重力坝抗滑稳定与应力计算

基本资料
开源尾矿库重力坝采用混凝土重力坝结构，重力坝外坡比为1：2.5，內坡比为1:1.5,把顶宽为48m ，坝轴线到坝底的高为58m 。

坝体为膏体固化坝体，特性为2.0MPa 。

尾矿为膏体固化尾砂，特性为1.0MPa 。

尾矿库的示意图见下图
坝体稳定性计算原理及依据
根据《水工建筑》中关于土重力坝的抗滑稳定性分析，由于坝体为混凝土且为膏体固化坝体，尾砂为膏体固化尾砂。

可以将坝体和尾砂看成两个整体，只需计算尾砂对坝体的作用力，进行稳定性分析。

其坝体抗滑稳定系数 K 的规定见表 1 。

表 1 坝体抗滑稳定系数
坝体抗滑稳定性计算公式为 : ∑∑=P W
f K
式中 : K —按抗剪强度计算的抗滑稳定安全系数 ;
f —滑裂面上的摩擦系数 ;
∑ W —作用于滑动面以上的力在铅直方向投影的代数和 ; ∑P—作用于滑动面以上的力在水平方向投影的代数和。

取f得值为0.8，
计算k=1.65＞1.05，故坝体抗滑稳定性满足要求。

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 (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 (8)3.1.4 地震荷载 (10)3.2 安全系数及应力计算 (13)4.结果汇总 (17)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。

I －1混凝土重力坝抗滑稳定及坝基应力计算程序作者 朱凤娟（水电部天津勘测设计院） 校核 牟广丞（水电部天津勘测设计院）一、编制目的和依据本程序根据“混凝土重力坝设计规范”（SDJ21-78）、“水工建筑物抗震设计规范” （SDJ10-78）及“混凝土重力坝设计规范修改补充规定”（1985年1月《水利水电技术》）编制。

用本程序对选定的混凝土重力坝断面作抗滑稳定和坝基应力计算，能迅速获得成果，方便设计。

本程序例题有详细的手算考证，并验算了潘家口工程、板桥溢流坝、石漫滩挡水坝，成果正确。

尽管补充规定末列入抗剪安全系数公式，但考虑到目前抗剪断面两个公式并用的实际情况，所以程序中仍然列入了两个公式。

二、程序说明（一）计算原理及公式 1，抗剪安全系数公式：抗剪断安全系数公式：上、下游面垂直正应力：2，荷载种类：(1) 坝体自重：自动根据断面尺计算，溢流坝闸墩及上部结构作为附加重量加入,廊道、大孔口等作为附加重量扣除。

(2) 水压力:根据上、下游水位自动计算。

设置C9标识符,使电站坝段厂坝间分缝时,不计下游面水压力、 水重计及变坝坡影响。

(3) 泥沙压力:水平泥沙压力计算公式如下:式中:γs ---泥沙浮容重 Φ ---泥沙内磨擦角. 泥沙重计算类同水重。

(4) 扬压力:根据修改规定,坝基扬压力图形改为仅在排水幕处折减一次。

(5) 浪压力：输入浪高之半h L 及波长之半L L 根据规范附录二提供公式自动计算。

∑∑+=VCA V fK 2∑∑=V W fK 1)245(210224ϕγ--=tg H V s 26T MTW y ∑∑±=σ(6) 地震惯性力：当某种荷载组合计入地震时，程序自动计算水平地震惯性力，当地震烈度大于７度时，计入竖向地震惯性力。

(7) 地震动水压力：单宽总地震动水压力（水平）为：当上游面垂直和直立坡大于1／2坝高时ω＝90，否则ω为水面点与坝脚的连线与水平面夹角。

当ω≠90时，竖向动水压力为(8) 附加荷载：溢流顶水量、闸墩与闸门所受的水压力、泄流时的动水压力、冰压力等均可作为附加荷载计入。

［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。

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。

重力坝的稳定分析重力坝主要是依靠自重维持稳定，其可能出现的破坏型式(见图2.9)：滑动：坝体沿抗剪能力不足的薄弱而产生滑动。

倾复：抗倾力矩小于倾复力矩.下游地基差易出现. 计算假定1、河床坝段作为平面问题处理，岸坡坝段按空间问题处理；2、略去横缝作用，以单宽计；3、假定为一根固结于基础上的变截面悬臂梁稳定分析目的: 验算重力坝在各种可能荷载组合下的稳定安全度.一)沿坝基面的抗滑稳定分析假定坝体与坝基的连接有三种物理模式:“触接”、“粘接”、“咬接”.简单接触----摩擦公式认为坝底光滑，坝基光滑，坝直接放置在基岩上----“触接”故当滑动面为水平面时,抗滑稳定计算公式：2、抗剪断公式假定坝体与坝基之间涂有一层砂浆----“粘接”计算时考虑粘结力的作用，故抗剪断公式为:3、剪摩公式假定坝体坝基之间凸凹不平，相互咬合在一起，计算时考虑纯剪强度说明:1、上述三个抗滑稳定计算公式是在不同的假定前提下得到的摩擦公式：形式简单，概念明确，计算方便，多年来积累了丰富的经验，公式中不考虑粘结力与实际不符，(安全裕度含在假定中，k=1.0并不意味着处于临界状态；)剪摩公式：考虑抗滑力时，人为地把阻滑力看作为摩擦力与抗剪能力之和，己挖掘了维持稳定的所有潜力。

因而要求的安全系数较大，在美、日等国家用得较多。

抗剪断公式：物理概念明确，也较符合实际，是近年来发展的趋势，《规范》也推荐采用，应注意抗剪断参数的选用。

2、对摩擦公式和抗剪断公式的讨论摩擦公式忽略了坝体与基岩的胶结作用，不能完全反映实际工作状态，由于不考虑C的作用，因此K取的较小。

抗剪断强度公式考虑了坝体与基岩的胶结作用，计算了全部抗滑潜力，比较符合坝的实际工作状态，物理概念明确。

但C‘现场测值不稳，因此K’取值较大.(四)、增稳措施1°利用水重；2°将坝基开挖成向上游倾斜的斜面(一般不这样做)；3°当节理面倾向下游时，在坝踵下设齿墙，增加滑动体重量也增大抗力；4°设排水系统减小扬压力；5°加固地基(如进行固结灌浆提高强度参数)；6°予应力锚固；。

5.1重力坝剖面设计及原则5.1.1剖面尺寸的确定重力坝坝顶高程1152.00m，坝高H=40.00m。

为了适应运用和施工的需要，坝顶必须要有一定的宽度。

一般地，坝顶宽度取坝高的8%～10%，且不小于2m。

若有交通要求或有移动式启闭设施时，应根据实际需要确定。

综合考虑以上因素，坝顶宽度mB10。

考虑坝体利用部分水中增加其抗滑稳定，根据工程实践，上游边坡坡率n=0～0.2，下游边坡坡率m=0～0.8。

故上游边坡坡率初步拟定为0.2，下游边坡坡率初步拟定为0.8。

上游折坡点位置应结合应力控制标准和发电引水管、泄洪孔等建筑物的进口高程来定，一般折坡点在坝高的1/3～2/3附近，故初拟上游折坡点高程为1138.20m。

下游折坡点的位置应根据坝的实用剖面形式、坝顶宽度，结合坝的基本剖面计算得到（最常用的是其基本剖面的顶点位于校核洪水位处），故初拟下游折坡点高程为1148.50m。

5.1.2剖面设计原则重力坝在水压力及其他荷载的作用下，主要依靠坝体自重产生的抗滑力维持抗滑稳定；同时依靠坝体自重产生压应力来抵消由于水压力引起的拉应力以满足强度要求。

非溢流坝剖面设计的基本原则是：①满足稳定和强度要求，保证大坝安全；②工程量小，造价低；③结构合理，运用方便；④利于施工，方便维修。

遵循以上原则拟订出的剖面，需要经过稳定及强度验算，分析是否满足安全和经济的要求，坝体剖面可以参照以前的工程实例，结合本工程的实际情况，先行拟定，然后根据稳定和应力分析进行必要的修正。

重复以上过程直至得到一个经济的剖面。

5.2重力坝挡水坝段荷载计算5.2.1基本原理与荷载组合重力坝的荷载主要有：自重、静水压力、扬压力、泥沙压力、浪压力、动水压力、冰压力、地震荷载等。

本次设计取单位长度的坝段进行计算。

相关荷载组合见表4.5。

表4.5 荷载组合表组合情况相关工况自重静水压力扬压力泥沙压力浪压力冰压力地震荷载动水压力土压力基本组合正常水位√√√√√√设计水位√ √ √ √ √√ 冰冻 √ √ √ √√√ 特殊组合校核水位 √√√√√√地震情况√ √ √ √√√√5.2.2坝体自重计算5.3.2.1坝体自重计算公式坝体自重W （KN ）的计算公式：V w c ⨯=γ（4.5）式中：V -坝体体积(m 3)，以单位长度的坝段为单位，通常把其断面分成若干个简单的几何图形分别计算；c γ-坝体砌石的重度，一般取23kN/m 3。