著名的重六、国内外著名的重力坝力坝l世界上最高的混凝土世界上最高的混凝土重力坝重力坝：2020世

19、纪世纪9090年年代修建的、位于代修建的、位于瑞士瑞士的大狄克逊的大狄克逊(Grand (Grand dixencedixence) )坝，坝，285m285m。l我国最高的实体重力我国最高的实体重力坝坝：位于湖北省长江：位于湖北省长江的的三峡大坝，三峡大坝，181m181m。l最高的碾压混凝土重最高的碾压混凝土重力坝力坝：位于广西红水：位于广西红水河的河的龙滩碾压混凝土龙滩碾压混凝土重力坝，一期重力坝，一期192m192m，最终最终220m220m。l国内坝高国内坝高100M100M以上的以上的典型混凝土重力坝：典型混凝土重力坝：见左表。见左表。第二节第二节 坝的荷载及其组合坝的荷载及其组合

20、l 作用在坝上的荷载主要有以下几种： 坝体及坝上永久设备的自重； 上、下游坝面上的静水压力； 溢流坝反弧段上的动水压力； 扬压力； 冰压力； 泥沙压力； 浪压力； 地震荷载，包括地震惯性力、地震动水压力和地震动土压力； 由于建筑材料的体积变形（由温度和干湿所引起的伸缩变形）受到约束所引起的荷载； 其他荷载，包括风压力、雪压力、船舶的缆绳拉力和靠船撞击力、运输车辆、货物、起重机和人群等的临时荷载以及爆炸引起的气浪力等。一、荷载的计算一、荷载的计算常沿坝轴线方向常沿坝轴线方向取取1米宽坝体米宽坝体为计算单元。为计算单元。1 1、坝体及坝上永久设备的自重、坝体及坝上永久设备的自重 l 自重自重：坝体

21、及其上永久性设施的重量：坝体及其上永久性设施的重量 W=（i iV Vi i）。）。 坝体自重：坝体自重：应按其断面的几何尺寸及材料容重计算。在初步设计阶段，应按其断面的几何尺寸及材料容重计算。在初步设计阶段，混凝土的容重可根据骨料的类别采用混凝土的容重可根据骨料的类别采用23.023.5kN/m3，对重要的工，对重要的工程应采用混凝土的试验数值。程应采用混凝土的试验数值。 对坝上永久设备对坝上永久设备：如闸门、启闭机、电机、电梯等自重均按实际重量：如闸门、启闭机、电机、电梯等自重均按实际重量计算。计算。2 2、上、下游坝面的静水压力、上、下游坝面的静水压力l 水的容重：水的容重： 清水清水w

22、 浑水浑水w(按实际情况考虑按实际情况考虑)3 3、溢流坝反弧段上的动水压力、溢流坝反弧段上的动水压力4 4、扬压力、扬压力 （1 1）坝底扬压力）坝底扬压力 无防渗排水设施无防渗排水设施的实体重力坝的实体重力坝l 通常假定扬压力呈直线分布。通常假定扬压力呈直线分布。l 扬压力可分解成两部分：浮托力与渗透扬压力可分解成两部分：浮托力与渗透压力。即压力。即 扬压力扬压力=浮托力浮托力+渗透压力渗透压力设有防渗帷幕和排水设施设有防渗帷幕和排水设施的实体重力坝的实体重力坝 防渗帷幕防渗帷幕在坝在坝基钻孔灌浆而形成的一道连续地下墙。基钻孔灌浆而形成的一道连续地下墙。作作用：用：减少坝基渗流量，降低坝底

23、扬压力。减少坝基渗流量，降低坝底扬压力。排水孔幕：排水孔幕：在防渗帷幕后边基岩钻孔，形成在防渗帷幕后边基岩钻孔，形成排水孔幕。排水孔幕。作用：作用：降低坝底扬压力。降低坝底扬压力。排水孔较防渗帷幕的减压效果往往更为显著。排水孔较防渗帷幕的减压效果往往更为显著。l坝底扬压力分布图：坝底扬压力分布图：浮托力浮托力按按矩形分布矩形分布，压力强度为压力强度为 w H2；渗透压力渗透压力呈呈折线分布折线分布，在排水孔中心线与坝底相交点为在排水孔中心线与坝底相交点为 w (H1-H2)= w H 。l为为渗透压力强度系数渗透压力强度系数（或称（或称渗透压力折减渗透压力折减系数，系数，书中称书中称扬压力折减

24、系数扬压力折减系数不妥）：不妥）： 河床坝段：河床坝段： 采用采用0.20.3； 岸坡坝段：岸坡坝段： 采用采用0.30.4。设有防渗帷幕和排水设施设有防渗帷幕和排水设施的实体重力坝坝底扬压力图的实体重力坝坝底扬压力图设有抽排降压设施设有抽排降压设施的实体重力坝的实体重力坝l抽排降压设施：抽排降压设施：为了有效地减小坝基扬压力，还可在基础灌浆廊道下游为了有效地减小坝基扬压力，还可在基础灌浆廊道下游设置设置纵、横排水廊道纵、横排水廊道和基面和基面副排水孔副排水孔，由，由自动抽水设备自动抽水设备定时抽排。定时抽排。 l坝底扬压力分布：坝底扬压力分布：见图。见图。l1 1为为扬压力扬压力强度系数强度

25、系数（扬压力折减系数）；扬压力折减系数）；2 2为为残余扬压力残余扬压力强度系数强度系数（残余扬压力折减系数）残余扬压力折减系数） 。坝体扬压力（坝体内部的扬压力）坝体扬压力（坝体内部的扬压力） 为了减小坝体内扬压力，常在上游坝面附近为了减小坝体内扬压力，常在上游坝面附近3 35m5m范围内提高混范围内提高混凝土的防渗性能，形成凝土的防渗性能，形成防渗层防渗层；其后设置；其后设置坝身排水管孔坝身排水管孔。l坝体水平截面上的扬压力：坝体水平截面上的扬压力：当计算截面当计算截面在下游水位以下在下游水位以下时：时：坝体排水管幕处坝体排水管幕处扬压力折减系数扬压力折减系数一一般采用般采用=0.15=0

26、.150.30.3；当计算截面当计算截面在下游水位以上在下游水位以上时：时：坝体排水管幕处坝体排水管幕处扬压力折减系数扬压力折减系数同同上上，下游坝面处扬压力为，下游坝面处扬压力为0 0；排水管幕与下游坝面之间按直线变化。；排水管幕与下游坝面之间按直线变化。 当计算截面在下游水位以下时当计算截面在下游水位以下时当计算截面在下游水位以上时当计算截面在下游水位以上时5 5、冰压力、冰压力 6 6、泥沙压力、泥沙压力 7 7、浪压力、浪压力 8 8、地震荷载、地震荷载 9 9、温度荷载：、温度荷载：对重力坝施工期进行适当温控，运用期设置永对重力坝施工期进行适当温控，运用期设置永久性横缝，则久性横缝，

27、则温度荷载不列为主要荷载。温度荷载不列为主要荷载。二、荷载组合二、荷载组合 见第三章。水口规范规定，见第三章。水口规范规定，第三节第三节 重力坝的稳定分析重力坝的稳定分析l重力坝稳定分析目的及意义重力坝稳定分析目的及意义l重力坝稳定分析的计算方法重力坝稳定分析的计算方法l沿建基面的抗滑稳定分析沿建基面的抗滑稳定分析l坝基深层抗滑稳定分析坝基深层抗滑稳定分析l提高抗滑稳定性的工程措施提高抗滑稳定性的工程措施第三节第三节 重力坝的稳定分析重力坝的稳定分析 抗滑稳定分析是重力坝设计中的一项重要内容抗滑稳定分析是重力坝设计中的一项重要内容。l 目的：目的：核算重力坝在各种可能荷载组合下的稳定安全度。核

28、算重力坝在各种可能荷载组合下的稳定安全度。l 建筑物设计基本原则建筑物设计基本原则：安全性与经济性。：安全性与经济性。l 重力坝设计基本原则重力坝设计基本原则： 保持稳定保持稳定( (抗滑稳定抗滑稳定) ) 应力不超过材料强度应力不超过材料强度（主要是（主要是坝体不出现拉应力坝体不出现拉应力） 剖面最小剖面最小l重力坝主要破坏模式重力坝主要破坏模式（1 1）滑动破坏：）滑动破坏：是坝体沿是坝体沿抗剪能力不足的薄弱层面抗剪能力不足的薄弱层面产生滑动。产生滑动。主要包括：主要包括： 沿沿坝基面滑动：坝基面滑动：坝基面往往是抗剪强度的一个弱面；另一方面作用坝基面往往是抗剪强度的一个弱面；另一方面作用

29、在坝基面上的荷载一般最大。在坝基面上的荷载一般最大。 沿坝基岩体内连续软弱结构面的沿坝基岩体内连续软弱结构面的深层滑动深层滑动。建基面建基面软弱结构软弱结构面面据不完全统计，据不完全统计，在我国已建和正在设计的近百座大坝中，由于软弱夹在我国已建和正在设计的近百座大坝中，由于软弱夹层而改变设计，降低坝高，增加工程量或在后期加固的约有层而改变设计，降低坝高，增加工程量或在后期加固的约有1/31/3。TTTTTTTTZK185TT（2 2）倾倒破坏）倾倒破坏：是在荷载作用下，：是在荷载作用下，上游上游坝踵坝踵下岩体受拉下岩体受拉产生产生倾斜裂缝，倾斜裂缝，下游下游坝趾坝趾岩体受压发生压碎岩体受压发生

30、压碎而引起倾倒滑移破而引起倾倒滑移破坏。坏。坝体连同一部分地基的倾倒破坏机坝体连同一部分地基的倾倒破坏机理是由原苏联费什曼（理是由原苏联费什曼（Fishman Yu. AFishman Yu. A）提出的。提出的。倾倒破坏具体计算方法尚不倾倒破坏具体计算方法尚不够成熟完善够成熟完善，但拓宽了稳定分析途径，但拓宽了稳定分析途径，是一个值得深入研究的课题。是一个值得深入研究的课题。倾倒失稳情况很少发生倾倒失稳情况很少发生（因为重力（因为重力坝设计坝设计要求要求坝踵不出现拉应力）。坝踵不出现拉应力）。l重力坝稳定分析的计算方法重力坝稳定分析的计算方法（1 1）刚体极限平衡法）刚体极限平衡法规范规范使

31、用，重点讲解。使用，重点讲解。 本课程只讲本课程只讲刚体极限平衡法刚体极限平衡法就是坝体、岩体或大坝与坝体组就是坝体、岩体或大坝与坝体组成的成的滑裂体滑裂体看成刚体看成刚体，不考虑滑裂体本身和滑裂体之间变形的影响，不考虑滑裂体本身和滑裂体之间变形的影响，也不考虑滑裂面上应力分布情况，也不考虑滑裂面上应力分布情况，仅考虑滑裂面上的合力（正压力、仅考虑滑裂面上的合力（正压力、重力），重力），而忽略力矩的作用效应而忽略力矩的作用效应。（2 2）数值方法）数值方法有限元法、块体元法、流形元法等有限元法、块体元法、流形元法等 （该方法还（该方法还没有设计控制标准没有设计控制标准）（3 3）模型试验法。）

32、模型试验法。计算时：计算时：计算方法参数标准计算方法参数标准要配套要配套l目前在进行抗滑稳定分析时，设计部门使用的规范主要是：目前在进行抗滑稳定分析时，设计部门使用的规范主要是： SL319SL31920052005混凝土重力坝设计规范混凝土重力坝设计规范本课程本课程讲解（安全系数讲解（安全系数法法 ） DL5108DL51081999 1999 混凝土重力坝设计规范混凝土重力坝设计规范（分项系数极限状况法（分项系数极限状况法 ） （规范是行业标准，是工程师进行设计的准则）（规范是行业标准，是工程师进行设计的准则）l抗滑稳定问题分类抗滑稳定问题分类: : 按平面问题分析按平面问题分析各坝段独立

33、受力各坝段独立受力，河床坝段一般作为平面问题，河床坝段一般作为平面问题处理。处理。 按按空间问题分析空间问题分析当河床坝段当河床坝段坝基内断层多条相互切割交错构成空坝基内断层多条相互切割交错构成空间滑动体间滑动体时；地形陡峻的时；地形陡峻的岸坡坝段岸坡坝段。l下面着重下面着重针对实体重力坝针对实体重力坝（也适用宽缝重力坝和空腹重力坝）（也适用宽缝重力坝和空腹重力坝）介绍抗介绍抗滑稳定分析方法滑稳定分析方法，支墩坝有一些特点，课堂不讲。，支墩坝有一些特点，课堂不讲。一、沿坝基面的抗滑稳定分析一、沿坝基面的抗滑稳定分析l 稳定分析时，稳定分析时，可取可取一个坝段一个坝段或取或取单位宽度单位宽度进行

34、计算。进行计算。l 常用的计算公式：常用的计算公式：有有摩擦公式摩擦公式和和抗剪断公式抗剪断公式。1 1、摩擦公式（抗剪强度公式）、摩擦公式（抗剪强度公式）认为坝体与坝基认为坝体与坝基为接触状态为接触状态。此法把滑动面看成是一种接触面，而不是胶结面。此法把滑动面看成是一种接触面，而不是胶结面。滑动面上的滑动面上的阻滑力阻滑力只计摩擦力，不计凝聚力。只计摩擦力，不计凝聚力。（1 1）当坝基面为水平时：）当坝基面为水平时： 抗滑稳定安抗滑稳定安全系数全系数K K为为式中：式中：WW作用于坝基面以上的合力在垂直方向投作用于坝基面以上的合力在垂直方向投 影的代数和。影的代数和。PP作用于坝基面以上的合

35、力在水平方向投作用于坝基面以上的合力在水平方向投 影的代数和。影的代数和。U U 作用于坝基面上的扬压力。作用于坝基面上的扬压力。f f 坝基面上的摩擦系数（坝基面上的摩擦系数（坝体混凝土与坝坝体混凝土与坝基接触面的抗剪摩擦系数基接触面的抗剪摩擦系数）。）。采用一般的采用一般的摩擦试验摩擦试验取得取得。 PUWfK)(滑动力阻滑力（2 2）当坝基面为倾斜时）当坝基面为倾斜时 ：抗滑稳定安：抗滑稳定安全系数全系数K K为为式中：式中：滑动面与水平面的夹角。其它符滑动面与水平面的夹角。其它符号同前。但要注意扬压力号同前。但要注意扬压力U U应垂直于所计应垂直于所计算的滑动面。算的滑动面。由上式看出

36、，由上式看出，滑动面滑动面倾向上游倾向上游时，对坝体抗时，对坝体抗滑稳定有利；（滑稳定有利；（微倾向上游对微倾向上游对K有利）有利）倾向下游倾向下游时时，sinsin角由正变负，滑动力（分角由正变负，滑动力（分母）增大，抗滑力（分子）减小，母）增大，抗滑力（分子）减小，对坝的对坝的稳定不利。稳定不利。 sincos)sincos(WPPUWfK2 2、抗剪断强度公式、抗剪断强度公式认为坝体与坝基认为坝体与坝基为胶结状态为胶结状态。 l此法认为坝体与基岩此法认为坝体与基岩胶结良好胶结良好，滑动面上的阻滑力包括摩擦力和凝聚，滑动面上的阻滑力包括摩擦力和凝聚力。并力。并直接通过胶结面的直接通过胶结面

37、的抗剪断试验抗剪断试验确定确定建基面建基面抗剪断强度的参数抗剪断强度的参数ff和和cc。l坝基面上的抗滑安全系数（坝基面上的抗滑安全系数（抗剪断稳定安全系数抗剪断稳定安全系数）KK为为式中：式中： f坝基面上的抗剪断摩擦系数；坝基面上的抗剪断摩擦系数；c坝基面上的抗剪断凝聚力；坝基面上的抗剪断凝聚力；A坝基面上的面积；坝基面上的面积；K按抗剪断公式计算的抗滑稳定安全系数。按抗剪断公式计算的抗滑稳定安全系数。PAcUWfK)(3 3、设计抗滑安全系数、设计抗滑安全系数l抗滑稳定安全系数抗滑稳定安全系数K K、KK的的设计要求值设计要求值 KK、K K ：与建筑物级与建筑物级别、荷载组合有关，别、

38、荷载组合有关，见下表：见下表：说明说明：摩擦公式摩擦公式形式简单，概念明确，计算方便，多年来积累了形式简单，概念明确，计算方便，多年来积累了丰富的使用丰富的使用经验经验。如果用摩擦公式计算的如果用摩擦公式计算的K=1.0K=1.0，并不意味坝处于临界状态。因为公式不，并不意味坝处于临界状态。因为公式不考虑粘结力与实际不符，其安全裕度已含在假定中。考虑粘结力与实际不符，其安全裕度已含在假定中。为什么为什么抗剪断稳定安全系数抗剪断稳定安全系数的设计要求值的设计要求值 K K 比比 KK大很多？因为大很多？因为抗剪断强度公式抗剪断强度公式已充分利用混凝土已充分利用混凝土/ /岩体胶结面的全部抗剪强度

39、，坝岩体胶结面的全部抗剪强度，坝基面应力分布不均，及新老规范衔接等。基面应力分布不均，及新老规范衔接等。4 4、摩擦公式和抗剪断公式的、摩擦公式和抗剪断公式的选用选用l摩擦公式摩擦公式忽略了凝聚力，不合乎实际，而忽略了凝聚力，不合乎实际，而抗剪断公式抗剪断公式则考虑，物理概则考虑，物理概念明确，比较符合坝体的实际情况，念明确，比较符合坝体的实际情况，逐渐采用较多逐渐采用较多。l我国规范规定中建议：我国规范规定中建议：当坝基内不存在可能导致深层滑动的软弱面时，当坝基内不存在可能导致深层滑动的软弱面时，应按抗剪断强度公式计算应按抗剪断强度公式计算；对中型工程的；对中型工程的中、低坝中、低坝，为安全

40、计，为安全计，也可也可按按抗剪公式（摩擦公式）抗剪公式（摩擦公式）计算。计算。l以上介绍的两种抗滑稳定计算公式虽然以上介绍的两种抗滑稳定计算公式虽然理论上还不够完善理论上还不够完善，但都有长但都有长期的使用经验期的使用经验。l其其安全系数只是一个抗滑稳定的安全系数只是一个抗滑稳定的安全指标安全指标，并不能反映坝体真实的安，并不能反映坝体真实的安全程度。全程度。l应用时应注意应用时应注意“抗滑稳定计算公式参数取值荷载组合控制标准抗滑稳定计算公式参数取值荷载组合控制标准” ” 的的配套问题配套问题。讨论：讨论：l在抗剪断强度公式中，在抗剪断强度公式中，WW和和PP基本是基本是与坝高的与坝高的平方平

41、方成正比成正比，而坝，而坝底混凝土与岩基面的底混凝土与岩基面的凝聚力凝聚力cA只只与坝高成正比与坝高成正比。用用抗剪断强度公式抗剪断强度公式核算坝的抗滑稳定时，对较低的坝，凝聚力对抗核算坝的抗滑稳定时，对较低的坝，凝聚力对抗滑稳定所起的作用比较高的坝为大。因此，滑稳定所起的作用比较高的坝为大。因此，采用采用抗剪断公式抗剪断公式设计设计较低较低的坝的坝是比较有利的是比较有利的（即（即设计的低坝剖面较小（瘦）设计的低坝剖面较小（瘦）。）。当然，如果当然，如果c值取得不当，则对较低坝的安全度影响也是较大的。值取得不当，则对较低坝的安全度影响也是较大的。 而按而按摩擦公式摩擦公式核算坝体抗滑稳定时核算

42、坝体抗滑稳定时，高坝高坝的安全储备比低坝小的安全储备比低坝小。( (即即设计的高坝瘦设计的高坝瘦）l高坝与低坝分别采用摩擦公式与抗剪断公式设计，哪个更容易满足设高坝与低坝分别采用摩擦公式与抗剪断公式设计，哪个更容易满足设计要求，对哪个更有利？计要求，对哪个更有利？5 5、关于、关于 f f 与与ff、 cc的取值的取值（参数确定非常重要，参数确定非常重要，f f相差相差0.010.01，有的工程混凝土方量有的工程混凝土方量V V相差相差2 2万方。万方。 ） lf f与与f f 、 c c 的物理意义不同，试验方法也不同。的物理意义不同，试验方法也不同。 lf f：采用一般的采用一般的摩擦试验

43、取得摩擦试验取得。lf f取用取用野外现场测定的野外现场测定的屈服极限值屈服极限值( (塑性破坏型塑性破坏型) )或或比例极限值比例极限值 ( (脆性脆性破坏型破坏型) )。lff、cc：通过两材料胶结面的通过两材料胶结面的抗剪断试验抗剪断试验取得。取得。lff、cc取用取用野外现场测定的野外现场测定的峰值的峰值的小值平均值小值平均值 。l当接触面前后为当接触面前后为不同岩性不同岩性的岩体的岩体，参数分别为，参数分别为f f1 1、c c1 1和和f f2 2、c c2 2，则计，则计算时假定变形后坝底面仍保持平面，粗略计算地基反力算时假定变形后坝底面仍保持平面，粗略计算地基反力( (不计扬压

44、力不计扬压力) )，分别求出作用于两种岩体上的法向作用力分别求出作用于两种岩体上的法向作用力W W1 1和和W W2 2，近似计算。，近似计算。l有限单元法有限单元法可以反映复杂的地基情况，利用各单元的可以反映复杂的地基情况，利用各单元的和和计算可能计算可能滑动面上的安全系数滑动面上的安全系数 。二、沿坝基岩体软弱结构面的深层抗滑稳定分析二、沿坝基岩体软弱结构面的深层抗滑稳定分析l 当坝基内存在不利的缓倾角软弱结构面时，在水荷载作用下，坝体有当坝基内存在不利的缓倾角软弱结构面时，在水荷载作用下，坝体有可能连同部分基岩沿软弱结构面产生滑移，即所谓的可能连同部分基岩沿软弱结构面产生滑移，即所谓的深

45、层滑动深层滑动。l 在深层抗滑稳定分析中，一般根据深层抗滑体的不同，在深层抗滑稳定分析中，一般根据深层抗滑体的不同，分为分为：单斜面深层抗滑稳定计算单斜面深层抗滑稳定计算（计算与建基面类似计算与建基面类似）双斜面深层抗滑稳定计算双斜面深层抗滑稳定计算多斜面深层抗滑稳定计算多斜面深层抗滑稳定计算（计算方法与双滑面类似）计算方法与双滑面类似）一、单斜滑动面抗滑稳定计算公式一、单斜滑动面抗滑稳定计算公式l 当坝基内只存在一个岩体软弱结构面，将软弱结构面以上的坝体和地当坝基内只存在一个岩体软弱结构面，将软弱结构面以上的坝体和地基作为整体，按刚体极限平衡法，核算软弱结构面上的抗滑安全系数。基作为整体，按

46、刚体极限平衡法，核算软弱结构面上的抗滑安全系数。sincos)sincos(WPAcPUWfKBB式中式中 fB滑动面上的抗剪断强度摩擦系数；滑动面上的抗剪断强度摩擦系数；cB滑动面上的抗剪断强度凝聚力；滑动面上的抗剪断强度凝聚力；其余符号同前；其余符号同前；公式中公式中“”的选用的选用当滑动面当滑动面倾向倾向上游时上游时，选用，选用上面的符号上面的符号；当滑动面；当滑动面倾倾向下游时向下游时，则选用，则选用下面的符号下面的符号。l对安全系数的要求对安全系数的要求 采用摩擦公式时，采用摩擦公式时，因软弱面的凝聚力小，安全储备低，因软弱面的凝聚力小，安全储备低，K K应适当提高应适当提高(25(

47、2530)30)； 采用抗剪断公式时采用抗剪断公式时，因软弱面的，因软弱面的ff、cc低，低，KK很难达到规范要求，很难达到规范要求，可适当降低，可适当降低，但至少不低于但至少不低于2.02.0。二、折线滑动面抗滑稳定计算公二、折线滑动面抗滑稳定计算公式（式（双斜面双斜面深层抗滑稳定分深层抗滑稳定分析析 ）l实际工程中，坝基内往往存在多条实际工程中，坝基内往往存在多条相互切割交错相互切割交错的断层和软弱夹层。的断层和软弱夹层。构成复杂的滑动面。构成复杂的滑动面。在深层抗滑稳在深层抗滑稳定分析时，应验算所有可能的滑动定分析时，应验算所有可能的滑动通道，从中找出最不利的滑动面组通道，从中找出最不利

48、的滑动面组合和其上抗滑安全系数。合和其上抗滑安全系数。一般：一般： 将将倾向下游的倾向下游的缓倾角断层、泥化夹缓倾角断层、泥化夹层假设为层假设为第一滑动面第一滑动面； 将将倾向上游的倾向上游的断层、泥化夹层假设断层、泥化夹层假设为为第二滑动面第二滑动面；也可以假定多条滑；也可以假定多条滑裂面，通过试算确定一条最不利的裂面，通过试算确定一条最不利的第二滑动面。第二滑动面。l 计算时将滑移体分成两段（块体）计算时将滑移体分成两段（块体），在其分界面，在其分界面BDBD上，引入一个需要上，引入一个需要事先假定与事先假定与水平面成水平面成角的内力角的内力Q Q（抗力抗力）。）。l分别令分别令段段或或段

49、段处于极限平衡状态，即可演绎出三种不同的计算方处于极限平衡状态，即可演绎出三种不同的计算方法：法：被动抗力法被动抗力法剩余推力法剩余推力法等安全系数法等安全系数法 l沿滑动面沿滑动面BCBC的抗剪断安全系数为的抗剪断安全系数为: :223222223cossin()sincos()sincosddfGQUUcAKQGU113111113()cossinsin()sincos()cos()sincosddfGWPQUUcAQKPGWUl沿滑动面沿滑动面AB的抗剪断安全系数为的抗剪断安全系数为:1 1、被动抗力法、被动抗力法l先令先令段段处于极限平衡状态处于极限平衡状态（ K K2 2=1=1），

50、求得抗力），求得抗力Q Q后，再计算后，再计算段段沿沿ABAB面的抗滑稳定安全系数面的抗滑稳定安全系数K K1 1，作为整个坝段深层抗滑稳定安全系数。，作为整个坝段深层抗滑稳定安全系数。被动抗力法的概念清楚但理论依据不足；被动抗力法的概念清楚但理论依据不足；当抗力体提供的当抗力体提供的Q Q较小，坝体较小，坝体段可能产生较大的位移，导致于上游帷幕破坏，而该现象无法定量分段可能产生较大的位移，导致于上游帷幕破坏，而该现象无法定量分析，计算结果中也不能反映出来。析，计算结果中也不能反映出来。2 2、剩余推力法、剩余推力法l假定坝体段的稳定安全系数假定坝体段的稳定安全系数K K1 1=1=1，求抗力

51、体上的推力，求抗力体上的推力Q Q；由此计算出；由此计算出抗力体的稳定安全系数抗力体的稳定安全系数K K2 2，作为深层抗滑稳定安全系数。，作为深层抗滑稳定安全系数。 剩余推力法存在的问题是：剩余推力法存在的问题是：当坝体段的当坝体段的f f1 1较大时，较大时，Q Q可能为负值或零，可能为负值或零，不符合实际情况；不符合实际情况；为承受为承受Q Q，抗力体可能会产生较大的变形，以至坝，抗力体可能会产生较大的变形，以至坝趾岩体压碎，计算结果中也不能反映出来。趾岩体压碎，计算结果中也不能反映出来。 3 3、等安全系数法、等安全系数法l等安全系数法就是等安全系数法就是假定假定K K1 1=K=K2

52、 2，分别由两个极限平衡方程求解，分别由两个极限平衡方程求解K K、Q Q。存在问题：存在问题：由于第一滑动面一般为断层、泥化夹层，产生由于第一滑动面一般为断层、泥化夹层，产生塑性破坏塑性破坏，变形较大；第二滑动面一般处于完整岩体中，破坏形式为变形较大；第二滑动面一般处于完整岩体中，破坏形式为脆性破坏脆性破坏，变形较小即破坏，变形较小即破坏，因此两滑动面上的安全系数实际不相同。因此两滑动面上的安全系数实际不相同。 4 4、抗力、抗力Q Q的方向的讨论的方向的讨论l当两滑动块体之间当两滑动块体之间接触面接触面抗力抗力Q Q的方向的方向为水平时为水平时，求得的抗滑稳定安，求得的抗滑稳定安全系数全系数K K值最小值最小，随着，随着Q Q与水平夹角的增大，与水平夹角的增大，K K值也随之增大。值也随之增大。l抗力抗力Q Q的方向的方向 ：在在0r之间之间（ r为为块体之间块体之间接触面处材料的接触面处材料的内摩内摩擦角擦角）。）。抗力抗力Q Q的方向的方向取水平：取水平： =0实际上是假定接触面为一实际上是假定接触面为一非