中山建斌职业技校水工建筑物教案：第二章 重力坝03

中山建斌职业技校水工建筑物教案：第二章重力坝03二、重力坝的荷载和作用及其组合.荷载的作用永久作用包括：坝体自重和永久性设备自重；淤沙压力（有排沙设施时可列为可变作用）；土压力。可变作用包括：静水压力；扬压力（包括渗透压力和浮托力）；动水压力（包括水流离心力，水流冲击力，脉动压力等）；浪压力；冰压力（包括静冰压力和动冰压力；）风雪荷载；⑦机动荷载。偶然作用包括：地震作用；校核洪水位时的静水压力。.荷载的组合按承载能力极限状态设计时，混凝土重力坝应考虑基本组合和偶然组合两种作用效应组合。按正常使用极限状态设计时，混凝土重力坝应考虑短期组合和长期组合两种作用效应组合。在设计混凝土重力坝坝体剖面时，应按照承载能力极限状态计算基本组合和偶然组合。①荷载作用的基本组合。荷载作用的基本组合包括下列作用：⑴坝体（建筑物）的自重（包括永久性机械设备、闸门、起重设备及其他结构自重）⑵以发电为主的水库，上游用正常蓄水位，下游按照运用要求泄放最小流量时的水位，且防渗及排水设施正常工作时的水作用A.大坝上、下游面的静水压力；B.扬压力。⑶大坝上游淤沙压力。⑷大坝上下游侧向土压力。⑸浪压力：A、取50年一遇风速引起的浪压力。B、多年平均最大风速引起的浪压力。⑹冰压力：取正常蓄水位时的冰作用。⑺其他出现机会较多的作用。②荷载作用的偶然组合荷载作用的偶然组合包括下列作用：⑻当水库泄放校核洪水（偶然状况）流量时，上下游水位的作用，且防渗排水正常工作时的水作用：①坝上下游面的静水压力②扬压力③相应泄洪时的动水压力。⑼地震力。一般取正常蓄水情况时相应的上、下游水深。⑽其他出现机会很少的作用。3.荷载作用分项系数根据荷载作用的特点，有不同的分项系数。总结：本节讲述了坝体自重、静水压力、动水压力、淤沙压力、浪压力、扬压力、冰压力、地震作用、其它荷载的作用、计算及其组合；重点讲述了坝体自重、静水压力、淤沙压力、浪压力、扬压力计算。重力坝的主要要荷载有哪些？分项系数各为多少？什么叫扬压力、渗透压力、浮托力？什么叫基本组合？什么叫偶然组合？各有哪些组合方式?授课题目：第二章重力坝第四节重力坝的抗滑稳定分析第五节重力坝的应力分析教学目的：掌握抗滑稳定计算截面的选取、抗滑稳定计算以及提高坝体抗滑稳定的工程措施；了解应力分析方法、材料力学法计算坝体应力以及坝体和坝基的应力控制。教学重点：提高坝体抗滑稳定的工程措施。教学难点：应力分析方法、材料力学法计算。教学过程：组织教学：师生问好，清查人数。复习提问：重力坝作用的荷载有哪些？导入新课：重力坝的稳定应根据坝基的质条件和坝体剖面形式，选择受力大，抗剪强度较低，最容易产生滑动的截面作为计算截面。重力坝抗滑稳定计算主要是核算坝基面及混凝土层面上的滑动稳定性。另外当坝基内有软弱夹层、缓倾角结构面时，也应核算其深层滑动稳定性。讲授新课：

第四节重力坝的抗滑稳定分析一．抗滑稳定计算截面的选取重力坝的稳定应根据坝基的质条件和坝体剖面形式，选择受力大，抗剪强度较低，最容易产生滑动的截面作为计算截面。重力坝抗滑稳定计算主要是核算坝基面及混凝土层面上的滑动稳定性。另外当坝基内有软弱夹层、缓倾角结构面时，也应核算其深层滑动稳定性。二．重力坝抗滑稳定计算重力坝的抗滑稳定按承载能力极限状态计算，认为滑动面为胶结面，滑动体为刚体。此时滑动面上的滑动力作为效应函数，阻滑力为抗力函数，并认为承载能力达到极限状态时刚体处于极限平衡状态。1．抗滑稳定极限状态设计表达式基本组合极限状态设计表达式：0YVS基本组合极限状态设计表达式：0YVS(Y•G,Y•Q,GkQka)kYV・S(Y•G,Y•Q,A,a)0GkQkkk偶然组合极限状态设计表达式：0GQWXR(f,a〕Y[Yk)dm2抗滑稳定极限状态作用效应函数：S(•)=2PR或$(•)='PC抗滑稳定极限状态抗力函数：R(•)=f2W+°RRARf'一c'.或R(•)=JcSW+cACC2．深层抗滑稳定分析当坝基岩体内存在着不利的软弱夹层或缓倾角断层时，坝体有可能沿着坝基软弱面产生深层滑动，其计算原理与坝基面抗滑稳定计算相同。若实际工中地基内存在相互切割的多条软弱夹层，构成多斜面深层滑动，计算时选择几个比较危险的滑动面进行试算，然后做出比较分析判断。3．抗剪断参数的选取f'f'c'c'的值，直接关系到工程的安全性和经济性，必须合理地选用。一RCRC般情况下，应经试验测定，且每一主要工程地质单元的野外试验不得少于4组；选取这些参数值时，应结合现场的实际情况，参照工程地质条件类似的工程经验，并考虑坝基岩体经工程处理后可能达到的效果，经地质、试验和设计人员共同分析研究进行适当调整后确定，中型工程的中、低坝，若无条件进行野外试验，应进行室内试验，并参照地质条件类似工程的经验数据选用，小型工程的低坝无试验资料时，可参照地质条件类似工程的试验成果和经验数据选用，坝体混凝土与基岩接触面抗剪断参数的计算参考值见DL5108-1999《混凝土重力坝设计规范》。三.提高坝体抗滑稳定的工程措施除了增加坝体自重外，提高坝体抗滑稳定的工程措施，主要围绕着增加阻滑力、减少滑动力的原则，通过多方案技术经济比较，确定最佳方案组合。常采用以下工程措施。.利用水重当坝底面与基岩间的抗剪强度参数较小时，常将上游坝面做成倾向上游的斜面，利用坝面上的水重来提高坝体的抗滑稳定性。但应注意，上游坝面的坡度不宜过缓，否则，在上游坝面容易产生拉应力，对坝体强度不利。.采用有利的开挖轮廓线图2-13坝基开挖轮廓开挖坝基时，最好利用岩面的自然坡度，使坝基面倾向上游。有时，有意将坝踵高程降低，使坝基面倾向上游，但这种做法将加大上游水压力，增加开挖量和混凝土浇筑量，故很少采用。当坝基比较坚固时，可以开挖成锯齿状，形成局部的倾向上游的斜面，这种方法已广泛采用。.设置齿墙当基岩内有倾向下游的软弱面时，可在坝踵部位设齿墙，切断较浅的软弱面加大了滑动体重量，又增加了滑动面的面积，同时也增大了抗滑体抗力。.抽水措施当下游水位较高，坝体承受的浮托力较大时，可考虑在坝基面上设置排水系统，定时抽水以减少坝底浮托力。如：我国的龚嘴工程，下游水深达30m，采取抽水措施后，浮托力只按10m水深计算，节省了坝体混凝土浇筑量。.加固地基：帷幕灌浆、固结灌浆以及断层、软弱夹层的处理等。.横缝灌浆：将部分坝段或整个坝体的横缝进行局部或全部灌浆，以增强坝的整体性和稳定性。.预加应力措施在靠近坝体上游面，采用深孔锚固高强度钢索，并施加预应力，既可增加坝体的抗滑稳定，又可消除坝踵处的拉应力，国外有些支墩坝，在坝趾处采用施加预应力的措施，改变合力R的方向，使WPV/2PH增大，从而提高了坝体的抗滑稳定性。.防渗排水在坝基内布置防渗排水幕、保证排水畅通，降低扬压力，有利于稳定。.空腹抛石如果是空腹重力坝或宽缝重力坝，可在空腔内填块石，提高坝体稳定性。第五节重力坝的应力分析应力分析的目的是为了检验大坝在施工期和运用期是否满足强度要求，同时也是为研究解决设计和施工中的某些问题，如：为混凝土强度等级分区和某些部位的配筋提供依据；验算坝体断面是否合理；为设计坝内廊道、管道、孔口、坝体分缝等提供周边应力数据。应力分析的过程是：首先进行荷载计算和荷载组合，然后选择适宜的方法进行应力计算，最后检验坝体各部位的应力是否满足强度要求。一．应力分析方法重力坝的应力分析方法可以归结为理论计算和模型试验两大类，模型试验费用大，历时长，对于中小型工程，一般可只进行理论计算。计算机的出现使理论计算中的数值解析法发展很快，对于一般的平面问题，常常可以不做试验，主要依靠理论计算解决问题。下面对目前常用的几种应力分析方法做一简要介绍。.模型试验法目前常用的试验方法有光测法、脆性材料法和电测法。光测方法有偏光弹性试验和激光全息试验，主要解决弹性应力分析问题。脆性材料方法和电测方法除能进行弹性应力分析外，还能进行破坏试验，近期发展起来的地质力学模型试验方法，可以进行复杂地基的试验。此外，利用模型试验还可以进行坝体温度场和动力分析等方面的研究。模型试验方法在模拟材料特性、施加自重荷载和地基渗流等方面得到广泛应用，但目前仍存在一些问题，有待进一步研究和改进。.材料力学法这是应用最广泛、最简便、也是重力坝设汁规范中规定采用的计算方法。材料力学法不考虑地基的影响，假定水平截面上的正应力。y按直线分布，使计算结果在地基附近约1/3坝高范围内，与实际情况不符。但这个方法有长期的实践经验。多年的工程实践证明，对于中等高度的坝，应用这一方法，并按规定的指标进行设计，是可以保证工程安全的。对于较高的坝，特别是在地基条件比较复杂的情况下，还应该同时采用其他方法进行应力分析验证。.弹性理论的解析法这种方法在力学模型和数学解法上都是严格的，但目前只有少数边界条件简单的典型结构才有解答，所以，在工程设计中较少采用。通过对典型构件的计算，可以检验其他方法的精确性。因此，弹性理论的解析方法随着计算机科学的发展，在大型工程设计中是一种很有价值的分析方法。.弹性理论的差分法差分法在力学模型上是严格的，在数学解法上采用差分格式，是近似的。由于差分法要求方形网格，对复杂边界的适应性差，所以在应用上远不如有限元法普遍。.弹性理论的有限元法有限元法在力学模型上是近似的，在数学解法上是严格的，可以处理复杂的边界，包括：几何形状、材料特性和静力条件。随着计算机附属设备和软件工程的发展，一些国内外通用计算软件也渐趋成熟，从而可使设计人员从过去繁琐的计算中解脱出来，实现设计工作的自动化。二．材料力学法计算坝体应力材料力学法计算坝体应力，首先在坝的横剖面上截取若干个控制性水平截面进行应力计算。一般情况应在坝基面、折坡处、坝体削弱部位（如廊道、泄水管道、坝内有孔洞的部位）以及认为需要计算坝体应力的部位截取计算截面。对于实体重力坝，常在坝体最高处沿坝轴线取单位坝长（1m）作为计算对象，选定荷载组合，确定计算截面，进行应力计算。.基本假定假定坝体混凝土为均质、连续、各向同性的弹性材料。视坝段为固接于坝基上的悬臂梁,不考虑地基变形对坝体应力的影响,并认为各坝段独立工作，横缝不传力。假定坝体水平截面上的正应力。y按直线分布,不考虑廊道等对坝体应力的影响。.边缘应力的计算（不计入扬压力）一般情况下，坝体的最大和最小应力都出现在坝面,所以,在重力坝设计规范中规定,首先应校核坝体边缘应力是否满足强度要求。.内部应力计算（不计入扬压力）应用偏心受压公式求出坝体水平截面上的。y以后，便可利用平衡条件求出截面上内部各点