高等坝工学武汉大学.pptx

高等坝工学高等坝工学教学教学内容学时主讲人重力坝8段亚辉土石坝8佘成学拱坝8王均星高边坡4佘成学高速水流4王均星监测技术4何金平高等坝工学教学思想讲述典型高坝设计技术问题,难点与热点问题介绍国内外讲究水平和发展动向讨论存在和需要研究解决的问题,以及发展方向启迪思想,激发研究,促动高坝建设发展第第1章章 复杂岩基上高混凝土重力坝抗滑稳定问题复杂岩基上高混凝土重力坝抗滑稳定问题第第1节节 概述概述 第第2节节 抗剪强度的概念及其参数选择抗剪强度的概念及其参数选择第第3节节 真实抗剪断强度研究真实抗剪断强度研究第第4节节 深层抗滑稳定分析的刚体极限平衡法深层抗滑稳定分析的刚体极限平衡法第第5节节 抗滑稳定分析的弹塑性力学有限元法抗滑稳定分析的弹塑性力学有限元法 第第6节节 复杂坝基处理与提高抗滑稳定性措施复杂坝基处理与提高抗滑稳定性措施 第第7节节 混凝土抗滑硐塞优化设计混凝土抗滑硐塞优化设计第第1节节 概述概述重力坝发展的5个阶段重力坝的失稳破坏模式：抗倾覆和抗滑稳定 沿建基面滑动 浅层滑动 深层滑动 第第2节节 抗剪强度及其参数选择抗剪强度及其参数选择2.1抗剪强度的概念和试验方法抗剪强度的概念和试验方法2.2抗剪强度参数选择抗剪强度参数选择 2.3宏观抗剪强度研究宏观抗剪强度研究第第2节节 抗剪强度及其参数选择抗剪强度及其参数选择 2.1抗剪强度的概念和试验方法抗剪强度的概念和试验方法 抗剪强度，在水利水电工程界通常指材料在外力作用抗剪强度，在水利水电工程界通常指材料在外力作用下抵抗剪切的能力。下抵抗剪切的能力。例如，混凝土与岩体接触面（或者岩体软弱结构面）例如，混凝土与岩体接触面（或者岩体软弱结构面）的抗剪强度，是指在外力作用下，混凝土与岩体接触面的抗剪强度，是指在外力作用下，混凝土与岩体接触面（或者岩体软弱结构面）所具有的抵抗剪切的能力。而岩（或者岩体软弱结构面）所具有的抵抗剪切的能力。而岩体的抗剪强度则是指在外力作用下岩体本身抵抗剪切的能体的抗剪强度则是指在外力作用下岩体本身抵抗剪切的能力。力。抗剪强度的试验方法有室内和室外试验。室内抗剪强抗剪强度的试验方法有室内和室外试验。室内抗剪强度试验又可分为直剪试验、三轴试验等。室外抗剪强度试度试验又可分为直剪试验、三轴试验等。室外抗剪强度试验则一般采用直剪试验。验则一般采用直剪试验。图图2 平推法混凝土平推法混凝土/岩体抗剪强度岩体抗剪强度试验安装示意图试验安装示意图 图图3 斜推法混凝土斜推法混凝土/岩体抗剪强度岩体抗剪强度试验安装示意图试验安装示意图图图4 不同正应力下剪应力与剪切变不同正应力下剪应力与剪切变形关系曲线图形关系曲线图 图图5 剪应力与正应力的关系图剪应力与正应力的关系图 2.2抗剪强度参数选择抗剪强度参数选择 抗剪强度是大坝设计的重要参数，直接关系到大坝建设的经济性，有抗剪强度是大坝设计的重要参数，直接关系到大坝建设的经济性，有时甚至极大地影响工程的可行性。时甚至极大地影响工程的可行性。2.2.1影响抗剪强度的主要因素影响抗剪强度的主要因素 地质因素 剪切面的起伏程度 试验方法 试样尺寸 试验荷载等 图图6 有规则的倾斜齿的剪切面上的有规则的倾斜齿的剪切面上的关系曲线关系曲线 图图7 梯形试块混凝土与基岩不同弹模比情况梯形试块混凝土与基岩不同弹模比情况剪切面应力分布剪切面应力分布 图图8 矩形梯形试块不同法向应力情况矩形梯形试块不同法向应力情况剪切面应力分布剪切面应力分布2.2.2抗剪试验资料的整理抗剪试验资料的整理 首先要检查试验成果，根据试样的破坏机制（脆性破坏、塑性破坏）破坏面情况、混凝土试件的质量和软弱面的性状等因素分析其代表性和合理性根据岩体剪切破坏的机制提出的设计标准有：（1）极限强度标准；（2）比例极限强度标准；（3）屈服极限强度标准；（4）残余强度标准；（5）最大允许位移标准；（6）试块剪胀标准；（7）长期流变标准。混凝土重力坝设计规范 对坝体与岩体之间的抗剪断强度参数f和c值是指峰值的小值平均值，但还指出：“应结合现场实际情况，参照地质条件类似的工程经验，并可考虑工程处理效果，经地质、试验和设计人员共同分析研究，加以调整后确定”。混凝土拱坝设计规范的提法：对f和c值采用峰值强度，对抗剪公式中的摩擦系数则用残余强度 抗剪（断）强度试验值的整理方法当试验数量不多时 先在图中标出经比较选定有代表性的一组试点的测值，用图解法或最小图解法求出抗剪（断）强度参数，然后将同一工程地质单元的各组的指标，用一般的统计方法加以综合统计，从而求出反映该工程地质单元特性的抗剪（断）强度试验值的最佳值；当试验数量较多时 在图中标出同一工程地质单元全部有代表性试点的测值，然后按不同的法向应力适当分组，再用一般的统计方法进行分析，求出各级法向应力作用下的相应的最佳剪应力值，最后用图解法或最小图解法求出该工程地质单元的抗剪（断）强度试验值的最佳值 国外关于抗剪（断）强度试验值的整理方法 日本国 把试验成果整理分析严格建立在岩体质量分级的基础上，并对各类岩体首先确定摩擦系数f，从而求出相应的凝聚力c的上、下限值，然后根据经验确定抗剪（断）强度设计采用值 N.R.Barton、E.Hock和J.Bray 裂隙岩体结构面和岩体抗剪强度计算的经验公式 2.2.3抗剪强度参数选择的方法抗剪强度参数选择的方法（1）工程类比经验判别法（2）系数折减法（3）按加权平均或者变形一致的原则取值 表表1 龙滩水电站河床坝段建基面龙滩水电站河床坝段建基面抗剪断参数加权平均法计算抗剪断参数加权平均法计算 岩性 单项强度系数面积比 综合强度参数fc（MPa）fc（MPa）泥 板 岩1.031.10.31.161.14砂 岩1.321.30.6节理裂隙面0.750.50.05断层或层错带0.750.030.052.3宏观抗剪强度研究宏观抗剪强度研究 宏观抗剪强度：大尺度（混凝土/岩体胶结面）抗剪强度参数与工程试验所用试样大小相同的混凝土/岩体胶结面为小尺度混凝土/岩体胶结面特征单元,相应小尺度特征单元的力学性质称为小尺度力学性质对位于同一地质单元内的混凝土/岩体胶结面和岩体的小尺度力学性质随机场1(r)和2(r 的假设:(1)统计均匀性:即混凝土/岩体胶结面和岩体各部位的小尺度力学性质的概率特性(如均值、方差等)与空间位置无关；(2)各态历经性:即设想当试块数目做得足够多时,试验所得的小尺度力学性质可历经混凝土/岩体胶结面和岩体内任一处小尺度力学性质的所有可能取值。2.31逾渗临界理论逾渗临界理论设有一个由无限多结点(Site)和连接相邻结点的键(Bond)组成的随机网络(图9),其中各结点(或键)相互独立地被质点占据的概率为p,不被占据的概率为1-p。当p由0增加到1时,根据概率论,该随机网络的结点(或键)显然由一个不被质点占据到全部被质点占据。随机网络在p由0变到1的过程中所发生的现象被视为一个逾渗过程(Per-colation Process)。当质点随机占据结点时,该过程称为结点逾渗过程(Site Percolation Process);当质点随机占据键时,该过程则称为键逾渗过程(Bond Percolation Process)。图图9随机网络随机网络 图图10大尺度混凝土大尺度混凝土/岩体结构岩体结构2.3.2坝基面宏观屈服的临界条件坝基面宏观屈服的临界条件 大尺度混凝土大尺度混凝土/岩体结构存在以下三种临界状态岩体结构存在以下三种临界状态:(1)随混凝土而发生整体屈服,亦即完全沿整体屈服(图11).相应的临界条件为式中Kcr为引起整体屈服的混凝土的临界安全系数。(2)随岩体宏观特征单元而发生整体屈服(图12)。相应的临界条件为式中为引起整体屈服的岩体临界点屈服概率。(3)胶结面上下邻近混凝土、岩体宏观特征单元、不发生整体屈服,大尺度混凝土/岩体结构部分沿胶结面、部分沿岩体(如不忽略中材料力学性质差异,还将部分沿混凝土)整体屈服(图13)2.3.3混凝土坝基面宏观抗剪强度研究混凝土坝基面宏观抗剪强度研究图图14小尺度抗剪强度的统计分析小尺度抗剪强度的统计分析 图图15二滩混凝土二滩混凝土/C-1岩体胶结面岩体胶结面 图图16二滩混凝土二滩混凝土/C-2岩体胶结面岩体胶结面结论混凝土坝基面宏观抗剪强度在数值上介于小尺度混凝土/岩体胶结面抗剪强度的小值平均值和算术平均值之间 均匀各向同性，试验应力均匀，小尺度 大尺度 抗剪强度选择讨论节理岩体抗剪强度均匀各向同性，试验应力非均匀 试验 小尺度 大尺度不同抗滑稳定审查方法该用什么抗剪强度第第3节节 真实抗剪断强度研究真实抗剪断强度研究3.1真实抗剪断强度的概念真实抗剪断强度的概念3.2真实抗剪断强度的计算方法真实抗剪断强度的计算方法3.3混凝土混凝土/基岩胶结面真实抗剪断强度研究基岩胶结面真实抗剪断强度研究 3.4碾压混凝土层面真实抗剪断强度研究碾压混凝土层面真实抗剪断强度研究 3.1真实抗剪断强度的概念真实抗剪断强度的概念真实抗剪断强度：一个均匀各向同性小单元固有的实际抗剪断强度(亦即点抗剪断强度)。平均应力抗剪断强度：假设剪切面应力均匀分布整理试验结果获得的各种试验测得的抗剪断强度。3.2真实抗剪断强度的计算方法真实抗剪断强度的计算方法 3.2.1假定假定F,C值的反演分析法值的反演分析法3.2.2同比例放大同比例放大F,C的试算法的试算法 3.2.3采用确定性模型的同比例放大采用确定性模型的同比例放大F,C值值的试算法的试算法3.2.4逐步逼近试算法逐步逼近试算法3.2.5真实抗剪断强度实例对比分析真实抗剪断强度实例对比分析表表2 RCC及其层面的主要物理力学参数及其层面的主要物理力学参数 图图17本构关系示意图本构关系示意图 图图18 3.3混凝土与基岩胶结面的真实抗剪混凝土与基岩胶结面的真实抗剪断强度研究断强度研究 基本物理力学参数基本物理力学参数 本构关系本构关系 不同平均应力抗剪断强度对应的真不同平均应力抗剪断强度对应的真实抗剪断强度实抗剪断强度 3.4碾压混凝土层面真实抗剪断强度碾压混凝土层面真实抗剪断强度研究研究 真实抗剪断强度与平均应力抗剪断强度的真实抗剪断强度与平均应力抗剪断强度的关系研究关系研究 剪切荷载作用高度的影响剪切荷载作用高度的影响 现场试验施加法向荷载大小的影响现场试验施加法向荷载大小的影响 对于计算实例,取-=-075-30MPa,f=107,c=165MPa;若取-=-01-10MPa,则f增大c减小;若取-=-60-80MPa,则f减小c增大。第第4节节 深层抗滑稳定分析的刚体极限平衡法深层抗滑稳定分析的刚体极限平衡法4.1刚体极限平衡法刚体极限平衡法4.2刚塑性极限平衡方法刚塑性极限平衡方法 4.3安全系数标准研究安全系数标准研究 4.1刚体极限平衡法刚体极限平衡法 刚体极限平衡法是先根据坝体结构和地质条件等边界条件假定滑动面，将滑动面以上的部分基岩和坝体视为一个或若干个作整体滑移的刚体；然后分析作用于滑动体上的荷载，如水压力、自重、扬压力等，根据滑移刚体达到临界失稳状态的平衡条件将这些作用力沿滑动面分解成切向和法向分力；最后由滑动力和阻滑力按一定的方法计算抗滑稳定安全系数。单斜面滑动法/双斜面滑动法/多斜面滑动法4.1.1单斜面抗滑稳定计算单斜面抗滑稳定计算4.1.2双斜滑动面的深层抗滑稳定计算双斜滑动面的深层抗滑稳定计算剩余推力法 剩余推力法是假定块体ADB先达到临界状态K1=1，求出作用在BD面上的抗力Q,然后，代人式（25）计算块体BCD的安全系数K2，作为整个坝体的抗滑稳定安全系数。被动抗力法 被动抗力法则是假定抗力体的作用充分发挥，取其K2=1，由式（25）求得被动抗力Q，以AB面为主滑面，由式（24）计算抗滑稳定安全系数K1，作为整个坝体的抗滑稳定安全系数。等安全系数法 等安全系数法就是令块体ABD和块体BCD同时处于极限平衡状态，假定K1=K2，由式（24）和式（25）两个极限平衡方程求解K、Q，即可求出整个滑移体的抗滑稳定安全系数。通常采用试算法或迭代法求解。双斜滑动面的深层抗滑稳定计算双斜滑动面的深层抗滑稳定计算讨论讨论滑动面从坝趾垂线下方开始脱离软弱夹层面？剩余推力法：K1=1，K2是整个坝体的K吗？被动抗力法：K2=1，K1是整个坝体的K吗？两滑动面上的安全系数相等吗？三种方法计算的K显然不相等，用什么标准？4.1.3三斜滑动面的深层抗滑稳定计算三斜滑动面的深层抗滑稳定计算 图图31 模型试验破坏区发展示意图模型试验破坏区发展示意图 图图32 砂基模型定性试验砂基模型定性试验 图图33 双斜面滑动示意图双斜面滑动示意图 图图34 三斜面滑动示意图三斜面滑动示意图 三斜滑动面的深层抗滑稳定计算三斜滑动面的深层抗滑稳定计算 王志良认为，令两个倾角变化而求安全系数的极小值，应该是更接近真实的安全系数。并通过实例计算，说明原有的双斜滑动法过高地估算了安全系数。三斜滑动面的深层抗滑稳定计算三斜滑动面的深层抗滑稳定计算讨论讨论第二、三滑动面的角度，多大合理？剩余推力法、被动抗力法和等安全系数法，又该用哪个？安全系数标准？4.2刚塑性极限平衡方法刚塑性极限平衡方法坝趾后的抗力体部分岩体受到挤压而破碎的塑性区，须由塑性极限分析方法来计算；坝踵以下夹层面以上部位的岩体被拉裂，在坝踵拉裂区与抗力体破坏区之间的岩体则处于弹性的应力状态，这一段的夹层面则完全破坏 安全系数计算平面应变问题就有方程组 刚塑性极限平衡方法讨论刚塑性极限平衡方法讨论抗滑体进入塑性了吗？被动抗力法合理吗？抗力体先进入塑性吗？用什么抗剪强度？安全系数标准？4.3深层抗滑稳定计算刚体极限平衡深层抗滑稳定计算刚体极限平衡法及其安全系数标准研究法及其安全系数标准研究 4.3.1 安全系数的定义和分析安全系数的定义和分析 安全度是反映建筑物的实际工作状态(或设计工作状态)和破坏状态之间的最小“距离”，而安全系数则是表示这个“距离”的某一数值指标。安全度以某一数值来表达时，这个值就称为安全系数K。设计任何建筑物，由于对客观状态不论调查得如何详尽并在主观上考虑得如何周到，总有一些因素不能完全掌握，为了使建筑物在遇到意外情况时能安全运行，就要留有适当的安全裕度。三种不同性质的安全系数 超载系数Kp是坝体上所受的荷载按规定的方式增大 p倍时，坝体就达到破坏状态；强度储备系数KS是坝体(包括地基)的强度减低K倍时，坝体就达到破坏状态；断面安全系数Kc或Kc是在规定的断面上抵抗某种破坏方式的全部潜力与作用在该断面上的同性质的内力值之比。Kc表示考虑了粘结力及摩擦力在内的断面安全系数，Kc则表示只考虑了摩擦力的断面安全。4.3.2 坝体的最低抗滑安全系数坝体的最低抗滑安全系数规范要求：当仅计摩擦力时，Kc=1.01.1左右；计及凝聚力时，Kc=2.53.0。软弱夹层时：要进行专门研究 “如按摩擦公式计算时，其中安全系数根据夹层的性质可较1.01.1的数值适当提高”。同一规范还规定软基上的重力式水工建筑物沿地基中最危险滑动面滑动的安全系数不小于1.0-1.3。安全系数标准研究蒋毓龙等列举了国内外的一些实例和做法，从国内实例看，设计要求的Kc都只在1.0 1.3。建议：仅按摩擦力设计时，Kc值可在1.01.3之间，当计入凝聚力时则应“适当提高”潘家铮认为一座重要大坝的安全度不能无根据地低到1.01.3。必须满足以下四个条件：所采用的荷载值已能包括将来可能遇到的各种不利因素；所采用的破坏面组合、抗剪指标等要分析实际条件，按不利的情况估计，使得实际上已不可能发生比设想中更为恶劣的条件；如果抗滑力由若干部分组成，则在安全度范围内，各部分需能协调作用，共同承担，不至产生“个别击破”，或必须在建筑物发生不容许的变位后才能共同承担等情况；所据以设计的基本条件，在运行中不会由于意外事故而被破坏。潘家铮认为，对于重要的工程，似不宜使Kc小于2。反过来说，如果Kc能达到2.53或以上，则Kc略小于1.01.3亦应认为可行。安全系数标准讨论不同的计算方法是否应该用不同的标准？不同的计算方法是否应该用不同的抗剪强度？同一方法，该用什么抗剪强度和安全系数标准？规范标准究竟适合什么方法？潘家铮建议又适合什么方法？三种不同性质安全系数又分别采用什么标准？不同标准设计的大坝的安全度是否相同？第第5节节 重力坝抗滑稳定分析的弹塑重力坝抗滑稳定分析的弹塑性力学有限元法性力学有限元法5.1抗滑稳定分析弹塑性有限元法的基本原理与计抗滑稳定分析弹塑性有限元法的基本原理与计算方法算方法5.2坝基面抗滑稳定弹塑性有限元方法研究坝基面抗滑稳定弹塑性有限元方法研究5.3深层抗滑稳定弹塑性有限元方法研究深层抗滑稳定弹塑性有限元方法研究5.4碾压混凝土重力坝坝身抗滑稳定弹塑性有限元碾压混凝土重力坝坝身抗滑稳定弹塑性有限元方法研究方法研究5.5用真实抗剪断强度研究重力坝沿坝基面的失稳用真实抗剪断强度研究重力坝沿坝基面的失稳破坏过程破坏过程5.6抗滑稳定分析弹塑性有限元法安全系数标准研抗滑稳定分析弹塑性有限元法安全系数标准研究究5.1抗滑稳定分析弹塑性有限元法的抗滑稳定分析弹塑性有限元法的基本原理与计算方法基本原理与计算方法5.1.1弹塑性有限元法的基本原理弹塑性有限元法的基本原理5.1.2岩土材料的变形特性与本构关系岩土材料的变形特性与本构关系5.1.3岩土材料的屈服准则岩土材料的屈服准则5.1.4重力坝抗滑稳定分析弹塑性力学有限重力坝抗滑稳定分析弹塑性力学有限元法的计算方法元法的计算方法5.1.1弹塑性有限元法的基本原理弹塑性有限元法的基本原理5.1.2岩土材料的变形特性与本构关岩土材料的变形特性与本构关系系非线性软化特性疲劳特性蠕变特性5.1.3岩土材料的屈服准则岩土材料的屈服准则单参数屈服准则 最大拉应力准则 Mises准则 Tresca准则双参数屈服准则 Drucker-Prager准则 Mohr-Coulomb准则三参数屈服准则 Bresler-Pister准则 Willam-Wamke准则四参数和5参数屈服准则最大分离位移屈服准则 质点间的距离r=K0（临界值）*第一个既有物理意义又反映了静水压力影响的准则 岩土工程学报，1992年第1期。5.1.4重力坝抗滑稳定分析弹塑性力重力坝抗滑稳定分析弹塑性力学有限元法的计算方法学有限元法的计算方法强度储备系数法 强度储备系数Kf法是假定荷载不变，通过逐级下降材料强度参数，分析结构变形和破坏发展过程与强度下降倍数的关系，寻求发生临界整体破坏时相应的强度指标下降倍数作为结构整体强度储备安全系数 超载系数法 超载系数Kp法是假定材料强度不变，通过逐级增大坝体上所受的荷载(通常指所规定的那部份荷载)，分析结构变形和破坏发展过程与荷载增大倍数的关系，寻求发生临界整体破坏时相应的荷载指标增大倍数作为结构整体强度储备安全系数超载与强度储备综合系数法5.2坝基面抗滑稳定弹塑性有限元方坝基面抗滑稳定弹塑性有限元方法研究法研究杜俊慧和陆述远等对重力坝沿坝基面失稳破坏过程和机理进行了深入研究，并由此提出了失稳破坏准则，以及与之相应的稳定审查方法和设计安全系数62 重力坝有限元计算简图重力坝有限元计算简图 破坏准则:拉伸:无拉准则；剪切破坏:摩尔一库仑准则。强度储备系数法研究坝基及胶结面的破坏过程。本构关系：理想的脆性破坏型，即比例极限点与峰值点重合，剪应力超过峰值p，降至残余强度r。5.2.2坝基胶结面的破坏规律坝基胶结面的破坏规律(1)首先在胶结面上游出现微裂区，且微裂区的范围随nc的增大而增大，因为基岩越硬上游胶结面拉应力区越大2)随后，胶结面下游出现局部屈服，nc越小局部屈服区出现越早，当强度储备系数kf值在一定范围内递增，这个局部屈服区不扩展，处于稳定阶段；（3)当kf继续增加时，胶结面剪切破坏单元由坝址向坝基中部发展，且坝踵处紧接微裂区后的单元也开始出现剪切屈服，最后，胶结面上下游屈服单元连通形成滑动通道，导致大坝失稳。3个阶段：局部屈服阶段(A点以前)，坝趾处由于应力集中容易屈服；稳定阶段(AB段)，在这个阶段kf增加，屈服区不扩展；屈服扩展阶段，kf增加到一定值，屈服区迅速扩展到C点时，上下游屈服区连通形成滑动通道，导致大坝完全失稳。重力坝均质坝基沿坝基面破坏机理 首先在坝踵处基岩和胶结面出现微裂松驰区然后坝趾处胶结面出现局部区域的剪切屈服，且其扩展最初是缓慢的，随后屈服逐渐加快且向上游延伸。此时，坝趾处浅层基岩也出现剪切屈服且范围逐渐增大，但坝的最终失稳是胶结面下游剪切屈服区向上游扩展形成滑动通道，从而导致大坝整体失稳。强度参数的变化并不改变胶结面的破坏特征，其下游屈服扩展曲线仍具有3个阶段。强度参数越低，胶结面下游屈服扩展越快，强度参数越高，其屈服扩展越慢。强度参数的不同对胶结面上游微裂区的影响不大。5.2.3均质坝基重力坝沿坝基面的失均质坝基重力坝沿坝基面的失稳准则和稳定审查方法稳准则和稳定审查方法 稳定准则 在B点以前大坝是稳定的且基本上处于弹性状态，过B点以后，坝下基岩和胶结面随kf值增加屈服区急剧扩展的不稳定状态，所以B点可以作为稳定的临界点，并以它作为衡量稳定的标准，即作为稳定准则。可以称为临界失稳准则。按这个准则设计的坝，将处在这样一种工作状态：坝踵处基岩和胶结面有局部微裂区，但没有超过防渗帷幕，坝下基岩基本上处于弹性状态，胶结面下游有局部范围的屈服，但范围很小。稳定审查方法 根据上面提出的稳定准则所求得的强度储备系数kf的物理意义是：如果将胶结面抗剪强度参数除以kf，则坝基将处于稳定临界状态。若同样将坝基胶结面材料强度参数除以kf，但使用抗剪断公式进行计算时，所得的安全系数为【k】。说明使用抗剪断公式求得的安全系数为【k】对坝基也处于稳定临界状态。因此，可取【k】作为抗剪断公式计算时所要求的最小安全系数即设计安全系数。设计安全系数 设计安全系数表2中最后一栏所列出的设计安全系数是相应于稳定临界点B时采用抗剪断公式所需最小的设计安全系数。按此安全系数设计的大坝其坝基系统正好处于稳定临界状态。考虑到各种不利因素的影响，坝基系统应有一定的安全储备，因此将表2中的【k】乘以1.30，并将所求的安全系数绘成曲线如图4。从曲线可知，基础越硬所需要的设计安全系数越小。我国混凝土重力坝设计规范规定k值不分级别基本荷载取3.0，由此可知其值是比较保守的，而且没有考虑弹模比变化的影响。因此建议用抗剪断公式对岩基重力坝进行稳定审查时，其设计安全系数k按图4中曲线选取，不同的坝基条件选取不同的值。5.3深层抗滑稳定弹塑性有限元方法研究深层抗滑稳定弹塑性有限元方法研究赖国伟等借助有限元分析，探讨具有缓倾角软弱结构面坝基的失稳机理，在此基础上寻求坝基较合理的稳定准则及审查方法；最后，研究常用的刚体极限平衡法设计安全系数的合理取值问题63 表表1 软弱结构面倾向上游的计算方案及其计算结果软弱结构面倾向上游的计算方案及其计算结果 表表2 软弱结构面倾向下游的计算方案及其计算结果软弱结构面倾向下游的计算方案及其计算结果 重力坝深层抗滑稳定有限元法计算剖面重力坝深层抗滑稳定有限元法计算剖面 坝基屈服区分布坝基屈服区分布 软弱结构面屈服区扩展曲线软弱结构面屈服区扩展曲线 抗力体屈服区扩展曲线抗力体屈服区扩展曲线 5.3.2坝基失稳破坏过程坝基失稳破坏过程 软弱结构面倾向上游的情况软弱结构面倾向上游的情况(1)稳定扩展阶段(A点以前)在这阶段，屈服区以变化不大的速率稳定扩展；(2)不稳定扩展阶段(AB段)到A状态，如果材料强度稍有减小，屈服区就要延伸许多；(3)强化扩展阶段(B点以后)这阶段的扩展速率又稍为减小，当屈服区扩展到C点时，下游屈服区和上游屈服区连通，形成滑动面，导致坝基完全失稳。软弱结构面倾向下游的情况软弱结构面倾向下游的情况(1)稳定扩展阶段(A点以前)在这阶段，屈服区的扩展速率基本不变。(2)不稳定扩展阶段(A点以后)到这阶段，屈服区的扩展速率越来越大，而不再保持不变。5.3.3稳定准则稳定准则_“稳定临界状态稳定临界状态”应该以坝基屈服区扩展速率突然加快的点A（图3、图4)作为坝基的稳定准则。因为，在点A之前，坝基屈服区的扩展一直是稳定的，而当越过A点之后，屈服区的扩展速率突然加快，如果实际的强度参数较之设计选用的强度参数稍低一些(这在实际上是很可能出现的)，屈服区既会突然扩展，甚至影响坝基安全；在A点，屈服区以及坝踵处的水平位移也已发展到一定的程度。从表1，表2可看出，相应于点A，对于软弱结构面倾向上游的坝基，坝底正下方的软弱结构面已有13.3%-27%屈服；对于软弱结构面倾向下游的坝基，抗力体屈服区最大深度已达坝趾正下方抗力厚度的13.3%-17.5%。又，根据对若干个大坝坝基面的原型观测，坝踵处的水平位移为519mm，这和相应于A点的坝踵水平位移(见表l、表2)比较接近，可以认为，取A点作为坝基的稳定准则，就大坝位移来说，也就是就第二极限状态来说是允许的。5.3.4刚体极限平衡法的设计安全系数刚体极限平衡法的设计安全系数结构面倾向上游的情况(表1)K=1431.5 结构面倾向下游的情况(表2)被动抗力法 K=1431.5 等K法 K=1311.3 结 语 对于具有缓倾角软弱结构面的坝基，采用现行的刚体极限平衡法进行抗滑稳定分析时，在材料强度参数有保证(即按规定的保证率选用强度参数)的情况下，所要求的设计安全系数基本上可按塑性材料抗滑稳定的安全系数(1315)采用，而不需要采用坝身或坝基面抗滑稳定分析时所采用的安全系数2530。5.4碾压混凝土重力坝坝身抗滑稳定碾压混凝土重力坝坝身抗滑稳定弹塑性有限元方法研究弹塑性有限元方法研究碾压混凝土坝(Roller Compacted Concrete Dam,简称RCCD)具有经济、快速等特点，近年来迅猛发展，大坝越建越高。但RCCD层面的抗剪强度较低，在很大程度上限制了其向更大高度的发展。RCCD坝身的抗滑稳定分析，目前也是采用刚体极限平衡法。图图1 坝体剖面和材料分区坝体剖面和材料分区 图图2 本构关系本构关系 5.4.1碾压混凝土层面上的应力和点安全系数分布碾压混凝土层面上的应力和点安全系数分布图图3 层面上的应力和点安全系数层面上的应力和点安全系数 图图4 Knin/Kc与层面高度与层面高度H的关系曲线的关系曲线图图5 失稳破坏过程失稳破坏过程 图图6 坝基面坝基面Kf-L/L0关系曲线关系曲线 5.4.2碾压混凝土重力坝的失稳破坏机理碾压混凝土重力坝的失稳破坏机理 沿坝基面的失稳破坏过程和机理沿坝基面的失稳破坏过程和机理（1）局部屈服阶段 由于基岩的约束作用，在库前水压力作用下，坝踵往往出现一定的拉裂区(图5-a)。当Kf大于Kmin(坝趾处)时，在坝趾处将出现局部剪切破坏区，其剩余剪力将向临近单元转移；Kf继续增大，剪切破坏区就会向临近单元扩展(图5-b)。此时，坝踵拉裂区并不变化。可称此(图6中AB段)为局部屈服或屈服初始扩展阶段。（2）屈服区稳定扩展阶段 Kf不断增大，坝基面下游段剪切破坏区继续扩展。当达到坝基面的斜坡段(图5-c中bc段)时，由于斜坡段bc与水平段cd不是在同一平面上，水平段cd剪切破坏的剩余剪力有部转移给混凝土本体(cd延长线与bc线之间的部分)，加之bc段较cd段点安全系数要大，所以剪切屈服区向上游的扩展在斜坡段受到了阻碍，Kf在一定幅度内增大时，剪切屈服区并不继续向上游扩展(图6中的BC段)。可称为坝基面剪切屈服区的稳定扩展阶段。（3）失稳扩展阶段 Kf继续增大，超过坝基面斜坡段图5中c点附近区域的点安全系数时，剪切屈服区就沿着斜坡cb继续向上游扩展。剪切屈服区扩展达到坝基面斜坡段b点后，即在瞬间扩展达到整个坝基面(图6中D点及以后)，可称为失稳扩展阶段。沿碾压混凝土层面的失稳破坏和机理沿碾压混凝土层面的失稳破坏和机理 坝体沿碾压混凝土层面的失稳破坏与坝基面有较明显的差别。一方面，在坝体上游面无拉裂区(图5)；另一方面，由于坝体碾压混凝土层面上的点安全系数分布比坝基面均匀，Kmin/Kc要大，且残余强度与峰值强度之比要小得多(表1)，从而只要一出现局部剪切屈服区即迅速扩展达到整个层面(220.0m层面，图5-c,Kf=1.9时未出现屈服区；图5-d,Kf=1.95时整个层面剪切屈服)，导致坝体在瞬间沿层面失稳破坏，没有局部屈服和稳定扩展两个阶段，具有“脆性破坏的现象。坝体沿层面滑动的强度储备安全系数【Kf】，由下游坝面的点安全系数Kmin决定(220.0m层面Kmin=1.948，图5-d Kf=1.95时该层面即全部剪切屈服)，即【Kf】=Kmin。因此，提高坝体沿层面抗滑稳定安全度时，注重提高下游坝面附近层面的抗剪强度是十分重要的。结 论碾压混凝土重力坝沿坝基面的失稳破坏是坝趾剪切屈服区向上游逐渐发展的结果。沿碾压混凝土层面的失稳，在残余强度较小时具有“脆性”破坏现象，采取适当的层面处理措施，提高下游坝面附近层面的抗剪强度，对提高沿层面的强度储备安全系数【Kf】是有效的。坝基面中部有向上游的斜面可以延缓屈服区向上游扩展。层面上的应力和点安全系数分布是极不均匀的，且沿高程变化；点安全系数分布不同，即使各层面Kc相等，其【Kf】也是不等的，从而Kc沿高程变化应采用不同的标准，才能确保各层面有相等的【Kf】。坝基面和坝体下部层面Kmin/Kc较小，且承受水压大，从而注重提高其抗滑稳定性是十分重要的。【K】=3.0-6.58Y/H+9.13(Y/H)2【Kf】=1.3-0.18Y/H+0.9(Y/H)25.5用真实抗剪断强度研究重力坝沿用真实抗剪断强度研究重力坝沿坝基面的失稳破坏过程坝基面的失稳破坏过程 在采用弹塑性有限元法进行失稳破坏的机理与过程、准则等进行研究时,至今都是采用平均应力抗剪断强度,而不是考虑了应力分布的真实抗剪断强度46,而且没有规范标准可遁,存在分析方法与使用参数、规范标准三者不配套的问题.本文在过去的研究基础上,采用真实抗剪断强度对重力坝沿坝基面的失稳破坏机理与过程进行研究.弹塑性有限元法计算分析,以龙滩RCC(RollerCompacted Concrete)重力坝(II期)最高非溢流坝段(图1)为对象,采用逐渐降低抗剪强度的强度储备法.屈服准则,在受压剪状态为Mohr-Coulomb准则,受拉状态为-Rt=0.本构关系为理想弱化型1(图2).主要物理力学参数列于表1 RCC重力坝剖面及材料分区重力坝剖面及材料分区 (单位单位:m)主要物理力学参数主要物理力学参数 坝基面和坝基面和RCC层面的真实抗剪断强度层面的真实抗剪断强度 重力坝沿坝基面的失稳破坏机理与过程 2.1局部屈服阶段坝体在正常荷载作用下,Kf Kmin坝趾附近出现剪切屈服区后,由于真实抗剪断强度(F,C)比抗剪强度(f,c)要大得多,所以屈服区内剩余剪力较大,故坝趾附近一旦出现剪切屈服区,屈服区即以较快的速度向上游扩展.对于采用真实抗剪断强度研究的情况,其扩展速率要快得多,而且此阶段一般要经历两个过程:最初坝趾屈服区扩展较快,尔后则较慢.例如上述计算情况,坝基面坝趾点安全系数Kf=1.676,当Kf=1.7时坝趾附近出现大范围(44.445 m,图4中AB段)的剪切屈服区(图3b),屈服区扩展速率很快;当Kf=1.72.4时,剪切屈服区继续扩展,但速率要慢些(图4中BC段).此阶段坝踵拉剪屈服区的扩展一般很慢.2.3屈服区失稳扩展阶段当Kf进一步增大时,坝趾剪切屈服区不断向上游扩展.当屈服区范围达到坝基面的50%70%(对于计算情况Kf2.4,图4中C点)时,下游剪切屈服区扩展速率加快.当Kf进一步增大时,上下游屈服区在坝基面的中上游部位连通,导致大坝沿坝基面失稳破坏.3坝体高度变化情况坝基面的失稳破坏规律 对于坝体剖面形式和抗剪强度均不变的情况,坝体高度越小,凝聚力C在点安全系数计算中所占比重越大,坝基面各点的安全系数越大,越不易发生剪切屈服,同时坝踵也不易发生拉裂或拉剪屈服,抗滑稳定安全度也就越高,但坝趾一旦发生剪切屈服,即迅速扩展瞬间达到坝踵(如坝高为50m的情况);反之,坝体越高,坝基面的抗滑稳定安全度也越小,但坝趾剪切屈服区的扩展速率也要慢些(如坝高为150 m和200 m的情况).不同坝高情况坝基面屈服区扩展不同坝高情况坝基面屈服区扩展KfL/L0曲线曲线 弹模比变化情况坝基面的失稳破坏规律:弹模比不同时,坝基面各部位应力大小和分布是不同的,加之坝基面的真实抗剪断强度也不同,所以点安全系数分布显著变化.弹模比越大,坝趾部位应力集中越严重,点安全系数越小;反之,坝趾点安全系数则越大,但同时坝踵的拉应力也越大.弹模比变化对坝基面失稳破坏有显著的影响.弹模比大时,坝趾剪切屈服发生早,失稳破坏过程明显经历上述三个阶段;弹模比小时,坝趾剪切屈服发生晚,但一旦坝趾发生剪切屈服,即迅速扩展达到坝踵.由于坝基面的失稳破坏的主要形式是坝趾剪切屈服区向上游扩展的结果,因此,弹模比越大,坝趾部位越易发生剪切屈服,坝基面抗滑稳定安全度越小(表5).所以,在对坝体沿坝基面的抗滑稳定审查时,必须考虑弹模比的影响.不同弹模比情况坝基面真实抗剪断强度不同弹模比情况坝基面真实抗剪断强度 不同弹模比情况坝基面屈服区扩展不同弹模比情况坝基面屈服区扩展Kf-L曲线曲线 坝基面抗剪强度变化时的失稳破坏规律 仅改变坝基面的抗剪强度(包括真实抗剪强度),其余条件均不改变时,坝基面的应力分布规律不变,坝基面的失稳破坏机理、方式与过程基本相同.真实抗剪断强度越大,坝基面各点的安全系数也越大,越不易发生剪切屈服,抗滑稳定安全度也越大。坝基面不同平均应力抗剪强度对应的真实抗剪断强度 抗剪断强度变化情况坝基面屈服区扩展曲线抗剪断强度变化情况坝基面屈服区扩展曲线 结 论 采用真实抗剪断强度进行屈服判断,分析研究重力坝沿坝基面的失稳破坏,与采用平均应力抗剪断强度进行研究的情况相比,失稳破坏的机理、过程和方式的规律是相同的.失稳破坏一般也经历局部屈服、屈服区稳定扩展、屈服区失稳扩展三个阶段.但按真实抗剪断强度计算坝基面的点安全系数更大些,坝趾剪切屈服区发生较迟些而坝趾发生剪切屈服后其屈服区扩展速率要快些.计算分析结果还表明,坝体高度、坝体混凝土和基础岩体的弹性模量变化对坝基面的失稳破坏过程和强度储备安全系数有显著影响.因此,在进行坝基面抗滑稳定审查和确定抗滑稳定安全标准时,应该考虑它们的影响.最后必须指出的是,本文的研究在计算方法和参数方面取得了一致,但尚无规范标准可遁,需今后进一步研究.另外,本文是按平面问题进行研究的,要研究准确的数值关系,宜采用三维有限元法。5.6抗滑稳定分析弹塑性有限元法安全系数标准研究抗滑稳定分析弹塑性有限元法安全系数标准研究（1）坝基面 Kf=1.3 (杜)【K】=2.22.8（2）深层 Kf=1.0 (赖)【K】=1.31.5结构面倾向上游的情况(表1)K=1431.5 结构面倾向下游的情况(表2)被动抗力法 K=1431.5 等K法 K=1311.3（3）碾压混凝土坝 Kf=1.32.0 (段)K】=2.25.0 【K】=3.0-6.58Y/H+9.13(Y/H)2 【Kf】=1.3-0.18Y/H+0.9(Y/H)2其中：坝基面Kf=1.3，【K】=3.0（4）碾压混凝土坝稳定临界准则公式及设计安全系数设计安全系数设计安全系数Ke讨 论用什么准则：塑性材料；脆性材料有限元法的标准 基础；坝基面；坝体与刚体极限平衡法是否要统一，如何统一 基础；坝基面；坝体第第6节节 提高重力坝抗滑稳定性的措施提高重力坝抗滑稳定性的措施6.1 提高重力坝抗滑稳定性的措施和方法提高重力坝抗滑稳定性的措施和方法6.2典型工程设计示例典型工程设计示例 6.2.1安康水电站安康水电站 6.2.2葛州坝水电站二江泄水闸葛州坝水电站二江泄水闸 6.2.3江垭水利枢纽重力坝江垭水利枢纽重力坝6.3提高碾压混凝土坝体层面抗滑稳定措施提高碾压混凝土坝体层面抗滑稳定措施6.4断层破碎带的处理断层破碎带的处理6.1 提高重力坝抗滑稳定性的措施和方法提高重力坝抗滑稳定性的措施和方法(1)改变坝轴线、结构型式或布置 另选坝址或移动坝轴线，以避开最不利的条件，或改用土石坝、拱坝等结构(2)加深开挖 软弱带离开建基面不远，可考虑加深开挖，如