重力坝抗滑稳定及应力计算

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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YellowRiverEngineeringConsultingCo.,Ltd.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43.1.1 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1711.1 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

2、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，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

3、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2.2 计算参数及控制标准水容重丫W3混凝土容重丫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

4、-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男断强度岩体抗男强度岩体抗男断强度碎/岩体f,cMPafcMPaf，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

5、定安全系数坝基应力MPa抗男安全系数【K】抗男断安全系数【K】坝踵坝趾基本组合正常蓄水位情况0坝基容许应力设计洪水情况0坝基容许应力特殊组合校核洪水情况0坝基容许应力正常蓄水位+地震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。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

6、扬压力考虑全水头。KfW抗剪强度计算公式PKfWCA抗剪断强度计算公式P式中：K一按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数；f一坝体混凝土与坝基接触面的抗剪摩擦系数；f一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一坝基接触面截面积，m2;2W一作用于坝体上的全部荷载对于计算滑动面的法向分值，KN;2P一作用于坝体上的全部荷载对于计算滑动面的切向分值，KN;W M xA JKPa ;坝长上的全部荷载在坝基截面上法向力总和,坝基截面的垂直应力按下式计算：y式中：cry一坝踵、坝趾垂直应力，2W一作用于坝段上或1mKN;2M一作用于坝段上或1m坝长上的全部荷

7、载对坝基截面形心轴的力矩总和，KN.m;A一坝段或1m坝长的坝基截面积，m2;x一坝基截面上计算点到形心轴的距离，m;J一坝段或者1m坝长的坝基截面对形心轴的惯性矩，m4o3.1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Ai=2单宽坝段断面自重Gi向下为正方向单宽坝段断面形心对坝基中点的力臂Li=-向右为正方向力矩MGi=KN.m顺时针方向为正溢流坝段：单宽坝段1m坝长断面面积Ai=m2单宽坝段断面自重Gi=KN向下为正方向单宽坝段断面形心对坝基中点的力臂Li=-m向右为正方向力矩Mgi=KN.m顺时针方向为正进水口坝段：单宽坝段im坝长断面面积A仁m2单宽

8、坝段断面自重Gi=KN向下为正方向单宽坝段断面形心对坝基中点的力臂Li=m向右为正方向力矩MGi=KN.m顺时针方向为正底孔坝段：单宽坝段im坝长断面面积Ai=m2单宽坝段断面自重Gi=KN向下为正方向单宽坝段断面形心对坝基中点的力臂Li=-m向右为正方向力矩MGi=-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。i、水平向静水压力们挡水坝段4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=

9、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=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Hd3二下游水压力Pd3力臂Ld3=力矩MPd33进水口坝段正常蓄水位情况：上游水深Hui=m上游水压力Pui=KN力臂Lu1=m力矩MPui=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

10、=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：上游水深Hui=m上游水压力Pui=KN力臂Lui=m力矩Mpui=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、竖向水压力水面线按堰上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=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

11、断面上水重正常蓄水位情况：上游水深Hui=m上游水压力Gwi=KN力臂Lui=m力矩Mwi=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Hui=扬压力Ui力臂Lui=力矩Mui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Hu

12、3=扬压力U38力臂Lu3二力矩MU32溢流坝段正常蓄水位情况：上游水深Hui二下游水深Hdi=0m扬压力Ui力臂Lui=m力矩Mui=设计洪水位情况：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Hui=m扬压力Ui=-KN力臂Lui=-m力矩Mui=设计洪水位情况：上游水深Hu2=m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=4底孔坝段正常蓄水位情况：上游水深Hui=m扬压力

13、Ui=-KN力臂Lui=-m力矩Mui=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i的水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平向地震惯性力代表值按下式计算:FihGEiag式中：hh水平向设计地震加速度代表值，取；0.25;GEi一集中在质点i的重力作用

14、标准值；己一计算系数，拟静力法计算地震作用效应时一般取ai质点i的动态分布系数；g一重力加速度，g=/s2；其中动态分布系数按下式计算：1414(hi/H)4nGc4i44%/引4i1GE式中：n坝体计算质点总数；H一坝局；hi、hj分别为质点i、j的高度；Ge一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二底孔坝段：地震惯性力Fi=KN力臂L=m力矩MFi二2、动水压力0处，其代表值F0按下式计算：2Fo0.65hwHo式中：hh水平向设计地

15、震加速度代表值，取；pw水体质量密度标准值；己一计算系数，拟静力法计算地震作用效应时一般取0.25;Ho一水深；根据以上公式计算：挡水坝段：动水压力Fo力臂L=力矩Mfo溢流坝段：动水压力Fo力臂L=力矩Mfo进水口坝段：动水压力Fo=KN力臂L=m力矩Mfo=底孔坝段：动水压力Fo=KN力臂L=m力矩Mfo=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

16、挡水坝段正常蓄水位情况：坝基面法向作用之和三W=坝基面切向作用之和三P=力矩之和三M=设计洪水情况：坝基面法向作用之和汇W=3060KN坝基面切向作用之和三P=力矩之和三M=校核洪水情况：坝基面法向作用之和三W=坝基面切向作用之和三P=力矩之和三M=地震+正常蓄水位情况：坝基面法向作用之和三W=坝基面切向作用之和三P=力矩之和三M二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福裁EWKN3060EPKNEMKN.m计算参数f，cMPaf安全系数K，K-基底应力(TmaxKPa(TminKPa2溢流坝段正常蓄水位情况：坝基面法向作用之和三W=坝基面切向作用之和三P=力矩之和三M

17、=设计洪水情况：坝基面法向作用之和三W=坝基面切向作用之和三P=力矩之和三M=校核洪水情况：坝基面法向作用之和三W=坝基面切向作用之和三P=力矩之和三M=地震+正常蓄水位情况：坝基面法向作用之和三W=坝基面切向作用之和三P=力矩之和三M二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福裁EWKNEPKNEMKN.m计算参数f，cMPaf安全系数K，K-基底应力CTmaxKPa(TminKPa3进水口坝段正常蓄水位情况：坝基面法向作用之和三W=KN坝基面切向作用之和三P=KN力矩之和三M=设计洪水情况：坝基面法向作用之和三W=KN坝基面切向作用之和三P=KN力矩之和三M=校核洪水

18、情况：坝基面法向作用之和三W=KN坝基面切向作用之和三P=KN力矩之和三M=地震+正常蓄水位情况：坝基面法向作用之和三W=KN坝基面切向作用之和三P=KN力矩之和三M二工况正常蓄水位设计洪水校核洪水地震福裁EWKN|EPKN二M卜(N.m计算参数fcMPaf|安全系数K，K-基底应力mmaxKPamminKPa2底孔坝段正常蓄水位情况：坝基面法向作用之和口W=KN坝基面切向作用之和口P=KN力矩之和1M=设计洪水情况：坝基面法向作用之和口W=KN坝基面切向作用之和口P=KN力矩之和1M=校核洪水情况：坝基面法向作用之和口W=KN坝基面切向作用之和口P=KN力矩之和1M=地震+正常蓄水位情况：坝

19、基面法向作用之和口W=KN坝基面切向作用之和口P=KN力矩之和1M=安全系数及基底应力计算结果：工况.常蓄水位设计洪水校核洪水地震荷载EWKNEPKN二M1KN.mf计算参数MPa安全系数|HK-基底应力1mmax:KPamminKPa4.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，况抗滑稳定安全系数坝基应力Mpa抗剪安全系数K抗男断安全系数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，况抗滑稳定安全系数坝基应力Mpa抗剪安全系数K抗男断安全系数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+地辰-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计算，况抗滑稳定安全系数坝基应力Mpa抗剪安全系数K1抗男断安全系数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。19