重力坝整体稳定分析.

§3.3重力坝抗滑稳定分析§3.3.1重力坝抗滑稳定分析概述§3.3.2坝基破坏机理§3.3.3沿坝基面抗滑稳定分析§3.3.4深层抗滑稳定分析§3.3.5岸坡坝段抗滑稳定分析§3.3.6提高坝体抗滑稳定的工程措施§3.3.7稳定分析设计理论的历史沿革§3.3.8坝基抗滑稳定分析的发展§3.3.9现行规范中有关坝基抗滑稳定的有关规定与讨论§3.3重力坝抗滑稳定分析§3.3.1重力坝抗滑稳定分析概述问题的由来：根据混凝土重力坝设计规范（DL5108-1999）8.1.2的相关规定，承载能力极限状态：坝体断面、结构及坝基岩体进行强度和抗滑稳定计算，必要时进行抗浮、抗倾验算；对需抗震设防的坝及结构，尚需按DL5703（水工建筑物抗震设计规范）进行验算。稳定问题的种类：抗滑稳定：坝体沿抗剪能力不足的薄弱面产生滑动；抗浮稳定：坝体在上、下游水荷载作用下，产生向上浮起破坏形式；抗倾稳定：上游坝踵以下岩体受拉产生斜裂缝及坝趾以下岩体受压发生压碎而产生倾倒滑移破坏形式。§3.3.1重力坝抗滑稳定分析概述§3.3.1重力坝抗滑稳定分析概述主要关键词（Keywords）：★重力坝（Gravitydam）★抗滑稳定（Stabilityagainstsliding）★稳定分析（Stabilityanalysis）★抗滑稳定分析是重力坝设计中的一项重要内容。§3.3.1重力坝抗滑稳定分析概述任务—着重介绍抗滑稳定分析方法。目的—核算坝体沿坝基面或沿地基深层较弱结构面抗滑稳定的安全度。分析方法—刚体极限平衡法(rigidlimitequilibriummethod)；有限单元法(finiteelementmethod)；地质力学模型试验法(modeltestingmethod)。问题分类—平面问题——各坝段独立受力。空间问题——坝基内断层多条相互切割交错构成空间滑动体或地形陡峻的岸坡段。§3.3.1重力坝抗滑稳定分析概述刚体极限平衡法：将断裂面（指坝体、岩体或大坝与岩体组成的滑裂体等）看成刚体，不考虑滑裂体本身和滑裂体之间变形的影响，也不考虑滑裂面上应力分布情况，仅考虑滑裂面上的合力（正压力、剪应力），而忽略力矩的作用效应。优点：概念清楚，计算简便，任何规模的工程均可采用；缺点：是不能考虑岩体受力后所产生变形的影响，极限状态与允许的工作状态也有较大的出入。§3.3.1重力坝抗滑稳定分析概述有限单元法：可计算地基受力后的应力场和位移场，并可模拟地基中软弱结构面的局部化效应及多场耦合作用效应等，研究地基破坏的发展全过程。优点：可以考虑复杂地基的局部化效应及材料的非线性本构关系，模拟地基及坝体变形与破坏的全过程等；缺点：对有限元计算结果的应用及稳定判据的应用上尚需进一步研究。§3.3.1重力坝抗滑稳定分析概述★基于有限元法的重力坝抗滑稳定分析一般常用的分析方法有：♀超载法：将作用在坝体上的外荷载逐级加大，直至滑动面的抗滑稳定处于临界状态，外荷载增大倍数即为抗滑稳定安全系数；♀强度储备法：降低软弱夹层和尾岩抗力体的抗剪参数值，直至沿滑动面的抗滑稳定处于临界状态，抗剪参数值的降低倍数即为安全系数；♀剪力比例法：根据有限元法计算在设计荷载作用下滑动面上的正应力和剪应力分布，求出滑动面上总的抗滑力和和滑动力，两者的比值即为安全系数。§3.3.1重力坝抗滑稳定分析概述地质力学模型试验法：能较好地模拟基岩的结构、强度和变形特性，以及自重、静水压力等荷载，能形象地显示滑移破坏的过程。模拟内容不够全面和完善，不能完全依靠试验定量解决问题。优点：能直观的模拟坝体与地基稳定体系中的主要影响因素及变形与破坏全过程；缺点：模拟内容有限，往往需要依据经验作适当简化，模型一旦建立，不易修改、费用高、周期长，试验结果受到测试技术与若干不确定性因素的影响等。§3.3.2坝基破坏机理荷载：坝体自重、上、下游坝面水压力、坝基渗透水压力、坝基岩体应力等。研究方法：模型试验、数值分析等。基本结论：①在水库未蓄水或建成时的低水位状态，坝体自重引起地基下沉，坝踵大于坝趾，坝基面倾向上游；随着库水位的不断上升，坝踵位移逐渐上抬，坝趾位移变化不明显（时增时减，在工程意义上可认为基本不变）。库满时，大坝在产生向下游水平位移的同时，还有大致绕坝趾向下游转动的趋势，坝基一般倾向下游。§3.3.2坝基破坏机理②随着库水位的上升，在坝趾区不发生屈服或仅发生小范围屈服的情况，坝基浅部岩体呈水平向压缩，坝踵与坝趾水平位移差随库水位的上升而加大；随着坝趾区屈服范围的扩大，上述趋势逐渐减缓，当坝基屈服区上下贯通时，坝踵与坝趾水平位移几乎相等，坝体水平位移呈不稳定持续增长的趋势，大坝发生平行滑动，整体失稳。§3.3.2坝基破坏机理③随着库水位的上升，首先在大坝上游坝踵的地基表层出现微裂隙扩张区，然后出现坝踵裂缝及其尖端的微裂松弛区，并向地基深部发展；当基岩较软弱，力学强度较低时，则滞后一些或同时在坝趾基岩中出现剪切屈服，并逐渐向上游发展，在外因及内因作用下，贯穿坝下整个浅层基岩，导致大坝整体失稳。§3.3.2坝基破坏机理④不同的地基与坝体弹模比以及抗剪断参数的不同，不改变坝基破坏发展的总体特征。坝基越硬，坝踵裂缝出现越早，微裂区越大，坝趾处基岩越不易屈服；坝基越软，坝踵裂缝出现越迟，微裂区越小，坝趾处基岩越易屈服；对于某一确定的弹模比，抗剪断参数只影响坝趾附近基岩的屈服范围，对坝踵裂缝影响不大。E§3.3.2坝基破坏机理结论：当坝基较软弱时，重力坝均质坝基的失稳破坏主要取决于从坝趾区开始的基岩剪切屈服区的发展过程；当坝基较坚硬时，重力坝均质坝基将不会出现坝趾区基岩屈服并逐渐扩展的失稳破坏形式，其破坏形式可能有两种：①当发生过大的超载时，可能出现大坝抗倾破坏；②当无过大的超载时，大坝可能沿坝基胶结面这一明显弱面发生水平滑动破坏。§3.3.2坝基破坏机理均质坝基上混凝土重力坝沿坝基面滑动失稳机理：重力坝岩基的破坏首先开始于坝踵附近产生的拉裂缝和微裂隙扩张松弛，而后坝趾区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。分析时，以一个坝段或取单宽计算，计算公式有抗剪强度公式和抗剪断公式。§3.3.2坝基破坏机理重力坝滑动失稳模式：表面滑动浅层滑动深层滑动我国修建了大中型重力坝100余座，其中有1/3存在深层滑动问题。§3.3.3沿坝基面抗滑稳定分析一、抗剪强度公式：坝体与坝基间看成是一个接触面，而不是胶结面。当接触面呈水平时，其抗滑稳定安全系数为：PUWfKs其中：W——接触面上的总重力P——接触面上的总水平力U——作用在接触面上的扬压力f——接触面间的摩擦系数§3.3.3沿坝基面抗滑稳定分析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Ks有利。§3.3.3沿坝基面抗滑稳定分析规范规定，f的最后选取应以野外和室内试验成果为基础，结合现场实际情况，参照地质条件类似的已建工程的经验等，由地质、试验和设计人员研究确定。摩擦系数f的选取问题一般由若干组试验确定。但由于试验岩体自身的非均匀性质和每次试验条件不可能完全相同，导致试验成果具有较大的离散性，如何选用试验值，还值得研究。§3.3.3沿坝基面抗滑稳定分析摩擦系数的选定直接关系到大坝的造价与安全，f值愈小，要求坝体剖面愈大。以新安江为例，若f值减小0.01，坝体混凝土方量增加2万m3。根据国内外已建工程的统计资料，混凝土与基岩的f值常取在0.5～0.8之间。§3.3.3沿坝基面抗滑稳定分析二、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§3.3.3沿坝基面抗滑稳定分析•Ⅰ类基岩——很好的岩石，•f′＝1.2～1.5,c′＝1.3～1.5Mpa•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对于大、中型工程，在设计阶段，f′,c′应由野外及室内试验成果决定。在规划和可行性研究阶段，可以参考规范给定的数值选用。规范规定如下：§3.3.3沿坝基面抗滑稳定分析注意：上述结果不包括基岩内有软弱夹层的情况；同时，胶结面的f′,c′值不能高于混凝土的f′,c′；对于Ⅰ、Ⅱ类基岩，如果建基面做成较大的起伏差，可采用混凝土的抗剪断参数。§3.3.4深层抗滑稳定分析当坝基内存在不利的缓倾角软弱结构面时，在水荷载作用下，坝体有可能连同部分基岩沿软弱结构面产生滑移，即所谓的深层滑动。地基深层滑动情况十分复杂，失稳和计算方法还在探索之中。在设计中，应该：查明地基中主要缺陷，确定失稳边界，测定抗剪强度参数；选择合理的计算方法，并规定相应的安全系数；选择提高深层稳定性的措施，满足安全系数。§3.3.4深层抗滑稳定分析•单斜面深层抗滑稳定计算•双斜面深层抗滑稳定计算•多斜面深层抗滑稳定计算（不讲）在深层抗滑稳定分析中，一般根据深层抗滑体的不同，分为：§3.3.4深层抗滑稳定分析一、单斜面深层抗滑稳定分析：当滑裂面只有一个软弱面时，坝体与滑裂面上的部分地基可以联合起来视作刚体，用抗剪强度公式计算安全系数。但是对于要求的安全系数，尚无明确规定，一般取为3.1~05.1sK§3.3.4深层抗滑稳定分析在更多的实际工程中，深层滑动面不是一个简单的平面，而是呈复杂的形状，譬如两个斜面（如图所示），AB是一条缓倾角夹层和软弱面，称为主滑动面，BC是另一条辅助破裂面，切穿地表。BC的位置可根据地基内的反倾向节理拟定，或通过试算选取一条最不利的破裂面。二、双斜面深层抗滑稳定分析§3.3.4深层抗滑稳定分析计算时将滑移体分成两区，在其分界面BD上，引入一个需要事先假定与水平面成角的内力R（抗力）。分别令①区或②区处于极限平衡状态，即可演绎出三种不同的计算方法：剩余推力法被动抗力法等安全系数法§3.3.4深层抗滑稳定分析1.剩余推力法:先令①区处于极限平衡状态，其沿AB面的抗滑稳定安全系数为1，则：)cos()sin(sincossincos111111RAcURPWfWP利用上式求得§3.3.4深层抗滑稳定分析再计算②区沿BC面的抗滑稳定安全系数K2：sin)cos(]cos)sin([2222222WRAcUWRfKK2即为整个坝段的抗滑稳定安全系数K§3.3.4深层抗滑稳定分析与上述方法相反，先令②区处于极限平衡状态（抗滑稳定安全系数为1），求得抗力R后，再计算①区沿AB面的抗滑稳定安全系数K1，作为整个坝段的抗滑稳定安全系数安全系数。这种方法称为：被动抗力法2.被动抗力法:§3.3.4深层抗滑稳定分析令①区和②区同时处于极限平衡状态，分别列出两个区的抗滑稳定安全系数K1、K2的计算式，然后令K1＝K2，解出抗力R，再将其代回原计算式，即可求出整个滑动体的稳定安全系数。这样的方法称为：等安全系数法3.等安全系数法:§3.3.4深层抗滑稳定分析上述三种计算方法中的前两种（剩余推力法、被动抗力法），由于先令一个区处于极限平衡状态，也即相当于这一区的K＝1，因而推算出另一区的K值要比等安全系数法的大，相比之下，等安全系数法更合理。4.三种方法的比较:§3.3.4深层抗滑稳定分析以上分析方法人为地将滑动岩体分成①区和②区两块，等于在地基内增加了一个软弱面，这样必然使抗滑稳定安全系数有所降低。当岩体比较完整坚固，或BD面上的抗剪强度足以承担该面上的剪应力时，则应验算该滑移体的整体抗滑稳定性。§3.3.4深层抗滑稳定分析5.整体深层抗滑稳定:•令O点为瞬时滑动中心，受力如图，则所有外荷载对O点的力矩M0为：M0=Fd=Q1r1+Q2r2•滑动面上所能提供的最大抗滑力矩M1与滑动力矩M0之比，得出整体深层抗滑稳定的安全系数K：§3.3.4深层抗滑稳定分析解决问题的关键在