水利工程概论 三种坝型的荷载应力分析方法失稳形式
水工建筑物重力坝的稳定分析
水工建筑物重力坝的稳定分析一、重力坝滑动失稳模式（一）表面滑动（二）浅层滑动（三）深层滑动二、抗滑稳定计算截面选取及计算方法★破坏机理：重力坝岩基的破坏开始于坝踵附近的拉裂缝和扩张松弛，而后坝趾出现剪切屈服区且逐渐向上游发展，最后在坝下浅层岩基中上下游贯通，形成滑动通道，导致大坝的整体失稳破坏。
★（一）计算截面：坝基面或者坝体薄弱面选择受力大，抗剪强度较低，最容易产生滑动的截面作为计算截面。
重力坝抗滑稳定计算主要是核算坝基面及碾压混凝土层面上的滑动稳定性。
另外坝基内有软弱夹层、缓倾角结构面时，也应核算其深层滑动性。
★（二）抗滑稳定分析方法1.单一的安全系数法：计算公式有抗剪强度公式和抗剪断公式2. 分项系数法极限状态设计方法：《混凝土重力坝设计规范》DL 5108—1999规定，重力坝的抗滑稳定承载能力极限状态进行计算，认为滑动面为胶结面，滑动体为刚体。
三、单一的安全系数计算法（一）抗剪公式1.滑动面水平时：Ks = f(∑W-U)/ ∑P2.滑动面倾向上游：Ks = [f(∑WCosβ-U+∑PSinβ)]/( ∑PSinβ+∑WCosβ)公式评价：本公式不考虑凝聚力，偏于安全，凝聚力作为安全储备，所以规定的安全系数较低。
（二）抗剪断公式1.假定：认为砼与基岩接触良好，直接采用接触面上的抗剪断参数f′和c′。
2.公式：Ks′＝[f′(∑W-U)+C′A]/∑P3.安全系数Ks′,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。
四、分项系数法（一）特点：与原设计规范相比，用概率极限状态设计法代替了定值设计法，用分项系数极限状态表达式代替单一安全系数表达式。
即以结构重要性系数γ０、设计状况系数φ、作用分项系数γｆ 、材料性能分项系数γｍ和结构系数γｄ来代替设计的安全系数Ｋ。
（二）分项系数法基本公式（课本37页3-1、3-2）核算坝基面抗滑稳定极限状态时，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。
21central_水利工程概论 第二章 大坝
a) 水电站建筑物，如前池、调压室、压力水管、水电站厂房； b) 渠系建筑物，如节制闸、分水闸、渡槽、沉沙池、冲沙闸 ； c) 港口水工建筑物，如防波堤、码头、船坞、船台和滑道 ； d) 过坝设施，如船闸、升船机、放木道、筏道及鱼道等。
2）按结构和力学特点分为：重力坝、拱坝、支墩坝等 坝型。 重力坝包括实体重力坝、宽缝重力坝、空腹重力坝等； 拱坝包括单曲拱坝、双曲拱坝、重力拱坝等； 支墩坝包括大头坝、连拱坝、平板坝等；
我国大坝之最 (1)
1912年 云南螳螂川上的石龙坝水电站建成，为中国大陆最早的水电站。 1954年 安徽霍山的佛子岭水库竣工。坝体高74.4m，为中国第一座混凝土连拱坝。 1956年 安徽金寨建成梅山水库，坝高88.24m，为中国最高的混凝土连拱坝。 1960年 浙江建德新安江水电站，中国第一座自己勘测、设计、施工和自制设
水利枢纽的规划、设计、施工和运行管 理应尽量遵循综合利用水资源的原则。
1.1 水工建筑物分类
按功用分
挡水建筑物 泄水建筑物 输水建筑物 取水建筑物 整治建筑物 专门性水工建筑物
按使用期限可分
永久性建筑物 临时性建筑物
挡水建筑物
挡水建筑物--用以拦截江河，雍高水位或形成水库，并可承受 一定水头作用的建筑物，如各种类型的坝和水闸；以及为抗御 洪水或挡潮，沿江河海岸修建的堤防、海塘等。
②水利工程对地基的要求比较严格，工程又常处于地质条件比较复杂 的地区和部位，地基处理不好就会留下隐患，事后难以补救，需要采取 专门的地基处理措施。
③水利工程多在河道、湖泊、沿海及其他水域施工，需根据水流的自 然条件及工程建设的要求进行 施工导流、截流及水下作业。
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。
3重力坝的稳定分析
P cos Win( ) U
1 1 1 1
c1 A1 R cos( )
利用上式求得R
返回
再计算②区沿BC面的抗滑稳定安全系数K2：
f 2 [ R sin( ) W2 cos U 2 ] c2 A2 K2 R cos( ) W2 sin
抗滑稳定安全系数Ks
安全 系数
重力坝的级别 荷载组合
1
基本组合 1.10 1.05
2
1.05 1.00
3
1.05 1.00
Ks
特殊组合1 特殊组合2
1.00
1.00
1.00
二、抗剪断公式： 认为坝体与基岩接触良好，直接采用接触面上的 抗剪断参数f′、c′计算抗滑稳定安全系数，即：
f′——抗剪断摩擦系数 c′——抗剪断凝聚力 安全系数Ks′, 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。
1:泥化夹层
齿墙设置
2:齿墙 返回
W U f P
W
—— 接触面上的总重力 —— 接触面上的总水平力
其中：
P
U—— 作用在接触面上的扬压力 f —— 接触面间的摩擦系数
Ks 的允许值值与重力坝的级别及荷载组合有关
当接触面倾向上游时，并有β的夹角时，其抗滑稳 定安全系数为：
可以看出，坝基面微倾向上游 对坝体抗滑稳定有利。
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
注意:两计算公式的适用条件
3.3.2 深层抗滑稳定分析
水利工程概论 三种坝型的荷载应力分析方法失稳形式
1895年4月，法国Bouzey重力坝失 事。事后分析，失事的原因是该坝设 计时未考虑作用于坝基上的扬压力
三种坝的荷 载
三种坝的应 力分析方法
三种坝的失 稳形式
三种坝的工 程实例
“ ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ坝 ”
三种坝的荷 载
三种坝的应 力分析方法
三种坝的失 稳形式
三种坝的工 程实例
1959年法国Malpasset坝失事是拱坝第一次溃坝记 录，经检查，坝的设计符合规范，施工质量良好。直 到1987年，通过一次以溃坝为主题的国际研讨会， 才有了初步结论：左坝肩地基中过大的水压力使坝基 岩块沿F1断层滑动而溃坝。
水压力的等截面圆弧拱圈，只能粗略地求出径向截面上的均匀应
力。
它不考虑拱在两岸的嵌固条件，不能计入温度及地基变形的影
响，因而不能反应拱坝的真实工作状态。
”
圆 筒 法
三种坝的荷 载
三种坝的应 力分析方法
三种坝的失 稳形式
三种坝的工 程实例
“ 纯拱法假定拱坝由一系列各自独立互不影响的水平拱圈叠合而 成，每层拱圈简化为两端固结的平面拱，用结构力学方法求解拱 的该应方力法。虽然可以计入每层拱圈的基础变位、温度、水压力等的作 用，但忽略了拱坝的整体作用，求得的拱应力偏大，也不符合拱
动面不再向下深切，而沿夹层形 成曲、直组合的复式滑动。
三种坝的荷 载
三种坝的应 力分析方法
三种坝的失 稳形式
三种坝的工 程实例
三种坝的工程 实例
三种坝的荷 载
三种坝的应 力分析方法
三种坝的失 稳形式
三种坝的工 程实例
“ 重力坝 ”
三种坝的荷 载
三种坝的应 力分析方法
三种坝的失 稳形式
水库边坡不稳定体稳定分析及处理
水库边坡不稳定体稳定分析及处理随着工程规模和建设数量的不断增加，特别是在水资源管理和灌溉等方面，随着水库的不断建设和投运，水库边坡的工程问题变得越来越复杂。
水库边坡的不稳定体是一种非常危险的问题，如果不及时进行稳定处理就会带来严重的后果。
因此，需要进行水库边坡不稳定体稳定分析及处理，从而保证水库边坡的安全稳定。
1.水库边坡的不稳定体类型水库边坡的不稳定体主要有三种类型，分别是滑坡、崩塌和震动。
其中，滑坡是指沿着一定的滑动面而产生的不稳定体，崩塌则是指边坡出现倾倒或崩落的不稳定体，震动则是指边坡在地震或其他振动作用下产生的不稳定体。
2.水库边坡不稳定体稳定分析水库边坡不稳定体稳定分析要首先进行现场勘查，深入了解边坡的情况和特点，包括坡形、土质、缘石、附属构造等。
同时，要进行水库周边地质环境的综合分析，包括地质结构、地形地貌、地下水、工程地质等。
在此基础上，通过对边坡进行数值分析和模拟计算，确定边坡不稳定体的范围和发生机理，为后续的处理提供科学依据。
3.水库边坡不稳定体稳定处理针对不同类型的水库边坡不稳定体，其稳定处理方法各不相同。
滑坡通常需要进行边坡加固、排水降水和抽沉等措施，通过加强边坡稳定性来保证水库安全。
崩塌则需要采用钻爆或爆破等方法对岩石进行破碎和清理，同时对边坡进行加固；震动则需要对边坡进行减震和加固处理，避免地震等因素对边坡的不良影响。
4.水库边坡不稳定体稳定处理的技术水库边坡不稳定体的稳定处理是一项技术性比较强的工程，需要采用多种技术手段和方法。
其中，较为常用的方法包括土工格栅加固、钢筋混凝土加固、排水降水、抽沉加固等。
此外，还可以采用视觉技术、GPS监测、遥感调查等现代化手段对水库边坡进行实时监测和预警，及时发现和处理不稳定体，保证水库安全稳定。
总之，水库边坡的不稳定体是一种非常危险的问题，对水库边坡的稳定性和安全性带来巨大威胁。
因此，需要进行水库边坡不稳定体稳定分析及处理，从而保证水库的安全稳定。
《水利工程概论》第四章-3 支墩坝
的
水面板，遮断河谷，形成挡水面。
工 作 原 理
②传力方式 库水压力由面板→支墩→地基 ③工作原理 利用水重和自重在坝基面产生 的摩擦力来抵抗水平水压力维持稳定。
根据挡水面板的形状可将支墩坝分为三种
支
型式:平板坝 、连拱坝、大头坝
墩
坝
的
型
式
平板坝
是支墩坝的最早型式，常用的是简支式平板 坝。由支墩和面板组成，平(面)板支承于支墩。 它的面板是一个平面，平板与支墩在结构上互 不相连。 优点:①平板的迎水面上不产生拉应力；
在河谷较宽时，若采用拱坝，拱作用得不 到充分发挥，且砼方量多(中心角越大，弧长 越长)。
将面板做成拱型的，其受力条件较好能较 好地利用材料强度。
连拱坝
与其他形式的支墩坝比较，连拱坝有下列特点：
①拱形面板为受压构件，承载能力强，可以做得较薄。支 墩间距可以增大。混凝土用量最少，但钢筋用量较多。混 凝土平均含钢筋量可达30～40kg/m3 施工模板也较复杂。 混凝土单位体积的造价高。
梅山连拱坝1956 年建成，坝高 88.24m,水库总 库容22.64亿m3， 电站总装机容量 40MW 。是同期 世界上最高
连拱坝
适用场合： 连拱坝是空间超静定结构，对地基
变形、温度变化较敏感，故对地基要求 相对要高.
大头坝
是一种较为优越的坝型，它既能充分利用材料 的强度，钢筋用量也少。
国内：广东新丰江单支墩大头坝，坝高105m 湖南柘溪单支墩大头坝，坝高104m
式
大头坝
封闭式双支墩 侧向刚度最高；施工最复杂，目前采用不多。
支 墩 型 式
支墩坝的特点
1、稳定性特点 ①抗滑稳定 a、因支墩间有空隙渗水易排，扬压力减小； b、上游边坡加缓(0.4～0.9)，可利用水重，节省砼； ②侧向稳定 支墩因本身单薄，又相互分立，侧向刚度比纵向(上 下游方向)刚度低，地震时顺坝轴线方向抗震能力明显 低于重力坝。 ③弹性稳定 因支墩坝是一块单薄的受压板，当作用力超过临界 值时，尽管应力分析所求得的支墩内应力未超过材料的 破坏强度，但支墩却因丧失纵向弯曲稳定而失稳。所以 对支墩坝还应进行弹性稳定计算。
水利工程中的大坝稳定性分析
水利工程中的大坝稳定性分析一、大坝的构成及基本原理大坝是一种水利工程设施，具有拦截洪水、调节水流、蓄存水源、发电等多种功能。
大坝作为一项大型工程，其稳定性对于工程的安全运行至关重要。
大坝一般由坝体、坝基和坝址三部分组成，其中坝体为大坝的主体部分，坝基是大坝的承重部分，坝址则是大坝所占用的地面。
大坝的基本原理是借助于坝体的重力，将坝基压实，使坝体和坝基形成一个整体，以达到把水坝住的目的。
二、大坝的稳定性及分析方法对于大坝而言，其稳定性是工程安全运行的前提，是大坝设计和施工的关键之一。
大坝稳定性的分析，主要包括静力稳定性分析、动力稳定性分析和渗流稳定性分析。
1. 静力稳定性分析静力稳定性分析是大坝稳定性分析的基础。
它是通过分析大坝所受水力和重力作用下，达到稳定平衡的状态来进行判断。
静力稳定性分析一般包括重力稳定分析和抗滑稳定分析两种方法。
重力稳定分析是通过确定大坝重心是否在坝基内或坝址上实现稳定。
即通过计算大坝中心线的重心落在坝址内是否实现坝基的承重能力。
抗滑稳定分析主要是分析大坝是否发生滑动，当坝体的整体重量超过岩体或土体的摩擦抗力时，大坝便会发生移位，从而导致工程灾害。
2. 动力稳定性分析动力稳定性分析是在外部力的作用下，分析大坝的相对位移、振动激励及其稳定性。
通常采用频域特性分析和时域响应分析的方法来进行。
频域特性分析是通过对大坝受到的荷载的频率响应，分析其与自身固有频率的关系。
将荷载频率与大坝的自然频率相比较，确定是否满足动力稳定性要求。
时域响应分析也是动力稳定性分析的一个方法。
他从荷载或输入信号的角度，对大坝的周期性变化进行分析，以了解大坝结构的响应情况。
3. 渗流稳定性分析渗流稳定性分析是分析大坝渗流对大坝稳定性的影响。
它关注的是大坝内水与外界环境之间的交互作用，以及大坝内部水流的特性。
渗流稳定性研究一般以渗流原理和渗流变得巯行为分析基础。
其中最重要的是渗流原理，包括计算大坝中压力场与渗流场等内容。
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有 限 单 元 法
三种坝的荷 载
三种坝的应 力分析方法
三种坝的失 稳形式
三种坝的工 程实例
“
就是用石膏加硅藻土组成脆性材料，制作成拱坝整体模型，用 应变仪量测加荷后模型各点应变值的变化从而求得坝体的应力.
三种坝的荷 载
三种坝的应 力分析方法
三种坝的失 稳形式
三种坝的工 程实例
4
土压力（主动土 压力、被动土压 力、泥沙压力）；
2
水压力（静水压 力、动水压力、 浪压力、扬压 力）；
5
地震力（地震引 起：建筑物惯性 力和水的激荡力）
3
冰压力（静压力、 动压力）；
主要荷载： • G自重 F ₁扬压力 F ₂静水压力 f摩擦力（只是考虑到力的平衡）
壳 体 理 论 法
“
三种坝的荷 载
三种坝的应 力分析方法
三种坝的失 稳形式
三种坝的工 程实例
将拱坝连同地基这一连续的整体空间结构离散为有限个单元构 件，以结点互相连接，通过建立结点位移和结点力之间的平衡方 程，求得结点位移进而求出单元应力。
避免了结构力学方法中大量的假定和简化，能适应复杂的结构 和边界。
三种坝的荷 载
三种坝的应 力分析方法
三种坝的失 稳形式
三种坝的工 程实例
三种坝的应力 分析方法
三种坝的荷 载
三种坝的应 力分析方法
三种坝的失 稳形式
三种坝的工 程实例
“ 重力坝 ”
三种坝的荷 载
三种坝的应 力分析方法
三种坝的失 稳形式
三种坝的工 程实例
A
进行荷载计算及荷载组合
B
选择合适的方法进行应力计算
水压力的等截面圆弧拱圈，只能粗略地求出径向截面上的均匀应
力。
它不考虑拱在两岸的嵌固条件，不能计入温度及地基变形的影
响，因而不能反应拱坝的真实工作状态。
”
圆 筒 法
三种坝的荷 载
三种坝的应 力分析方法
三种坝的失 稳形式
三种坝的工 程实例
“ 纯拱法假定拱坝由一系列各自独立互不影响的水平拱圈叠合而 成，每层拱圈简化为两端固结的平面拱，用结构力学方法求解拱 的该应方力法。虽然可以计入每层拱圈的基础变位、温度、水压力等的作 用，但忽略了拱坝的整体作用，求得的拱应力偏大，也不符合拱
6 温度变化
三种坝的荷 载
三种坝的应 力分析方法
三种坝的失 稳形式
三种坝的工 程实例
“ 拱坝 ”
三种坝的荷 载
三种坝的应 力分析方法
三种坝的失 稳形式
三种坝的工 程实例
荷载类型与重力坝相差不大，不同之处在于： •温度为主要荷载， •扬压力对不同的拱坝影响程度不同
薄拱坝可忽略扬压力 中厚拱坝、厚拱坝要考虑扬压力
坝的真实工作情况。但该法计算简便，概念明确，对于在狭窄河
谷中修建的拱坝，不失为一种简单实用的计算方法。
同时纯拱法也是拱梁分载法的重要组成部分，分配给拱的
荷载需要用它来计算水平拱圈的应力。
纯 拱 法
三种坝的荷 载
三种坝的应 力分析方法
三种坝的失 稳形式
三种坝的工 程实例
“ 拱梁分载法把拱坝看成由一系列水平拱圈和一系列铅直梁所组 成，荷载由拱和梁共同承担，各承担多少荷载由拱梁交点处变位 一致条件决定。 荷载分配后，梁按静定结构计算应力，拱按纯拱法计算应力。 确定拱梁荷载分配的方法可以用试荷载法，也可以用计算机求 解联立方程组来代替试算。该方法计算结果较为合理，但计算量 较大，需借助计算机，适于大、中型拱坝。
CONTENTS
三种坝的荷载 三种坝的应力分析方法 三种坝的失稳形式 三种坝的工程实例
三种坝的荷 载
三种坝的应 力分析方法
三种坝的失 稳形式
三种坝的工 程实例
三种坝的荷载
三种坝的荷 载
三种坝的应 力分析方法
三种坝的失 稳形式
三种坝的工 程实例
“ 重力坝 ”
1
自重（建筑物及 其附属设备的重 量）；
三种坝的失 稳形式
三种坝的工 程实例
杆件结构法 壳体理论法
s
T
应力
分析
wo
有限单元法 模型试验法
三种坝的荷 载
三种坝的应 力分析方法
三种坝的失 稳形式
三种坝的工 程实例
圆筒 法
纯拱 法
杆件 结构
法
拱梁 分载
法
拱冠 梁法
三种坝的荷 载
三种坝的应 力分析方法
三种坝的失 稳形式
三种坝的工 程实例
“ 圆筒法是把拱坝当作铅直圆筒的一部分，采用圆筒公式进行计 算。 它是拱坝计算中使用最早，最简单的方法，适用于承受均匀外
拱 梁 分 载 法
三种坝的荷 载
三种坝的应 力分析方法
三种坝的失 稳形式
三种坝的工 程实例
“ 最简单的拱梁分载法：只取拱冠处一根悬臂梁，根据各层拱圈 与拱冠梁交点处径向变位一致的条件求得拱梁荷载分配，且拱圈 所分配到的径向荷载从拱冠到拱端为均匀分布，认为拱冠梁两侧 梁系的受力情况与拱冠梁一样。 适用于河谷狭窄对称的中小型工程，或大型工程的初设阶段。
计算选定截面上的应力、 削弱部位（如孔洞、泄水 管道部位等）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。
三种坝的荷 载实例
“ 拱坝 ”
三种坝的荷 载
三种坝的应 力分析方法
”
拱 冠 梁 法
三种坝的荷 载
三种坝的应 力分析方法
三种坝的失 稳形式
三种坝的工 程实例
“ ”
三种坝的荷 载
三种坝的应 力分析方法
三种坝的失 稳形式
三种坝的工 程实例
“ 所谓壳体是由内、外两个曲面围成的物体，两个曲面称为壳体 的表面。早在20世纪30年代，F·托尔克就提出了用薄壳理论计算 拱坝的近似方法，但由于坝体形状和几何尺度以及边界条件的复 杂性，使这种方法受到很大限制，随着计算机的广泛应用，薄壳 理论计算法也有了很大的发展。
C
检验大坝各部位的应力是否满足强度要求
应 力 分 析 的 过 程
三种坝的荷 载
三种坝的应 力分析方法
三种坝的失 稳形式
三种坝的工 程实例
方法
理论计算
模型试验法
材料力学法 有限元法
三种坝的荷 载
三种坝的应 力分析方法
三种坝的失 稳形式
三种坝的工 程实例
确定计 算工况
选择计 算方法
确定计 算截面
计算应 力
主要荷载：温度和扬压力
三种坝的荷 载
三种坝的应 力分析方法
三种坝的失 稳形式
三种坝的工 程实例
“ 土石坝 ”
三种坝的荷 载
三种坝的应 力分析方法
三种坝的失 稳形式
三种坝的工 程实例
•G自重 •F渗透压力
荷载和重力坝荷载也差不多，不同在于 •有渗透压力，造成局部失稳的主要因素 •忽略上游静水压力 不进行整体分析，只进行局部分析的原因就 是 土石坝的失稳往往是局部失稳。