第三节 重力坝的应力分析与强度校核
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。
水利建筑物重力坝ppt课件

Ⅱ类基岩——好的岩石, f ′=1.0~1.3, c’=1.1~1.3Mpa
Ⅲ类基岩——中等的岩石, f '=0.9~1.2, c’=0.7~1.1Mpa
Ⅳ 类基岩——较差的岩石, f ′=0.7~0.9, c’=0.3~0.7Mpa
固常 措用 施的
几 种 抗 滑 加
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第二节 重力坝的稳定分析
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第二节 重力坝的稳定分析
五、稳定分析设计理论的历史沿革
★ 重力坝是人类最早使用的一种水坝坝型,重力坝问世3000年之 后才出现其他坝型;
★重力坝从5000年前就开始建造,一直使用至今(丹江口、高坝 洲、葛洲坝、三峡、向家坝、龙滩等)。重力坝仍是当今世界 水坝中的主要组成部分;
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第二节 重力坝的稳定分析
★19世纪中叶后,随着应力条件的引入坝工设计,促进了
坝体稳定分析的发展,朗肯在19世纪世纪80年代提出无 拉应力准则后,抗倾问题实际上已不对坝体断面设计起 控制作用,人们实际关心的是抗滑稳定问题;
★抗滑稳定问题实际上是一个抗剪强度问题(抗剪强度概
念1773年由库仑与莫尔提出,1887年克拉夫拉德提出 了阻止剪切破坏的力包括剪切破坏面上的摩擦力与抗剪 力);
2、分项系数法基本公式
对承载能力验算表达式为:
0S(G G k,Q Q k,k)1 d1R (fm k,k)
0S(G G k, Q Q k,A k,ak)1R (fk,ak) d2 m
γG永久作用分项系数; γG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; γd1基本组合结构系数。
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
岩基上的重力坝

一.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,以单宽计算; 3.假定为一根固结与基础上旳变截面悬臂梁。 二.稳定分析 ㈠沿坝基面旳抗滑稳定分析 假定坝体与坝基旳连接有三种物理模式 “触接” “粘接” “咬接”
1.简朴接触——摩擦公式
以为坝底光滑,坝基光滑,坝直接放置在岩基上
y呈直线分布, x 呈三次抛物线分布, 呈二次
抛物线分布。
B.弹性理论解析法 该法旳力学模型和数学解法均很严密,但前只有 少数边界条件简朴旳经典构造才有解答。
C.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, 是一种近似旳措施。
D.弹性理论旳有限单元法 与差分法相反,该法力学模型是近似旳,数学解 法时精确旳,网格可采用三角形单元,四边形单 元或两者旳组合。
期和运营根据,如孔口,廊道等 部位旳配筋;
④为改善构造形式和科学研究提供根据。
2.分析措施
模型试验法
理论计算法
⑴模型试验法
光测措施 如:偏振光弹性试验
偏光全息试验
脆性材料电测法
⑵理论计算法
A.材料力学法(重力法)
这是一种历史悠久,应用最广最简便旳措施, 它不考虑地基变形旳影响,假定:
力三个主要荷载作用下,满足稳定和应力要求并 使其剖面最小旳三角形剖面。
三.剖面形态 有三种常用形态,如下图所示:
四.实用剖面 1.坝顶高程计算公式
h h1% hz hc
h —防浪墙至正常蓄水位或校核洪水位旳高差,m;
—累积频率为1%旳波浪高度,m;
h1%—波浪中心线至正常蓄水位或校核洪水位旳高差,
⑶帷幕灌浆:为了降低坝基渗透压力,降低渗流量。 深度:相对隔水层浅时,打至隔水层内3~5m;相 对隔水层深时,打至(0.3~0.7)倍坝高。
重力坝稳定和应力计算

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:1107.0 m校核洪水位(P = 0.5 %)上游:1105.67 m下游:1095.18 m 正常蓄水位上游:1105.5 m下游:1094.89 m死水位:1100.0 m混凝土容重:24 KN/m3坝前淤沙高程:1098.3 m泥沙浮容重:5 KN/m3混凝土与基岩间抗剪断参数值:f `= 0.5c `= 0.2 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 = 19.44 m/s多年平均最大风速为:v 0 `= 12.9 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1105.5m ,下游水位1094.89m ) ① 竖向力(自重)W 1 = 24×5×17 = 2040 KN W 2 = 24×10.75×8.6 /2 = 1109.4 KNW 3 = 9.81×(1094.5-1090)2×0.8 /2 = 79.46 KN ∑W = 3228.86 KNW 1作用点至O 点的力臂为: (13.6-5) /2 = 4.3 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 = 2040×4.3 = 8772 KN·mM OW2 = -1109.4×1.067 = -1183.7 KN·mM OW3 = -79.46×5.6 = -445 KN·m∑M OW = 7143.3 KN·m②静水压力(水平力)P1 = γH12 /2 = 9.81×(1105.5-1090)2 /2= -1178.4 KNP2 =γH22 /2 =9.81×(1094.89-1090)2 /2 = 117.3KN∑P = -1061.1 KNP1作用点至O点的力臂为:(1105.5-1090)/3 = 5.167mP2作用点至O点的力臂为:(1094.89-1090)/3 = 1.63m静水压力对O点的弯矩(顺时针为“-”,逆时针为“+”):M OP1 = 1178.4×5.167 = -6089 KN·mM OP2 = 117.3×1.63 = 191.2 KN·m∑M OP = -5897.8 KN·m③扬压力扬压力示意图请见下页附图:H1 = 1105.5-1090 = 15.5 mH2 = 1094.89-1090 = 4.89 m(H1 -H1) = 15.5-4.89 = 10.61 m计算扬压力如下:U1 = 9.81×13.6×4.89 = 652.4 KNU2 = 9.81 ×13.6×10.61 /2 = 707.8 KN∑U = 1360.2 KNU1作用点至O点的力臂为:0 mU2作用点至O点的力臂为:13.6 / 2-13.6 / 3 = 2.267m 竖向力对O点的弯矩(顺时针为“-”,逆时针为“+”):M OU1 = 0 KN·mM OU2 = -707.8×2.267 = -1604.6 KN·m∑M OU = -1604.6 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 = 9.81 KN/m 3其余计算参数已有计算结果。
第一章 重力坝(4 应力分析)

边缘应力计算
?计算截面?荷载与应力的正方向规定? 计算截面?荷载与应力的正方向规定?
1)水平截面上的正应力σyu、σyd。 水平截面上的正应力σ
按偏心受压公式计算
σ yu
σ yd
∑ W + 6∑ M = 2
B B
∑ W − 6∑ M = 2
B B
边缘应力计算 2)剪应力τu和τd。 )剪应力
取上游坝面的微分体
由上游坝面微分体,根据平衡条件Σ 由上游坝面微分体,根据平衡条件ΣFy = 0
σ1ucos2φudx=σyud x -Pusin2φudx
σ1u = σ yu cos 2 φu − Pu tgφu 2
σ 1u = ( 1 + n 2 )σ yu − pu n 2
σ 1d = ( 1 + m )σ yd − pd m
6.0 69.3 66.0 46.2 60.0
4.0 0.0 8.5
σxu
φu dy
根据平衡条件Σ 根据平衡条件ΣFy=0
τ u dy + σ yu dx = p uφuds
dx τ u = (p u − σ yu ) dy
τu σyu
dx
τ u = (p u − σ yu )n
τ d = (σ yd − p d )m
边缘应力计算 水平正应力σ 3)水平正应力σxu和σxd 取上游坝面的微分体 σxu
重力坝稳定计算
某重力坝为三级建筑物,建在山区峡谷地区, 某重力坝为三级建筑物,建在山区峡谷地区,坝 顶五交通要求,上游设计洪水位为66.0m 66.0m, 顶五交通要求,上游设计洪水位为66.0m,相应是的下 游水位为4m 坝址处基岩面高程0.0m 坝基为凝灰岩, 4m, 0.0m, 游水位为4m,坝址处基岩面高程0.0m,坝基为凝灰岩, =0.55, 坝底与基岩之间的摩擦系数 f =0.55,扬压力折减系数 0.34。坝体断面见图,多年平均最大风速为16m/s 16m/s, 为0.34。坝体断面见图,多年平均最大风速为16m/s, 吹程D=3km 计算中暂不计泥沙压力, D=3km, 吹程D=3km,计算中暂不计泥沙压力,坝体材料为细骨 料混凝土,容重为24KN/m 根据上述资料要求, 料混凝土,容重为24KN/m3,根据上述资料要求,进行 坝体抗滑稳定计算,验算其安全系数能否满足要求, 坝体抗滑稳定计算,验算其安全系数能否满足要求, 若不满足,指出改进措施。 若不满足,指出改进措施。
水工建筑物重力坝应力总结分析

b2
b1m
a1 y
c2
c1m
1 2
b1 y
;
d2
1 3
c1 y
坝内应力计算 4)坝内主应力
求得任意点的三个应力分量бx、бy和以后,即
可计算该点的主应力和第一主应力的方向
1
x
2
y
y
2
x
2
2
2
x
2
y
y
2
x
2
2
1
1 arctg 2
2 y
x
坝内应力计算
在坝体内部, 其实应力分布 还是比较复杂 的,右图给出 了各种应力的 分布情况:
2u pu
2d pd
各符号意义见图 返回
边缘应力计算(续)
5)有扬压力的边缘应力计算:
❖思考:
上面的计算显然都没 有涉及扬压力,但很显然, 对于重力坝来说扬压力是 一个非常重要的荷载,请 思考如果考虑扬压力,边 缘应力应该怎么计算?
材料力学法(续)
4. 坝内应力(internal stress)计算
1)垂直正应力(vertical normal stress):
因为假定бy按直线分布,所以可按偏心受压公式计算上
、下游边缘应力бyu和бyd 。
yuBW (kPa6B)kPa6) M
B B2
ΣW―作用于计算截面以上全部荷载的铅直分力的
总和(kN);
ΣM―作用于计算截面以上全部荷载对截面垂直水
在各种荷载组合下(地震荷载除外),坝基
面的最大竖向正应力бymax应小于坝基容许压
应力(计算时分别计入和不计入扬压力);最
小竖向正应力бymin应大于零(计算时应计入
河海大学水工建筑物(重力坝)教学课件-重力坝 稳定应力

ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
§4 重力坝的应力分析
目的: 验算大坝是否满足强度要求 根据应力分布进行坝体混凝土分区 局部应力集中和特殊结构的应力状态
要求: 坝体内各部分材料的应力不超过该种材料的容许应力,即 s<=[s]。
[s]=R/k 式中:R——材料的极限强度;k——材料强度的安全系数, 一般取k=3~5,由建筑物的级别及工作情况确定。
34
《规范》1999:坝趾强度
35
《规范》1999:坝体强度
36
《规范》1999:坝体应力
37
3、应力控制标准 与分析方法有关。
1)坝基面 运用期——在各种荷载组合情况下(地震荷载除外),坝基面下游边缘的 最大垂直正应力应小于基岩容许压应力(分别计入和不计入扬压力);坝 基面上游边缘最小正应力应大于零(计入扬压力),即不产生拉应力,以 防坝体与地基接触面被拉裂而导致防渗帷幕的破坏。 施工期——对下游坝基面的垂直正应力可允许有不大于0.1MPa的拉应 力。
16
提高抗滑稳定性的措施(续)
3)利用地形、地质特点,在坝踵 或坝趾设置深入基岩的齿墙,增 加抗力。有的采用大型钢筋混凝 土抗滑桩。
4)采用有效的防渗排水或抽水措 施,降低扬压力。
5)利用预加应力提高抗滑稳定性, 如预应力锚索加固。
岸坡坝段:可采用灌浆封闭横缝, 限制其侧向位移;将岸坡开挖成 高差不大、宽度足够的平台,增 加侧向抗滑力。
f’和c’值指室外现场试验测定峰 值的小值平均,且考虑室内试 验成果。
由地质、试验、设计三方人员 共同分析研究确定。
8
《规范》1999——抗滑稳定
9
抗滑稳定极限状态的效应和抗力函数
10
二、坝基深层抗滑稳定分析
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。
§1-3 重力坝的应力分析

n 应力分析的目的Ø检验大坝在施工期和运用期是否满足强度要求Ø研究解决设计和施工中的某些问题,如:l 为混凝土强度等级分区和某些部位的配筋提供依据;l 验算坝体断面是否合理;l 为设计坝内廊道、管道、孔口、坝体分缝等提供周边应力数据。
n 应力分析的过程Ø首先进行荷载计算和荷载组合Ø然后选择适宜的方法进行应力计算Ø最后检验坝体各部位的应力是否满足强度要求。
§1-3 重力坝的应力分析一、应力分析的方法本节主要介绍:应力分析方法、材料力学法计算坝体应力、坝体和坝基的应力控制。
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。
㈠材料力学法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。
㈡弹性理论的数值解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。
㈢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。
Ø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。
Ø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。
Ø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。
讲座-3-3重力坝动应力分析学习文档

• Fi为作用在质点i的水平向地震惯性力代表 值,kN。 αh为水平向设计地震加速度代表值。由于 烈度和峰值加速度的统计关系具有很大的离
散性,因此,设计烈度对应的设计地震加速
度代表值实质上是这一抗震设计参数的设计 标准。
Gξ为Ei为地集震中作在用质的点效的应重折力减,系k数N,;除另外规定 外,取ξ=0.25 。 αi为质点的动态分布系数。
1.2 地震分类及描述
• 地震粗略分为以下四类:构造地震;火山地 震;陷落地震;诱发地震等。
• 地震震级反映地震能量大小。 • 地震烈度反映地震破坏程度。 • 同一次地震只有一个震级,不同地点有不同
的烈度。
基本烈度和设计烈度
• (1) 基本烈度指建筑所在地区,50年基准期 内,可能遭遇的地震事件中,超越概率为 0.10所对应的烈度。一般为《中国地震烈度 区划图(1990)》上所标示的地震烈度值, 对重大工程应通过专门分析。
重力坝在动力荷载作用下的应力分析
• 1 概述 • 2 单自由度体系的地震反应 • 3 多自由度体系的地震反应 • 4 重力坝地震反应分析 • 5 抗震结构和抗震工程措施
1 概述
• 1.1 抗震设计 • 1.2 地震分类及描述 • 1.3 地震的时程表示 • 1.4 地震的频域表示
1.1 抗震设计
• g为重力加速度,取 m/s2。
• 质点的动态分布系数αi,是根据对地震区设 计或已建的各类水工建筑物进行大量动力分 析的基础上,按不同结构类型、高度归纳出 的大体上能反映结构动态反应特征的地震作 用效应沿高度分布规律。
• 对不同的水工建筑物,或在建筑物不同高度 处,有不同的取值规定,由此得出的分布地 震作用仍以静态作用形式给出。
2 单自由度体系的地震反应
重力坝设计内容

重力坝设计内容、方法与步骤一重力坝设计所需基本资料<一>地形库区与坝址的地形地貌及高程,河流流向及河谷型状,地物与已成建筑物,村庄集中分布及内外交通、水电线路布置,显附有库区、坝址的地形图。
<二>地质包括库区及坝址地质情况。
坝址地质应已包括环境地质、地基岩石结构、岩层产状工程地质及水文地质情况,如断层破碎带分布、节理裂隙发育状况、地下水位与济量,透水带分布岸坡稳定性及崩坡积物分布、分化层深度。
建筑材料分布,储量及物力性坝轴线处基?的主要物理力学性质、钻孔柱状?<三>水文与气象1.水文水利计算成果:水库设计标准及相应的特征水位与库容,淤沙高程。
2.气象库区气候、降雨量、风速、冰冻情况。
<四>计算参数基岩抗剪或抗剪断指标,极限承载力或承载力标准值。
淤沙的抗剪指数及自重,地震烈度,水库吹程及冲坝系数、扬压力折减系数。
二总体布置确定重力坝位置,选定坝型及结构以及与两岸或??建筑物的连接方式<一>坝型选择根据地址的地形、地质、建筑材料、施工条件及??利用要求,选择适宜的重力坝结构形式;如当地地质较差,坝高不大,?当地具有足够的石料,可优先选择浆砌石宽?重力坝。
<二>坝轴线位置根据提供的坝址地形图,??工程量,施工要求及其他建筑物布置特性,确定坝轴线。
<三>溢流坝段与非溢流坝段的位置通过水力计算确定溢流坝长度再消能要求确定在大坝中具体位置,其余部分为非溢流坝段。
三坝面拟定初拟确定重力坝挡水坝段与溢流坝段横纵剖面的形状与尺寸。
<一>基本剖面——三角形根据上游最高水位与坝基地质条件,?依类此法,初拟基本三角形顶点位置,底边位置及上下游的坝坡系数。
1.顶点:通常是顶点位置??最高水位附近,当地质条件较差,剖面尺寸挖到条件时,顶点高程应适当高些。
2.底边:根据地形图反映的最大坝段地面高程,?出开挖深度的坝基高程?为三角形底边位置。
混凝土重力坝的应力分析

水工建筑物课程设计设计题目: 混凝土重力坝的应力分析姓名:学号:年级专业: 2013级水利水电工程指导老师:提交时间: 2016年12月目录一、基本资料 (1)二、确定工程等别和主要建筑物级别 (2)三、非溢流坝剖面尺寸拟定 (3)四、荷载计算及组合 (6)五、抗滑稳定极限状态计算 (7)六、坝址抗压强度极限状态计算 (7)一、基本资料某高山峡谷地区规划的水利枢纽,拟定坝型为混凝土重力坝,其任务以灌溉为主、兼顾供水,水库总库容4亿m3。
1.水电规划成果上游设计洪水位为355.0 m,相应的下游水位为331.0 m;上游校核洪水位356.3 m ,相应的下游水位为332.0 m;正常高水位354.0 m;死水位339.5 m。
2.地质资料:河床高程320.0 m,约有1~2 m覆盖层,基础要求开挖至弱风化层,清基后岩石表面最低高程为318.0m。
岩基为石灰岩,地质构造良好。
坝体和基岩抗剪断摩擦系数f'=0.82,凝聚力c'=0.6MPa。
3.其它有关资料:河流泥沙计算年限采用50年,据此求得坝前淤沙高程330.0 m。
泥沙浮重度为6.5kN/ m3 ,内摩擦角φ=18°。
枢纽所在地区洪水期的多年平均最大风速为15m/s,水库最大风区长度由库区地形图上量得D=0.9km。
坝体混凝土重度γc =24kN/m3,地震设计烈度为4度。
拟采用混凝土强度等级C10,90d龄期,80%保证率,fckd强度标准值为10MPa,坝基岩石允许压应力设计值为4000kPa。
二、确定工程等别和主要建筑物级别(1)水利水电枢纽工程等级划分:根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL 252 -2000 )的规定,水利水电工程根据其工程规模、效益以及在国民经济中的重要性,划分为I、II、III、IV 、V 五等,适用于不同地区、不同条件下建设的防洪、灌溉、发电、供水和治涝等水利水电工程,见表格1:山区、丘陵区水利水电枢纽工程分等指标表格 1工程等别工程规模水库总库容(m)防洪治涝灌溉供水发电保护城镇及工矿企业的重要性保护农田(亩)治涝面积(亩)灌溉面积(亩)供水对象重要性装机容量()Ⅰ大(1)型10特别重要特别重要Ⅱ大(2)型10 1 重要500100 200150重要120Ⅲ中10.1 中等10030 6050中等30Ⅳ小(1)型0.10.01 一般30 5 155一般5Ⅴ小(2)型0.010.0015对于综合利用的水利水电工程,当按各分项利用项目的分等指标确定的等别不时,其工程等别应按其中的最高等别确定。
重力坝稳定分析和应力的分析的内容和意义

重力坝稳定分析和应力的分析的内容和意义
稳定
在任何可能出现的荷载组合的情况下,重力坝都必须保持稳定。
而岩基混凝土重力坝的失稳破坏一般有以下两种类型:①坝沿抗剪能力不足的面产生滑动,包括沿坝基面或沿附近岩体的表层或浅层破坏以及沿基岩体内方向不利而又连续延伸的软弱结构面产生深层滑动;②坝可能伴随着在上游坝踵以下出现斜拉裂缝以及在下游坝趾以下出现岩石受压屈服区,两者逐渐开展,直至连通,坝体连同部分地基产生倾倒或滑移而破坏。
抗滑稳定分析主要就是核算坝体沿坝基面或地基深层软弱结构面抗滑稳定的安全度。
主要计算方法有两种:抗剪断强度公式(Ksh)抗剪强度公式(Ksl),根据我国1984年颁布的《混凝土重力坝设计规范SDJ21—78(试行)补充规定》中规定,除中型工程中的中低坝外,应按抗剪断强度公式计算坝基面的抗滑稳定安全系数。
应力分析
强度和稳定是表征建筑物安全两个重要方面。
而应力分析是校核强度和稳定的前提。
重力坝的应力分析是在坝体断面业已初步拟订的情况下进行的,其目的是为了判定坝体运用期和施工期是否满足强度和稳定方面的要求,同时也为研究与设计和施工有关的其他问题(如确定坝体混凝土标号分区以及在某些部位配置钢筋等)提供依据。
设计的坝体断面需要满足规定的应力条件:在基本荷载组合下,重力坝坝基面的最大垂直正应力应小于坝基允许压应力,最小垂直正应力应大于零;对于坝体应力,在基本荷载组合下,下游面最大主压应力不大于混凝土的允许压应力值,上游面的最小主压应力应大于零。
应力的计算方法很多,可归纳为理论计算和模型实验两大类。
设计时一般使用理论计算的方法,理论的计算方法有材料力学法、弹性理论和弹塑性理论的方法。
第三节 重力坝的应力分析与强度校核

主应力等值线——主应力大小
4、有扬压力的坝内应力
① 全截面线性分布时
当扬压力沿全截面为直线分布时,可不必专门计算,只须将所得 的垂直正应力和水平正应力减去该点的扬压力强度即可,剪应力 的值不变。
x
xu
Pu
x
0
x y
yu Pu
0
② 扬压力折线分布情况
将扬压力分解为一个全截面呈 梯形或三角形分布和一个在上游部 分呈局部三角形分布的图形。
y
n2 (1 n2 )
p
psin2 u
u
越小,即n越小,越易满足。
2. 下游面压应力控制(不超过抗压强度)
1 (1 m 2 ) y p m 2 p 一般较小
要求 1 即 1 (1m 2)y[]
m 愈大愈不易满足,故从强度看,m 并不是越大越好( ?)。 但是,m大对稳定有利。设计时协调好上述关系。
分期施工,对坝踵应力不利。 降低二期施工时的水位,对 改善坝体应力有利。
如采用有限单元法,可全过 程模拟实际施工过程和蓄水 过程。
印度柯伊那坝,斜板法两期加高,与下游坝面平行 瑞士大狄克桑斯坝,阶梯法四期加高,台阶上浇筑独立柱体
6、强度指标
• 坝基面
运用期 ①在各种荷载组合下(地震荷载除外),坝踵垂直应力不应
a1 "
边界条件及 水平力平衡
b1
1 T
6 (
T
P
2
'
4
")
c1
1 T2
6 (
T
P
3
'
3")
③坝内正应力
x x
y
0
y y
x
rc
0
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关于 n 和 m 取值的说明: 1. 上游面拉应力控制(不产生拉应力)
1 (1 n ) y p n
2
要求
2
2 (1 n ) y p n 0 2
③坝体不同材料对坝体应力的影响 坝体外部材料弹模越高,坝踵越易出现拉应力。
④纵缝对坝体应力的影响
⑤分期施工对坝体应力的影响
分期施工,对坝踵应力不利。 降低二期施工时的水位,对 改善坝体应力有利。 如采用有限单元法,可全过 程模拟实际施工过程和蓄水 过程。
印度柯伊那坝,斜板法两期加高,与下游坝面平行 瑞士大狄克桑斯坝,阶梯法四期加高,台阶上浇筑独立柱体
y 0 c 0 x r
a1 b1x c1x 2
1 1
x x
a b c 2 y y y x y x
1
x a2 b2 x c2 x2 d2 x3
边界条件
简化计算 (假定呈近似线性分布)
x a3 b3 x
评价:可用于验证其他方法的精确性,有重要价值。
c.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。
评价:要求方形网格,对复杂边界适应性差。
d.弹性理论的有限单元法
与差分法相反,该法力学模型是近似的,数学解法是精确的,
网格可采用三角形单元、四边形单元或两者的组合。
评价:可处理复杂的边界条件,随着计算机的发展,单元可
划分得很细以模拟各种边界。目前大型或重要的工程 都需用该法计算,以了解坝体各部位的应力状态。
二、材料力学法 1、基本假定 ①坝体混凝土为均质、连续、各向同性的弹性体 ②将坝体简化为固结在地基上的变截面悬臂梁;
③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; ④σy呈直线分布。
2、边缘应力计算
水平外力向上游为正,铅值向下为正;力矩逆时针为正;
正应力压为正,剪应力以拉伸对角线在一、三像限为正。
截面核心——水平截面宽度B的中间1/3
②边缘剪应力 (根据Fy=0)
上游面:
pds sin u dy y dx 0
dx dx p y dy dy
式中:ΣW、ΣM计入相应扬压力荷载。
有扬压力时边缘剪应力 (根据Fy=0)
上游面:
( p pu y )n
下游面:
( y pu p )m
有扬压力时水平向边缘正应力(铅垂截面上)(由Fx=0)
上游面:
2 ( p pu ) ( p pu x ) n y
0
' 1
即
n2 2 y p p sin u 2 (1 n )
u
越小,即n越小,越易满足。
2. 下游面压应力控制(不超过抗压强度)
1 (1 m ) y p m
2
2
p
要求
一般较小
1
即
(1 m2 ) 1 y [ ]
m 愈大愈不易满足,故从强度看,m 并不是越大越好( ?)。
但是,m大对稳定有利。设计时协调好上述关系。
①σy的计算 ②τ 的计算
3、内部应力计算
在求得边缘应力后,根据假定 ,利用平衡条件推算坝体内部应 力。
③σx的计算
④坝内主应力计算
x x y y
y x
0 c 0
水平截面上的垂直正应力 剪应力 水平正应力 主应力
①水平截面上的边缘正应力(铅直向应力)
W 6 M y B B 2 W 6 M y B B 2 式中:
ΣW-作用于计算截面上全部荷载的垂直分量的总和; ΣM-作用于计算截面上全部荷载对截面垂直水流流向形心距的力矩总和; B-计算截面长度。
2 (1 n2 ) p n y
下游面:
p
2 2
1
(1 m ) 1 y p m
dx
u
y
有扬压力时边缘应力的计算(全截面线性分布) 铅直向应力(作用于骨架上的有效应力)
W 6 M y B B 2 W 6 M y B B 2
下游面:
2 ( p pu ) ( x p p ) m y u
有扬压力时边缘主应力 (Fy=0)
上游面:
1 (1 n ) y ( p pu )n 2 p pu
2 2
下游面:
施工期: ①坝体任何截面上的主压应力不大于混凝土的允许压应力。 ②在坝体的下游面,允许不大于0.2MPa的主拉应力。
•混凝土的容许应力
混凝土的容许压应力,根据其极限强度和相应的安全系数来 确定。混凝土的抗压安全系数在基本荷载组合下应不小于4; 在除地震荷载外的特殊组合情况下应不小于3.5。当坝体个别 部位对混凝土有抗拉强度要求时,抗拉安全系数应不小于4。 地震荷载是随时间变化、短暂作用的动荷载,由于在动荷 载作用下材料强度有一定提高,因此,在地震情况下,混凝 土的容许压应力可比静态情况下提高30%,并允许出现瞬时 拉应力,混凝土的抗拉安全系数不小于2.5。
第三节 重力坝的应力分析与强度校核
一、应力分析的目的和方法
1、目的
了解坝体内的应力分布情况,检验大坝在施工期和运行期 是否满足强度要求; 为布置坝身材料(如混凝土分区)提供依据; 为特殊部位的配筋提供依据,如孔口、廊道等部位的配筋; 为改进结构型式和科学研究提供依据;
2、分析方法 模型试验法
a y
b y x c
(
c )dx a1 b1 x c1x 2
1 6 P ( 2 ' 4 " ) T T 1 6 P c1 2 ( 3 ' 3 " ) T T
边界条件及 水平力平衡
b1
③坝内正应力
x x y y
( p y )n
下游面:
( y p )m
③水平向边缘正应力(铅垂截面上)(由Fx=0)
上游面:
dy dx pds cos u 0 x
dx p x dy 2 p ( p y )n
5、非荷载因素对坝体应力的影响
①地基变形对坝体应力的影响
在坝基面以上约(1/3~1/4)坝高范围内的应力分布与材料力学计算结果 差别较大
坝体和基岩的弹性模量之比在1~2的范围内较合适。
②地基不均匀对坝体应力的影响
坝体跨越不同弹模的岩体,应力将受到一定的影响; 当坝踵处的弹模高于坝趾处的弹模时,坝踵易出现拉应力。
" a3 x
b3
' x " x
B
④坝内主应力
求得把内各点的三个应力分量σy、τ、σx后,可根据材料 力学公式求得该点的主应力σ1、σ2和第一主应力方向φ1。
1 2
x y
2
(
y x 2
2
2 1 arc tan( ) , 1 2 )
6、强度指标 • 坝基面
运用期 ①在各种荷载组合下(地震荷载除外),坝踵垂直应力不应 出现拉应力,坝趾垂直应力应小于坝基容许压应力。
②在地震荷载作用下,坝踵、坝趾的垂直应力应符合水工建 筑物抗震设计规范的要求
施工期 下游坝基(坝趾)处允许有不大于0.1MPa的拉应力 。
• 坝
体
运用期: ①上游面的垂直应力不出现拉应力(计入扬压力)。 ②坝体最大主压力,不应大于混凝土的允许压应力值。 ③在地震荷载作用下,坝体上游面的应力控制标准符合 《水工建筑物抗震设计规范》(SL-203)的要求。 ④宽缝重力坝离上游面较远的局部区域,允许出现拉应力, 但不得超过混凝土的允许拉应力;溢流堰顶、廊道及底孔 洞周边出现拉应力时,宜配置钢筋。
坝内微元体受力状态
①坝内水平截面上的正应力
y a bx
根据σy在水平面上呈直线分布假定,a、b可由边界条件和边缘应力得到。
x 0,
y a ,
" y
W 6 M a B B2 " y
x B,
y a bB ,
' y
b
'y " y
yu Pu 0 x y
② 扬压力折线分布情况
将扬压力分解为一个全截面呈 梯形或三角形分布和一个在上游部 分呈局部三角形分布的图形。
求出局部三角形分布的扬压力( 渗透压力部分)引起坝体的应力,然 后在其作用的局部截面上对剪应力 和正应力进行修正。 将以上两部分扬压力所引起的 坝内应力叠加,即可求得折线分布 的扬压力所产生的坝内应力。
Байду номын сангаас
下游面:
2 x p ( y p )m
④边缘主应力
上游面:
(Fy=0)
1dx cosu cosu pdx sin u sin u y dx 0
2 p sin u y 2 2 1 (1 tg u ) y p tg u 2 cos u
B
M B3 12
② 坝内剪应力
a、b是y的函数
将 y a bx 代入微元体的平衡方程,可得剪应力τ沿x 轴呈二次抛物线分布。
x x y y
x
y 0 x c 0
y y
y y
c
a1 "
2
y x
式中φ1以顺时针方向为正,若σy>σx,自铅直线量取;