重力壩抗滑穩(wěn)定及應(yīng)力計算.DOC

1、項目名稱：幾內(nèi)亞凱勒塔（KALETA ）水電站工程項目階段：復核階段計算書名稱：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 Engin eeri ng Con suit ing Co. ,Ltd.二O二年四月1. 計算說明1.1目的與要求1.2基本數(shù)據(jù)2. 計算參數(shù)和研究方法2.1荷載組合2.2計算參數(shù)及控制標準2.3計算理論和方法3. 計算過程3.1荷載計算13.1.1自重3.1.2水壓力3.1.3揚壓力3.1.4地震荷載1013173.2安全系數(shù)及應(yīng)力計算4. 結(jié)果匯總1. 計算說明1.1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

2、孔壩段抗滑穩(wěn)定性和基底 應(yīng)力計算。1.2基本數(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)計洪水標準為100年一遇，校核洪水標準為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0.25s， 相應(yīng)的地震基本烈度為7度，本工程抗震設(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1:0.75。計算選取的溢流壩段堰頂高程 110.00m，壩基底高程96.00m，壩高14

3、m，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1:0.85。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 114.00m，壩基底高程 87.80m，壩高26.2m，頂寬13.06m，上游壩坡為1:0.25，下游壩坡在107.33m高程以上豎直，在107.33m 高程以下坡度為1:0.75。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1

4、07.33m高程以下坡度 為 1:0.75 。2. 計算參數(shù)和研究方法2.1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。基本組合：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（上游水位113.30m)地震情況（正常蓄水位+地震荷載）2.2計算參數(shù)及控制標準水容重 丫 w: 9.81KN/m 3混凝土容重丫 c: 24KN/m 3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

5、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)值的控制標準應(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?。篺 =1.0，c =1.0MPa。表1-1抗滑穩(wěn)定計算巖體及混凝土力學參數(shù)巖性抗剪斷強度（巖體）抗剪強度（巖體）抗剪斷強度（砼/巖體）f,c (MP a)fc (MPa)f c( MP a)輝綠巖1.21.50.7501.01.0砂巖1.01.10.6500.90

6、.8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1.053.00壩基容許應(yīng)力組合設(shè)計洪水情況1.053.00壩基容許應(yīng)力校核洪水情況1.002.50壩基容許應(yīng)力正常蓄水位+地震1.002.30壩基容許應(yīng)力特殊組合重力壩壩基面壩踵、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。2.3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

7、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。fW-寸（抗剪強度計算公式）f 亍 W + C AK、CA （抗剪斷強度計算公式）式中：K一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一壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪斷摩擦系數(shù);C 壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪斷凝聚力，KPa ;A壩基接觸面截面積，m2;2W作用于壩體上的全部荷載對于計算滑動面的法向分值,KN ;2P作用于壩體上的全部荷載對于計算滑動面的切向分值, 壩基截面的垂直應(yīng)力按下式計算：KN ;byHW 丄

8、 UM x =十A J式中：（T y壩踵、壩趾垂直應(yīng)力,KPa ;2W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 ;2M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，KN.m ;A壩段或1m壩長的壩基截面積，m2;3x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,m4。下游水深Hd2=8.8m53. 計算過程3.1荷載計算3.1.1自重各種工況下，建筑物的自重均相同。擋水壩段：2 單寬壩段（1m壩長）斷面面積A1=198.167m單寬壩段斷面自重G1=4756.0KN （向下為正方向）單寬壩段斷面形心對壩基中點的力臂 L

9、1=-2.93m （向右為正方向）力矩MG1=-13945.54KN.m （順時針方向為正） 溢流壩段:2 單寬壩段（1m壩長）斷面面積A1=123.73m單寬壩段斷面自重 G1= 2969.53KN （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= -4413.025KN.m （順時針方向為正） 進水口壩段:單寬壩段（1m壩長）斷面面積A1=586.74m 2單寬壩段斷面自重 G1=14081.76KN （向下為正方向）單寬壩段斷面形心對壩基中點的力臂 L1=0.05m （向右為正方向）力矩MG1=704.09KN.m （順時針方向為正）

10、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=12432.24KN （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=-40031.81KN.m （順時針方向為正）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Hui=18.0m上游水壓力Pui=1587.6KN力臂Lui=6m力矩 Mpui=9525.6KN.m設(shè)計洪水位情況:上游水深Hu2=20.94m上游水壓力Pu2=2148.57KN力臂 Lu

11、2=6.98m力矩 Mpu2=14997.0KN.m校核洪水位情況:上游水深Hu3=21.3m上游水壓力Pu3=2223.08KN力臂 Lu3=7.1m力矩 Mpu3=15783.87KN.m(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=960.4KN力臂 Lu1=4.67m力矩 Mpu1=4481.87KN.m設(shè)計洪水位情況:上游水深Hu2=16.94m上游水壓力Pu2=1406.12KN力臂 Lu2=5.65m力矩 Mpu2=7939.9KN.m下游水壓力Pd2=-379.456KN力臂 Ld2=2.93m力矩 Mpd2=-1113.07KN.m校核洪水位情況

12、:上游水深Hu3=17.3m上游水壓力Pu3=1466.52KN力臂 Lu3=5.77m力矩 Mpu3=8456.94KN.m下游水深Hd3=9.42m下游水壓力Pd3=-434.81KN力臂 Ld3=3.14m力矩 Mpd3=-1365.30KN.m(3) 進水口壩段正常蓄水位情況:上游水深Hui=22.2m上游水壓力Pui=2417.38KN力臂 Lui=7.4m力矩 Mpui=17888.61KN.m設(shè)計洪水位情況:上游水深Hu2=25.14m上游水壓力Pu2=3100.06KN力臂 Lu2=8.38m力矩 Mpu2=25978.50KN.m校核洪水位情況:上游水深Hu3=25.5m上游

13、水壓力Pu3=3189.48KN力臂 Lu3=8.5m力矩 Mpu3=27110.58KN.m(4) 底孔壩段正常蓄水位情況:上游水深Hui=26.5m上游水壓力Pui=3444.54KN力臂 Lui=8.83m力矩 Mpui=30415.29KN.m設(shè)計洪水位情況上游水深Hu2=29.44m上游水壓力Pu2=4251.23KN力臂 Lu2=9.81m力矩 Mpu2=41704.57KN.m校核洪水位情況:上游水深Hu3=29.8m上游水壓力Pu3=4355.84KN力臂 Lu3=9.93m力矩 Mpu3=43253.49KN.m2、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

14、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=38.23m 2單寬壩段上水重G2= 374.68KN力臂 L2=-0.12m力矩 Mg2= -46.35KN.m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=458.77KN力臂 L3=-0.11m力矩 Mg3= -50.60KN.m進水口壩段斜斷面上水重 正常蓄水位情況:上游水壓力Gwi=647.90KN力臂 Lui=12.69m力矩 Mwi=8221.85KN.m設(shè)計洪水位情況:上游水深Hu2=25.14m上游水壓力 Gw2=831.12KN力臂 Lu2=12.69m力矩 Mw

15、2=10546.91KN.m校核洪水位情況:上游水深Hu3=25.5m上游水壓力Gw3=854.28KN力臂 Lu3=12.69m力矩 Mw3=10840.81KN.m3.1.3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 Hu （上游水深），下游處為Hd （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=-1455.3KN力臂 Lu1=-2.75m力矩 Mu1=4002.08KN.m設(shè)計洪水位情況:上游水深Hu2=20.94m揚壓力 U2=-1693KN力臂 Lu2=-2.

16、75m力矩 Mu2=4655.75KN.m上游水深Hu1=22.2m7校核洪水位情況:上游水深Hu3=21.3m揚壓力 U3=-1722.1KN力臂 Lu3=-2.75m力矩 Mu3=4375.79KN.m(2) 溢流壩段正常蓄水位情況:上游水深Hui=14.0m下游水深Hdi=0m揚壓力 Ui=-891.8KN力臂 Lui=-2.17m力矩 Mui=1932.23KN.m設(shè)計洪水位情況:上游水深Hu2=i6.94m下游水深Hd2=8.8m揚壓力 U2=-i639.6KN力臂 Lu2=-0.67m力矩 Mu2=i099.87KN.m校核洪水位情況:上游水深Hu3=i7.3m下游水深Hd3=9.

17、42m揚壓力 U3=-i702.iKN力臂 Lu3=-0.64m力矩 Mu3=i087.62KN.m(3) 進水口壩段正常蓄水位情況:上游水深Hui=22.20m力矩 Mui=i6409.95KN.m設(shè)計洪水位情況:上游水深Hu2=25.14m揚壓力 U2=-37O9.22KN力臂 Lu2=-5.01m力矩 Mu2=18583.19KN.m校核洪水位情況:上游水深Hu3=25.50m揚壓力 U3=-3762.33KN力臂 Lu3=-5.01m力矩 Mu3=18849.27KN.m(4) 底孔壩段正常蓄水位情況:上游水深Hui=26.5m揚壓力 Ui=-3623.91KN力臂 Lui=-4.65

18、m力矩 Mui=16851.18KN.m設(shè)計洪水位情況上游水深Hu2=29.44m揚壓力 U2=-4O25.96KN力臂 Lu2=-4.65m力矩 Mu2=18720.71KN.m校核洪水位情況上游水深Hu3=29.8m揚壓力 U3=-4O75.19KN力臂 Lu3=-4.65m力矩 Mu3=18949.63KN.m3.1.4地震荷載一般情況下，混凝土重力壩在抗震設(shè)計中可以只計入順水流向的水平向地震作用。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 11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

19、的水平向地震慣性力代表值按下式計算:式中：a 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的重力作用標準值;E 計算系數(shù)，擬靜力法計算地震作用效應(yīng)時一般取0.25 ;ai質(zhì)點i的動態(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：”1.4 m/H)41+4 GEi (hj/H)4i =1 Ge式中：n壩體計算質(zhì)點總數(shù);H 壩咼;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準值;根據(jù)以上公式計算: 擋水壩段:地震慣性力Fi=244.70KN力臂 L=8.38m力矩 MFi=2050.55KN.m溢流壩段:地震慣性

20、力Fi=152.78KN力臂 L=5.56m進水口壩段:地震慣性力Fi=739.15KN力矩 MFi=8138.04KN.m底孔壩段:地震慣性力Fi=572.16KN力臂 L=12.24m力矩 MFi=7003.24KN.m2、動水壓力采用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0.54H0處，其代表值Fo按下式計算:F0.65tPwHo式中：a h 水平向設(shè)計地震加速度代表值，取0.15g ;P w 水體質(zhì)量密度標準值;E 計算系數(shù)，擬靜力法計算地震作用效應(yīng)時一般取0.25 ;Ho 水深;根據(jù)以上公式計算: 擋水壩段:動水壓力F0=758.476KN力臂

21、 L=8.28m力矩 MF0=6280.18KN.m溢流壩段:動水壓力F0=458.83KN力臂 L=6.44m力矩 MF0=2954.87KN.m進水口壩段:動水壓力F0=1156.08KN力臂 L=10.212m力矩 MF0=11805.89KN.m力矩 MF0=20080.71KN.m動水壓力F0=1647.31KN力臂 L=12.19m133.2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，大壩的建基面基本上分布在弱風化 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

22、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刀 W=3300.7KN壩基面切向作用之和刀P=1587.6KN力矩之和刀M=-417.87KN.m 設(shè)計洪水情況:壩基面法向作用之和刀W=3060KN壩基面切向作用之和刀P=2148.57KN力矩之和刀M=5707.22KN.m 校核洪水情況:壩基面法向作用之和刀W=3033.9KN壩基面切向作用之和刀P=2223.08KN力矩之和刀M=6574.12KN.m 地震+正常蓄水位情況:壩基面法向作用之和刀 W=3300.7KN壩基面切向作用之和刀P=2590.77KN力矩之和刀M=7912.87KN.m安

23、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刀 W ( KN)3300.730603033.93300.7刀 P (KN)1587.62148.572223.082590.77刀M (KN.m )-417.875707.226574.127912.87計算參數(shù)f 1.0c (MP a)1.0f0.75安全系數(shù)K10.187.437.166.24K1.561.071.02-基底應(yīng)力(T max ( KPa )209.25311.42328.76374.43(T min ( KPa )190.8359.8638.9925.65(2)溢流壩段正常蓄水位情況:壩基面法向作用之和刀W

24、=2077.73KN壩基面切向作用之和刀P=960.4KN力矩之和刀M=2001.07KN.m 設(shè)計洪水情況:壩基面法向作用之和刀 W=1704.58KN壩基面切向作用之和刀P=1026.67KN力矩之和刀M=3513.67KN.m 校核洪水情況:壩基面法向作用之和刀 W=1642.16KN壩基面切向作用之和刀P=1031.71KN力矩之和刀M=3766.23KN.m 地震+正常蓄水位情況:壩基面法向作用之和刀W=2077.73KN壩基面切向作用之和刀P=1572.01KN力矩之和刀M=5805.54KN.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刀 W ( KN)2

25、077.731704.581642.162077.73刀 P (KN)960.41026.671031.711572.01刀M (KN.m )2001.073513.673766.235805.54計算參數(shù)f 0.9c (MP a)0.8f0.65安全系數(shù)K12.7711.6211.517.80K1.401.081.03-基底應(yīng)力(T max ( KPa )230.87255.87260.03365.94(T min ( KPa )88.786.37-7.39-46.29(3)進水口壩段正常蓄水位情況:壩基面法向作用之和刀 W=11454.22KN壩基面切向作用之和刀P=2417.38KN力矩

26、之和刀M=26780.80KN.m 設(shè)計洪水情況:壩基面法向作用之和刀 W=11203.66KN壩基面切向作用之和刀P=3100.06KN力矩之和刀M=34718.87KN.m 校核洪水情況:壩基面法向作用之和刀 W=11173.71KN壩基面切向作用之和刀P=3189.48KN力矩之和刀M=35823.13KN.m 地震+正常蓄水位情況:壩基面法向作用之和刀 W=11454.22KN壩基面切向作用之和刀P=4312.61KN力矩之和刀M=46724.68KN.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刀 W ( KN)11454.2211203.6611173.71

27、11454.22刀 P (KN)2417.383100.063189.484312.61刀M (KN.m )26780.8034718.8735823.1346724.68計算參數(shù)f 1.0c (MP a)1.0f0.75安全系數(shù)K17.1813.3212.939.63K3.552.712.63-基底應(yīng)力(T max ( KPa )558.38602.69609.02690.64(T min ( KPa )203.20142.23133.9170.95(2)底孔壩段正常蓄水位情況:壩基面法向作用之和刀W=8808.33KN壩基面切向作用之和刀P=3444.54KN力矩之和刀M=7234.66KN.m設(shè)計洪水情況:壩基面法向作用之和刀W=8406.28KN壩基面切向作用之和刀P=4251.23KN力矩之和刀M=20393.47KN.m校核洪水情況:壩基面法向作用之和刀W=8357.05KN壩基面切向作用之和刀P=4355.84KN力矩之和刀M=22171.31KN.m地震+正常蓄水位情況:壩基面法向作用之和刀W=8808.33KN壩基面切向作用之和刀P=5664.01KN力矩之和刀M=17467.43KN.