混凝土重力坝设计规范现状及发展趋势.ppt
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1、2024/5/9,1,混凝土重力坝设计规范 现状及发展趋势,前 言 混凝土重力坝设计规范于年首次发布,年作了局部修订,根据原水利电力部水利水电规划设计院()水规设字第号文的要求及水利水电工程结构可靠度设计统一标准(简称水工统标)规定的原则全面修订。新规范对混凝土重力坝设计作出了规定。通过新规范的实施,在混凝土重力坝的设计中贯彻国家的有关技术经济政策,做到安全实用、经济合理、技术先进、确保质量。新规范对混凝土重力坝设计规范及其年补充规定(简称原规范)作了重大修订。,第一节 混凝土重力坝设计新规范 一、设计规范修订概述 新混凝土重力坝设计规范(DL5108-1999)于2000 年7月1日起实行,
2、替代原混凝土重力坝设计规范(SDJ21-1978),同时替代原碾压混凝土重力坝设计导则(DJ/T5005-1992)。,修订目的:1、与国内外有关设计规范接轨 我国己于1994年颁布了水利水电工程结构可靠度设计统一标准,这是高一个层次的国家标准。因此,混凝土重力坝设计规范要根据水利水电工程结构可靠度设计统一标准重新修订。水利水电工程结构可靠度设计统一标准是采用概率极限状态设计原则,是与国际标准化组织及国际结构安全联合委员会(JCSS)提出的工程结构可靠度设计统一标准接轨。,2、为了体现混凝土重力坝设计当前国内外先进水平 自1985年以来,国内外混凝土重力坝设计与施工技术发展很快,尤其是筑坝材料
3、、温控防裂、坝下消能等进展显著,国外的重力坝设计规范经修订后更趋先进。为了体现混凝土重力坝设计当前国内外先进水平,积极引进国外先进经验,从1994年起开始修订旧规范,历经六稿,2000年6月定稿。经国家批准,新规范从2 000年7月1日起实行。,二、作了哪些修订 1、采用概率极限状态设计原则,以分项系数极限状态设计原则替代原规范的定值法设计原则。2、修订了坝基岩体分类,提供了各种层面的抗剪强度参数值。3、增加了基岩深层抗滑稳定分析方法和极限状态设计表达式。4、增加了结构分析有限单元方法并提出了设计控制标准。5、增加了多种消能型式和坝身泄水孔的体型设计。6、修订了地基处理设计标准。7、采用混凝土
4、强度等级取代混凝土标号。8、增加了碾压混凝土坝的设计部分。,三、与重力坝新设计规范配套使用的标准 1、水利水电工程结构可靠度设计统一标准 2、防洪标准 3、水工混凝土设计规范 4、水工建筑物抗震设计规范 5、水工建筑物荷载设计规范 6、水利水电枢纽工程等级划分及设计标准 7、水工碾压混凝土试验规程,四、结构的极限状态简介(一)承载能力极限状态出现下列状况之一,即超过了承载能力极限状态1、整个结构或某部分作为刚体失去平衡;2、结构因超过材料强度而破坏;3、结构因塑性变形过大而不能继续承载;4、结构变为机构;5、结构失去稳定;,(二)正常使用极限状态 出现下列状况之一,即超过了正常使用极限状态 1
5、、影响正常使用或外观变形;2、影响正常使用的局部破坏(如裂缝);3、影响正常使用的振动;,(三)结构的极限状态功能函数表达 在结构的可靠度分析中,结构的极限状态功能函数表达如下:Z=G(x1,x2,xn)x1,x2,xn n个随机变量;Z=RS Z功能函数;R抗力函数;S作用效应函数;Z0时,结构处于可靠状态;Z=0时,结构处于极限状态;Z0时,结构处于失效状态。,第二节,混凝土重力坝断面设计,混凝土重力坝一般以材料力学法和刚体极限平衡法计算成果作为确定坝体断面的依据。高坝除用材料力学法计算坝体应力外,尚宜采用有限元法进行计算分析,必要时可采用结构模型、地质力学模型等试验验证。修建在复杂地基上
6、的中坝,必要时,可进行有限元分析。重力坝的断面原则上应由持久状况控制,并以偶然状况复核,此时,可考虑坝体的空间作用或采用其它适当措施,不宜由偶然状况控制设计断面。地震作用组合下的偶然状况应符合的有关规定。,分期施工投入运行的坝,强度和稳定计算应按持久状况计算。一期施工而分阶段投入运行的坝,应研究施工期作用于坝上的作用,坝的未完建断面(临时运行断面)的强度和稳定计算应按短暂状况计算。设计规定的坝体及其构件的施工程序,不宜使施工期产生的应力导致增加坝体断面。,宽缝重力坝可用材料力学法计算坝体应力,局部区域如头部附近等部位,也可用有限元法计算,并允许在离上游面较远部位出现不超过坝体混凝土允许的拉应力
7、。空腹重力坝可用结构力学、材料力学法和有限元法计算坝体应力,并用模型试验验证。所得应力成果应避免特别不利的应力分布状态。有横缝的重力坝,其强度和稳定计算应按平面问题考虑,可取一个坝段或取单位宽度进行计算。,不设横缝或横缝灌浆的整体式重力坝的稳定计算可按整体式进行,其强度计算可用试载法;在复杂空间受力条件下(河谷断面、作用和基础反力不对称等),其应力状态可按空间问题用有限元法或试验确定。厂坝连接的坝后式厂房,在坝的稳定核算中,可考虑厂坝联合的抗滑作用。厂房作用于坝上的抗滑力,可根据厂坝整体分析的应力状态确定。,一、断面设计原则,1、采用概率极限状态设计原则,各基本变量均应作为随机变量,以分项系数
8、极限状态设计为实用方法。2、建立极限状态方程,但仍以原规范的计算方法为基础。3、断面设计不但要满足抗滑稳定和坝趾抗压强度等承载能力极限状态,还要满足坝踵应力不出现拉应力的正常使用极限状态。4、断面设计应考虑荷载的持久状况、短暂状况和偶然状况,并考虑其相应的荷载组合。5、对持久状况应考虑承载能力和正常使用极限状态,对短暂状况和偶然状况,只考虑承载能力极限状态。,二、重力坝上的作用及其分类与组合,(一)作用按时间的变异分类:1、永久作用(1)自重(2)土压力(3)淤沙压力(4)地应力(5)围岩压力(6)预应力,2、可变作用(1)静水压力(11)工作桥上活荷载(2)扬压力(12)桥机门机荷载(3)动
9、水压力(13)温度作用(4)水锤压力(14)土壤孔隙水压力(5)浪压力(15)灌浆压力(6)外水压力(7)风压力(8)雪压力(9)冰压力(10)冻胀力,重力坝作用荷载图,自重,扬压力,垂直水荷载,水平水荷载,垂直水荷载,水平水荷载,淤沙高程淤撒哈,泥沙压力,地震力,浪压力,3、偶然作用,(1)地震作用(2)校核洪水位时水荷载(二)作用组合1、基本组合 基本组合按永久作用和可变作用的组合:(1)自重(6)动水压力(2)土压力(7)浪压力(3)淤沙压力(8)冰压力(4)静水压力(9)其它机会出现较多的荷载(5)扬压力,2、偶然组合 偶然组合应在基本组合下计入下列一个偶然作用(1)地震作用(2)校核
10、洪水位时水荷载(3)其它机会出现很少的荷载,(三)按承载能力极限状态设计坝体断面时,应计算基本组合和偶然组合两种组合。(四)持久久状况正常使用极限状态设计坝体断面时,应按长期组合计入有关作用进行计算。(五)坝体在施工和检修时应按短暂状况承载能力极限状态的基本组合和正常使用极限状态的短期组合进行计算。长期组合:永久作用 和可变作用的长期作用组合短期组合:永久作用 和可变作用的短期作用组合,三、坝体强度和稳定承载能力极限状态计算(一)承载能力极限状态计算包括:1、坝体及坝基强度计算 2、坝体与坝基接触面抗滑稳定计算 3、坝体层面抗滑稳定计算 4、坝基深层结构面抗滑稳定计算,(二)对基本组合,应采用
11、如下极限状态设计表达式:,(三)对偶然组合,应采用如下极限状态设计表达式:,(四)坝趾抗压强度承载能力极限状态计算,(五)坝体任一计算截面下游端点抗压承载能力极限状态计算,(六)坝体混凝土与基岩接触面的抗滑稳定极限状态计算,(七)坝体混凝土层面(包括常态混凝土水平施工缝或碾压混凝土层面)的抗滑稳定极限状态:,四、坝体正常使用极限状态计算(1)正常使用极限状态作用效应短期组合用如下表达式:(2)正常使用极限状态作用效应长期组合采如下表达式:,(3)坝踵垂直应力不出现拉应力 正常使用情况拉应力计算公式:,式中:TR:坝基面上形心轴到上游面的距离;MR:计算截面上作用对截面形心的力矩之和;JR:计算
12、截面对形心轴的惯性矩;,(4)坝体上游面垂直应力不出现拉应力 正常使用情况拉应力计算公式:式中:MC:计算截面上作用对截面形心的力矩之和;TC:计算截面形心轴到上游面的距离;JC:计算截面对形心轴的惯性矩;,(5)短期组合下游坝面垂直拉应力不超限 正常使用情况拉应力计算公式:式中:MC:计算截面上作用对截面形心的力矩之和;TC:计算截面形心轴到下游面的距离;JC:计算截面对形心轴的惯性矩;,水工建筑物结构安全级别 水工建筑物级别 水工建筑物结构安全级别 1 2,3 4,5,大坝常态混凝土强度标准值强度种类 符号 大坝常态混凝土强度等级 C7.5 C10 C15 C20 C25 C30轴心抗压
13、Mpa fck 7.6 9.8 14.3 18.5 22.4 26.2,大坝碾压混凝土强度标准值强度种类 符号 大坝碾压混凝土强度等级 C5 C7.5 C10 C15 C20 C25 轴心抗压 Mpa fck 7.2 10.4 13.5 19.6 25.4 31.0,第三节 混凝土重力坝深层抗滑稳定 极限状态设计,混凝土重力坝设计规范(SDJ21-78)对坝基有软弱夹层的混凝土重力坝深层抗滑稳定分析方法和设计安全指标没有作出具体的规定,根据混凝土重力坝设计规范(SDJ 21-78)修编工作计划,修订后的规范应对混凝土重力坝深层抗滑稳定提出计算公式和设计安全指标。,根据已颁布实施的国家标准水利水
14、电工程结构可靠度设计统一标准(GB 5019994)的要求,对混凝土重力坝深层抗滑稳定问题,也应采用概率极限状态设计方法,且以分项系数设计法作为实用方法。,当坝基岩体内存在软弱结构面、缓倾角裂隙及坝下游经冲刷形成临空面等情况时,需核算深层抗滑稳定。根据滑动面、临空面、尾岩抗力条件综合分析基本地质结构模型后,分单斜面、双斜面和多斜面计算模式,除用刚体极限平衡法计算外,必要时,可辅以有限元法、地质力学模型试验法等核算深层抗滑稳定,并进行综合评定。核算坝基深层抗滑稳定极限状态时,根据规定,应按材料的标准值和作用的标准值或代表值分别计算基本组合和偶然组合。,1.混凝土重力坝深层抗滑稳定 安全度评价现状
15、 1 1 刚体极限平衡法和广义文克尔地基法 这类方法把坝体和基岩看作若干块刚体组成,以某些交接面作为可能的滑动面,通过建立滑动体极限状态方程并利用纯摩公式、剪摩公式或一些改进公式得到安全系数。安全系数可分为超载法安全系数kp和强度储备安全系数ks。超载法安全系数kp是指作用于坝体的水平荷载增大kp 倍时,滑动面处于极限状态;ks 是指滑动面强度指标减少ks 倍后,滑动面处于极限状态。计算方法有被动抗力法、剩余推力法、等安全系数法、广义文克尔地基法、瞬时中心滑动法等,还有考虑坝趾岩体塑性作用的刚塑性极限平衡法等等。,通过大量计算分析后建议以强度储备法中等安全系数法(简称等k法)作为重力坝深层抗滑
16、稳定计算的基本方法。并建议用剪摩公式计算时设计安全系数ks在3.53.0范围内(基本荷载组合特殊荷载组合)作为设计控制指标。,12 有限元(边界元、无穷元)法 在设定的荷载作用下,用有限元(边界元、无穷元)对大坝及基础的实际性状进行模拟计算,计算时,沿可能的滑动面分段,求出分段的法向正应力和剪应力。设某分段的长度为L,则这一分段的阻滑力为(f+c)L,滑动力沿滑动面求和可以得出比值安全系数。,类似于刚体极限平衡法,当提高水平推力致使滑动面破坏,可得到超载法安全系数Kp。当降低滑动面材料强度致使滑动面破坏时,可得到强度储备法安全系数Ks。也可同时增加水平荷载和降低滑动面材料强度致使滑动面破坏,得
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