重力壩抗滑穩(wěn)定及應(yīng)力計算

1、項目名稱：幾內(nèi)亞凱勒塔（ KALETA）水電站工程項目階段：復(fù)核階段計算書名稱：重力壩抗滑穩(wěn)定及應(yīng)力計算審查：校核：計算：黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司Yellow River Engineering Consulting Co. ,Ltd.二一二年四月目錄1. 計算說明 錯. 誤 ! 未定義書簽?zāi)康呐c要求 錯. 誤 ! 未定義書簽基本數(shù)據(jù) 錯. 誤 ! 未定義書簽2. 計算參數(shù)和研究方法 錯. 誤 ! 未定義書簽荷載組合 錯. 誤 ! 未定義書簽計算參數(shù)及控制標(biāo)準(zhǔn) 錯 誤 ! 未定義書簽計算理論和方法 錯. 誤 ! 未定義書簽3. 計算過程 錯. 誤 ! 未定義書簽荷載計算 錯. 誤 ! 未定義書

2、簽自重 錯. 誤 ! 未定義書簽水壓力 錯. 誤 ! 未定義書簽揚壓力 錯. 誤 ! 未定義書簽地震荷載 錯. 誤 ! 未定義書簽安全系數(shù)及應(yīng)力計算 錯 誤 ! 未定義書簽4. 結(jié)果匯總 錯. 誤 ! 未定義書簽1. 計算說明目的與要求下列計算是有關(guān)擋水壩段、 溢流壩段、進水口、 底孔壩段抗滑穩(wěn)定性和基底 應(yīng)力計算?；緮?shù)據(jù)正常蓄水位： 110m；設(shè)計洪水位： 112.94m；校核洪水位： 113.30m；大壩設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為 100 年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為 1000 年一遇； 壩址區(qū)地震動峰值加速度為 0.15g(g=9.81m/s2)，地震動反應(yīng)周期為，相應(yīng) 的地震基本烈度為 7 度，本工程

3、抗震設(shè)計烈度為 7 度。計算選取的擋水壩段壩頂高程 114.00m，壩基底高程 92.00m，壩高 22m， 壩頂寬 5m。上游壩面豎直，下游壩坡在 107.33m 高程以上豎直，在 107.33m高 程以下坡度為 1:。計算選取的溢流壩段堰頂高程 110.00m，壩基底高程 96.00m，壩高 14m， 上游壩面豎直，下游壩坡在 108.59m高程以上為 Creager剖面，在 108.59m 高程 以下坡度為 1:。正常蓄水位時，溢流壩段下游無水；設(shè)計洪水位 112.94m 時，下 游水位 104.80m；校核洪水位 113.30m 時，下游水位 105.42m。進水口壩段頂高程 114.

4、00m，壩基底高程 87.80m，壩高 26.2m，頂寬 13.06m， 上游壩坡為 1:，下游壩坡在 107.33m 高程以上豎直，在 107.33m 高程以下坡度 為 1: 。底孔壩段頂高程 114.00m，壩基底高程 83.50m，壩高 30.5m，頂寬 10.0m， 上游壩面豎直，下游壩坡在 107.33m 高程以上豎直，在 107.33m 高程以下坡度 為 1: 。2. 計算參數(shù)和研究方法荷載組合作用在壩上的主要荷載包括：壩體自重、上下游水壓力、揚壓力、地震力?；窘M合：正常蓄水位情況（上游水位 110.0m） 設(shè)計洪水位情況（上游水位 112.94m）特殊組合：校核洪水位情況（上游

5、水位 113.30m） 地震情況（正常蓄水位 +地震荷載） 計算參數(shù)及控制標(biāo)準(zhǔn)水容重 w：m3混凝土容重 c： 24KN/m3壩址區(qū)巖體主要為堅硬的輝綠巖和砂巖， 大壩的建基面基本上分布在弱風(fēng)化 的輝綠巖和砂巖上。壩基面抗滑穩(wěn)定計算的巖體及混凝土物理力學(xué)參數(shù)按表 1-1 取值，壩基面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)和壩基應(yīng)力應(yīng)滿足表 1-2 規(guī)定的數(shù)值。由于碾壓混凝土壩的碾壓層面的結(jié)合質(zhì)量受材料性質(zhì)、 混凝土配合比、 施工 工藝、施工管理水平以及施工現(xiàn)場氣候條件等許多因素的影響， 容易成為壩體的 薄弱環(huán)節(jié)， 所以需要核算沿壩體混凝土碾壓層面的抗滑穩(wěn)定， 壩體碾壓層面的抗 滑穩(wěn)定計算采用抗剪斷公式，安全系數(shù)值的

6、控制標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)符合表 1-2 的要求。根據(jù) 國內(nèi)經(jīng)驗，碾壓層面的抗剪斷參數(shù)可取： f =， c=。表 1-1 抗滑穩(wěn)定計算巖體及混凝土力學(xué)參數(shù)巖性抗剪斷強度（巖體）抗剪強度（巖體）抗剪斷強度 （砼 / 巖體）fc（MPa）fc（MPa）fc（MPa）輝綠巖0砂巖0表 1-2 抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)和壩基容許應(yīng)力計算工況抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)壩基應(yīng)力（ MPa）抗剪安全系 數(shù)【K】抗剪斷安全 系數(shù)【 K】壩踵壩趾基本正常蓄水位情況0壩基容許應(yīng)力組合設(shè)計洪水情況0壩基容許應(yīng)力特殊組合校核洪水情況0壩基容許應(yīng)力正常蓄水位 +地震0壩基容許應(yīng)力重力壩壩基面壩踵、 壩趾的垂直應(yīng)力在運用期的各種荷載組合下 （地震荷載 除

7、外），壩踵垂直應(yīng)力不應(yīng)出現(xiàn)拉應(yīng)力，壩趾垂直應(yīng)力應(yīng)小于壩基容許壓應(yīng)力。計算理論和方法混凝土重力壩壩體穩(wěn)定采用剛體極限平衡法計算， 分別計算各壩段不同水平 截面（包括壩體混凝土碾壓層面、壩體混凝土 -基巖結(jié)合面）上的外加荷載及應(yīng) 力，并計算出抗剪和抗剪斷穩(wěn)定安全系數(shù)，以及壩基截面的垂直應(yīng)力。為了確保結(jié)構(gòu)即使在排水系統(tǒng)失效時也能安全運行， 本次設(shè)計時揚壓力考慮 全水頭。K f PW （抗剪強度計算公式）f W C AK f WP CA（抗剪斷強度計算公式）式中： K按抗剪斷強度計算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)； f壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪摩擦系數(shù)； f壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪斷摩擦系數(shù)； C壩體混凝土

8、與壩基接觸面的抗剪斷凝聚力， KPa； A壩基接觸面截面積， m2； W作用于壩體上的全部荷載對于計算滑動面的法向分值，KN； P作用于壩體上的全部荷載對于計算滑動面的切向分值， KN； 壩基截面的垂直應(yīng)力按下式計算：W M xAJ式中： y 壩踵、壩趾垂直應(yīng)力， KPa； W作用于壩段上或 1m 壩長上的全部荷載在壩基截面上法向力總和，KN；M作用于壩段上或 1m 壩長上的全部荷載對壩基截面形心軸的力矩總和，；A壩段或 1m 壩長的壩基截面積， m2；x壩基截面上計算點到形心軸的距離， m；J壩段或者 1m 壩長的壩基截面對形心軸的慣性矩， m43. 計算過程荷載計算3.1.1 自重各種工況

9、下，建筑物的自重均相同。擋水壩段：單寬壩段（ 1m 壩長）斷面面積 A1=198.167m2 單寬壩段斷面自重 G1=（向下為正方向） 單寬壩段斷面形心對壩基中點的力臂 L1=-2.93m（向右為正方向） 力矩 MG1=（順時針方向為正）溢流壩段：單寬壩段（ 1m 壩長）斷面面積 A1=123.73m2單寬壩段斷面自重 G1= （向下為正方向） 單寬壩段斷面形心對壩基中點的力臂 L1=-1.486m（向右為正方向） 力矩 MG1= （順時針方向為正）進水口壩段：單寬壩段（ 1m 壩長）斷面面積 A1=586.74m2單寬壩段斷面自重 G1=（向下為正方向）單寬壩段斷面形心對壩基中點的力臂 L1

10、=0.05m（向右為正方向） 力矩 MG1=（順時針方向為正）底孔壩段：單寬壩段（ 1m 壩長）斷面面積 A1=518.01m2單寬壩段斷面自重 G1=（向下為正方向） 單寬壩段斷面形心對壩基中點的力臂 L1=-3.22m（向右為正方向） 力矩 MG1=（順時針方向為正）3.1.2 水壓力水壓力分為水平向靜水壓力、豎向水壓力（溢流壩段泄洪時） 、地震情況下 的動水壓力（此荷載為地震荷載） 。 1、水平向靜水壓力（1）擋水壩段 正常蓄水位情況：上游水深 Hu1=18.0m 上游水壓力 Pu1= 力臂 Lu1=6m 力矩 M Pu1=設(shè)計洪水位情況： 上游水深 Hu2=20.94m 上游水壓力 P

11、u2= 力臂 Lu2=6.98m 力矩 MPu2=校核洪水位情況： 上游水深 Hu3=21.3m 上游水壓力 Pu3= 力臂 Lu3=7.1m 力矩 MPu3=（2）溢流壩段 正常蓄水位情況：上游水深 Hu1=14.0m 上游水壓力 Pu1= 力臂 Lu1=4.67m 力矩 M Pu1=設(shè)計洪水位情況： 上游水深 Hu2=16.94m 上游水壓力 Pu2= 力臂 Lu2=5.65m 力矩 MPu2=下游水深 Hd2=8.8m下游水壓力 Pd2= 力臂 Ld2=2.93m 力矩 M Pd2=校核洪水位情況： 上游水深 Hu3=17.3m 上游水壓力 Pu3=力臂 Lu3=5.77m力矩 MPu3

12、=下游水深 Hd3=9.42m下游水壓力 Pd3=力臂 Ld3=3.14m 力矩 MPd3=（ 3）進水口壩段 正常蓄水位情況：上游水深 Hu1=22.2m 上游水壓力 Pu1= 力臂 Lu1=7.4m 力矩 M Pu1=設(shè)計洪水位情況： 上游水深 Hu2=25.14m 上游水壓力 Pu2= 力臂 Lu2=8.38m 力矩 MPu2=校核洪水位情況： 上游水深 Hu3=25.5m 上游水壓力 Pu3= 力臂 Lu3=8.5m 力矩 MPu3=（4）底孔壩段 正常蓄水位情況：上游水深 Hu1=26.5m 上游水壓力 Pu1= 力臂 Lu1=8.83m 力矩 M Pu1=設(shè)計洪水位情況： 上游水深

13、 Hu2=29.44m 上游水壓力 Pu2= 力臂 Lu2=9.81m 力矩 MPu2=校核洪水位情況： 上游水深 Hu3=29.8m 上游水壓力 Pu3= 力臂 Lu3=9.93m力矩 M Pu3=、豎向水壓力 豎向水壓力是在溢流壩段泄洪時作用在溢流壩面上的水壓力， 水面線按堰上 水深和下游水深的平均初估。設(shè)計洪水位情況：單寬壩段上水體面積 A2=38.23m2 單寬壩段上水重 G2= 力臂 L2=-0.12m力矩 MG2= 校核洪水位情況： 單寬壩段上水體面積 A3=46.81m2 單寬壩段上水重 G3=力臂 L3=-0.11m力矩 MG3= 進水口壩段斜斷面上水重 正常蓄水位情況：上游水

14、深 Hu1=22.2m 上游水壓力 Gw1= 力臂 Lu1=12.69m 力矩 M w1=設(shè)計洪水位情況： 上游水深 Hu2=25.14m 上游水壓力 Gw2= 力臂 Lu2=12.69m 力矩 Mw2=校核洪水位情況： 上游水深 Hu3=25.5m 上游水壓力 Gw3= 力臂 Lu3=12.69m 力矩 Mw3=3.1.3 揚壓力為了確保結(jié)構(gòu)即使在排水系統(tǒng)失效時也能安全運行， 本次設(shè)計時揚壓力考慮 全水頭。壩底面上游處的揚壓力作用水頭為 H（u 上游水深），下游處為 H（d 下游水深），其間以直線連接 （1）擋水壩段 正常蓄水位情況：上游水深 Hu1=18.0m 揚壓力 U1=力臂 Lu1=

15、-2.75m力矩 M U1=設(shè)計洪水位情況： 上游水深 Hu2=20.94m 揚壓力 U2=-1693KN 力臂 Lu2=-2.75m力矩 M U2=校核洪水位情況： 上游水深 Hu3=21.3m 揚壓力 U3=力臂 Lu3=-2.75m力矩 M U3=（2）溢流壩段 正常蓄水位情況：上游水深 Hu1=14.0m 下游水深 Hd1=0m 揚壓力 U1=力臂 Lu1=-2.17m力矩 M U1=設(shè)計洪水位情況： 上游水深 Hu2=16.94m 下游水深 Hd2=8.8m 揚壓力 U2=力臂 Lu2=-0.67m力矩 M U2=校核洪水位情況：上游水深 Hu3=17.3m下游水深 Hd3=9.42

16、m 揚壓力 U3=力臂 Lu3=-0.64m力矩 MU3=（3）進水口壩段正常蓄水位情況：上游水深 Hu1=22.20m揚壓力 U1=力臂 Lu1=-5.01m力矩 M U1=設(shè)計洪水位情況：上游水深 Hu2=25.14m揚壓力 U2=力臂 Lu2=-5.01m力矩 MU2=校核洪水位情況：上游水深 Hu3=25.50m揚壓力 U3=力臂 Lu3=-5.01m力矩 MU3=（4）底孔壩段正常蓄水位情況：上游水深 Hu1=26.5m揚壓力 U1=力臂 Lu1=-4.65m力矩 MU1=設(shè)計洪水位情況：上游水深 Hu2=29.44m揚壓力 U2=力臂 Lu2=-4.65m力矩 MU2=校核洪水位情

17、況：上游水深 Hu3=29.8m揚壓力 U3=力臂 Lu3=-4.65m力矩 MU3=3.1.4 地震荷載 一般情況下，混凝土重力壩在抗震設(shè)計中可以只計入順?biāo)飨虻乃较虻卣?作用。抗震計算考慮的地震作用包括建筑物自重和地震慣性力， 水平向地震作用 的動水壓力，此時，大壩上游水位采用正常蓄水位。1、地震慣性力采用擬靜力法計算重力壩地震作用效應(yīng)時， 沿建筑物高度作用于質(zhì)點 i 的水 平向地震慣性力代表值按下式計算：Fih GEi ai / g式中： h 水平向設(shè)計地震加速度代表值，取 0.15g；GEi集中在質(zhì)點 i 的重力作用標(biāo)準(zhǔn)值；計算系數(shù)，擬靜力法計算地震作用效應(yīng)時一般??；ai質(zhì)點 i 的

18、動態(tài)分布系數(shù)； g重力加速度， g=9.81m/s2； 其中動態(tài)分布系數(shù)按下式計算：ai1 4(hi /H )4n G 41 4 GEi (hj /H)4i 1 GE式中： n壩體計算質(zhì)點總數(shù)；H壩高；hi、 hj分別為質(zhì)點 i、j 的高度；GE產(chǎn)生地震慣性力的建筑物總重力作用的標(biāo)準(zhǔn)值； 根據(jù)以上公式計算：擋水壩段：地震慣性力 Fi= 力臂 L=8.38m 力矩 M Fi=溢流壩段： 地震慣性力 Fi= 力臂 L=5.56m 力矩 M Fi=進水口壩段： 地震慣性力 Fi= 力臂 L=11.01m 力矩 M Fi=底孔壩段： 地震慣性力 Fi=力臂 L=12.24m力矩 MFi=、動水壓力采用

19、擬靜力法計算重力壩地震作用效應(yīng)時， 單位寬度壩面的總地震動水壓力 作用在水面以下處，其代表值 F0 按下式計算：2F0 0.65 h wH0式中： h 水平向設(shè)計地震加速度代表值，取 0.15g；w水體質(zhì)量密度標(biāo)準(zhǔn)值；計算系數(shù)，擬靜力法計算地震作用效應(yīng)時一般取；H0水深；根據(jù)以上公式計算：擋水壩段：動水壓力 F0=力臂 L=8.28m力矩 MF0=溢流壩段：動水壓力 F0=力臂 L=6.44m力矩 MF0=進水口壩段：動水壓力 F0=力臂 L=10.212m力矩 MF0=底孔壩段：動水壓力 F0=力臂 L=12.19m力矩 MF0= 安全系數(shù)及應(yīng)力計算壩址區(qū)巖體主要為堅硬的輝綠巖和砂巖， 大壩

20、的建基面基本上分布在弱風(fēng)化 的輝綠巖和砂巖上。 根據(jù)地質(zhì)報告的描述， 擋水壩段的建基面基本都在弱風(fēng)化的 輝綠巖上，因此，計算采用輝綠巖的參數(shù)。溢流壩段部位的輝綠巖厚度較小，其 建基面大部分位于砂巖上，為安全起見，計算采用砂巖的參數(shù)。（1）擋水壩段 正常蓄水位情況：壩基面法向作用之和 W=壩基面切向作用之和 P= 力矩之和 M=設(shè)計洪水情況： 壩基面法向作用之和 W=3060KN 壩基面切向作用之和 P= 力矩之和 M=校核洪水情況： 壩基面法向作用之和 W= 壩基面切向作用之和 P= 力矩之和 M=地震 +正常蓄水位情況： 壩基面法向作用之和 W= 壩基面切向作用之和 P=力矩之和 M=安全系

21、數(shù)及基底應(yīng)力計算結(jié)果：工況正常蓄水位設(shè)計洪水校核洪水地震荷載W（KN）3060P（KN）M（）計算參數(shù)fc（MPa）f安全系數(shù)KK-基底應(yīng)力max（ KPa）min（ KPa）（2）溢流壩段正常蓄水位情況： 壩基面法向作用之和 W= 壩基面切向作用之和 P= 力矩之和 M=設(shè)計洪水情況： 壩基面法向作用之和 W= 壩基面切向作用之和 P= 力矩之和 M=校核洪水情況： 壩基面法向作用之和 W= 壩基面切向作用之和 P= 力矩之和 M=地震 +正常蓄水位情況： 壩基面法向作用之和 W= 壩基面切向作用之和 P=力矩之和 M=安全系數(shù)及基底應(yīng)力計算結(jié)果：工況正常蓄水位設(shè)計洪水校核洪水地震荷載W（K

22、N）P（KN）M（）計算參數(shù)fc（MPa）f安全系數(shù)KK-基底應(yīng)力max（ KPa）min（ KPa）（3）進水口壩段 正常蓄水位情況：壩基面法向作用之和 W= 壩基面切向作用之和 P= 力矩之和 M=設(shè)計洪水情況： 壩基面法向作用之和 W= 壩基面切向作用之和 P= 力矩之和 M=校核洪水情況： 壩基面法向作用之和 W= 壩基面切向作用之和 P= 力矩之和 M=地震 +正常蓄水位情況：壩基面法向作用之和 W=壩基面切向作用之和 P= 力矩之和 M=安全系數(shù)及基底應(yīng)力計算結(jié)果：工況正常蓄水位設(shè)計洪水校核洪水地震荷載W（KN）P（KN）M（）計算參數(shù)fc（MPa）f安全系數(shù)KK-基底應(yīng)力max（ KPa）min（ KPa）（2）底孔壩段 正常蓄水位情況：壩基面法向作用之和 W= 壩基面切向作用之和 P= 力矩之和