2022年重力坝抗滑稳定及应力计算 .pdf

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1、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Yellow River Engineering Consulting Co. ,Ltd. 二一二年四月精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 20 页1 目录1.计算说明 . 11.1 目的与要求 . 11.2 基本数据 . 12.计算参数和研究方法 . 12.1 荷载组合 . 12.2 计算参数及控制标准 . 22.3 计算理论和方法 . 33.计算过程 . 43.1 荷载计算 . 43.1.

2、1 自重 . 43.1.2 水压力 . 43.1.3 扬压力 . 83.1.4 地震荷载 . 103.2 安全系数及应力计算 . 124.结果汇总 . 17精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 20 页1 1.1 目的与要求以下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：；校核洪水位：；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g=/s2 ，地震动反应周期为0.25s，相应的地震基本烈度为 7 度，

3、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，坝基底高程，坝高22m，坝顶宽 5m。上游坝面竖直，下游坝坡在高程以上竖直，在高程以下坡度为1:0.75 。计算选取的溢流坝段堰顶高程，坝基底高程，坝高14m，上游坝面竖直，下游坝坡在 m 高程以上为 Creager 剖面，在 m 高程以下坡度为1:0.85 。正常蓄水位时，溢流坝段下游无水；设计洪水位时，下游水位；校核洪水位时，下游水位。进水口坝段顶高程，坝基底高程，坝高2m，顶宽，上游坝坡为1:0.25 ，下游坝坡在高程以上竖直，在。底孔坝段顶高程，坝基底高程，坝高，顶宽，上游坝面竖直，下游坝坡在高程以上竖直，在。2.1 荷载组合作用

4、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设计洪水位情况上游水位特殊组合：校核洪水位情况上游水位地震情况正常蓄水位 +地震荷载精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 20 页2 2.2 计算参数及控制标准水容重w3混凝土容重c：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。由于碾压混凝土坝的碾压层面的结合质量

5、受材料性质、混凝土配合比、 施工工艺、施工管理水平以及施工现场气候条件等许多因素的影响，容易成为坝体的薄弱环节， 所以需要核算沿坝体混凝土碾压层面的抗滑稳定，坝体碾压层面的抗滑稳定计算采用抗剪断公式， 安全系数值的控制标准应符合表1-2 的要求。根据国内经验，碾压层面的抗剪断参数可取：f=1.0，c=1.0MPa 。表 1-1 抗滑稳定计算岩体及混凝土力学参数岩性抗剪断强度岩体抗剪强度岩体抗剪断强度砼/岩体f c MPaf cMPaf cMPa辉绿岩0 砂岩0 表 1-2 抗滑稳定安全系数和坝基容许应力计算工况抗滑稳定安全系数坝基应力 MPa抗剪安全系数【K】抗剪断安全系数【 K 】坝踵坝趾基

6、本组合正常蓄水位情况0 0 0 0 坝基容许应力重力坝坝基面坝踵、 坝趾的垂直应力在运用期的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。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 20 页3 2.3 计算理论和方法混凝土重力坝坝体稳定采用刚体极限平衡法计算，分别计算各坝段不同水平截面包括坝体混凝土碾压层面、坝体混凝土-基岩结合面上的外加荷载及应力，并计算出抗剪和抗剪断稳定安全系数，以及坝基截面的垂直应力。为了确保结构即使在排水系统失效时也能安全运行，本次设计时扬压力考虑全水头。PWfK

7、抗剪强度计算公式PACWfK抗剪断强度计算公式式中： K按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数；f坝体混凝土与坝基接触面的抗剪摩擦系数；f坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断摩擦系数；C坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断凝聚力，KPa；A坝基接触面截面积， m2；W作用于坝体上的全部荷载对于计算滑动面的法向分值，KN；P作用于坝体上的全部荷载对于计算滑动面的切向分值，KN；坝基截面的垂直应力按下式计算：JxMAWy式中：y坝踵、坝趾垂直应力， KPa ；W作用于坝段上或1m 坝长上的全部荷载在坝基截面上法向力总和，KN；M作用于坝段上或 1m 坝长上的全部荷载对坝基截面形心轴的力矩总和，KN.m ；A坝段或

8、 1m 坝长的坝基截面积， m2；x坝基截面上计算点到形心轴的距离，m；J坝段或者 1m 坝长的坝基截面对形心轴的惯性矩，m4。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 20 页4 3.1 荷载计算自重各种工况下，建筑物的自重均相同。挡水坝段：单宽坝段 1m 坝长断面面积 A1=2单宽坝段断面自重G1向下为正方向单宽坝段断面形心对坝基中点的力臂L1=-向右为正方向力矩 MG1=KN.m顺时针方向为正溢流坝段：单宽坝段 1m 坝长断面面积 A1=m2单宽坝段断面自重G1= KN向下为正方向单宽坝段断面形心对坝基中点的力臂L1=-m向

9、右为正方向力矩 MG1= KN.m 顺时针方向为正进水口坝段：单宽坝段 1m 坝长断面面积 A1=m2单宽坝段断面自重G1=KN向下为正方向单宽坝段断面形心对坝基中点的力臂L1=m向右为正方向力矩 MG1=KN.m顺时针方向为正底孔坝段：单宽坝段 1m 坝长断面面积 A1=m2单宽坝段断面自重G1=KN向下为正方向单宽坝段断面形心对坝基中点的力臂L1=-m向右为正方向力矩 MG1=-KN.m 顺时针方向为正水压力水压力分为水平向静水压力、竖向水压力溢流坝段泄洪时、地震情况下的动水压力此荷载为地震荷载 。1、水平向静水压力1挡水坝段精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结

10、- - - - - - -第 6 页，共 20 页5 正常蓄水位情况：上游水深 Hu1= 上游水压力 Pu1= 力臂 Lu1=6m 力矩 MPu1设计洪水位情况：上游水深 Hu2= 上游水压力 Pu2力臂 Lu2= 力矩 MPu2校核洪水位情况：上游水深 Hu3= 上游水压力 Pu3力臂 Lu3= 力矩 MPu32溢流坝段正常蓄水位情况：上游水深 Hu1= 上游水压力 Pu1力臂 Lu1= 力矩 MPu1设计洪水位情况：上游水深 Hu2= 上游水压力 Pu2力臂 Lu2=m 力矩 MPu2= 下游水深 Hd2= 下游水压力 Pd2力臂 Ld2= 力矩 MPd2精选学习资料 - - - - -

11、- - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 20 页6 校核洪水位情况：上游水深 Hu3=17.3m 上游水压力 Pu3=KN 力臂 Lu3=m 力矩 MPu3= 下游水深 Hd3= 下游水压力 Pd3力臂 Ld3= 力矩 MPd33进水口坝段正常蓄水位情况：上游水深 Hu1=m 上游水压力 Pu1=KN 力臂 Lu1=m 力矩 MPu1= 设计洪水位情况：上游水深 Hu2=m 上游水压力 Pu2=KN 力臂 Lu2=m 力矩 MPu2= 校核洪水位情况：上游水深 Hu3=m 上游水压力 Pu3=KN 力臂 Lu3=m 力矩 MPu3= 4底孔坝段正常蓄水位情况：上

12、游水深 Hu1=m 上游水压力 Pu1=KN 力臂 Lu1=m 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 20 页7 力矩 MPu1= 设计洪水位情况：上游水深 Hu2=m 上游水压力 Pu2=KN 力臂 Lu2=m 力矩 MPu2= 校核洪水位情况：上游水深 Hu3=m 上游水压力 Pu3=KN 力臂 Lu3=m 力矩 MPu3= 2、竖向水压力竖向水压力是在溢流坝段泄洪时作用在溢流坝面上的水压力，水面线按堰上水深和下游水深的平均初估。设计洪水位情况：单宽坝段上水体面积A2=2单宽坝段上水重 G2= 力臂 L2= 力矩 MG2=

13、 校核洪水位情况：单宽坝段上水体面积A3=2单宽坝段上水重 G3力臂 L3= 力矩 MG3= 进水口坝段斜断面上水重正常蓄水位情况：上游水深 Hu1=m 上游水压力 Gw1=KN 力臂 Lu1=m 力矩 Mw1= 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 20 页8 设计洪水位情况：上游水深 Hu2=m 上游水压力 Gw2=KN 力臂 Lu2=m 力矩 Mw2= 校核洪水位情况：上游水深 Hu3=m 上游水压力 Gw3=KN 力臂 Lu3=m 力矩 Mw3= 扬压力为了确保结构即使在排水系统失效时也能安全运行，本次设计时扬压力考虑

14、全水头。坝底面上游处的扬压力作用水头为Hu上游水深，下游处为Hd下游水深 ，其间以直线连接。1挡水坝段正常蓄水位情况：上游水深 Hu1= 扬压力 U1力臂 Lu1= 力矩 MU1设计洪水位情况：上游水深 Hu2= 扬压力 U2=-1693KN 力臂 Lu2= 力矩 MU2校核洪水位情况：上游水深 Hu3= 扬压力 U3精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 20 页9 力臂 Lu3= 力矩 MU32溢流坝段正常蓄水位情况：上游水深 Hu1= 下游水深 Hd1=0m 扬压力 U1力臂 Lu1=m 力矩 MU1= 设计洪水位情况：

15、上游水深 Hu2= 下游水深 Hd2= 扬压力 U2=KN 力臂 Lu2=m 力矩 MU2= 校核洪水位情况：上游水深 Hu3= 下游水深 Hd3= 扬压力 U3=KN 力臂 Lu3=m 力矩 MU3= 3进水口坝段正常蓄水位情况：上游水深 Hu1=m 扬压力 U1=-KN 力臂 Lu1=-m 力矩 MU1= 设计洪水位情况：上游水深 Hu2=m 扬压力 U2=-KN 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页，共 20 页10 力臂 Lu2=-m 力矩 MU2= 校核洪水位情况：上游水深 Hu3=m 扬压力 U3=-KN 力臂 Lu

16、3=-m 力矩 MU3= 4底孔坝段正常蓄水位情况：上游水深 Hu1=m 扬压力 U1=-KN 力臂 Lu1=-m 力矩 MU1= 设计洪水位情况：上游水深 Hu2=m 扬压力 U2=-KN 力臂 Lu2=-m 力矩 MU2= 校核洪水位情况：上游水深 Hu3=m 扬压力 U3=-KN 力臂 Lu3=-m 力矩 MU3= 地震荷载一般情况下，混凝土重力坝在抗震设计中可以只计入顺水流向的水平向地震作用。抗震计算考虑的地震作用包括建筑物自重和地震惯性力，水平向地震作用的动水压力，此时，大坝上游水位采用正常蓄水位。1、地震惯性力采用拟静力法计算重力坝地震作用效应时，沿建筑物高度作用于质点i 的水精选

17、学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页，共 20 页11 平向地震惯性力代表值按下式计算：gaGFiEihi/式中：h水平向设计地震加速度代表值，取；GEi集中在质点 i 的重力作用标准值；计算系数，拟静力法计算地震作用效应时一般取0.25；ai质点 i 的动态分布系数；g重力加速度， g=/s2；其中动态分布系数按下式计算：nijEEiiiHhGGHha144)/(41)/(414.1式中： n坝体计算质点总数；H坝高；hi、hj分别为质点 i、j 的高度；GE产生地震惯性力的建筑物总重力作用的标准值；根据以上公式计算：挡水坝段：地

18、震惯性力 Fi力臂 L= 力矩 MFi溢流坝段：地震惯性力 Fi力臂 L= 力矩 MFi进水口坝段：地震惯性力 Fi=KN 力臂 L=m 力矩 MFi= 底孔坝段：地震惯性力 Fi=KN 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页，共 20 页12 力臂 L=m 力矩 MFi= 2、动水压力0处，其代表值 F0按下式计算：20065. 0HFwh式中：h水平向设计地震加速度代表值，取；w水体质量密度标准值；计算系数，拟静力法计算地震作用效应时一般取0.25；H0水深；根据以上公式计算：挡水坝段：动水压力 F0力臂 L= 力矩 MF0溢

19、流坝段：动水压力 F0力臂 L= 力矩 MF0进水口坝段：动水压力 F0=KN 力臂 L=m 力矩 MF0= 底孔坝段：动水压力 F0=KN 力臂 L=m 力矩 MF0= 3.2 安全系数及应力计算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。 根据地质报告的描述， 挡水坝段的建基面基本都在弱风化的精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页，共 20 页13 辉绿岩上，因此，计算采用辉绿岩的参数。溢流坝段部位的辉绿岩厚度较小，其建基面大部分位于砂岩上，为安全起见，计算采用砂岩的参数。1挡水坝段正常

20、蓄水位情况：坝基面法向作用之和 W= 坝基面切向作用之和 P= 力矩之和 M= 设计洪水情况：坝基面法向作用之和 W=3060KN 坝基面切向作用之和 P= 力矩之和 M= 校核洪水情况：坝基面法向作用之和 W= 坝基面切向作用之和 P= 力矩之和 M= 地震+正常蓄水位情况：坝基面法向作用之和 W= 坝基面切向作用之和 P= 力矩之和 M= 安全系数及基底应力计算结果：工况正常蓄水位设计洪水校核洪水地震荷载WKN3060 PKNMKN.m计算参数f c MPaf 安全系数KK - 基底应力maxKPa 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -

21、第 15 页，共 20 页14 minKPa2溢流坝段正常蓄水位情况：坝基面法向作用之和 W= 坝基面切向作用之和 P= 力矩之和 M= 设计洪水情况：坝基面法向作用之和 W= 坝基面切向作用之和 P= 力矩之和 M= 校核洪水情况：坝基面法向作用之和 W= 坝基面切向作用之和 P= 力矩之和 M= 地震+正常蓄水位情况：坝基面法向作用之和 W= 坝基面切向作用之和 P= 力矩之和 M= 安全系数及基底应力计算结果：工况正常蓄水位设计洪水校核洪水地震荷载WKNPKNMKN.m计算参数f c MPaf 安全系数KK - 基底应力maxKPa 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师

22、归纳总结 - - - - - - -第 16 页，共 20 页15 minKPa3进水口坝段正常蓄水位情况：坝基面法向作用之和 W=KN 坝基面切向作用之和 P=KN 力矩之和 M= 设计洪水情况：坝基面法向作用之和 W=KN 坝基面切向作用之和 P=KN 力矩之和 M= 校核洪水情况：坝基面法向作用之和 W=KN 坝基面切向作用之和 P=KN 力矩之和 M= 地震+正常蓄水位情况：坝基面法向作用之和 W=KN 坝基面切向作用之和 P=KN 力矩之和 M= 安全系数及基底应力计算结果：工况正常蓄水位设计洪水校核洪水地震荷载WKNPKNMKN.m计算参数fc MPaf 安全系数KK - 基底应力

23、maxKPa 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 17 页，共 20 页16 minKPa2底孔坝段正常蓄水位情况：坝基面法向作用之和 W=KN 坝基面切向作用之和 P=KN 力矩之和 M= 设计洪水情况：坝基面法向作用之和 W=KN 坝基面切向作用之和 P=KN 力矩之和 M= 校核洪水情况：坝基面法向作用之和 W=KN 坝基面切向作用之和 P=KN 力矩之和 M= 地震+正常蓄水位情况：坝基面法向作用之和 W=KN 坝基面切向作用之和 P=KN 力矩之和 M= 安全系数及基底应力计算结果：工况正常蓄水位设计洪水校核洪水地震荷载WKN

24、PKNMKN.m计算参数f c MPaf 安全系数KK - 基底应力maxKPa 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 18 页，共 20 页17 minKPa4.结果汇总稳定及应力计算结果汇总见表4-1 和表 4-2。表 4-1 挡水坝段抗滑稳定安全系数和坝基应力计算结果计算工况抗滑稳定安全系数坝基应力 Mpa抗剪安全系数K 抗剪断安全系数K坝踵坝趾基本组合正常蓄水情况设计洪水情况特殊组合校核洪水情况正常蓄水位 +地震- 表 4-2 溢流坝段抗滑稳定安全系数和坝基应力计算结果计算工况抗滑稳定安全系数坝基应力 Mpa抗剪安全系数K 抗剪断

25、安全系数K坝踵坝趾基本组合正常蓄水情况设计洪水情况特殊组合校核洪水情况正常蓄水位 +地震- 表 4-3 进水口坝段抗滑稳定安全系数和坝基应力计算结果精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 19 页，共 20 页18 计算工况抗滑稳定安全系数坝基应力 Mpa抗剪安全系数K 抗剪断安全系数K坝踵坝趾基本组合正常蓄水情况设计洪水情况特殊组合校核洪水情况正常蓄水位 +地震- 表 4-4 底孔坝段抗滑稳定安全系数和坝基应力计算结果计算工况抗滑稳定安全系数坝基应力 Mpa抗剪安全系数K 抗剪断安全系数K坝踵坝趾基本组合正常蓄水情况设计洪水情况特殊组合校核洪水情况正常蓄水位 +地震- 计算结果说明， 即使在排水系统失效时， 大坝沿坝基的抗滑稳定安全系数仍然满足规定的数值，坝基应力满足坝基承载力的要求，大坝是安全的。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 20 页，共 20 页