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。
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1 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：C10
50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
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2 （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）
W1 = 24×5×17 = 2040 KN
W2 = 24×× /2 = KN
W3 = ×（）2× /2 = KN
∑W = KN
W1作用点至O点的力臂为： /2 =
m
W2作用点至O点的力臂为： m067.16.83226.13
W3作用点至O点的力臂为： m6.58.0)10905.1094(3126.13 百度文库 - 让每个人平等地提升自我
3 竖向力对O点的弯矩（顺时针为“－”，逆时针为“+”）：
MOW1 = 2040× = 8772 KN·m
MOW2 = －× = － KN·m
MOW3 = －× = －445 KN·m
∑MOW = KN·m
② 静水压力（水平力）
P1 = γH12 /2 = ×－1090)2 /2= － KN
P2 =γH22 /2 =×2 /2 =
第２９卷增刊（２） ２ ０ １ ０年１ ０月 四川水力发电 Ｓｉｃｈｕａｎ Ｗａｔｅｒ Ｐｏｗｅｒ Ｖ０ｌ＿２９．Ｓｕｐｐｌｅｍｅｎｔ（２） Ｏｃｔ．， ２ ０ １ ０
实体重力坝应力计算过程分析
秦定龙
（四ＪｉＩ电力职业技术学院水利水电与建筑工程系，四川成都６１００７２）
摘要：实体重力坝应力分析是重力坝设计中的关键问题之一，而重力坝的应力状态又是重力坝的强度核算、材料分区和构 造分缝的主要依据。重力坝的应力计算涉及众多因素，特别是水作用引起的扬压力对重力坝的稳定和应力影响较大。正确 计算重力坝的荷载、全面分析重力坝的应力，真正理解重力坝应力分析过程的真谛，是合理设计重力坝的关键所在。通过重 力坝应力计算实例，深入坝体内部，全方位计算重力坝的应力，突出主应力问题分析，为重力坝设计者提供一个应力分析的 全真过程。 关键词：实体重力坝；扬压力；应力；应力状态；实例分析 中图分类号：ＴＶ６４２；ＴＶ３１ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００１．２１８４ｆ２０１０）增２－０１７７－０４
１ 概述
实体重力坝应力分析的目的是为了检验水工
大坝在施工期和运用期是否满足强度要求，以保
证大坝在正常使用时坝体不会出现裂缝、断裂等
强度问题；同时也是为了研究大坝设计和施工中
的某些问题，如为实体重力坝的混凝土材料分区
和坝体内某些部位的钢筋配置提供力学依据。
影响实体重力坝应力状态的因素很多，如：坝
体的轮廓尺寸、静力荷载作用、地基性质、施工过
程、温度变化以及地震特性等。由于在重力坝的
应力分析中还不能准确考虑各种因素，所以，无论
采用何种方法得出的计算结果或成果都在不同程
度上带有一定的近似性。总结实体重力坝几十年
来的应力分析方法，无非归结为两种类型：一是理
论计算方法，二是模型实验法。两种方法彼此补
充，互相验证，其结果都要受到原型观测的检验。
由于理论分析方法中的材料力学法是一种应用最
广、最简便，也是重力坝设计法规中规定采用的计
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某碾压混凝土重力坝稳定应力分析 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ｆ１）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．ＯＯｍ．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：Ｏ．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￣Ｌ：ＦＬ口尺寸为 ５０．０ｍｘｌ５．０ｍ（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３Ｏ．Ｏｏ。中孔断面尺寸为６．０ｒｅｘ８．０ｍ（宽Ｘ 高），出口挑角ｌ０。。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ｌ扇事故检修门．事故检修门为平板门。 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～ｍ １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．Ｏ（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咆括：１）自重。坝体混凝土容重取２４ｋＮ／ ｍ３ｏ２）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２０．０ｒｄｓ．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３．３ｋｉｎ。４１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。 ２大坝稳定应力计算方法及计算条件 ３计算结论 ２．１ 计算方法及内容 按照ＤＬ５１０８—１９９９（（￣ｇ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２ｏ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ＤＬＳ１０８—１９９９附录Ｆ推 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．ＯＭＰａ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。ｅ 【参考文献１ ［１］林继镛．水工建筑物［Ｍ１．４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） 作者简介：白正广（１９８ｏ一），男，研究生，毕业于四川大学，主要从事水电工程管理工作。 科技视界Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖｉｓｉ
