第四节 重力坝的应力分析
第四节重力坝的应力分析
一、应力分析的目的和方法
1、目的
1°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；
2°为布置坝身材料(如混凝土分区)提供依据；
3°为特殊部位的配筋提供依据，如孔口、廊道等部位的配筋；
4°为改进结构型式和科学研究提供依据；
2、分析方法: 模型试验法和理论计算法
①模型试验法
光测方法如：偏振光弹性试验, 激光全息试验, 脆性材料电测法
②理论计算法
1°材料力学法(重力法)
这是一种历史悠久、应用最广、最简便的方法。它不考虑地基变形的影响，假定：
σy呈直线分布；
σx呈三次抛物线分布；
τ呈二次抛物线分布；
评价：该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答。
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。评价：要求方形网格，对复杂边界适应性差。
4°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。见图2.14
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。
图2.14 重力坝应力分析有限单元法示意图
二、材料力学法,见图2.15和图2.16
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；
图2.15 坝体应力计算简图
图2.16 截面核心计算图
2、边缘应力计算
①水平截面上的垂直正应力
②剪应力
③水平正应力
④主应力
3、内部应力计算
图2.17 坝体微元体受力分析
①σy的计算, ②τ的计算, ③ σx的计算, ④坝内主应力计算
4、考虑扬压力时的计算方法:
图2.18 有扬压力的边缘应力计算简图 图2.19 扬压力分布图
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,见图2.20
图2.20 地基变形示意图 图2.21 坝基对坝体的应力影
响
②地基不均匀对坝体应力的影响
③坝体不同材料对坝体应力的影响
④纵缝对坝体应力的影响
图2.22纵缝对坝体应力的影响⑤分期施工对坝体应力的影响
图2.23分期施工对坝体应力的影响
重力坝稳定及应力计算
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
（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） W 1 = 24×5×17 = 2040 KN W 2 = 24×× /2 = KN W 3 = ×（）2× /2 = KN ∑W = KN W 1作用点至O 点的力臂为： /2 = m W 2作用点至O 点的力臂为： m 067.16.83 2 26.13=?- W 3作用点至O 点的力臂为： m 6.58.0)10905.1094(3 1 26.13=?-?-
竖向力对O点的弯矩（顺时针为“－”，逆时针为“+”）：M OW1 = 2040×= 8772 KN·m M OW2 = －×= －KN·m M OW3 = －×= －445 KN·m ∑M OW = KN·m ②静水压力（水平力） P1 = γH12 /2 = ×－1090)2 /2= －KN P2 =γH22 /2 =×2 /2 = ∑P = －KN P1作用点至O点的力臂为：－1090)/3 = P2作用点至O点的力臂为：－1090)/3 = 静水压力对O点的弯矩（顺时针为“－”，逆时针为“+”）：M OP1 = ×= －6089 KN·m M OP2 = ×= KN·m ∑M OP = －KN·m ③扬压力 扬压力示意图请见下页附图： H1 = －1090 = m H2 = －1090 = m (H1 －H1) = －= m 计算扬压力如下： U1 = ××= KN U2 = ××/2 = KN ∑U = KN
混凝土重力坝设计
XXXXXX 继续教育学院 毕业论文 题目 XXX水库 混凝土重力坝枢纽设计 专业水工 层次专升本 姓名 学号
前言 关键词：重力坝剖面稳定应力细部构造地基处理 本次设计内容为河南南潘家口水利枢纽，坝型选择为混凝土重力坝，坝轴线选择和枢纽布置见1号图SG-01潘家口水库平面图所示。 整座重力坝共分53个坝段，主要有非溢流挡水坝段、溢流表孔坝段、溢流底孔坝段和电站厂房坝段。其中非溢流挡水坝段每坝段宽15米，分布于大坝两端；厂房坝段每段宽16米，布置在靠近右岸的主河床上，装机3台机组；底孔坝段每段宽22米，布置在厂房坝段左侧的主河床上；溢流坝段每段宽18米，布置在滦河主河床上。详见1号图SG-02下游立视图。 挡水坝段最大断面的底面高程为128米，坝顶高程为228米，防浪墙高1.2米，最大坝高为101.2m，属高坝类型。坝顶宽12米，最优断面的上游坝坡坡率为1:0.2，上游折坡点高程为181米，下游坝坡坡率为1:0.7，下游折坡点高程688.98英尺，详细情况参见1号图SG-03挡水坝剖面图。 溢流坝段最大断面的底面高程为126米，堰顶高程210米，溢流堰采用WES曲线设计，直线段坡率为1：0.7，反弧段半径取25.0米，鼻坎高程取159米，上游坝坡坡率取1：0.2，折坡点高程为181米，上游坝面与WES曲面用1/4椭圆相连，详细情况见1号图SG-02溢流堰标准横断面图所示。 本枢纽溢流堰采用挑流方式消能，挑角取250。止水采用两道紫铜中间加沥青井的形式。坝基防渗处理（主要依据上堵下排的原则），上游帷幕灌浆（两道），下游侧设置排水管。 以非溢流挡水坝段为计算选择断面，进行了抗滑稳定分析和应力分析，分别采用抗剪断计算法和材料力学法计算法进行计算，最终验算满足抗滑稳定，上游坝踵没有出现拉应力，设计剖面合理可行。 本次设计只是部分结构物设计，考虑问题较单一，采用基础资料一般以书本为主，跟实际情况难免有出入，敬请读者批评指正。 编者 2008.9
重力坝稳定及应力计算书..
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m B10 。 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 基本正常√√√√√√
重力坝抗滑稳定与应力计算
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..................................................................................... 错误!未定义书签。 目的与要求 ......................................................................... 错误!未定义书签。 基本数据 ............................................................................. 错误!未定义书签。 2.计算参数和研究方法................................................................. 错误!未定义书签。 荷载组合 ............................................................................. 错误!未定义书签。 计算参数及控制标准 ......................................................... 错误!未定义书签。 计算理论和方法 ................................................................. 错误!未定义书签。 3.计算过程..................................................................................... 错误!未定义书签。 荷载计算 ............................................................................. 错误!未定义书签。 自重 ............................................................................. 错误!未定义书签。 水压力 ......................................................................... 错误!未定义书签。 扬压力 ......................................................................... 错误!未定义书签。 地震荷载 ..................................................................... 错误!未定义书签。 安全系数及应力计算 ......................................................... 错误!未定义书签。 4.结果汇总..................................................................................... 错误!未定义书签。
重力坝毕业设计
第一章设计基本资料及任务 第一节设计基本资料 一、枢纽任务 本工程同时兼有防洪、发电、灌溉、渔业等综合利用。水电站装机容量为21.75万kW，装3台机组。正常蓄水位为110.5m，死水位为86.5m，三台机满载时的流量为405m3/s。采用坝后式厂房。工程建成后，可增加保灌面积90万亩，减轻洪水对下游城市和平原的威胁。在遇P=0.02%和P=0.1%频率的洪水时，经水库调节后，洪峰流量可由原来的18200m3/s、14100 m3/s分别削减为6800 m3/s和6350 m3/s；水库蓄水后形成大面积水域，为发展养殖业创造有利条件。 二、基本资料 1、规划数据 本重力坝坝高86.9m，坝全长368m，溢流坝位于大坝中段长度73米，非溢流坝分别接溢流坝两侧各147.5m，坝顶宽度8m，坝底宽度80.5m，坝底高程28m，坝顶高程114.9m，正常蓄水位110.5m，死水位86.5m。 坝址处的河床宽约120m，水深约1.5～4m。河谷近似梯形，两岸基本对称，岸坡取约35o。 2、工程地质 坝基岩性为花岗岩，风化较深，两岸达10m左右。新鲜花岗岩的饱和抗压强度为100～200MPa，风化花岗岩为50～80Mpa。坝址处无大的地质构造。 3、其他资料 - 1 -
（1）风向吹力：实测最大风速为24m/s，多年平均最大风速为20m/s，风向基本垂直坝轴线，吹程为4km。 （2）本坝址地震烈度为7度。 （3）坝址附近卵砾石、碎石及砂料供应充足，质量符合规范要求。 三、表格 表1比选数据 - 2 -
表2岩石物理力学性质 四、参考文献 1．混凝土重力坝设计规范水利电力部编 2．水工建筑物任德林河海大学出版社 3．水工设计手册泄水与过坝建筑物水利电力出版社 4．混凝土拱坝及重力坝坝体接缝设计与构造水电部黄委会编 第二节设计任务 一、枢纽布置 （1）拟定坝址位置 - 3 -
重力坝稳定及应力计算
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 `= 0.5 c `= 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：C10 50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
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 KN W 3 = 9.81×（1094.5-1090）2×0.8 /2 = 79.46 KN ∑W = 3228.86 KN W 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 067.16.83 2 26.13=?- W 3作用点至O 点的力臂为： m 6.58.0)10905.1094(3 1 26.13=?-?- 竖向力对O 点的弯矩（顺时针为“－”，逆时针为“+”）： M OW1 = 2040×4.3 = 8772 KN ·m M OW2 = －1109.4×1.067 = －1183.7 KN ·m
重力坝深层抗滑稳定计算分析
重力坝深层抗滑稳定计算分析 建设工程学部 水1101班 金建新 201151073
【摘要】 重力坝依靠自身重量来维持稳定,所以,安全就是重力坝设计的最基本最重要的要求。一般情况下,坝体基岩很少是完整的岩体,常常存在复杂的节理、裂隙或断层等地质结构,并形成不可预知的滑动通道。由于坝基的地质缺陷很难被发现,或者被清楚的了解,所以往往导致严重的工程事故。因此,重力坝深层抗滑稳定性的研究在工程上具有普遍性和紧迫性。对坝基岩体存在断层、节理、裂隙、软弱夹层等地质缺陷的重力坝工程进行稳定性分析与评价并提出合理的处埋措施对大坝工程实践具有十分重要的技术经济意义。目前,重力坝稳定分析的方法很多,而在实际工程中,通常采用的方法是有限元法与刚体极限平衡法的结合,这样的优点在于：既可以避免难引入刚体极限平衡法的影响因素的缺陷,又可以规范安全系数的定义,方便设计人员进行使用。本文作者通过理论分析和算例计算的比较,认为邵龙潭教授创立并发展的有限元极限平衡方法是优胜于刚体极限平衡法和有限元强度折减法的优秀方法。有限元极限平衡方法理论严密,计算验证充分可靠,集合了刚体极限平衡法和有限元强度折减法各自的优点,又有效克服了两种方法的不可回避的缺点。本文将有限元极限平衡法应用到重力坝深层抗滑稳定分析的问题中,显示出了与传统刚体极限平衡方法及有限元强度折减法计算分析结果一致的适用性,同时能够搜索出与实际情况相符的最危险滑裂面,并减少了稳定计算的工作量。通过分析和讨论重力坝在分层施工、运行期蓄水及渗流等工况下的稳定性,得到了与实际工程中相一致的结果和结论,进一步验证了有限
元极限平衡法在重力坝稳定性分析问题中的实用性。所以,有限元极限平衡是有很大发展前景的稳定分析的理论和方法。 前言 随着水利资源的不断开发, 地质良好的坝址越来越少, 当坝基岩体 内存在缓倾角的软弱夹层时, 坝体便有可能带动部分基岩沿软弱夹 层滑动, 对大坝的抗滑稳定十分不利, 因此必须核算坝体带动基岩 沿软弱面失稳的可能性, 研究坝体的深层抗滑问题[ 1] 。目前, 国内重力坝抗滑稳定分析多采用有限元法模拟坝体和坝基材料的非线 性本构关系, 计算坝体及坝基各部位的应力、位移和破坏形态[ 2] 。对于大多数滑动面未知的深层抗滑问题, 可采用有限元强度折减法, 按照比例降低基岩及地基中软弱结构面的抗剪强度指标直至达到临 界失稳状态。笔者依据有限元强度折减法探讨了在地震作用下重力坝的深层抗滑稳定问题。 一计算方法 1. 1 计算思路 选取典型坝段的剖面进行适当简化, 建立三维有限元模型; 基于反应谱法计算单独地震荷载作用下坝体通过建基面作用在基岩上的水 平地震剪力[ 3] ; 对计算模型进行渗流场分析, 得到各节点的水头, 由此计算渗透荷载[ 2] ; 将计算渗流场得到的渗透压力作为节点荷载施加到坝体, 选取不同材料的强度折减系数进行静力深层抗滑稳 定计算分析; 将水平地震剪力作为节点荷载施到坝基上, 选取不同
讲解重力坝设计例题
讲解重力坝设计例题：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，其任务以防洪为主、兼顾灌溉、发电，为3级建筑物，试根据提供的资料设计非溢流坝剖面。 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328.0 m，约有1~2 m覆盖层，清基后新鲜岩石表面最低高程为326.0m。岩基为石炭岩，节理裂隙少，地质构造良好。抗剪断强度取其分布的0.2分位 值为标准值，则摩擦系数 ' ck f=0.82，凝聚力' ck 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337.1 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6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．设计要求： （1）拟定坝体剖面尺寸确定坝顶高程和坝顶宽度，拟定折坡点的高程、上下游坡度，坝底防渗排水幕位置等相关尺寸。 （2）荷载计算及作用组合该例题只计算一种作用组合，选设计洪水位情况计算，取
常用的五种荷载：自重、静水压力、扬压力、淤沙压力、浪压力。列表计算其作用标准值和设计值。 （3）抗滑稳定验算可用极限状态设计法进行可靠度计算。 （4）坝基面上下游处垂直正应力的计算，以便验算地基的承载能力和混凝土的极限抗压强度。 重力坝剖面设计图（单位：m） 三．非溢流坝剖面的设计 ●资料分析 该水利枢纽位于高山峡谷地区，波浪要素的计算可选用官厅公式。因地震设计烈度为6度，故不计地震影响。大坝以防洪为主，3级建筑物，对应可靠度设计中的结构安全级别为Ⅱ级，相应结构重要性系数γ0=1.0。坝体上的荷载分两种组合，基本组合（设计洪水位）取持久状况对应的设计状况系数ψ=1.0，结构系数γd =1.2；偶然组合（校核洪水位）取偶然状况对应的设计状况系数ψ=0.85，结构系数γd =1.2。坝趾抗压强度极限状态的设计状况系数同前，结构系数γd =1.3。 可靠度设计要求均采用作用（荷载）设计值和材料强度设计值。作用（荷载）标准值乘以作用（荷载）分项系数后的值为作用（荷载）设计值；材料强度标准值除以材料性能分项系数后的值为材料强度设计值。本设计有关（荷载）作用的分项系数查表2-10得：自重为1.0；静水压力为1.0；渗透压力为1.2；浮托力为1.0；淤沙压力为1.2；浪压力为1.2。混凝土材料的强度分项系数为1.35；因大坝混凝土用90 d龄期，大坝混凝土抗压强度材料分项系数取2.0；热扎Ⅰ级钢筋强度分项系数为1.15；Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级为1.10。材料 性能分项系数中，对于混凝土与岩基间抗剪强度摩擦系数 ' ck f为1.3，凝聚力' ck c为3.0。
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： 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
（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） W 1 = 24×5×17 = 2040 KN W 2 = 24×× /2 = KN W 3 = ×（）2× /2 = KN ∑W = KN W 1作用点至O 点的力臂为： /2 = m W 2作用点至O 点的力臂为： m 067.16.83 2 26.13=?- W 3作用点至O 点的力臂为： m 6.58.0)10905.1094(3 1 26.13=?-?-
竖向力对O点的弯矩（顺时针为“－”，逆时针为“+”）： M OW1 = 2040× = 8772 KN·m M OW2 = －× = － KN·m M OW3 = －× = －445 KN·m ∑M OW = KN·m ②静水压力（水平力） P1 = γH12 /2 = ×－1090)2 /2= － KN P2 =γH22 /2 =×2 /2 = ∑P = － KN P1作用点至O点的力臂为：－1090)/3 = P2作用点至O点的力臂为：－1090)/3 = 静水压力对O点的弯矩（顺时针为“－”，逆时针为“+”）： M OP1 = × = －6089 KN·m M OP2 = × = KN·m ∑M OP = － KN·m ③扬压力 扬压力示意图请见下页附图： H1 = －1090 = m H2 = －1090 = m (H1 － H1) = － = m 计算扬压力如下： U1 = ×× = KN U2 = ×× /2 = KN ∑U = KN
ANSYS在重力坝应力分析中的应用
山东水利职业学院院刊2009年6月 第2期ANSYS在重力坝应力分析中的应用 韩永胜梁秋生 （山东水利职业学院，山东日照276826） 摘要：本文对重力坝应力分析的材料力学方法、弹性力学方法、结构模型试验方法以及有限单元法进行了比较，重点阐述了有限单元法，利用大型有限元工程分析软件ANSYS对某重力坝进行了应力分析与开裂区域研究。 关键词：重力坝；应力分析；有限单元法；ANSYS 1引言 重力坝主要依靠坝体本身自重来保持坝体的稳定，故称为“重力坝”。其坝筑材料主要是混凝土或砌浆石或这两者的组合。在古代建造砌浆石坝的时候，还没有现在那么高的数学力学基础理论，也没有对这种坝起名叫重力坝，更没有对这种坝进行应力分析。从17世纪和18世纪以Hooke’s law为基础的材料力学出现和发展，到19世纪初逐步创立了杠件系统的结构力学和一般弹性体的弹性力学，再到19世纪上半叶和中叶混凝土出现和发展之后，才开始将重力坝作为连续弹性体进行应力分析。最初采用材料力学方法，而后发展到弹性力学方法，对于边界复杂的坝体结构采用模型试验方法。近年来，随着有限单元法的研究和电子计算机的发展，对重力坝的数值解法越来越受到学者和工程师的青睐。 2材料力学方法 材料力学方法基本假定是：(1)坝体材料为均质和各向同性；(2)在静力载荷应力计算中，不考虑温度载荷引起的应力；(3)坝体的永久横缝不传力，将坝段看作独立的固定于岩基上的竖直悬臂梁，不考虑基础变形对坝体应力的影响[1]。 材料力学计算得出：重力坝最不利的应力位于坝踵(上游坝面底部)和坝址(下游坝面底部)。这两处是应力控制的部位，我国重力坝设计规范规定[2]，用材料力学方法计算时，重力坝上游坝面不允许出现竖直方向拉应力，坝基面上的压应力应小于坝基许用压应力。 3弹性力学方法 19世纪中下叶，法国李维等学者和工程师为重力坝二维应力分析提供了弹性力学解法。但是由于弹性力学计算方法很繁琐，目前，中低型重力坝的设计基本上按规范规定的材料力学进行应力计算。4结构模型试验方法 用于测试应力的结构模型试验方法主要有光测法和脆性材料电测法两类。结构模型试验方法能适应复杂的边界形状和地基变形条件，便于测量和研究重力坝孔口、坝踵和坝址等角缘应力分布状态，解决了材料力学方法不能解决、弹性力学方法难以解决的课题。在今天，即使电子计算机发展很快、应用很广，一些高重力坝的设计和计算仍采用结构模型试验方法，作为与有限单元法计算结果相互验证的补充的手段。 5有限单元法 有限单元法适用于孔口、角缘和地基变形等复杂的边界条件与载荷情况，可以考虑各种材料的特性和组合，后来又发展到进行温度场和温度应力的计算、非线性分析和动力分析等等。它出色地完成了材料力学方法和弹性力学方法所不能计算的课题，对重力坝的应力计算发挥了很重要的作用。本文利用大型有限元分析程序计算了某重力坝的应力分布和开裂区域。 14··
混凝土重力坝毕业设计计算书
1 兵团广播电视大学开放教育（专科） 题目：混凝土重力坝设计 分校： 姓名： 学号： 专业： 指导教师：
目录 目录 (1) 第一章非溢流坝设计 (5) 1.1坝基面高程的确定 (5) 1.2坝顶高程计算 (5) 1.2.1基本组合情况下： (5) 1.2.1.1 正常蓄水位时： (5) 1.2.1.2 设计洪水位时： (6) 1.2.2特殊组合情况下： (6) 1.3坝宽计算 (7) 1.4 坝面坡度 (7) 1.5 坝基的防渗与排水设施拟定 (8) 第二章非溢流坝段荷载计算 (9) 2.1 计算情况的选择 (9) 2.2 荷载计算 (9) 2.2.1 自重 (9) 2.2.2 静水压力及其推力 (9) 2.2.3 扬压力的计算 (11) 2.2.4 淤沙压力及其推力 (13) 2.2.5 波浪压力 (14) 2.2.6 土压力 (15) 第三章坝体抗滑稳定性分析 (17) 3.1 总则 (17) 3.2 抗滑稳定计算 (18) 3.3 抗剪断强度计算 (19) 第四章应力分析 (21) 4.1 总则 (21) 4.1.1大坝垂直应力分析 (21) 4.1.2大坝垂直应力满足要求 (22) 4.2计算截面为建基面的情况 (22)
3 4.2.1 荷载计算 (23) 4.2.2运用期（计入扬压力的情况） (24) 4.2.3运用期（不计入扬压力的情况） (24) 4.2.4 施工期 (24) 第五章溢流坝段设计 (26) 5.1 泄流方式选择 (26) 5.2 洪水标准的确定 (26) 5.3 流量的确定 (26) 5.4 单宽流量的选择 (27) 5.5 孔口净宽的拟定 (27) 5.6 溢流坝段总长度的确定 (27) 5.7 堰顶高程的确定 (28) 5.8 闸门高度的确定 (29) 5.9 定型水头的确定 (29) 5.10 泄流能力的校核 (29) 5.11.1 溢流坝段剖面图 (30) 5.11.2 溢流坝段稳定性分析 (30) （1）正常蓄水情况 (30) （2）设计洪水情况 (31) （3）校核洪水情况 (31) 第六章消能防冲设计 (32) 6.1洪水标准和相关参数的选定 (32) 6.2 反弧半径的确定 (32) 6.3 坎顶水深的确定 (33) 6.4 水舌抛距计算 (34) 6.5 最大冲坑水垫厚度及最大冲坑厚度 (35) 第七章泄水孔的设计 (37) 7.1有压泄水孔的设计 (37) 7.2孔径D的拟定 (37) 7.3 进水口体形设计 (37) 7.4 闸门与门槽 (38) 7.5渐宽段 (38)
重力坝坝顶超高计算书实用标准格式
实用标准文档 混凝土重力坝坝顶超高计算书标准格式 工程设计分院坝工室 2006.3.
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——水电站工程（或水库工程、水利枢纽工程） 混凝土重力坝坝顶高程计算书 1计算说明 1.1适用范围（设计阶段） 本计算书仅适用于工程设计阶段的（坝型）坝顶超高/高程计算。 1.2工程概况 工程位于省市（县）的江（河）上。该工程是以为主，兼顾、、等综合利用的水利水电枢纽工程。 本工程规划设计阶段（或预可行性研究阶段，可行性研究阶段/初步设计阶段，招标设计阶段）设计报告已于年月经审查通过。水库总库容×108m3，有效库容×108m3，死库容×108m3；灌溉面积亩；水电站装机容量MW，多年平均发电量×108 kW·h，保证出力MW。选定坝址为，选定坝型为。 根据《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》DL5180—2003，工程等别为等型工程，拦河坝为级永久水工建筑物。（因拦河大坝坝高已超过其规定的高度，拦河坝应提高级，按级建筑物设计。） 1.3计算目的和要求 通过混凝土重力坝坝顶上游防浪墙顶与正常蓄水位、设计洪水位或校核洪水位高差的计算，以确定防浪墙顶高程和大坝高度，为坝体断面设计及坝体工程量计算提供可靠的依据。
1.4计算原则和方法 1.4.1计算原则 (1)坝顶上游防浪墙顶与正常蓄水位、设计洪水位或校核洪水位的高差，包括 最大浪高、波浪中心线至水库静水位的高度和安全超高。 (2)确定的坝顶高程不得低于水库正常蓄水位及设计洪水位。 (3)坝顶高程的确定尚需考虑枢纽中其他建筑物(如船闸坝顶桥下通航净空) 对坝顶高程的要求。 1.4.2计算方法 因选定坝型为（混凝土重力坝），防浪墙顶在水库静水位以上的高差按《混凝土重力坝设计规范》DL 5108-1999式(11.1.1)计算，即： h=h1%+h z+h c 式中，h—防浪墙顶至水库静水位的高差，m； —浪高，m； h 1% 波浪中心线至水库静水位的高度，m； h z 安全超高，m。 h c 1.5计算工况 (1)正常蓄水位+相应的墙顶高差； (2)设计洪水位+相应的墙顶高差； (3)校核洪水位+相应的墙顶高差。 2计算依据 2.1规程规范和相关的技术文件 (1)规程规范 《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》DL5180—2003。
水工建筑物重力坝设计计算书
一、非溢流坝设计 （一）、初步拟定坝型的轮廓尺寸 (1)坝顶高程的确定 ①校核洪水位情况下： 波浪高度2h l=0.0166V5/4D1/3=0.0166×185/4×41/3=0.98m 波浪长度2L l=10.4×(2h l)0.8=10.4×0.980.8=10.23m 波浪中心线到静水面的高度h0=π(2h l)2/ 2L l=3.14×0.982/10.23=0.30m 安全超高按Ⅲ级建筑物取值h c=0.3m 坝顶高出水库静水位的高度△h =2h l+ h0+ h c=0.98+0.30+0.3=1.58m 校 ②设计洪水位情况下： 波浪高度2h l=0.0166(1.5V)5/4D1/3=0.0166×(1.5×18)5/4×41/3=1.62m 波浪长度2L l=10.4×(2h l)0.8=10.4×1.620.8=15.3m 波浪中心线到静水面的高度h0=π(2h l)2/ 2L l=3.14×1.622/15.3=0.54m 安全超高按Ⅲ级建筑物取值h c=0.4m =2h l+ h0+ h c=1.62+0.54+0.4=2.56m 坝顶高出水库静水位的高度△h 设 ③两种情况下的坝顶高程分别如下： 校核洪水位时：225.3+1.58=226.9m 设计洪水位时：224.0+2.56=226.56m 坝顶高程选两种情况最大值226.9 m，可按227.00m设计，则坝高227.00-174.5=52.5m。 (2)坝顶宽度的确定 本工程按人行行道要求并设置有发电进水口，布置闸门设备，应适当加宽以满足闸门设备的布置，运行和工作交通要求，故取8米。 (3)坝坡的确定 考虑到利用部分水重增加稳定，根据工程经验，上游坡采用1：0.2，下游坡按坝底宽度约为坝高的0.7～0.9倍，挡水坝段和厂房坝段均采用1：0.7。 (4)上下游折坡点高程的确定 理论分析和工程实验证明，混凝土重力坝上游面可做成折坡，折坡点一般位于1/3~2/3坝高处，以便利用上游坝面水重增加坝体的稳定。 根据坝高确定为52.5m，则1/3H=1/3×52.5=17.5m，折坡点高程=174.5+17.5=192m；2/3H=2/3×52.5=35m，折坡点高程=174.5+35=209.5m，所以折坡点高程适合位于192m~209.5m之间，则取折坡点高程为203.00m。挡水坝段和厂房坝段的下游折坡点在统一高程216.5m处。 (5)坝底宽度的确定 由几何关系可得坝底宽度为T=（203-174.5）×0.2+8+(216.5-174.5)×0.7=43.1m
水工建筑物重力坝实例
重力坝设计例题： 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，其任务以防洪为主、兼顾灌溉、发电，为3级建筑物，试根据提供的资料设计非溢流坝剖面。 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328.0 m，约有1～2 m覆盖层，清基后新鲜岩石表面最低高程为326.0m。岩基为石炭岩，节理裂隙少，地质构造良好。抗剪断 强度取其分布的0.2分位值为标准值，则摩擦系数 ' ck f =0.82，凝聚力 ' ck 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337.1 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γ c =24kN/m3，地震设计烈度为6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．设计要求： （1）拟定坝体剖面尺寸确定坝顶高程和坝顶宽度，拟定折坡点的高程、上下游坡度，坝底防渗排水幕位置等相关尺寸。 （2）荷载计算及作用组合该例题只计算一种作用组合，选设计洪水位情况计算，取常用的五种荷载：自重、静水压力、扬压力、淤沙压力、浪压力。列表计算其作用标准值和设计值。 （3）抗滑稳定验算可用极限状态设计法进行可靠度计算。
水工建筑物重力坝设计计算书
一、非溢流坝设计（一）、初步拟定坝型的轮廓尺寸 (1)坝顶高程的确定 ①校核洪水位情况下： 波浪高度 2h l =4D1/3=×185/4×41/3= 波浪长度2L l =×(2h l )=×波浪中心线到静水面的高度 h =π(2h l )2/ 2L l =×= 安全超高按Ⅲ级建筑物取值 h c = 坝顶高出水库静水位的高度△h 校=2h l + h + h c =++= ②设计洪水位情况下： 波浪高度 2h l =5/4D1/3=××18)5/4×41/3=1.62m 波浪长度 2L l =×(2h l )=×15.3m波浪中心线到静水面的高度 h =π(2h l )2/ 2L l =×= 安全超高按Ⅲ级建筑物取值 h c = 坝顶高出水库静水位的高度△h 设=2h l + h + h c =++=2.56m ③两种情况下的坝顶高程分别如下： 校核洪水位时： += 设计洪水位时： +=226.56m 坝顶高程选两种情况最大值 m，可按设计，则坝高。 (2)坝顶宽度的确定 本工程按人行行道要求并设置有发电进水口，布置闸门设备，应适当加宽以满足闸门设备的布置，运行和工作交通要求，故取8米。 (3)坝坡的确定 考虑到利用部分水重增加稳定，根据工程经验，上游坡采用1：，下游坡按坝底宽度约为坝高的～倍，挡水坝段和厂房坝段均采用1：。 (4)上下游折坡点高程的确定 理论分析和工程实验证明，混凝土重力坝上游面可做成折坡，折坡点一般位于1/3~2/3坝高处，以便利用上游坝面水重增加坝体的稳定。 根据坝高确定为，则1/3H=1/3×=，折坡点高程=+=192m；2/3H=2/3×=35m，折坡点高程=+35=，所以折坡点高程适合位于192m~之间，则取折坡点高程为。挡水坝段和厂房坝段的下游折坡点在统一高程处。 (5)坝底宽度的确定 由几何关系可得坝底宽度为T=（）×+8+×= (6)廊道的确定
折线坡建基面上的重力坝的应力分析
折线坡建基面上的重力坝的应力分析 吝江峰 河海大学水利水电学院，南京（210098） E-mail：linjf0215@https://www.360docs.net/doc/b014728651.html, 摘要：为了更好地适应坝基地质条件，减小坝基开挖量，或为了提高坝的抗滑稳定性，有时将坝的建基面设计成倾角折坡面。本文采用ANSYS结构分析软件，对某一折线坡建基面上的混凝土重力坝进行有限元应力分析，研究了不同倾角对坝体应力、坝踵应力、坝趾应力的影响，由此得出一些有益结论，可供设计参考。 关键词：混凝土重力坝；倾角折坡面；坝体应力 中图分类号：TV10.3 1.引言 在混凝土重力坝工程设计中，为了更好地适应坝基地质条件，开挖困难或减小坝基开挖量，或为了提高坝的抗滑稳定性，故有时将坝的建基面设计成带有倾角折坡面。所谓折线坡建基面，一般是坝踵部分的建基面是水平面，其下游部分建基面根据地基地质条件可设计为一个或两个的倾角斜坡面。这样，坝的整个建基面就是一个折线坡面。 重力坝的应力分析的理论计算为材料力学法和弹性理论法。材料力学法因其概念清楚计算简单而被广泛采用，但其计算结果靠近坝基部分则不能反映地基变形对坝体应力的影响；对较复杂的的边界和坝坡转折部位也不能准确反映其应力状态[1]。 所以本文采用弹性理论的有限单元法来计算坝体应力，其方法是把弹性的连续体离散化为有限数目单元的组合体，并考虑组合体内单元之间的位移连续条件，它能够综合考虑各种影响因素的作用。在这种方法的基础上，迄今已开发了多种有限元软件，其中ANSYS程序是一个功能强大而灵活的有限元结构分析软件。本文就利用ANSYS对缓折坡建基面进行应力分析。 2.设计参数及分析方法 某具有缓折坡建基面混凝土重力坝，计算断面及作用水位和淤沙高程如图1。坝基密度2.7 g／cm3，弹性模量55.8GPa，泊松比0.25；坝体混凝土密度2.5 g／cm3，弹性模量31GPa，泊松比0.167，帷幕中心至坝踵13m，该点渗透压力折减系数0.3，不计浪压力的影响[4]。 图1 计算断面示意图水平段长度x(m)斜坡面的坡比N 0 1：7.37 30 1：5 42.67 1：4 表1 水平段长度与坡比的值
重力坝设计-泄流计算1
一、 泄流计算 1、 确定溢流前缘宽度： 溢流前缘总净宽(不含闸墩厚)：q Q L = 溢 Q 溢 —通过溢流孔的 下 泄流量， 3 0355m /Q Q Q Q Q s α=-===溢总总设洪 q ——容许的单宽流量，3 q=50m /.s m α ——系数，正常运行时取0.75-0.9，校核情况时取1.0。 Q 总——通过调洪演算确定的枢纽的总下泄流量 0Q ——通过泄水孔、水电站及其建筑物的下泄流量，这里不考 虑，取00Q =。 3557.1q 50 Q L m ∴= ==溢 溢流坝孔口为坝顶溢流式，只设置一个孔口，在坝顶孔口设置闸门，边墩厚度为t ，取边墩厚t=导墙厚度=2m ，边墩采用圆弧形头部。 溢流坝段总长度0L = L+2t=7.1+22=11.1m ? 2、 计算设计洪水位情况下坝顶溢流的堰顶水头w H ， 通过公式：3 22s w Q C m L g H εσ=溢 C ——上游堰面为铅直时，C=1.0； m ——流量系数，参考教材《水力学》，采用垂直上游堰面（n=0）， 且w d H H =（设计水头）时，得出0.502d m m ==； ε——侧收缩系数（见教材《水力学》黄河水利出版社P206）：
010.2[(1)] 10.2[(11)0.450.45]7.1 0.20.4517.1 10.0127w k w w w H n nb H H H εζζ=--+ =-?-?+?? =- =- 其中，n 为溢流孔数，1n =；b 为每孔的净宽，7.1b m =；0ζ为闸墩形状系数，闸墩头部采用圆弧形，则00.45ζ=；k ζ为边墩头部形状，边 墩头部采用圆弧形，则0.45k ζ=；w H 为堰顶全水头。 s σ——淹没系数，自由出流时取s 1σ=。 将以上系数代入得： 3 210.502(10.0127)17.129.81w w H H 355 =??-????? 用试算法代入试算后得出：8.60578.61w H m m =≈。 由此得出： 堰顶高程=设计洪水位-设计洪水位情况下的堰上水头w H =1704.50-8.61=1695.89m < 正常蓄水位1702.00m ，因此需 设闸门。 3、校核洪水位=校核洪水位情况下的堰上水头w H +堰顶高程 3 22s w Q C m L g H εσ=溢代入各系数及校核洪水流量得： 3 210.502(10.0127)17.129.81w w H H 475 =??-??? ?? 用试算法代入试算后得出：10.66w H m ≈。 由此得出： 校核洪水位=w H +堰顶高程=10.66+1695.89=1706.55m 。
重力坝抗滑稳定及应力计算教程文件
重力坝抗滑稳定及应 力计算
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 (1) 2.3 计算理论和方法 (2) 3.计算过程 (3) 3.1 荷载计算 (3) 3.1.1 自重 (3) 3.1.2 水压力 (4) 3.1.3 扬压力 (6) 3.1.4 地震荷载 (8) 3.2 安全系数及应力计算 (10) 4.结果汇总 (13)
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。 底孔坝段顶高程114.00m，坝基底高程83.50m，坝高30.5m，顶宽10.0m，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。 2.计算参数和研究方法 2.1 荷载组合 作用在坝上的主要荷载包括：坝体自重、上下游水压力、扬压力、地震力。基本组合：正常蓄水位情况（上游水位110.0m） 设计洪水位情况（上游水位112.94m） 特殊组合：校核洪水位情况（上游水位113.30m） 地震情况（正常蓄水位+地震荷载） 2.2 计算参数及控制标准 水容重γw：9.81KN/m3 混凝土容重γc：24KN/m3 坝址区岩体主要为坚硬的辉绿岩和砂岩，大坝的建基面基本上分布在弱风化的辉绿岩和砂岩上。坝基面抗滑稳定计算的岩体及混凝土物理力学参数按表1-1取值，坝基面抗滑稳定安全系数和坝基应力应满足表1-2规定的数值。