某碾压混凝土重力坝稳定应力分析

某碾压混凝土重力坝稳定应力分析
作者：白正广
来源：《科技视界》 2014年第28期
白正广
(中国华电集团公司西藏分公司，四川成都 610041)
【摘要】针对某坝高超过200m的碾压混凝土重力，按照DL5108-1999《混凝土重力坝设
计规范》规定，以分项系数极限状态设计表达式进行结构计算，坝体应力计算采用材料力学方法，坝基抗滑稳定计算采用抗剪断公式，计算时坝段均取单宽进行。

计算结果表明，各典型坝
段坝基稳定满足要求；正常蓄水位、校核洪水位和施工完建工况，各典型坝段坝趾、坝踵均为
压应力，坝基应力满足基岩承载力要求，施工期坝趾未出现拉应力。

【关键词】碾压混凝土重力坝；稳定分析；应力分析
０引言
某水电站挡水建筑物为碾压混凝土重力坝，最大坝高226.00m。

根据DL5180-2003《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》，该工程为一等大(1)型工程。

根据工程等别及各主要建筑物的作用和重要性，确定挡水、泄水、引水发电等永久性主要建筑物均为1级建筑物，次要建筑
物为3级建筑物。

坝址区地震基本烈度为VII度，工程抗震设防类别为甲类。

重力坝应力及稳
定计算采用概率极限状态设计原则，以分项系数极限状态设计表达式进行结构计算[1-2]。

１重力坝枢纽布置及典型坝段剖面设计
拦河坝大坝从右至左依次为右岸非溢流坝段、引水坝段、河床非溢流坝段、河床溢流坝段
和左岸非溢流坝段。

溢流坝段位于主河床，包括1个开敞式溢流表孔及左、右2个中孔。

非溢流坝段基本剖面为三角形，坝顶高程1730.00m，上游面1597.00m高程以上坝面铅直，1597.00m高程以下坝坡坡率为1∶0.15；下游坝坡坡率为1∶0.75。

坝顶宽度为16.0m。

坝体内设基础灌浆、排水及交通廊道。

溢流坝段坝顶高程1730.00m，表孔范围坝顶宽度40.00m，中孔范围坝顶宽度22.00m。

坝
体上游面1597.00m高程以上坝面铅直，1597.00m高程以下上游坝坡坡率为1∶0.15。

溢流表孔孔口尺寸为50.0m×15.0m（宽×高)，溢流堰采用WES实用堰，堰顶高程1582.00m，堰面曲线
与下游反弧段之间用直线连接，直线坡比为1∶0.75。

反弧段圆弧半径为65.00m，挑角为
30.0°。

中孔断面尺寸为6.0m×8.0m（宽×高），出口挑角10°。

表、中孔均采用挑流方式消能。

坝顶下游侧设工作桥，桥面宽度4.5m，公路桥设在坝顶中部，桥面宽度9.5m。

溢流坝段坝顶设双向门式启闭机一台，供启闭检修门和安装、检修弧形闸门用。

表孔设弧形工作门1扇，
由布置在坝顶的液压启闭机操作，每孔设有检修门槽，中孔每孔设弧形工作门1扇，由液压启
闭机操作，两个中孔各设1扇事故检修门，事故检修门为平板门。

２大坝稳定应力计算方法及计算条件
２.１计算方法及内容
按照DL5108-1999《混凝土重力坝设计规范》规定，重力坝应力及稳定计算采用概率极限
状态设计原则，以分项系数极限状态设计表达式进行结构计算。

计算时坝段均取单宽进行。

坝
体应力计算采用材料力学方法，坝基抗滑稳定计算采用抗剪断公式，计算分为承载能力极限状
态和正常使用极限状态2种，承载能力极限状态对大坝建基面及坝体截面进行强度和抗滑稳定
计算，正常使用极限状态对坝体上、下游面拉应力进行验算。

重力坝坝基抗滑稳定基本模式主要有3种：接触面滑动、浅层滑动和深层滑动。

接触面滑
动是本工程重力坝的主要滑移模式；由于本工程坝基为完整的微风化岩体，岩石本身抗剪强度高，且未发现软弱夹层，因此本工程不存在浅层滑动的可能；本工程下游岩体倾向上游的结构
面不发育，坝基无明显的软弱结构面，但有倾向下游的层面，存在深层滑动的可能，潜在深层
滑动面为双斜滑动面，上游滑面为倾向下游的层面，与水平面夹角20度，由于坝基下游无确定结构面，需通过试算确定最危险滑动面及相应的最小安全系数，滑块之间的作用力方向按水平
向考虑。

坝基深层滑动计算采用DL5108-1999附录F推荐的方法进行。

２.２计算参数
大坝为1级水工建筑物，其结构安全级别为Ⅰ级，结构重要性系数取 1.1。

对于持久状况、短暂状况、偶然状况，设计状况系数分别取用1.0、0.95、0.85。

抗滑稳定极限状态设计式的
结构系数取1.2，混凝土抗压极限状态设计式取1.8。

典型坝段建基面抗剪断参数的标准值f’=1.2，c’=1.15，坝基Ⅱ～Ⅲ1岩体f’=1.3，
c’=1.2。

混凝土的动态强度的标准值较其静态标准值提高30％，混凝土动态抗拉强度的标准
值取为动态抗压强度标准值的10％。

抗剪断参数的材料性能分项系数为1.3（摩擦系数）和
3.0（凝聚力），混凝土抗压、抗拉强度的材料性能分项系数均为1.5。

２.３作用组合
根据规范规定并考虑本工程重力坝的实际情况拟定需要计算的作用组合有基本组合、短期
组合和偶然组合。

２.４荷载
计算中考虑的主要荷载[3]包括：1) 自重。

坝体混凝土容重取24kN/m3。

2) 静水压力。

包
括上游水平静水压力、上游面倾斜时作用于该面上的水重、下游水平静水压力、下游斜面上的
水重。

3) 浪压力。

偶然组合计算风速取多年平均年最大风速20.0m/s，基本组合计算风速取多
年平均年最大风速的2倍，相应风向SW，吹程取3.3km。

4) 泥沙压力。

包括上游水平泥沙压力和上游面倾斜时作用于该面上的淤沙重量，取浮容重进行计算。

坝前淤沙高程为1590.00m，泥
沙浮容重为8.0kN/m3，内摩擦角13°。

5) 扬压力。

河床坝段坝基面扬压力按考虑抽排降压效
果计算，岸坡坝段建基面扬压力按不计抽排措施计算。

6) 动水压力。

溢流坝段堰顶过水时考虑下游坝面渐变流时均压力和反弧段水流离心力。

7) 地震作用。

地震作用包括地震时坝体水平惯性力、坝体垂直惯性力、地震时作用于坝上的库水惯性力[4]。

设计地震相应的水平向设计地震加速度为0.3g，校核地震相应的水平向设计地震加速度为0.45g。

３计算结论
本工程抗滑稳定滑移模式为建基面滑动和深层滑动，刚体极限平衡方法计算表明，各典型
坝段滑动抗力效应大于荷载作用效应，满足坝基稳定要求。

坝体应力的材料力学方法计算表明，正常蓄水位、校核洪水位和施工完建工况，各典型坝段坝趾、坝踵均为压应力，坝趾最大压应
力为4.93MPa，坝踵最小压应力为0.19MPa，坝基微风化岩体的承载力在5.5～6.0MPa之间，坝基应力满足基岩承载力要求。

施工期坝趾最小压应力为0.31MPa，未出现拉应力。

采用二维有
限元动力时程法进行抗震计算分析表明，各典型坝段坝踵均出现了1MPa以上的拉应力，最大拉应力为1.75MPa，拉应力区深度约为2.1m，不到坝底宽度的2％，满足规范要求。

岸坡坝段侧
向稳定满足规范要求并有一定安全裕度。

根据计算结果，建议大坝采用间断式横缝，以增强大坝整体性；在两坝肩岩体内设排水洞，洞内布置排水孔，以增强岸坡坝段侧向稳定性。

【参考文献】
［１］林继镛．水工建筑物[M]．4版.北京：中国水利水电出版社，2009．
［２］中华人民共和国行业标准编写组．DL 5108－1999 混凝土（下转第1７０页）（上接第1５４页）重力坝设计规范[S]．北京：中国电力出版社，2000．
［３］中华人民共和国行业标准编写组．DL 5077－1997 水工建筑物荷载设计规范[S]．北京：中国电力出版社，1998．
［４］中华人民共和国行业标准编写组．DL 5073－2000 水工建筑物抗震设计规范[S]．北京：中国电力出版社，2001．
［责任编辑：曹明明］。