混凝土重力壩設計規(guī)范現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢課件

混凝土重力壩設計規(guī)范

現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

2024/1/221混凝土重力壩設計規(guī)范現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

前言

《混凝土重力壩設計規(guī)范》于１９７８年首次發(fā)布，１９８４年作了局部修訂，根據(jù)原水利電力部水利水電規(guī)劃設計院（８６）水規(guī)設字第３號文的要求及ＧＢ５０１９９／１９９４《水利水電工程結構可靠度設計統(tǒng)一標準》（簡稱《水工統(tǒng)標》）規(guī)定的原則全面修訂。新規(guī)范對混凝土重力壩設計作出了規(guī)定。通過新規(guī)范的實施，在混凝土重力壩的設計中貫徹國家的有關技術經(jīng)濟政策，做到安全實用、經(jīng)濟合理、技術先進、確保質(zhì)量。新規(guī)范對ＳＤＪ２１／７８《混凝土重力壩設計規(guī)范》及其１９８４年補充規(guī)定（簡稱《原規(guī)范》）作了重大修訂?；炷林亓卧O計規(guī)范現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

第一節(jié)混凝土重力壩設計新規(guī)范

一、設計規(guī)范修訂概述新《混凝土重力壩設計規(guī)范》（DL5108-1999)于2000年7月1日起實行，替代原《混凝土重力壩設計規(guī)范》（SDJ21-1978)，同時替代原《碾壓混凝土重力壩設計導則》（DJ/T5005-1992)。

混凝土重力壩設計規(guī)范現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

修訂目的：

1、與國內(nèi)外有關設計規(guī)范接軌我國己于1994年頒布了《水利水電工程結構可靠度設計統(tǒng)一標準》，這是高一個層次的國家標準。因此，混凝土重力壩設計規(guī)范要根據(jù)《水利水電工程結構可靠度設計統(tǒng)一標準》重新修訂。

《水利水電工程結構可靠度設計統(tǒng)一標準》是采用概率極限狀態(tài)設計原則，是與國際標準化組織及國際結構安全聯(lián)合委員會（JCSS）提出的《工程結構可靠度設計統(tǒng)一標準》接軌?；炷林亓卧O計規(guī)范現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

2、為了體現(xiàn)混凝土重力壩設計當前國內(nèi)外先進水平

自1985年以來，國內(nèi)外混凝土重力壩設計與施工技術發(fā)展很快，尤其是筑壩材料、溫控防裂、壩下消能等進展顯著，國外的重力壩設計規(guī)范經(jīng)修訂后更趨先進。為了體現(xiàn)混凝土重力壩設計當前國內(nèi)外先進水平，積極引進國外先進經(jīng)驗，從1994年起開始修訂舊規(guī)范，歷經(jīng)六稿，2000年6月定稿。經(jīng)國家批準，新規(guī)范從2000年7月1日起實行。混凝土重力壩設計規(guī)范現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

二、作了哪些修訂

1、采用概率極限狀態(tài)設計原則，以分項系數(shù)極限狀態(tài)設計原則替代原規(guī)范的定值法設計原則。

2、修訂了壩基巖體分類，提供了各種層面的抗剪強度參數(shù)值。

3、增加了基巖深層抗滑穩(wěn)定分析方法和極限狀態(tài)設計表達式。

4、增加了結構分析有限單元方法并提出了設計控制標準。

5、增加了多種消能型式和壩身泄水孔的體型設計。

6、修訂了地基處理設計標準。

7、采用混凝土強度等級取代混凝土標號。

8、增加了碾壓混凝土壩的設計部分?；炷林亓卧O計規(guī)范現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

三、與重力壩新設計規(guī)范配套使用的標準

1、《水利水電工程結構可靠度設計統(tǒng)一標準》

2、防洪標準

3、水工混凝土設計規(guī)范

4、水工建筑物抗震設計規(guī)范

5、水工建筑物荷載設計規(guī)范

6、水利水電樞紐工程等級劃分及設計標準7、水工碾壓混凝土試驗規(guī)程混凝土重力壩設計規(guī)范現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢四、結構的極限狀態(tài)簡介(一)承載能力極限狀態(tài)出現(xiàn)下列狀況之一,即超過了承載能力極限狀態(tài)1、整個結構或某部分作為剛體失去平衡；2、結構因超過材料強度而破壞；3、結構因塑性變形過大而不能繼續(xù)承載；4、結構變?yōu)闄C構；5、結構失去穩(wěn)定；混凝土重力壩設計規(guī)范現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(二)正常使用極限狀態(tài)出現(xiàn)下列狀況之一,即超過了正常使用極限狀態(tài)

1、影響正常使用或外觀變形；

2、影響正常使用的局部破壞（如裂縫）；

3、影響正常使用的振動；混凝土重力壩設計規(guī)范現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢（三）結構的極限狀態(tài)功能函數(shù)表達在結構的可靠度分析中，結構的極限狀態(tài)功能函數(shù)表達如下：

Z=G(x1,x2,……xn)x1,x2,……xn—n個隨機變量；

Z=R–SZ—功能函數(shù)；R—抗力函數(shù)；

S—作用效應函數(shù)；

Z＞0時，結構處于可靠狀態(tài)；

Z=0時，結構處于極限狀態(tài)；

Z＜0時，結構處于失效狀態(tài)?；炷林亓卧O計規(guī)范現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

第二節(jié)

混凝土重力壩斷面設計混凝土重力壩設計規(guī)范現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

混凝土重力壩一般以材料力學法和剛體極限平衡法計算成果作為確定壩體斷面的依據(jù)。高壩除用材料力學法計算壩體應力外，尚宜采用有限元法進行計算分析，必要時可采用結構模型、地質(zhì)力學模型等試驗驗證。修建在復雜地基上的中壩，必要時，可進行有限元分析。重力壩的斷面原則上應由持久狀況控制，并以偶然狀況復核，此時，可考慮壩體的空間作用或采用其它適當措施，不宜由偶然狀況控制設計斷面。地震作用組合下的偶然狀況應符合ＤＬ５０７３的有關規(guī)定?；炷林亓卧O計規(guī)范現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

分期施工投入運行的壩，強度和穩(wěn)定計算應按持久狀況計算。一期施工而分階段投入運行的壩，應研究施工期作用于壩上的作用，壩的未完建斷面（臨時運行斷面）的強度和穩(wěn)定計算應按短暫狀況計算。設計規(guī)定的壩體及其構件的施工程序，不宜使施工期產(chǎn)生的應力導致增加壩體斷面?；炷林亓卧O計規(guī)范現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

寬縫重力壩可用材料力學法計算壩體應力，局部區(qū)域如頭部附近等部位，也可用有限元法計算，并允許在離上游面較遠部位出現(xiàn)不超過壩體混凝土允許的拉應力。空腹重力壩可用結構力學、材料力學法和有限元法計算壩體應力，并用模型試驗驗證。所得應力成果應避免特別不利的應力分布狀態(tài)。有橫縫的重力壩，其強度和穩(wěn)定計算應按平面問題考慮，可取一個壩段或取單位寬度進行計算。

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不設橫縫或橫縫灌漿的整體式重力壩的穩(wěn)定計算可按整體式進行，其強度計算可用試載法；在復雜空間受力條件下（河谷斷面、作用和基礎反力不對稱等），其應力狀態(tài)可按空間問題用有限元法或試驗確定。廠壩連接的壩后式廠房，在壩的穩(wěn)定核算中，可考慮廠壩聯(lián)合的抗滑作用。廠房作用于壩上的抗滑力，可根據(jù)廠壩整體分析的應力狀態(tài)確定。

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一、斷面設計原則

1、采用概率極限狀態(tài)設計原則，各基本變量均應作為隨機變量，以分項系數(shù)極限狀態(tài)設計為實用方法。

2

、建立極限狀態(tài)方程，但仍以原規(guī)范的計算方法為基礎。

3、斷面設計不但要滿足抗滑穩(wěn)定和壩趾抗壓強度等承載能力極限狀態(tài)，還要滿足壩踵應力不出現(xiàn)拉應力的正常使用極限狀態(tài)。

4、斷面設計應考慮荷載的持久狀況、短暫狀況和偶然狀況，并考慮其相應的荷載組合。

5

、對持久狀況應考慮承載能力和正常使用極限狀態(tài)，對短暫狀況和偶然狀況，只考慮承載能力極限狀態(tài)。混凝土重力壩設計規(guī)范現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢二、重力壩上的作用及其分類與組合（一）作用按時間的變異分類：

1、永久作用（1）自重（2）土壓力（3）淤沙壓力（4）地應力（5）圍巖壓力（6）預應力混凝土重力壩設計規(guī)范現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢2、可變作用

（1）靜水壓力（11）工作橋上活荷載（2）揚壓力（12）橋機門機荷載（3）動水壓力（13）溫度作用（4）水錘壓力（14）土壤孔隙水壓力（5）浪壓力（15）灌漿壓力（6）外水壓力（7）風壓力（8）雪壓力（9）冰壓力（10）凍脹力混凝土重力壩設計規(guī)范現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢重力壩作用荷載圖自重揚壓力垂直水荷載水平水荷載垂直水荷載水平水荷載淤沙高程淤撒哈泥沙壓力地震力浪壓力混凝土重力壩設計規(guī)范現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢3、偶然作用

（1）地震作用（2）校核洪水位時水荷載（二）作用組合1

、基本組合基本組合按永久作用和可變作用的組合：（1）自重（6）動水壓力（2）土壓力（7）浪壓力（3）淤沙壓力（8）冰壓力（4）靜水壓力（9）其它機會出現(xiàn)較多的荷載（5）揚壓力

混凝土重力壩設計規(guī)范現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢2、偶然組合偶然組合應在基本組合下計入下列一個偶然作用（1）地震作用（2）校核洪水位時水荷載（3）其它機會出現(xiàn)很少的荷載混凝土重力壩設計規(guī)范現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

混凝土重力壩設計規(guī)范現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢混凝土重力壩設計規(guī)范現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

（三）按承載能力極限狀態(tài)設計壩體斷面時，應計算基本組合和偶然組合兩種組合。（四）持久久狀況正常使用極限狀態(tài)設計壩體斷面時，應按長期組合計入有關作用進行計算。（五）壩體在施工和檢修時應按短暫狀況承載能力極限狀態(tài)的基本組合和正常使用極限狀態(tài)的短期組合進行計算。長期組合：永久作用和可變作用的長期作用組合短期組合：永久作用和可變作用的短期作用組合混凝土重力壩設計規(guī)范現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢三、壩體強度和穩(wěn)定承載能力極限狀態(tài)計算（一）承載能力極限狀態(tài)計算包括：

1、壩體及壩基強度計算

2、壩體與壩基接觸面抗滑穩(wěn)定計算

3、壩體層面抗滑穩(wěn)定計算

4、壩基深層結構面抗滑穩(wěn)定計算混凝土重力壩設計規(guī)范現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢（二）對基本組合，應采用如下極限狀態(tài)設計表達式：

混凝土重力壩設計規(guī)范現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢混凝土重力壩設計規(guī)范現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢（三）對偶然組合，應采用如下極限狀態(tài)設計表達式：

混凝土重力壩設計規(guī)范現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢混凝土重力壩設計規(guī)范現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢混凝土重力壩設計規(guī)范現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢混凝土重力壩設計規(guī)范現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢（四）壩趾抗壓強度承載能力極限狀態(tài)計算混凝土重力壩設計規(guī)范現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

混凝土重力壩設計規(guī)范現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢（五）壩體任一計算截面下游端點抗壓承載能力極限狀態(tài)計算混凝土重力壩設計規(guī)范現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢混凝土重力壩設計規(guī)范現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢（六）壩體混凝土與基巖接觸面的抗滑穩(wěn)定極限狀態(tài)計算混凝土重力壩設計規(guī)范現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢（七）壩體混凝土層面（包括常態(tài)混凝土水平施工縫或碾壓混凝土層面）的抗滑穩(wěn)定極限狀態(tài)：

混凝土重力壩設計規(guī)范現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢四、壩體正常使用極限狀態(tài)計算（1）正常使用極限狀態(tài)作用效應短期組合用如下表達式：

（2）正常使用極限狀態(tài)作用效應長期組合采如下表達式：

混凝土重力壩設計規(guī)范現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢（3）壩踵垂直應力不出現(xiàn)拉應力正常使用情況拉應力計算公式：式中：

TR’：壩基面上形心軸到上游面的距離；

∑MR

：計算截面上作用對截面形心的力矩之和；

JR

：計算截面對形心軸的慣性矩；混凝土重力壩設計規(guī)范現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢（4）壩體上游面垂直應力不出現(xiàn)拉應力正常使用情況拉應力計算公式：

式中：

∑MC：計算截面上作用對截面形心的力矩之和；

TC’：計算截面形心軸到上游面的距離；

JC：計算截面對形心軸的慣性矩；混凝土重力壩設計規(guī)范現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢（5）短期組合下游壩面垂直拉應力不超限正常使用情況拉應力計算公式：

式中：

∑MC：計算截面上作用對截面形心的力矩之和；

TC：計算截面形心軸到下游面的距離；

JC：計算截面對形心軸的慣性矩；混凝土重力壩設計規(guī)范現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

水工建筑物結構安全級別水工建筑物級別水工建筑物結構安全級別

1Ⅰ

2，3Ⅱ

4，5Ⅲ混凝土重力壩設計規(guī)范現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

大壩常態(tài)混凝土強度標準值強度種類符號大壩常態(tài)混凝土強度等級

C7.5C10C15C20C25C30軸心抗壓

Mpafck7.69.814.318.522.426.2混凝土重力壩設計規(guī)范現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

大壩碾壓混凝土強度標準值強度種類符號大壩碾壓混凝土強度等級

C5C7.5C10C15C20C25軸心抗壓

Mpafck7.210.413.519.625.431.0混凝土重力壩設計規(guī)范現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

第三節(jié)

混凝土重力壩深層抗滑穩(wěn)定

極限狀態(tài)設計

混凝土重力壩設計規(guī)范現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

《混凝土重力壩設計規(guī)范》(SDJ21-78)對壩基有軟弱夾層的混凝土重力壩深層抗滑穩(wěn)定分析方法和設計安全指標沒有作出具體的規(guī)定，根據(jù)《混凝土重力壩設計規(guī)范》(SDJ21-78)修編工作計劃，修訂后的規(guī)范應對混凝土重力壩深層抗滑穩(wěn)定提出計算公式和設計安全指標?；炷林亓卧O計規(guī)范現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

根據(jù)已頒布實施的國家標準《水利水電工程結構可靠度設計統(tǒng)一標準》(GB50199—94)的要求，對混凝土重力壩深層抗滑穩(wěn)定問題，也應采用概率極限狀態(tài)設計方法，且以分項系數(shù)設計法作為實用方法。

混凝土重力壩設計規(guī)范現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

當壩基巖體內(nèi)存在軟弱結構面、緩傾角裂隙及壩下游經(jīng)沖刷形成臨空面等情況時，需核算深層抗滑穩(wěn)定。根據(jù)滑動面、臨空面、尾巖抗力條件綜合分析基本地質(zhì)結構模型后，分單斜面、雙斜面和多斜面計算模式，除用剛體極限平衡法計算外，必要時，可輔以有限元法、地質(zhì)力學模型試驗法等核算深層抗滑穩(wěn)定，并進行綜合評定。核算壩基深層抗滑穩(wěn)定極限狀態(tài)時，根據(jù)規(guī)定，應按材料的標準值和作用的標準值或代表值分別計算基本組合和偶然組合。

混凝土重力壩設計規(guī)范現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢1.混凝土重力壩深層抗滑穩(wěn)定安全度評價現(xiàn)狀

1．1

剛體極限平衡法和廣義文克爾地基法這類方法把壩體和基巖看作若干塊剛體組成，以某些交接面作為可能的滑動面，通過建立滑動體極限狀態(tài)方程并利用純摩公式、剪摩公式或一些改進公式得到安全系數(shù)。安全系數(shù)可分為超載法安全系數(shù)kp和強度儲備安全系數(shù)ks。超載法安全系數(shù)kp是指作用于壩體的水平荷載增大kp倍時，滑動面處于極限狀態(tài)；ks是指滑動面強度指標減少ks倍后，滑動面處于極限狀態(tài)。計算方法有被動抗力法、剩余推力法、等安全系數(shù)法、廣義文克爾地基法、瞬時中心滑動法等，還有考慮壩趾巖體塑性作用的剛塑性極限平衡法等等。

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通過大量計算分析后建議以強度儲備法中等安全系數(shù)法(簡稱等k法)作為重力壩深層抗滑穩(wěn)定計算的基本方法。并建議用剪摩公式計算時設計安全系數(shù)ks在3.5～3.0范圍內(nèi)(基本荷載組合～特殊荷載組合)作為設計控制指標。

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1．2有限元(邊界元、無窮元)法在設定的荷載作用下，用有限元(邊界元、無窮元)對大壩及基礎的實際性狀進行模擬計算，計算時，沿可能的滑動面分段，求出分段的法向正應力和剪應力。設某分段的長度為L，則這一分段的阻滑力為(f

+c)×L，滑動力沿滑動面求和可以得出比值安全系數(shù)。

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類似于剛體極限平衡法，當提高水平推力致使滑動面破壞，可得到超載法安全系數(shù)Kp。當降低滑動面材料強度致使滑動面破壞時，可得到強度儲備法安全系數(shù)Ks。也可同時增加水平荷載和降低滑動面材料強度致使滑動面破壞，得到綜合的安全系數(shù)K=Kp×Ks?；炷林亓卧O計規(guī)范現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

1.3

模型試驗法通常采用石膏模型，并墊入夾層以反映軟弱帶的影響，以超載法測定安全系數(shù)Kp。由于受模型材料的限制，不容易按需要任意規(guī)定材料的力學參數(shù)，更難以在試驗過程中反復再改材料的力學指標。因此，模型試驗法一般與數(shù)值計算法配合使用，相互驗證。

混凝土重力壩設計規(guī)范現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

1.4可靠度分析法在重力壩深層抗滑穩(wěn)定可靠度分析方面，張鏡劍等人首先作了有益的探討；黃東軍曾對安康水電站工程廠房壩段重力壩進行了深層抗滑穩(wěn)定可靠度分析；吳世偉等人采用有限元法為基礎的最大可能破壞模式研究了重力壩(含基礎)可靠度分析；劉寧等人繼續(xù)前者工作，用同樣方法研究了基礎有軟弱夾層的重力壩深層抗滑穩(wěn)定可靠度,高延偉采用剛體極限平衡法研究了單滑動面的重力壩深層抗滑穩(wěn)定可靠度問題?；炷林亓卧O計規(guī)范現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢2.

混凝土重力壩深層抗滑穩(wěn)定可靠度分析剛體極限平衡法是對重力壩深層抗滑穩(wěn)定安全度作一籠統(tǒng)的整體分析，它不能反映地基逐步破壞的機理、確定相應的變位和應力分布。但由于計算比較簡單明了，應用的經(jīng)驗較多，可以得到一個整體安全度的概念，目前被廣泛應用。規(guī)范把它作為基本方法。

混凝土重力壩設計規(guī)范現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

應用剛體極限平衡法分析重力壩深層抗滑穩(wěn)定問題，成果應該偏于安全，是安全度的下限?！端そy(tǒng)標》規(guī)定，在分析水工結構可靠度時建立極限狀態(tài)方程應以規(guī)范規(guī)定的方法為基礎。因此，在研究重力壩深層抗滑穩(wěn)定可靠度時，仍將剛體極限平衡法作為基本方法。

混凝土重力壩設計規(guī)范現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢2．1極限狀態(tài)方程

地基有軟弱夾層的混凝土重力壩抗滑穩(wěn)定問題，可分為單滑動面、雙斜滑動面和多滑動面等。單滑動面與沿建基面抗滑穩(wěn)定分析方法無大的區(qū)別。雙斜滑動面最為典型。多滑動面比較復雜，不常見，用剛體極限平衡法計算也比較困難。因此，以圖F1所示典型的雙斜滑動面重力壩深層滑動模型作為討論計算的基本剖面。不難論證，當其它條件不變時，滑動面AB起始A點前移、B點前移或后移，抗滑穩(wěn)定安全度將增大。因此，圖F1

所示情況是最危險滑動面組合?；炷林亓卧O計規(guī)范現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

下面以剛體極限平衡法建立極限狀態(tài)方程?？筛鶕?jù)地質(zhì)結構模型分析確定控制性滑動面進行極限狀態(tài)抗滑穩(wěn)定分析。雙斜滑動面為最常見情況，如圖Fl。

混凝土重力壩設計規(guī)范現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

混凝土重力壩設計規(guī)范現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

混凝土重力壩設計規(guī)范現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

混凝土重力壩設計規(guī)范現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

第四節(jié)

關于有限元計算問題混凝土重力壩設計規(guī)范現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

重力壩是古老而重要的壩型，隨著科學技術的發(fā)展，筑壩水平提高，重力壩壩型不斷改進，由實體壩發(fā)展到寬縫壩和空腹壩。由于壩型的革新，促使壩體設計理論做出相應地改進，尤其工程實踐經(jīng)驗和已建工程運行觀測資料不斷積累，為設計規(guī)范的制訂和修改，提供了條件，有力促進了設計水平的提高和施工技術的發(fā)展。施工機械化程度提高加快了混凝土澆筑速度，緩解了該壩型體積大的缺點，特別是近年來碾壓混凝土筑壩技術的發(fā)展，重力壩的施工已變成類似于土石壩的施工一樣，采用大型通用機械運送混凝土直接上壩，用振動碾碾壓混凝土，大大加快了施工進度，簡化施工技術，縮短工期，使工程可提前發(fā)揮效益，這一重大的施工改革，為重力壩的建設輸入了新的“生命力”。為了適應重力壩的新發(fā)展，重力壩的設計方法和設計規(guī)范中應力控制標準，亦必須做出相應地修正。

混凝土重力壩設計規(guī)范現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

混凝土重力壩壩體斷面設計，以前我國與大多數(shù)國家一樣，基本上按允許應力和穩(wěn)定極限平衡法計算選定。對于壩體應力計算方法和控制標準，我國現(xiàn)行《混凝土重力壩設計規(guī)范》(SDJ21-78)及《SDJ21-78補充規(guī)定-84》規(guī)定，用材料力學方法計算壩體應力進行斷面設計時，壩體上游面最小主應力(不計入揚壓力)應等于大于四分之一計算截面處的靜水頭(即

1≥0.25rH)。對于高壩，尤其當?shù)刭|(zhì)條件復雜時，除用材料力學方法計算外，宜同時進行模型試驗或采用有限元法進行計算研究。

混凝土重力壩設計規(guī)范現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

現(xiàn)行規(guī)范中對用有限元法計算壩體應力時，沒有制訂出相應應力控制標準，致使計算成果往往僅作為校核而不能作為設計選擇壩體斷面的依據(jù)，此其一；第二，對用材料力學法計算壩體上游面的主應力控制指標，一方面與國外同類設計規(guī)范不一致，另一方面亦不再適用于壩體混凝土用薄層攤鋪、碾壓施工、薄弱層面多的碾壓混凝土重力壩。

針對上述情況，設計規(guī)范中應力控制標準，亦必須做出相應地修正。提出研究內(nèi)容，擬解決：第一，壩體上游面以材料力學法計算的主應力指標為垂直應力指標；第二，制定用有限元法計算的壩體建基面及上游面垂直拉向力區(qū)的允許范圍。

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壩體上游面應力控制標準，以往國內(nèi)外在同類設計規(guī)范中有兩種不同規(guī)定：一是以主應力為準,二是以垂直應力為準。例如1976以前，原蘇聯(lián)《巖基土混凝土重力壩的設計標準和技術條件(CH-123-60)》規(guī)定，上游面應力控制標準，不計揚壓力時，主應力

1≥0.25rH

。

1985年頒布的《混凝土和鋼筋混凝土壩設計規(guī)范》代替1977年規(guī)范，對壩體上游面應力控制標準基本上保持原有規(guī)定，僅壩基接觸面(包括實體和寬縫壩)改為

Y≤0.

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我國以往設計和建成的實體和寬縫重力壩，對壩體上游面應力，均以主應力控制。1984年以前按《混凝土重力壩設計規(guī)范》(SDJ21-78)控制標準為：不計揚壓力時，

1=(0.25～0.40)rH。1984年以后按《混凝土重力壩設計規(guī)范》(SDJ21-78補充規(guī)定-84)規(guī)定控制標準，不計揚壓力時，

1≥0.25rH

。國內(nèi)外8個壩壩基面上游同一點的主應力和垂直應力成果見表4-1：

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表4—1

國內(nèi)外重力壩壩體上游面應力

(應力單位：0.01Mpa)

工程名稱壩

高（米）上游壩面應力（不計揚壓力）上游壩坡垂直應力

y主應力

l黃龍灘1078885.231：0～1：0.25湖南鎮(zhèn)12985.284.71：0.2龔嘴8661.161.11：0楓樹壩95.330.9528.521：0～1：0.3象山（美國）89.666.266.21：0.0625富賴恩特（美國）83.561.2759.151：0～1：0.3夏思塔（美國）185172.3168.71：0～1：0.4福特（美國）6199.399.31：0.06表4—1

國內(nèi)外重力壩壩體上游面應力

(應力單位：0.01Mpa)

表4—1

國內(nèi)外重力壩壩體上游面應力

(應力單位：0.01Mpa)

表4—1

國內(nèi)外重力壩壩體上游面應力

(應力單位：0.01Mpa)

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由表4—1可見：

1.當上游面垂直或接近垂直時，主應力即為垂直應力；

2.當上游壩坡小于1：0.2時，主應力與垂直應力十分接近；

3.當上游壩坡1：0.25—1：0.40,主應力比垂直應力小。所以設計重力壩時，如果改用垂直應力控制，一般來說標準略有放寬，這樣亦與壩基截面的上游壩面即壩踵采用垂直應力作為控制標準相同；同時，與有限元法計算壩踵附近的應力時定出的允許垂直拉應力區(qū)作為控制協(xié)調(diào)一致。這樣重力壩上游面無論用材料力學法或有限元法計算均可統(tǒng)一取垂直應力的計算值作為控制依據(jù)。

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混凝土重力壩設計規(guī)范現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢壩趾壩踵自重荷載組合揚壓力上下游水壓力y(0.1Mpa)X(m)-203010-10257550-4020-3040100圖4—4壩高110m壩的垂直應力(

y)沿建基面分布

（用有限元法計算）

（圖中拉應力為正，壓應力為負，應力單位0.1Mpa）

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一、用有限元法分析時壩體上游面應力控制標準

1.問題的指出現(xiàn)行《混凝土重力壩設計規(guī)范》(SDJ21-78)第74條“……對于高壩，尤其當?shù)刭|(zhì)條件復雜時，除用材料力學方法計算外，宜同時進行模型試驗或采用有限元法進行計算研究。對于修建在復雜地基上的中、低壩亦可根據(jù)需要進行上述研究。”上述規(guī)范中對用有限元法計算壩體上游面及建基面的上游面的應力，沒有制訂相應應力控制指標，因而計算結果無法用來作為選擇壩體斷面的依據(jù)，致使有限元法的應用受到了限制，為了充分發(fā)揮本方法的理論嚴謹、計算方法靈活、適用范圍廣的優(yōu)點，應結合近個多年來壩工設計上對該方法應用經(jīng)驗，尤其對復雜地基和復雜結構上應力和變形問題的解決，通過分析研究，制訂一個控制標準，以利于該方法進一步的發(fā)展和應用，逐步完善，以適應大壩建設的發(fā)展。

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采取設計上有實踐經(jīng)驗的材料力學法對三種有代表性的壩高，在主要荷載的基本組合情況下，選定壩體斷面，然后用有限元法，考慮不同的壩體與壩基彈模之比，不同的三角形單元尺寸，不同的荷載及其組合，用線彈性有限元法，并通過工程實例進行分析對比，擬定出有限元的應力控制標準。

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2.有限元法分析內(nèi)容考慮自重，上、下游水壓力和揚壓力的基本組合，由壩踵應力控制指標和抗剪摩穩(wěn)定安全度為依據(jù)。材料力學法計算壩的垂直應力沿建基面的分布成果;

沿上游壩面的應力分布成果;

在相應荷載組合下主應力沿建基面的分布。由于上游壩面垂直，沿上游面分布即為沿上游面的分布。上述用材料力學法計算選定的壩體剖面，用有限元法進行專門應力分析，選擇典型的計算方案成果，與材料力學法計算成果進行對比分析。有限元法分析采用三角形單元。

混凝土重力壩設計規(guī)范現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

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混凝土重力壩設計規(guī)范現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢B典型壩體剖面混凝土重力壩設計規(guī)范現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

選定了三種壩高190m、110m和50m的典型壩體剖面。計算分析了五種單項荷載及其組合：①壩體自重②壩面靜水壓力③上庫底及下游河底靜水壓力④地基滲流體積力⑤壩底揚壓力。不考慮溫度荷載。有限元分析采用彈性分析方法。并選擇壩踵附近單元尺寸最小的計算結果。應力成果為：

混凝土重力壩設計規(guī)范現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢混凝土重力壩設計規(guī)范現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

混凝土重力壩設計規(guī)范現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢混凝土重力壩設計規(guī)范現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

混凝土重力壩設計規(guī)范現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

混凝土重力壩設計規(guī)范現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

混凝土重力壩設計規(guī)范現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

混凝土重力壩設計規(guī)范現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢從上述計算成果可見：

①沿建基面各單項荷載及其組合作用下，材料力學法計算，均為直線分布且為壓應力；而有限元法計算，壩踵處應力集中明顯，荷載組合下有較大拉應力，但衰減很快，除了壩踵附近區(qū)外，與材料力學法成果相比，分布趨勢是較一致的，分布曲線較平緩，而材料力學法為直線分布。②用有限元法計算成果中沿建基面的應力，隨不同的彈模比相差較大，尤其壩踵附近區(qū)域

(見表3-2、表3-3)，但分布趨勢是一致的?；炷林亓卧O計規(guī)范現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

③有限元法計算成果中，沿建基面拉應力區(qū)范圍較大，壩越高，寬度越大，但其相對寬度較為接近。分析上述有限元法計算成果，從壩踵單元尺寸最小方案來看，壩踵處均為拉應力，且其值壩越高而越大，拉應力區(qū)寬度，壩越高而越寬，但拉應力寬度與壩的相對寬度基本接近。

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3．應力控制標準

從用有限元法計算壩體應力的實踐中可知，由于重力壩的特點，往往將壩體作為彈性體平面問題處理，其計算精度是隨著單元尺寸的減小而增加，應力誤差與單元尺寸成正比，并且與單元的邊長比亦有很大關系。實際計算中，每個計算對象單元大小不可能一致，亦不可能做到單元邊長一致，尤其是結構的角緣處，往往應力值相當大，網(wǎng)格越密，應力可大到驚人的程度(實際上角緣處的材料此時已局部屈服、開裂或滑移，應力將重分布)，因此，用有限元法計算壩體應力時，要用一個量值作為控制標準是不太可能的，鑒于前面對有限元法計算成果的分析，用拉應力區(qū)大小來控制是可行的，特別是用垂直拉應力分布范圍大小來控制更合理一些。

混凝土重力壩設計規(guī)范現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

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混凝土重力壩設計規(guī)范現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

混凝土重力壩設計規(guī)范現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢4．小結

在原設計時均用材料力學法計算壩體應力的結果作為設計壩體斷面的依據(jù)。當用線彈性有限元法計算時，沿建基面上游部位出現(xiàn)較大的主拉應力區(qū)而超過帷幕灌漿范圍，當有些工程經(jīng)用彈性非線性有限元分析，假設沿建基面或壩基開裂一定寬度和深度，用應力重分布分析，壩踵附近主拉應力區(qū)消失或范圍縮減到小于帷幕灌漿區(qū)，所以在長期運行中未發(fā)生大量漏水或其它不安全的問題的這個事實，也可以用同一計算中壩踵附近垂直應力來解釋，該處垂直拉應力區(qū)相對寬度在0～7.3％，均在帷幕區(qū)寬度范圍以內(nèi)。再說建基面是兩種不同材料的接觸面，不能承受主拉應力，當拉應力超過接觸面砂漿強度后，必然沿接觸面拉開，所以真正控制的面應以垂直于建基面的正拉應力為準，此其一。第二，從各壩在自重+水壓力或自重+水壓力+揚壓力組合作用下，壩踵附近的拉應力區(qū)相對寬度，垂直正拉應力：不計揚壓力時約為5％左右，計揚壓力時約為7％左右；主拉應力：不計揚壓力時約為16％左右，計揚壓力時約為22％左右。

混凝土重力壩設計規(guī)范現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢二、總結1、原規(guī)范中有限元法計算問題

原規(guī)范中沒有給出有限元法應力控制標準，這是因為：

1、應力結果具有網(wǎng)格尺寸效應應力結果隨網(wǎng)格尺寸大小而變化，即具有網(wǎng)格尺寸效應，應力值有不確定性。

2、壩踵處拉應力經(jīng)常出現(xiàn)奇異值，很難用拉應力的絕對值來作為應力控制標準?；炷林亓卧O計規(guī)范現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢2、新規(guī)范中有限元法計算問題