重力坝稳定及应力计算
河海水工建筑物 2-3-1重力坝稳定和应力
分项系数法基本公式
对承载能力验算表达式为：
基本组合：
偶然组合： 0S( GGk , QQk ,k )
1
d
R( fk
m
,k )
0S( GGk , QQk , Ak , ak )
1
d
R( fk
m
, ak )
γG永久作用分项系数； γ0结构重要性系数; γQ可变作用分项系数； φ设计状况系数; GK永久作用标准值； QK可变作用标准值； αK几何参数标准值； fK材料性能标准值； γm材料性能分项系数； AK偶然作用标准值； γd结构系数
具体：
（1）坝基面抗滑稳定的承载能力极限状态：
★按承载能力极限状态校核：应按材料的标准值和荷载的标准值或代表值分别计 算基本组合和偶然组合两种情况。
★ S(*)为作用效应函数，S(*)＝∑PR ∑PR为作用于滑动面之上的全部切向（包括滑动面之上的岩体）作用之和；
★ R(*)为抗力函数，R(*)＝∑f ’R∑WR + c’R AR ∑黏W聚R滑力动。面上全部法向作用之和,f ’R坝基面抗剪断摩擦系数，c’R坝基面抗剪断
评价：该方法有长期的实践经验，目前我国重力 坝设计规范中的强度标准就是以该法为基 础的。
2°弹性理论解析法
该法的力学模型和数学解法均很严密，但前只有 少数边界条件简单的典型结构才有解。
评价：可用于验证其他方法的精确性，有重要 价值。
3°弹性理论差分法
该法力学模型严密，在数学解法上采用差分格式， 是一种近似的方法。
1、单斜面深层抗滑稳定计算
坝基深层单滑动面抗滑稳定计算可参照坝体混凝 土与基岩接触面抗滑稳定计算方法进行，抗滑稳定极 限状态计算应沿软弱结构面进行。
重力坝知识点
重力坝一、重力坝的工作原理及特点1、重力坝在水压力及其它荷载作用下必需满足：A 、稳定要求：主要依靠坝体自重产生的抗滑力来满足。
B 、强度要求：依靠坝体自重产生的压应力来抵消由于水压力所产生的拉应力来满足。
2、重力坝的类型：（1）按构造不同分为：实体重力坝，宽缝重力坝，空腹重力坝和预应力重力坝。
（2）按作用可以分：溢流重力坝，非溢流重力坝。
（3）按筑坝材料的不同分为：混凝土重力坝和浆砌石重力坝。
二，重力坝的荷载组合基本组合1：正常蓄水位情况，作用包括：①②③④⑤基本组合2：防洪高水位情况，作用包括：①②③④⑤⑦基本组合3：冰冻情况，作用包括：①②③④⑥偶然组合1：校核洪水位情况，作用包括：①④⑧⑨⑩⑾偶然组合2：地震情况，作用包括：①②③④⑤⑿重力坝按极限状态设计时一般要考虑四种承载能力极限状态：①坝趾抗压强度极限状态②坝体与坝基面的抗滑稳定极限状态③坝体混凝土层面的抗滑稳定极限状态④基岩有薄弱层时坝体连同部分坝基的深层抗滑稳定极限状态。
三 重力坝的抗滑稳定分析沿坝基面的抗滑稳定分析重力坝失稳破坏的机理：首先坝踵处基岩和胶结面出现微裂松弛区，随后在坝址处基岩和胶结面出现局部区域的剪切屈服，进而屈服范围逐渐增大并向上游延伸，最后形成滑动通道，导致大坝的整体失稳。
（一）抗剪强度公式：（1）当接触面呈水平时，其抗滑稳定安全系数)(∑-=U W f K S S /∑P（2）当接触面倾向上游时，其抗滑稳定安全系数∑∑∑∑-+-=ββββsin cos )sin cos (W P P U W f K S（二）抗剪断公式：∑∑'+-'=P A c U W f K S )(深层抗滑稳定分析（1） 单斜面深层稳定计算：如图将软弱面以上的坝体和地基视为刚体，按下式计算： ∑∑∑∑-+-=ββββsin cos )sin cos (W P P U W f K S（2） 双斜面深层抗滑稳定计算：提高抗滑稳定性的工程措施：1） 利用水重2） 采用有利的开挖轮廓线： ① 使坝基面倾向上游。
重力坝的稳定及应力分析
2. 公式：
K'
f ' ( W U ) c ' A
P
3.抗剪断参数的选定
对于大型工程，在设计阶段， f ′,c′应由野外及室内试验 成果决定。在规划阶段，可以参考规范给定的数值选用：
4.安全系数[K′] 设计规范规定： 不分等级,基本荷载组合：采用3.0; 特殊荷载组合：（1）采用2.5；（2）采 用不小于2.3。
地基的接触面、坝体折坡处或坝体断面
削弱的部位（如廊道、泄水管道等部 位）。
1） 基本假定
i.
坝体混凝土为均质、连续、各向同性 的弹性材料； 不考虑两侧坝体的影响，各坝段独立 工作； 假定坝体水平截面上的正应力σy按直 线分布，不考虑廊道等对坝体应力的 影响。
ii.
iii.
2） 边缘应力的计算
一般情况下，坝体的最大应力和 最小应力都出现在坝面，所以应该 首先校核坝体边缘应力是否满足强
坝 踵 坝 踵 坝 趾Fra bibliotek硬 库 满
软
Ec—— Er——
基坝 岩体
2、地基变形弹模对坝体 应力的影响 3、坝体异弹模对坝体应 力的影响 4、纵缝对坝体应力的影 响 5、分期施工对坝体应力 的影响(见下图) 6、坝踵断裂对坝体应力 的影响
坝体主应力分布示意图
影响坝体应力的主要因素有：
1)
地基变形对坝体应力的影响；
2 2
2u Pu
2 d Pd
3）内部应力的计算
1 、坝内水平截面上的正应力 σy 假 定和σy在水平截面上直线分布。 2、坝体内剪应力τ。 3、坝内水平正应力σx。 4、坝内主应力σ1和σ2。 5、考虑扬压力时的计算方法。
考虑扬压力作用时的应力计算
重力坝应力与稳定计算
10
9
校核洪水位
8
设计洪水位
7
正常水位
6
5 前填土 4
反弧段
后填土
3
2
1
0 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8
-2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8
0.000
0.000 0.900 0.330
0.100
0.006 1.000 0.401
0.200
0.020 1.100 0.478
淤沙压力(Kpa)
坝前土压力(Kpa)
37.39
37.39
37.39
37.39
坝后土压力(Kpa) -29.86 -29.86
-29.86 -29.86
浪压力(Kpa)
冰压力(Kpa)
反弧段离心分力
(Kpa)
地震荷载(Kpa)
2、 ∑W
垂直重力
坝自重
坝上水重
反弧段离心分力
扬压力
α
3 抗滑验算
4
抗剪断强度抗滑 安全系数(K')
-8.84 -3.86
0.00 221.67
-0.37 -0.73 -1.31 -0.13 -493.86
8.16 245.22
8.16 245.22
0.00 221.67
-0.37 -0.73 -1.31 -0.13 -497.73
7.23 246.14
7.23 246.14
式中：X----计算 点到中轴的距 离； J----计算截面的 惯心距
2.02
2.52 2.5
0.7
2110.33
2110.32 2110.3
2108.5
坝前土高
重力坝抗滑稳定及应力计算
项目名称：几内亚凯勒塔（KALETA）水电站工程项目阶段：复核阶段计算书名称：重力坝抗滑稳定及应力计算审查：校核：计算：黄河勘测规划设计有限公司Yellow River Engineering Consulting Co. ,Ltd.二〇一二年四月目录1.计算说明 (1)1.1 目的与要求 (1)1.2 基本数据 (1)2.计算参数和研究方法 (2)2.1 荷载组合 (2)2.2 计算参数及控制标准 (2)2.3 计算理论和方法 (3)3.计算过程 (5)3.1 荷载计算 (5)3.1.1 自重 (5)3.1.2 水压力 (6)3.1.3 扬压力 (10)3.1.4 地震荷载 (14)3.2 安全系数及应力计算 (17)4.结果汇总 (22)1.计算说明1.1 目的与要求下列计算是有关挡水坝段、溢流坝段、进水口、底孔坝段抗滑稳定性和基底应力计算。
1.2 基本数据正常蓄水位：110m；设计洪水位：112.94m；校核洪水位：113.30m；大坝设计洪水标准为100年一遇，校核洪水标准为1000年一遇；坝址区地震动峰值加速度为0.15g（g=9.81m/s²），地震动反应周期为0.25s，相应的地震基本烈度为7度，本工程抗震设计烈度为7度。
计算选取的挡水坝段坝顶高程114.00m，坝基底高程92.00m，坝高22m，坝顶宽5m。
上游坝面竖直，下游坝坡在107.33m高程以上竖直，在107.33m 高程以下坡度为1:0.75。
计算选取的溢流坝段堰顶高程110.00m，坝基底高程96.00m，坝高14m，上游坝面竖直，下游坝坡在108.59m高程以上为Creager剖面，在108.59m 高程以下坡度为1:0.85。
正常蓄水位时，溢流坝段下游无水；设计洪水位112.94m时，下游水位104.80m；校核洪水位113.30m时，下游水位105.42m。
进水口坝段顶高程114.00m，坝基底高程87.80m，坝高26.2m，顶宽13.06m，上游坝坡为1:0.25，下游坝坡在107.33m高程以上竖直，在107.33m 高程以下坡度为1:0.75。
第四节--重力坝的应力分析
Gravity Dam Located onBatholith
第四节重力坝的应力分析
目的：
1、为了检验大坝在施工期和运用 期是否满足强度要求；
2、为解决设计和施工中的某些问 题，如砼分区，某些部位的配 筋等提供依据。
应力分析的过程：
1、进行荷载计算及荷载组合 2、选择合适的方法进行应力计算 3、检验大坝各部位的应力是否满
位等）的局部应力、个别部位（如宽缝重力坝的头部、闸 墩、导墙等）的应力等步骤，必要时分析坝基的上、下游 局部应力及内部应力。
三、材料力学方法
（一）基本假定 1、坝体砼为均质，连续各向同性
的弹性材料。 2、取单宽坝体作为固结在地基上
的悬臂梁计算，且不受两侧坝体的影 响。
3、水平断面上的垂直正应力σy是 直线分布。 （二）**边缘应力的计算
2)短期组合下游坝面的垂直拉应力核算
•施工期属短暂状况，坝体下游面的垂直拉应力应不大于
100kPa，其计算式为
Wc M cTc 100 (kPa)
Ac
Jc
第四节 重力坝的应力分析
其他： 坝体内一般不容许出现主拉应力，但以下情况例外：①宽
缝重力坝离上游面较远的局部区域，可出现拉应力，但不 得超过混凝土的容许拉应力；②当溢流坝堰顶部位出现拉 应力时，可考虑配置钢筋；③廊道及其它孔洞周边的拉应 力区域，宜配置钢筋，以承受拉应力。
坝体主应力 分布示意图
作业2
图与荷载同作业1，砼强度等级C10，标准抗压 强度fkc=10MPa，坝基为较完整的微风化花岗片 麻岩，标准抗压强度fkR=80MPa 试核算基本组合的设计洪水位情况下 (1)计算坝基面A、B及折坡处水平面C、D点的应 力x、y、及主应力； (2)坝趾B抗压强度和坝踵A应力是否满足要求； (3)根据所计算的稳定安全系数及应力情况．讨论 此坝断面设计是否得当；
重力坝稳定计算
坝顶高程b 989.00m 坝底高程984.00m 设计洪水位988.70m 设计洪水位986.00m 正常高水位987.70正常高水位986.00m 校核洪水位988.70校核洪水位986.00坝顶宽度1.00m 坝底宽度 5.00m 淤沙高程985.00m 上游边坡高程yn 989.00m 河床基岩高程984.00下游边坡高程ym 989.00m 砌体容重23.00kN/m3排水孔距上游面 5.00m 水容重10.00kN/m3内摩擦角φ18帷幕距上游面5.00m 摩擦系数f 0.5上游边坡1∶n0.00下游边坡1∶m 1.25垂直力（kN）水平力（kN）对坝底中点力臂（m）↓↑→←W 1115W 2359.375W 30P 1110.45P 220Q 1-3Q 20Q 325P 1P 2P n1 1.7155581P n20小计496.375u 1100u 20u 340.5u 447.25小计p c 496.375187.75112.1655620地震贯性p 01地震动水压力p 02荷载验算荷载组合荷载扬压力基本资料上游水位相应的下游水位泥沙压力浪压力自重水压力水重∑W＝308.625∑P＝92.16555815∑M＝-581.639814抗滑稳定系数K＝ 1.67429681<1.05s＝-77.86855535上游边缘正应力σyx＝201.3185553下游边缘正应力σys-77.86855535强度验算σs＝σy971.6975.8对坝底中点力臂（m）↙+↘-2230-1.66667-598.958331.83333301.566667173.0383330.66666713.3333332-62.16666701.66666741.66666670.3333330.571852722.4333330237.33333-383.681480002.50000.83333339.375237.33333-344.30648↘-581.639814力矩（kN.m）为须修改的数据在进行重力坝设计中，必须以设计洪水位为假设中的三角形的顶点。
重力坝应力分析
二、重力坝的应力分析（一）重力坝应力分析的目的和方法应力分析的主要目的是：验算拟定坝体断面是否经济合理；确定坝内材料分区；为某些部位的配筋提供依据。
常用的分析方法有理论计算和模型试验两大类。
中、小型工程，一般采用理论计算方法即可。
理论计算法又包括材料力学法和弹性理论的解析法、有限元法，其中材料力学法是一种简便而较实用的方法。
（二）用材料力学法计算坝体边缘应力材料力学法通常沿坝轴线取单位宽度（1m ）的坝体作为计算对象。
坝体的最大和最小应力一般发生在上、下游坝面，所以，应首先计算坝体边缘应力。
计算简图及荷载、应力的正方向，如图1所示。
图11、水平截面上的边缘正应力yu σ 和yd σ26yu ydWM TTσσ⎧⎫⎪⎪=±⎨⎬⎪⎪⎩⎭∑∑ （6—1）式中W∑——计算截面以上所有垂直分力的代数和（向下为正），kN ；M∑——计算截面以上所有作用力对截面形心的力矩代数和（逆时针方向为正），kN ．m ；T——坝体计算截面沿上下游方向的水平宽度，m ；2、剪应力 u τ和d τ已知u τ 和 d τ以后，可根据边缘微元体的平衡条件解出上、下游边缘剪应力，见图2所示。
由平衡条件0y =∑ 可得：图2()u u y up n τσ=- （6—2） ()d y ddpm τσ=- （6—3）式中 u p 、d p ——计算截面处上、下游坝面的水压力强度（如有泥沙压力和地震水压力时也应计算在内），kPa ；n 、m ——计算截面处上、下游坝面的坡率，tan u n φ= ，tan d m φ=。
3、垂直截面上的边缘正应力 xu σ及xd σ仿照求边缘剪应力的方法，对微分单元体取0x =∑ ，可得：()()2x u u u y up p n k P a σσ=--（6—4） ()()2x d d y ddp pm k P a σσ=+-（6—5）4、边缘主应力 1u σ及1d σ由材料力学可知，主应力作用面上无剪应力，故上、下游坝面即为主应力面之一，另一主应力面与坝面垂直。
基于重力坝应力计算及稳定分析的优化设计
基于重力坝应力计算及稳定分析的优化设计重力坝是一种常见的水利工程结构，其稳定性是设计中需要考虑的重要问题。
在设计重力坝时，需要对其应力进行计算和稳定性进行分析，并进行优化设计。
首先，重力坝的应力计算需要考虑以下几个方面。
首先是坝体自重的计算，包括坝体上升水压力和上升地下水压力。
其次是坝顶压力的计算，包括抗倾覆稳定和抗滑移稳定的力学分析。
还需要考虑水侧坝体的压力计算，包括水压头的作用和大坝的承压强度。
最后是岩质坝体的应力分析，考虑岩性、节理的影响及坝体的变形与稳定性。
为了保证重力坝的稳定性，需要进行稳定分析。
稳定分析主要包括抗倾覆稳定和抗滑移稳定两个方面。
抗倾覆稳定分析是为了防止重力坝在承受水压力的作用下发生倾覆。
抗滑移稳定分析是为了防止重力坝在地基土的滑移力的作用下发生移动。
通过合理选择坝体的高度、坝基的强度和选择合适的岩质材料，可以有效地提高重力坝的稳定性。
在重力坝的优化设计中，可以从以下几个方面进行考虑。
首先是合理选择重力坝的形式，可以是三角形、梯形或者圆弧形等不同形式，根据工程实际情况进行选择。
其次是选择合适的坝基处理措施，包括混凝土垫层、防渗墙等，可以提高坝体的稳定性。
另外，可以考虑采用辅助措施，如设置消能防冲设施、阻水排水系统等，提高重力坝的安全性。
最后，可以进行不同形式的优化设计，如遗传算法、模拟退火算法等，寻找最优设计方案，既能满足工程要求，又能提高工程的经济性和可行性。
综上所述，基于重力坝的应力计算及稳定分析的优化设计是一个综合性的工程问题。
通过合理的应力计算和稳定分析，可以提高重力坝的稳定性。
同时，通过优化设计，可以选择合适的形式和措施，提高工程的安全性和经济性。
因此，在重力坝的设计中，需要综合考虑各种因素，进行全面的分析和优化设计。
重力坝分析与计算
一、计算荷载组合：坝体自重：区域① W11=10*125*24=30000KN 方向↓ 区域② W12=0.5*113*73.45*24=99598.2KN 方向↓ W1=W11+W12=30000+99598.2=129598.2KN 方向↓ 静水压力：垂直水压力PV=0.5*17*17*0.65*9.8=920.47KN 方向↓ 水平水压力，上游PH1=0.5*γw*H ²=0.5*9.8*120²=70560KN 方向→ 下游PH2=0.5*γw*H ²=0.5*9.8*17²=1416.1KN 方向← 淤沙压力：Ps=0.5*γsb*hs ²*tan ²（45-ⱷs/2）0.5*8.5*21.8²*tan ²（45-27/2）=758.47KN 方向 → 扬压力： 浮托力 U1=γw*H*B=9.8*17*83.45=13902.77 KN 方向↑ 渗流力，区域a U2=ωγα***)1(*5.01L H -=0.5*（1-0.2）*103*7*9.80=2826.32KN 方向↑区域b U3=ωγα**1H L =7*0.2*103*9.80=1413.16KN 方向 ↑区域c U4=ωγα***5.02L H =0.5*0.2*103*76.45*9.80=7716.86KN 方向↑ U=U1+U2+U3+U4=13902.77+2826.32+1413.16+7716.86=25859.11KN 方向↑ 荷载计算如下图所示：二、沿坝基面的抗滑稳定分析以单宽坝段作为计算单元，按抗剪断强度公式计算，认为坝体混凝土与基岩接触良好，接触面面积为A ，采用接触面上的抗剪断参数'f 和'c 计算抗滑稳定安全系数。
A=83.45㎡PA c U W f K s∑+-∑=''')(=(0.92*（129598.2+920.47-25859.11）+750*83.45)/(70560-1416.1+758.47)=2.273 满足要求。
重力坝抗滑稳定与应力计算
项目名称：几亚凯勒塔（KALETA）水电站工程项目阶段：复核阶段计算书名称：重力坝抗滑稳定及应力计算审查：校核：计算：黄河勘测规划设计Yellow River Engineering Consulting Co. ,Ltd.二〇一二年四月目录1.计算说明 (1)1.1 目的与要求 (1)1.2 基本数据 (1)2.计算参数和研究方法 (1)2.1 荷载组合 (1)2.2 计算参数及控制标准 (2)2.3 计算理论和方法 (3)3.计算过程 (4)3.1 荷载计算 (4)3.1.1 自重 (4)3.1.2 水压力 (4)3.1.3 扬压力 (6)3.1.4 地震荷载 (7)3.2 安全系数及应力计算 (9)4.结果汇总 (11)1.计算说明1.1 目的与要求下列计算是有关挡水坝段、溢流坝段、进水口、底孔坝段抗滑稳定性和基底应力计算。
1.2 基本数据正常蓄水位：110m；设计洪水位：112.94m；校核洪水位：113.30m；大坝设计洪水标准为100年一遇，校核洪水标准为1000年一遇；坝址区地震动峰值加速度为0.15g（g=9.81m/s²），地震动反应周期为0.25s，相应的地震基本烈度为7度，本工程抗震设计烈度为7度。
计算选取的挡水坝段坝顶高程114.00m，坝基底高程92.00m，坝高22m，坝顶宽5m。
上游坝面竖直，下游坝坡在107.33m高程以上竖直，在107.33m 高程以下坡度为1:0.75。
计算选取的溢流坝段堰顶高程110.00m，坝基底高程96.00m，坝高14m，上游坝面竖直，下游坝坡在108.59m高程以上为Creager剖面，在108.59m高程以下坡度为1:0.85。
正常蓄水位时，溢流坝段下游无水；设计洪水位112.94m 时，下游水位104.80m；校核洪水位113.30m时，下游水位105.42m。
进水口坝段顶高程114.00m，坝基底高程87.80m，坝高26.2m，顶宽13.06m，上游坝坡为1:0.25，下游坝坡在107.33m高程以上竖直，在107.33m 高程以下坡度为1:0.75。
作业一重力坝的稳定应力分析
作业一重力坝的稳定应力分析重力坝是一种常见的大坝类型，以其简单、稳定的结构而被广泛应用于工程建设中。
重力坝主要依靠其自身的重量抵抗水压力，保证坝体整体的稳定。
在重力坝的设计和施工过程中，稳定性是一个重要的考虑因素。
稳定性分析可以帮助工程师确定重力坝的最佳尺寸、形状和材料，以确保坝体可以承受水压力和其他外力的作用。
重力坝的稳定性主要包括静力稳定性和动力稳定性两个方面。
静力稳定性分析是指坝体在静止状态下是否能够保持平衡，并通过重力抵抗来抵抗水压力的作用。
动力稳定性分析是指坝体在水流冲击和地震作用下是否能够保持稳定。
在进行重力坝的稳定应力分析时，首先需要确定重力坝的几何形状和材料参数。
重力坝的几何形状包括坝身高度、坝顶宽度、坝底宽度等。
材料参数包括坝体的抗压强度、摩擦角等。
然后，可以使用力学原理和数学方法对坝体进行静力稳定和动力稳定性分析。
静力稳定性分析主要包括重力平衡、摩擦力和附加压力等因素的考虑。
重力平衡要求坝体的重力和水压力之间达到平衡，即满足重力矩平衡和重力力平衡。
摩擦力主要指坝体与地基之间的摩擦力，需要保证摩擦力能够抵抗倾覆力矩的作用。
附加压力是指当坝体的水位发生变化时，由于地下水和孔隙水的作用，会对坝体施加额外的压力，需要考虑这一点来确保稳定。
动力稳定性分析主要包括水流冲击和地震作用的考虑。
在水流冲击分析中，需要考虑水流冲击力对坝体的作用，以及坝体的抗浮力。
地震作用分析中，需要考虑地震对坝体的作用，以及坝体的抗倾覆能力。
除了静力和动力稳定性分析外，还需要考虑其他因素对重力坝的稳定性的影响。
例如，温度变化会导致坝体的膨胀和收缩，可能对坝体结构造成影响，需要考虑温度因素。
此外，地下水位变动、洪水冲刷等等也需要在稳定性分析中进行考虑。
总之，重力坝的稳定力学分析是重力坝设计和施工的重要环节。
通过对重力坝的稳定应力分析，可以确保重力坝能够在不同条件下保持稳定，并能承受各种外力的作用。
这对于保障工程的安全运行和灾害防治具有重要的意义。
重力坝的荷载与稳定性怎么计算
重力坝的荷载与稳定性怎么计算
重力坝主要依靠自重维持稳定
分类
重力坝的设计内容
①总体布置②稳定分析③剖面设计④应力分析⑤构造设计⑥地基处理
⑦泄水设计⑧监测设计⑨施工设计
作用与荷载
①自重（包括固定设备重）：沿坝基面滑动，仅计坝体重量；沿深层滑动，需计入滑体内岩体重
②静水压力
③扬压力：扬压力=浮力+渗流压力（α：扬压力折减系数）
④动水压力
⑤浪压力
波浪三要素：波高、波长和壅高
⑥泥沙压力
⑦冰压力，⑧土压力，⑨地震作用，⑩温度作用等。
稳定分析
目的：核算坝体沿坝基面或坝基内部缓倾角软弱结构面抗滑稳定的安全度。
失稳机理：首先在坝踵处基岩和胶结面出现微裂松弛区，随后在坝趾处基岩和胶结面出现局部区域的剪切屈服，进而屈服范围逐渐增大并向上游延伸，最后，形成滑动通道，导致坝的整体失稳。
抗剪强度公式（摩擦公式）
抗剪断公式
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。
某水库浆砌石重力坝的稳定分析及应力计算
［收稿日期］ ２０１５－０１－２１［作者简介］ 张志刚（１９８０－），男，湖北黄梅人，工程师，从事水工结构设计工作畅某水库浆砌石重力坝的稳定分析及应力计算张志刚１，邓 钦２（１畅四会市水利水电勘测设计院，广东四会 ５２６２００；２畅广东粤源水利水电工程咨询有限公司，广州 ５１０６３５）［摘 要］ 为确保水库安全运行，需要对大坝结构进行安全复核。
采用材料力学方法，对浆砌石重力坝进行抗滑稳定计算和坝体应力分析。
分析结果表明，大坝抗滑稳定安全系数、坝基最大垂直正应力、坝体最大压应力和最大拉应力均满足规范要求，水库大坝结构安全。
［关键词］ 浆砌石重力坝；抗滑稳定；应力分析［中图分类号］ ＴＶ６４ ［文献标识码］ Ｂ ［文章编号］ １００６－７１７５（２０１５）０５－００１１－０３１ 工程概况某水库位于广东省从化市东北部，是一座以灌溉为主，兼集防洪、发电等综合利用为一体的中型水库。
坝址以上控制集雨面积９２畅３０ｋｍ２，总库容９４５８×１０４ｍ３，死库容２４０×１０４ｍ３。
水库工程等别为Ⅲ等，主要建筑物级别为３级。
水库大坝为浆砌石重力坝，坝顶轴线长１８１畅９０ｍ，整体呈南北走向，坝顶高程１７７畅７１ｍ，最大坝高６１畅３０ｍ，坝顶宽５畅０ｍ，底宽５０畅０ｍ。
主坝共分５个重力坝段和１个溢流坝段（溢流坝段长２２ｍ）。
重力坝段断面基本形状为三角形，溢流坝段堰顶高程１６８畅２１ｍ，堰面采用克－奥曲线。
水库工程于１９７２年１２月兴建，１９７６年１月投入运用。
由于建坝时清基未够彻底，致使大坝在投入运行后，左坝坝头与山坡结合处不断出现渗漏，且施工人员技术水平参差不齐，砌体结构质量不均，坝体局部出现渗漏。
采取相应除险加固措施后，保证了大坝的安全运行。
最近一次加固是在２０００年，主要是对大坝进行灌浆。
其中，左坝头５个孔，右坝头２个孔，钻孔总深度２６０畅８０ｍ。
２ 地质条件坝址位于“Ｖ”型峡谷段。
两岸基本对称且坝址地形呈倒葫芦形。
附录三 用材料力学方法计算坝体应力
附录三 用材料力学方法计算坝体应力一、说明混凝土重力坝一般均用材料力学方法计算坝的应力指标并设计断面，所以本附录仍列入该法的有关计算公式，至于电子计算机的程序另见本规范参考资料。
本法假定坝体各水平截面上的垂直正应力σy 呈直线分布，因此，可以按材料力学中的偏心受压公式来确定σy ，然后依次应用平衡条件确定剪应力τ，水平正应力σx 以及主应力σz 1，σz 2和其方向。
作用在计算截面上的扬压力，通常呈折线形分布(附图6a )，这个图形，可分解为一个在全截面上呈梯形(或三角形)分布的图形(附图6b )和一些在上游部分呈局部三角形或矩形分布的图形，如附图6c 、d 、e 。
当扬压力沿全截面呈直线分布时(即附图6b 所示情况)，其所产生的应力为：=-==τσσvy x p附图6v p 为计算点的扬压力，因此，这种扬压力所产生的应力可以不必专门计算，只须先不考虑扬压力的影响，确定各点上的应力σx ，σy 及τ，然后在正应力中扣去扬压力v p 即可，对于仅作用在截面局部部分上的扬压力(渗透压力)，则必须作专门计算，以确定其所产生的应力。
用材料力学方法计算坝体应力时，以压应力为正，拉应力为负，y 为垂直轴，以向下为正，x 为水平轴，以向上游为正，原点取在计算截面与下游坝面的交点上(附图7)，其余所用符号如下：T ——坝体计算截面沿上、下游方向的长度； n ——上游坝坡，n =tg φs ； m ——下游坝坡，m =tg φxi ； γh ——混凝土容重；γ、'γ——上、下游水的容重('γ在数值上常等于γ)；p 、'p ——计算截面在上、下游坝面所受的水压力(如有泥沙压力时应计入在内)；p y 、'p y ——计算截面在上、下游坝面所受地震动水压力；λ——地震惯性力总系数，λ=k H C z F 以入乘混凝土重量W ，即为地震惯性力，应按《水工建筑物抗震设计规范》计算；vs p 、vxi p ——计算截面在上、下游坝面处的扬压力；ηγH ——在上游的渗透压力(H 为计算截面以上的上游水深，η为扬压力系数)； ΣW ——计算截面上全部垂直力的总和(包括坝体自重、水重、泥沙重及计算的扬压力等)，以向下为正，对于实体重力坝，均切取单位宽度坝体为准(下同)；ΣP ——计算截面上全部水平推力的总和(包括水压力、泥沙压力和地震水压力等)，以指向上游为正；ΣM ——计算截面上全部垂直力及水平力对于计算截面形心的力矩的总和，以使上游面产生压应力者为正；其他符号将在宽缝重力坝计算中再加说明。
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六、坝体强度承载能力极限状态计算及坝体稳定承载能力极限状态计算（一）、基本资料坝顶高程：m校核洪水位（P = %）上游：m下游：m正常蓄水位上游：m下游：m死水位：m混凝土容重：24 KN/m3坝前淤沙高程：m泥沙浮容重：5 KN/m3混凝土与基岩间抗剪断参数值：f `=c `= Mpa坝基基岩承载力：［f］= 400 Kpa坝基垫层混凝土：C15坝体混凝土：C1050年一遇最大风速：v 0 = m/s多年平均最大风速为：v 0 `= m/s吹程D = 1000 m（二）、坝体断面1、非溢流坝段标准剖面(1)荷载作用的标准值计算（以单宽计算） A 、正常蓄水位情况（上游水位，下游水位） ① 竖向力（自重）W 1 = 24×5×17 = 2040 KN W 2 = 24×× /2 = KN W 3 = ×（）2× /2 = KN ∑W = KNW 1作用点至O 点的力臂为： /2 = m W 2作用点至O 点的力臂为：m 067.16.83226.13=⨯- W 3作用点至O 点的力臂为： m 6.58.0)10905.1094(3126.13=⨯-⨯-竖向力对O点的弯矩（顺时针为“－”，逆时针为“+”）：M OW1 = 2040×= 8772 KN·mM OW2 = －×= －KN·mM OW3 = －×= －445 KN·m∑M OW = KN·m②静水压力（水平力）P1 = γH12 /2 = ×－1090)2 /2= －KNP2 =γH22 /2 =×2 /2 =∑P = －KNP1作用点至O点的力臂为：－1090)/3 =P2作用点至O点的力臂为：－1090)/3 =静水压力对O点的弯矩（顺时针为“－”，逆时针为“+”）：M OP1 = ×= －6089 KN·mM OP2 = ×= KN·m∑M OP = －KN·m③扬压力扬压力示意图请见下页附图：H1 = －1090 = mH2 = －1090 = m(H1 －H1) = －= m计算扬压力如下：U1 = ××= KNU2 = ××/2 = KN∑U = KNU1作用点至O点的力臂为：0 mU2作用点至O点的力臂为：/ 2－/ 3 =竖向力对O点的弯矩（顺时针为“－”，逆时针为“+”）：M OU1 = 0 KN·mM OU2 = －×= －KN·m∑M OU = －KN·m④浪压力（直墙式）浪压力计算简图如下：由确定坝顶超高计算时已知如下数据：单位：m平均波长L m 波高h 1% 坝前水深H 波浪中心线至计算水位的高度h Z使波浪破碎的临界水深计算如下：%1%122ln 4h L h L L H m m m cr πππ-+=将数据代入上式中得到： 013.183.02644.783.02644.7ln 4644.7=-+=πππcr H 由判定条件可知，本计算符合⑴H ≥H cr 和H ≥L m /2，单位长度上的浪压力标准值按下式计算：)(41%1Z m W Wkh h L P +=γ 式中：γw ── 水的重度 = KN/m 3 其余计算参数已有计算结果。
浪压力标准值计算得：KN P Wk 865.20)283.083.0(644.781.941-=+⨯⨯⨯=对坝底中点O 取矩为（顺时针为“－”，逆时针为“+”）：M OPWK = ××2)×+3)+××2)×－3) = －+ = － KN ·m⑤ 淤沙压力 淤沙水平作用力：)245(2122S S Sb sk tg h p ψγ-︒=式中：γSb ── 淤沙浮容重 = 5 KN/m 3h S ── 挡水建筑物前泥沙淤积厚度 = ψSB ── 淤沙内摩擦角 =18° 代入上式得到淤沙压力标准值P SK = － KN对O 点的力臂为（－1090）/3 =对O 点取矩 M OPSK = －× = － KN ·m 将计算的各荷载进行汇总整理。
结论请见附表1。
B 、校核洪水位情况（上游水位，下游水位） ① 竖向力（自重）W 1 = 24×5×17 = 2040 KN W 2 = 24×× /2 = KN W 3 = ×（）2× /2 = KN ∑W = KNW 1作用点至O 点的力臂为： /2 = m W 2作用点至O 点的力臂为：m 067.16.83226.13=⨯- W 3作用点至O 点的力臂为：m 376.58.0)109034.1095(3126.13=⨯-⨯- 竖向力对O 点的弯矩（顺时针为“－”，逆时针为“+”）： M OW1 = 2040× = 8772 KN ·m M OW2 = －× = － KN ·mM OW3 = －×= －KN·m∑M OW = KN·m②静水压力（水平力）P1 = γH12 /2 = ×－1090)2 /2 = －KN (→)P2 =γH22 /2 =×－1090)2 /2 = KN (←)∑P = －KN (→)P1作用点至O点的力臂为：－1090)/3 =P2作用点至O点的力臂为：－1090)/3 = m静水压力对O点的弯矩（顺时针为“－”，逆时针为“+”）：M OP1 = ×= －KN·mM OP2 = ×= KN·m∑M OP = －KN·m③扬压力扬压力示意图请见下图：H1 = －1090 = mH2 = －1090 = m(H1 －H1) = －= m计算扬压力如下：U1 = ××= KNU 2 = ××/ 2 = KN∑U = KNU1作用点至O点的力臂为：0 mU2作用点至O点的力臂为：/ 2 －/ 3 =竖向力对O点的弯矩（顺时针为“－”，逆时针为“+”）：M OU1 = 0 KN·mM OU2 = ×= －KN·m∑M OU = －KN·m④浪压力（直墙式）浪压力计算简图如下：由确定坝顶超高计算时已知如下数据：单位：m平均波长L m 波高h 1% 坝前水深H 波浪中心线至计算水位的高度h Z使波浪破碎的临界水深计算如下：%1%122ln 4h L h L L H m m m cr πππ-+=将数据代入上式中得到： m H cr 584.05.02069.55.02069.5ln 4069.5=-+=πππ 由判定条件可知，本计算符合⑴H ≥H cr 和H ≥L m /2，单位长度上的浪压力标准值按下式计算：)(41%1Z m W Wkh h L P +=γ 式中：γw ── 水的重度 = KN/m 3 其余计算参数已有计算结果。
浪压力标准值计算得：KN P Wk 143.8)155.05.0(069.581.941-=+⨯⨯⨯=对坝底中点O 取矩为（顺时针为“－”，逆时针为“+”）：M OPWK = ××2)×+3)+××2)×－3) = －+ = － KN ·m⑤ 淤沙压力淤沙压力标准值 P SK = － KN对O点的力臂为（－1090）/3 =对O点取矩M OPSK = －×= －KN·m将计算的各荷载进行汇总整理。
结论请见附表2。
附表1正常蓄水位情况各项作用力统计表单位：KN、KN·m序号荷载效应方向力标准值力矩标准值分项系数力设计值力矩M设计值1自重↓为正2静水压力←为正3扬压力↓为正4浪压力←为正5淤沙压力←为正附表2校核洪水位情况各项作用力统计表单位：KN、KN·m序号荷载效应方向力标准值力矩标准值分项系数力设计值力矩M设计值1自重↓为正2静水压力←为正3扬压力↓为正4浪压力←为正5淤沙压力←为正按规范规定作用组合进行作用力的汇总如附表3：附表3 各种工况下的∑↓、∑←、∑M统计表单位：KN、KN·m工况承载能力极限状态正常使用极限状态持久状态偶然状态持久状态∑W (↓)∑P (←)∑M备注均采用荷载设计值均采用荷载标准值⑵．由规范8.结构计算基本规定中可知大坝坝体抗滑稳定和坝基岩体进行强度和抗滑稳定计算属于1）承载能力极限状态，在计算时，其作用和材料性能均应以设计值代入。
基本组合，以正常蓄水位对应的上、下游水位代入，偶然组合以校核洪水位时上、下游水位代入。
而坝体上、下游面混凝土拉应力验算属于2）正常使用极限状态，其各设计状态及各分项系数 = ，即采用标准值输入计算。
此时结构功能限值C = 0。
荷载各项标准值和设计值请见附表1。
① 坝体混凝土与基岩接触面抗滑稳定极限状态a 、基本组合时，取持久状态对应的设计状况系数ψ=，结构系数γd1=，结构重要性系数γ0 =。
基本组合的极限状态设计表达式),(1),,(10k mkd k k Q k G f R Q G S αγγαγγψγ≤式中左边=γ0ψS(·) =×× = KN 对于抗滑稳定的作用效应函数S(·) = ∑P右边=)16.13320062.15963.15.0(2.11)`1`(2.11⨯⨯+⨯⨯=+∑⨯A C W f W W γγ = KN对于抗滑稳定的抗力函数R(·) = f R `∑W R + C R `A R 经计算：左边= KN ＜ 右边= KN 满足规范要求。
b 、偶然组合时，取偶然状态对应的设计状况系数ψ=，结构系数γd2=，结构重要性系数γ0 =。
偶然组合的极限状态设计表达式),(1),,,(20k mkd k k k Q k G f R A Q G S αγγαγγψγ≤式中左边=γ0ψS(·) =×× = KN 对于抗滑稳定的作用效应函数S(·) = ∑P右边=)16.13320022.15923.15.0(2.11)`1`(2.11⨯⨯+⨯⨯=+∑⨯A C W f W W γγ = KN对于抗滑稳定的抗力函数R(·) = f R `∑W R + C R `A R 经计算：左边= KN ＜ 右边= KN 满足规范要求。