【文章內容簡介】 167。 167。 167。 167。 ★ 重力壩是人類最早使用的一種水壩壩型，重力壩問世 3000年之后才出現(xiàn)其他壩型； ★ 重力壩從 5000年前就開始建造，一直使用至今（ 丹江口、高壩洲、葛洲壩、三峽、向家壩、龍灘等 ）。重力壩仍是當今世界水壩中的主要組成部分； ★ 早期重力壩憑經(jīng)驗建造， 19世紀中期法國工程師塞茲利提出懸臂梁理論是 重力壩設計理論誕生的標志，隨后，德婁克、朗肯、利維等人為重力壩經(jīng)典設計理論形成作出了突出貢獻； ★ 從 16世紀到 19世紀中期，重力壩斷面形狀已發(fā)展到 “ 塊體形 ” ，人們開始注意經(jīng)濟問題，并已認識到壩體的安全要滿足兩個外部 穩(wěn)定 條件（但尚未認識到還要滿足應力條件），即 抗傾穩(wěn)定與 抗滑穩(wěn)定 （提出摩擦公式）； 167。 ★ 19世紀中葉后，隨著應力條件引入壩工設計，促進了壩體穩(wěn)定分析的發(fā)展，朗肯在 19世紀世紀 80年代提出無拉應力準則后， 抗傾問題 實際上已不對壩體斷面設計起控制作用，人們實際關心的是 抗滑穩(wěn)定 問題； ★ 抗滑穩(wěn)定 問題實際上是一個抗剪強度問題（抗剪強度概念 1773年由庫侖與莫爾提出， 1887年克拉夫拉德提出了阻止剪切破壞的力包括剪切破壞面上的 摩擦力 與抗剪力 ）； ★ 20世紀初，凱恩首次提出，重力壩抗滑穩(wěn)定計算應計入 摩擦力 與 抗剪力 ，但當時認為 抗剪力 不可靠，且難以精確確定，僅將 抗剪力 作為安全儲備加以忽略，抗滑穩(wěn)定計算仍應用 摩擦公式 ，這一公式實際提供了大于 2的安全系數(shù)，至今仍被廣泛采用； 167。 ★ 隨著重力壩壩高的不斷增加，對高壩而言， 抗剪力 在 阻滑力 中所占的比重相對減小，應用 摩擦公式 時的安全儲備也相對減小，須用考慮 抗剪力 在內的公式進行計算，最早出現(xiàn)的公式便是 剪摩公式（ 安全儲備不復存在 ）： ? ?K fsrsAUWfP???? ??系數(shù)；額定剪摩抗滑穩(wěn)定安全接觸面上的揚壓力；接觸面上的鉛直力；滑動力）；接觸面上的水平推力（摩擦系數(shù)；最大剪應力之比；滑動面上平均剪應力與滑動面面積；材料的純剪強度；?????????K fsUWPfrAs167。 ★ 上個世紀 50年代，前蘇聯(lián)學者對剪摩公式進行了改進，應用抗剪斷試驗關系曲線的成果 (τ =f′ σ +c′) ， 提出了 抗剪斷公式 （ 安全儲備不復存在 ）： 與剪摩公式相比，抗剪斷公式用抗剪斷摩擦系數(shù)代替了摩擦系數(shù)，用抗剪斷凝聚力代替了純剪強度，克服了剪摩公式的缺點。 抗剪斷公式的關鍵： f′ 、 c′ 、 K ′ 的選取。 167。 ★ 穩(wěn)定計算公式以經(jīng)驗為基礎，從安全系數(shù)的大小無法判斷大壩真實的穩(wěn)定安全度； 不同國家對于抗剪斷強度參數(shù)與安全系數(shù)的取值各不相同，甚至同一國家在不同時期的的取值也不相同。 f′ 取值較固定， c′ 取值變化較大，因此，抗剪斷公式也表達成： ? ???? ???PKAcPKUWfK239。139。39。0這種提法雖更加合理，部分體現(xiàn)了分項系數(shù)的思想，但由于種種原因并未在實踐中得到應用。 167。 探討： 一般認為抗剪斷公式優(yōu)于抗剪強度公式（摩擦公式），但應注意到這樣的事實： —— 不計凝聚力的殘余強度包絡線的傾角 φ r （ f=tan φ r ） 具有較好的穩(wěn)定性； —— 大壩在長期運行后（ 100年以上），凝聚力可能因地基穩(wěn)定性的破壞而喪失； —— 從這個角度看，著眼于 長期穩(wěn)定性，抗剪強度公式（摩擦公式 ）能否認為優(yōu)于 抗剪斷公式 ？ 167。 前蘇聯(lián)的謝爾康諾夫建議： ? ??? ?? KKs24312? ?2121????????KKKK sMPas，建議的安全系數(shù)，值的可信度不同而采用與因考慮、允許抗剪強度；滑動面上的正應力；；巖基間，建議采用純剪強度，對混凝土與???如果計算所得的計算截面各點剪應力 τ 未超過 按上式計算所得的 [τ ]值，則認為不會發(fā)生滑動破壞。因此，這一公式理解為 點抗剪強度 公式。 167。 ★ 剛體極限平衡方法適用于完全由剪切滑動引起的失穩(wěn)問題分析，當滑動失穩(wěn)是由強度不足而被壓碎或拉裂引起時，需引進非線性有限元分析方法考慮變形與滑動的耦合作用； ★ 重力壩的抗滑穩(wěn)定是保證大壩安全的一個重要條件，容易成為大壩安全的控制性因素； ★ 極限平衡法核算抗滑穩(wěn)定時不能給出地基內及滑動面的應力與位移分布，求解時引入諸多假定，對于某些具有特殊地質條件的復雜工程，可能因為忽略了某些控制性因素而得出不符合實際的結果，這種情況下，需要引入非線性有限元分析方法； 167。 ★ 重力壩抗滑穩(wěn)定分析的的歷史與現(xiàn)狀表明： 以經(jīng)驗為基礎 、 計算方法可靠 、 理論研究不透 ；滑動破壞沿人們事先確定的方向進行 ,計算方法依據(jù)剛體極限平衡方法 。進一步努力的方向： 可靠度理論的研究與應用 、 破壞機理的研究 、 斷裂力學理論的研究與應用 。 可靠度理論的研究與應用 :基于隨機變量的統(tǒng)計與分析，用結構的失效概率或可靠度來度量壩體的抗滑穩(wěn)定安全度，使得抗滑穩(wěn)定計算具有明確的綜合安全度的概念。 破壞機理的研究 :應用數(shù)值與模型試驗的方法 ,通過研究大壩與地基的應力與變形發(fā)展過程，研究其破壞失穩(wěn)發(fā)展的全過程，進一步揭示其破壞失穩(wěn)的實質。 斷裂力學理論的研究與應用 :以大壩及地基中存在薄弱面或微裂縫為研究對象研究其擴展、連通以至導致大壩失穩(wěn)的過程。 167。 規(guī)定與討論 新發(fā)布的電力行業(yè)標準 DL51081999《 混凝土重力壩設計規(guī)范》于 2022年 7月起開始實施，它是按國家標準GB5019994《 水利水電工程結構可靠度設計統(tǒng)一標準》規(guī)定的原則進行全面編制修訂的。與原設計規(guī)范相比，用概率極限狀態(tài)設計法代替了定值設計法，用分項系數(shù)極限狀態(tài)表達式代替單一安全系數(shù)表達式。即以結構重要性系數(shù) γ ０ 、 設計狀況系數(shù) φ 、 作用分項系數(shù)γ ｆ 、材料性能分項系數(shù) γ ｍ 和結構系數(shù) γ ｄ 來代替設計的安全系數(shù) Ｋ。 167。 規(guī)定與討論 規(guī)范 DL51081999規(guī)定對承載能力驗算表達式為： ),(1),(10 kmkdkkQkGfRQGS ???????? ?γ G永久作用分項系數(shù)； γ G結構重要性系數(shù) 。 γ Q可變作用分項系數(shù)； φ設計狀況系數(shù) 。 GK永久作用標準值； QK可變作用標準值； α K幾何參數(shù)標準值； fK材料性能標準值； γ m材料性能分項系數(shù)； γ d1基本組合結構系數(shù)。 167。 規(guī)定與討論 ★ S( )為作用效應函數(shù)，此處取 S( )＝ ∑P R為作用于滑動面之上的全部切向（包括滑動面之上的巖體）作用之和； ★ R( )為抗力函數(shù)，此處取 R( )＝ ∑f ’ R∑W R + c’ R AR（ ∑W R滑動面上全部法向作用之和 ,f’ R壩基面抗剪斷摩擦系數(shù)， c’ R壩基面抗剪斷黏聚力）； 167。 規(guī)定與討論 問題 ： ★ 上式只有在靜定和線性條件下才能總結出來，當問題是靜不定和非線性時，上式各項作用無法截然分開； ★ 包括在作用與抗力函數(shù)中的各力均為向量，無法直接比較大小，向某方向投影后方可比較大小，如何確定投影方向？ ★ MohrCloumn強度準則只有在上式是等式時才成立，不等式時，滑動面上法向應力與剪應力的關系是不清楚的，上式推導的前提就不存在了； ★ 上式對抗滑穩(wěn)定性的評價是建立在不等式比較基礎上的，與通常的參數(shù)敏感性研究及優(yōu)化設計相矛盾。 167。 規(guī)定與討論 結論 ： ★ 安全系數(shù)不再是以前抗滑力與阻滑力之比的概念，雖然形式上仍是一樣的表達式，而是考慮了強度參數(shù)的縮減后的安全儲備的概念； ★ Duncan教授指出：失效概率不應是安全系數(shù)的替代品，而應是安全系數(shù)的補充，同時計算失效概率與安全系數(shù)比單獨計算任何一個都好； ★ 重力壩深層抗滑穩(wěn)定是主要控制因素，其滑動通道、計算方法、穩(wěn)定判據(jù)的多元性決定了其復雜性。 167。 重力壩的應力分析 一 、 目的： 為了檢驗大壩在施工期和運用期是否滿足強度要求； 為解決設計和施工中的某些問題 ， 如砼分區(qū) ，某些部位的配筋等提供依據(jù) 。 應力分析的過程： 1） 進行荷載計算及荷載組合 2） 選擇合適的方法進行應力計算 3）檢驗大壩各部位的應力是否滿足強度要求 167。 重力壩的應力分析 二 、 應力分析方法綜述 （ 1） 模型試驗方法 （ 2） 材料力學方法 （ 3） 彈性理論的解析方法 （ 4） 彈性理論的差分方法 （ 5） 彈性理論的有限單元法 167。 重力壩的應力分析 三 、 材料力學方法 基本假定 1） 壩體砼為均質 ， 連續(xù)各向同性的彈性材料 。 2） 取單寬壩體作為固結在地基上的懸臂梁計算 ， 且不受兩側壩體的影響 。 3） 水平斷面上的垂直正應力 ? y是直線分布 。 邊緣應力的計算 1） 水平截面上的正應力 ? yu、 ? yd。 2） 剪應力 σ u和 σ d。 167。 重力壩的應力分析 壩體應力計算圖 P1P2W2W1O( 形 心)B/2 B/2UW3P3H2H1σyτσx167。 重力壩的應力分析 3） 水平正應力 ? xu和 ? xd。 4） 主應力 ? 1u， ? 2u和 ? 1d， ? 2d。 內部應力的計算 —— 不考慮揚壓力的應力計算 1） 壩內水平截面上的正應力 ? y假定和 ? y在水平截面上直線分布； 2） 壩體內剪應力 σ ； 3） 壩內水平正應力 ? x； 4） 壩內主應力 ? 1和 ? 2； —— 考慮揚壓力時的計算方法； 167。 重力壩的應力分析 四 、 強度指標 用材料力學分析壩體應力時 ， 重力壩設計規(guī)范規(guī)定的強度指標 。 壩基面的 ? y應符合下列要求 （ 1） 運用期：在各種荷載組合下 （ 地震荷載除外 ） （ 2） 施工期 壩體應力要求 （ 1） 運用期 （ 2） 施工期 167。 重力壩的應力分析 五 、 有限元法 六 、 各種因素對壩體應力的影響 壩體應力的實際分布情況比較復雜 ， 受很多因素影響 。 1） 地基變形模量對壩體應力的影響 （ 如圖 ） 2） 地基變形彈模對壩體應力的影響 σ 101硬100 220Er—— 基 巖Ec—— 壩 體庫滿1043 5軟壩 踵τ Ec/Er壩 踵σy 壩 趾τ 壩 趾σy 167。 重力壩的應力分析 3） 壩體異彈模對壩體應力的影響 4） 縱縫對壩體應力的影響 5） 分期施工對壩體應力的影響 (見下圖 ) 6）壩踵斷裂對壩體應力的影響 初 期 蓄 水P1 W1U1初期斷面P2二期斷面W2U212 3σ39。y1σ39。y2初期應力σ39。39。y1σ39。39。y3σ39。39。y2二期應力二期應力σy1σy2σy3167。 重力壩的滲流分析 ? —— 砼和巖石均為透水材料，建壩蓄水運行一段時間后，在壩體及壩基內形成穩(wěn)定滲流后，按彈性理論分析壩體應力時，應將滲流壓力按滲流體積力計算。巖石屬于裂隙介質，滲流情況復雜，解析法很難求解，但用有限元法可得到滿意結果。 ? —— 穩(wěn)定滲流場的計算 ? 滲流基本方程和定解條件 ? 用有限元法求解勢頭函數(shù) H ? —— 滲流體積力的計算 167。 一、壩體溫度的變化情況 —— 壩體溫度過程分為三個階段： 上升期 降溫期 穩(wěn)定期 二 、 施工期的溫度應力 —— 壩體澆筑塊的溫度變化引起體積變形 ， 如變形受到地基或內部約束 ， 便產(chǎn)生溫度應力 。 施工期的溫度應力包括兩部分： 地基約束引起的應力 內部溫差引起的應力 167。 三 、 重力壩的溫度裂縫及防治措施 裂縫分類：貫穿性裂縫和表面裂縫兩類；其中 ， 橫向貫穿性裂縫會導致漏水和滲流侵蝕性破壞 ， 縱向貫穿性裂縫會損壞壩的整體性 ， 水平向貫穿性裂縫會降低大壩的抗剪強度；橫向和縱向貫穿性裂縫多發(fā)生在降溫過程因砼收縮受到基巖約束的情況下 。 大壩裂縫控制措施：分縫 、 分塊 、 提高砼質量 ， 對砼進行溫度控制 。 溫度控制的目的 1） 防止因砼溫升過高 、 內外溫差過大及氣溫驟降產(chǎn)生各種溫度裂縫； 2） 做好接縫灌