拱坝的应力分析一PPT课件【精心编辑后首发】共49页文档
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拱坝应力分析
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第五节 坝肩稳定分析
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一、稳定分析方法
（一)刚体极限平衡法
三种
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1.可能滑动面形式和位置 1.可能滑动面形式和位置
三、初始地应力对坝肩岩体稳定的影响
1、影响岩体的承载能力 、 2、影响岩体中应力传播规律
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增加的内容 改善拱座稳定的措施
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1、加强地基处理 2、加强岩体的灌浆和排水措施 3、将拱端向岸壁深挖嵌进 4、改进拱圈设计 5、拱端局部扩大或设推力墩
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3．平面分层稳定分析
∑G =GtgΨ ∑W =WtgΨ
176页 页
K1 =
[(∑ N − U ) f
1
1
+ C1 A1 + (∑ W + ∑ G − U 2 ) f 2 + C2 A2 / Q
]
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•拱坝拱座抗滑稳定安全系数允许值 •荷 载 组 合建 筑 物 级 别 1 2 3 荷 •基 本 3.50 3.25 3.00 抗剪断公式 •特 殊无 地 震 3.00 2.75 2.50 •有 地 震 2.50 2.25 2.00 •基 本 1.30 •特 殊无 地 震 1.10 抗剪强度公式 •有 地 震 1.00
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拱坝的应力分析
坝
很小，几乎可忽略不计，对中等的 Nhomakorabea厚度拱坝和重力拱坝来说，应考
应
虑自重的作用。
力
截面A 1 、A 2 间的坝体自重G
分
可按辛普森公式进行计算：
析
G
=
1 6
g cDZ ( A1
+
4 Am
+
A2 )
G
=
1 2
g cDZ ( A1
+
A2 )
2.水平径向荷载
主要为静水压力，其
拱 坝
次有泥沙压力、浪压力、 冰压力等，由拱和梁共同 承担。分担荷载的比例须
应
力
分
析
当t<t封时：坝体收缩，坝轴线缩短，使坝体向下游变 形，拱端上游侧和拱冠下游侧受拉，产生
拱
的弯矩和剪力与水压影响相同，轴力与水
坝
压影响相反。
的
温降对坝体应力不利，对坝肩稳定有利
应
力
分
析
拱坝温度变化的组成：
(1)均匀温度变化tm—引起
拱
坝体均匀伸长或缩短
坝 (2)沿坝厚温度梯度变化
的
td—引起挠曲
对应力而言
基本组合：正常水位下相应荷载+温降
拱 特殊组合：正常水位下相应荷载+温降+地震
坝
高温+运行低水位
的
应 对稳定而言
力 分 析
基本组合：设计水位下相应荷载+温升 特殊组合：校核水位下相应荷载+温升
2.3.3 拱坝的应力分析方法概况
拱
拱坝实质上是一个变厚度、变曲率而边界
坝
条件又很复杂的壳体结构。影响坝体应力的因
河海大学水工建筑物拱坝PPT
4
5 6
7
第二节 拱坝的布置
1.布置的内容
本节内容
开始
选择拱圈型式、悬臂梁的型式
在地形图上进行布置
倒悬度检查
应力分析
稳定分析 结束
2. 拱圈的型式
合理的拱圈型式应当是压力线接近拱轴线，使拱 截面的压应力分布趋于均匀。
由工程力学知，拱圈在匀布荷载作用下， 其合理拱轴线为一圆弧。
对拱坝而言，因常将其看成由水平拱和垂直梁组 成，故外荷载由拱梁系统共同承担。 在某一高程上水压力强度是相同的，但每根垂直 梁在该高程所“表现”的刚度不同，所承受的荷载也 不一样，因此分配给拱的荷载沿拱轴线也不相同，即 拱所承受的水压力沿拱轴线是非均匀分布的，通常是 从拱冠向拱端逐渐减小。
汶川地震的影响
沙牌坝址距汶川地震震中约35km，与发 震断层的垂直距离为20km，地震烈度为Ⅸ度。 沙牌坝为碾压混凝土拱坝，高130m。设计时 采用地震烈度Ⅶ度，基岩水平地震加速度 0.141g。 汶川地震时，水库水位处于正常蓄水位。 地震后调查，大坝结构完整，坝基及两岸坝肩 抗力岩体稳定，坝顶高程以上两岸边坡局部塌 滑，但不影响大坝稳定。水电站进水口启闭机 排架柱裂缝，调压井边坡跨塌，压力管明管段 损毁，厂区边坡和厂房结构损坏严重。
坝高221m，底厚201m，座跨科罗拉多河。
前苏联英古里拱坝，坝高272m，1980年竣工
发展趋势
1 2 3
对坝址地形地质条件有所降低； 厚度减薄，高度超300米级； 坝顶溢流，坝身开孔，q加大； 在较强地震地区可建拱坝； 计算理论、计算方法的发展可进 行优化设计; 对材料特性（坝体坝基）由线性 →非线性； 碾压砼拱坝的发展。
水工建筑物
第三章
拱 坝
重力坝的应力分析优秀PPT文档
2)短期组合下游坝面的垂直拉应力核算
•施工期属短暂状况，坝体下游面的垂直拉应力应不大于
100kPa，其计算式为
WcMcTc 10(k0P)a
Ac
Jc
第四节 重力坝的应力分析
其他： 坝体内一般不容许出现主拉应力，但以下情况例外：①宽
缝重力坝离上游面较远的局部区域，可出现拉应力，但不 得超过混凝土的容许拉应力；②当溢流坝堰顶部位出现拉 应力时，可考虑配置钢筋；③廊道及其它孔洞周边的拉应 力区域，宜配置钢筋，以承受拉应力。
第四节 重力坝的应力分析
一、应力分析方法 理论计算和模型试验法 理论计算方法主要有材料力学法和有限元法
对于中、低坝，当地质条件较简单时，可按材料力学 方法计算坝体的应力，有时可只计算坝体的边缘应力。
二、应力分析内容
确定计算工况； 选择计算方法； 确定计算截面； 计算选定截面上的应力、削弱部位（如孔洞、泄水管道部
五、各种因素对坝体应力的影响
坝体应力的实际分布情况比较复杂，受很多 因素影响。 1、地基变形模量对坝体应力的影响
各种因素对坝体应力的影响
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
第四节重力坝的应力 分析
第四节重力坝的应力分析
目的：
1、为了检验大坝在施工期和运用 期是否满足强度要求；
2、为解决设计和施工中的某些问 题，如砼分区，某些部位的配 筋等提供依据。
应力分析的过程：
1、进行荷载计算及荷载组合 2、选择合适的方法进行应力计算 3、检验大坝各部位的应力是否满
足强度要求
③廊道及其它孔洞周边的拉应力区域，宜配置钢筋，以承受拉应力。
第四节 拱坝的应力分析
第四节拱坝的应力分析一、拱坝应力分析的常用方法拱坝是一个空间弹性壳体，其几何形状和边界条件都很复杂，难以用严格的理论计算求解拱坝坝体应力状态。
在工程设计中，常作一些必要的假定和简化，使计算成果能满足工程需要。
拱坝应力分析的常用方法有圆筒法、纯拱法、拱梁分载法、壳体理论计算方法、有限单元法和结构模型试验法等。
(1)纯拱法: 假定拱坝由许多互不影响的独立水平拱圈组成，不考虑梁的作用，荷载全部由拱圈承担。
计算简单，但结果偏大，尤其对厚拱坝。
对薄拱坝和小型工程较为适用。
(2) 拱梁分载法: 假定拱坝由许多层水平拱圈和铅直悬臂梁组成，荷载由拱梁共同承担，按拱、梁相交点变位一致的条件将荷载分配到拱、梁两个系统上。
梁是静定结构，其应力容易计算；拱的应力则按弹性固端拱进行，计算结果较为合理，但计算量大，需借助计算机，适于大、中型拱坝。
拱冠梁法: 最简单的拱梁分载法，可采用拱冠梁作为所有悬臂梁的代表与许多拱圈组成拱梁系统，按拱、梁交点径向线变位一致的条件来建立变形协调方程, 并进行荷载分配, 可大大减少工作量。
拱冠梁法的主要步骤是：①选定若干拱圈，分别计算各拱圈拱顶以及拱冠梁与各拱圈交点在单位径向荷载作用下的变位，这些变位称为―单位变位‖；②根据各共轭点拱、梁径向变位协调的关系以及各点荷载之和应等于总荷载强度的要求建立变位协调方程组；③将上述方程组联立求解，得出各点的荷载分配；④根据求届的荷载分配值，分别计算拱冠梁和各拱圈的内力和应力。
1、基本算式如图3.13所示，将拱坝从坝顶到坝底划分为5–7层水平拱圈，拱圈各高1m，令各划分点的序号为自坝顶至坝底，各层拱圈之间取相等距离。
由拱冠梁和各层拱圈交点处径向变位一致的条件，可以列出方程组为式中，2，3…，，拱冠梁与水平拱交点的序号，即拱的层数；——单位荷载作用点的序号——作用在第层拱圈中面高程上总的水平径向荷载强度，包括水压力，泥沙压力等；——拱冠梁在第层拱高程上所分配到的水平径向荷载，为未知数；（）——第层拱圈所分配的水平径向均布荷载强度；——梁在点所分配到的荷载强度；——梁上点的单位荷载所引起点的径向变位，称为梁的―单位变位‖。
第三章 拱坝——§3拱坝应力计算(1)
下游 水面以上: t xim 下游坝面年平均气温日照影响△ b 水面以下：t xim 年平均尾水温度（水面 以下） 上游 水面以上：t sm 年平均气温日照影响△ b 水面以下：t sm c (b c)e 0.04 y b 年平均气温Ta 日照影响△ b t kd be0.04 H c 1 e 0.04 H H — 库底年平均温度℃； — 水深m y
理论计算方法
3）拱冠梁法——多拱一梁法
– 原理：视拱坝由拱冠处一根悬臂梁与若干水平拱圈连系起来 的整体，以拱冠处的1m宽悬臂梁与若干层1m厚水平拱圈为 计算单元，进行荷载分配。 – 拱梁交点位移：只考虑径向位移，按拱梁交点处的径向位移 一致条件计算拱梁荷载分配比例。 – 可用于大型工程方案比较和初设阶段 – 只适于对称拱坝、对称荷载情况
◎二、拱坝荷载及其荷载组合
其中年变幅部分：
1
2 ( Axi 13.1Asho ) 14.5 y
库水位以上： m 2 1 Axi；t d 2 0 t 库水位以下： m 2 t
13.1 )] 14.5 y 2.33 18.76 当坝厚T 10m时： 1 ； 3 ； 2 T 0.9 T 12.6 3.8e 0.022 y 2.38e 0.081 y T 4.5 t d 2 3 [ Axi Asho ( 当坝厚T 10m时： 1 0.5e 0.00067 T 3 e 0.00186 T 2 (0.069e 0.022 y 0.0432 0.081 y ) e
理论计算方法
1）纯拱法
– 原理：视拱坝由若干层水平拱圈叠合而成，水平荷载全部由 拱圈承担，自重等竖向荷载不计 – 每层拱圈作为两端固定的弹性拱计算，计入地基位移和温度 荷载，是多拱梁法的基础 – 工程中多用简约法查表计算 – 适用于中小型工程可行性研究阶段，所得应力偏大，厚拱误 差较大。
拱 坝PPT
第三章 拱坝（Arch Dam）
-9-
2、绕一岸旋转滑动
当河谷两岸地质情况差异较大时，坝 体可能绕另一岸旋转滑动。
设坝绕a点转动，以a点为圆心，至另 一岸各滑动面的距离为半径作滑动面。 各弧面以上的岩体自重和坝体自重乘 以摩擦系数，即得抗滑力，乘以相应 半径求得抗滑力矩M’1、M’2、…。拱坝 外荷载如水压力等对a点的滑动力
第三章 拱坝（Arch Dam）
-7-
滑动力
S=S1+S2
则抗滑稳定安全系数为
第三章 拱坝（Arch Dam）
-8-
Kc
f1(R1 U1)
f2 (R2 U2 ) c1A1 c2 A2 S
若R1-U1<0，F1面拉裂，则滑移体沿底裂面F2作单面滑动：
Kc
f2 (R2 U2 ) c2 A2 S
K f1p f 2W sin cl sec S
三、整体稳定分析
1、整体滑动
坝肩岩体中有一条铅直结 构面Fl，它与河床附近的水 平结构面F2、上游破裂面F3 以及临空面一起把坝肩岩体 切割成一个滑移体(计算中 一般均假定F3被拉裂，不计 其影响)。岩体失稳时，一 般是沿F1和F2的交线滑动。
第三章 拱坝（Arch Dam）
-14-
第三章 拱坝（Arch Dam）
-15-
第6节 拱坝的构造及地基处理
一、拱坝分缝
1、类型
（1）收缩缝：防止裂缝而设的临时缝。
① 横缝
② 纵缝
（2）结构缝：改善坝体应力而设的 永久性缝。
① 周边缝 ② 底缝
（3）施工缝： 施工中混凝土浇筑面。
第三章 拱坝（Arch Dam）
Hale Waihona Puke 第三章 拱坝（Arch Dam）
拱 坝PPT
理论：以圆筒公式为指 导，主要利用水平拱的作 用来保证大坝安全，忽略 梁的作用。
第三章 拱坝（Arch Dam）
-8-
第三章 拱坝（Arch Dam）
-9-
3）成熟阶段（1917～1960年） 标 志 ： 1917 年 ， 瑞 士 的 蒙 特 萨 耳 文 斯
（Montsalvens）拱坝，高55m。 成就： 拱梁分载的概念（拱冠梁法，多拱梁法）； 拱坝体型多元化（双曲拱坝及带缝拱坝<周 边缝、底缝>的发展）； 形成及发展抗滑稳定概念。
第三章 拱坝（Arch Dam）
-5-
一、拱坝的发展
1、发展阶段
萌芽阶段（～1854年） 起步阶段（1854年～ 1917年） 成熟阶段（1917年～ 1960年） 熟练阶段（1960年～至今）
第三章 拱坝（Arch Dam）
-6-
1）萌芽阶段（ ～ 1854年） 起源：始于罗马时期，类比砌石圆拱结构
第三章 拱坝（Arch Dam）
-17-
Name：Tolla Dam Country： France Type：arch Year of completion : 1959 Height：88 m Base thickness：2m T/H：0.023
The dam is a complete success and has been shown to posses adequate margins of safety. Whether or not such thin dam is psychologically justifiable is another matter.
建坝数量 200 150 500
空间集中分布 美国（加利福尼亚州） 西欧：法国、意大利、瑞士等 中国
第三章 拱坝（Arch Dam）
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第三章 拱坝（Arch Dam）
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3）成熟阶段（1917～1960年） 标 志 ： 1917 年 ， 瑞 士 的 蒙 特 萨 耳 文 斯
（Montsalvens）拱坝，高55m。 成就： 拱梁分载的概念（拱冠梁法，多拱梁法）； 拱坝体型多元化（双曲拱坝及带缝拱坝<周 边缝、底缝>的发展）； 形成及发展抗滑稳定概念。
第三章 拱坝（Arch Dam）
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一、拱坝的发展
1、发展阶段
萌芽阶段（～1854年） 起步阶段（1854年～ 1917年） 成熟阶段（1917年～ 1960年） 熟练阶段（1960年～至今）
第三章 拱坝（Arch Dam）
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1）萌芽阶段（ ～ 1854年） 起源：始于罗马时期，类比砌石圆拱结构
第三章 拱坝（Arch Dam）
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Name：Tolla Dam Country： France Type：arch Year of completion : 1959 Height：88 m Base thickness：2m T/H：0.023
The dam is a complete success and has been shown to posses adequate margins of safety. Whether or not such thin dam is psychologically justifiable is another matter.
建坝数量 200 150 500
空间集中分布 美国（加利福尼亚州） 西欧：法国、意大利、瑞士等 中国