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1、2023/1/81西安理工大学水利水电学院西安理工大学水利水电学院 混凝土重力坝设计规范混凝土重力坝设计规范 现状及发展趋势现状及发展趋势 前前 言言 混混凝凝土土重重力力坝坝设设计计规规范范于于年年首首次次发发布布，年年作作了了局局部部修修订订，根根据据原原水水利利电电力力部部水水利利水水电电规规划划设设计计院院（）水水规规设设字字第第号号文文的的要要求求及及水水利利水水电电工工程程结结构构可可靠靠度度设设计计统统一一标标准准（简简称称水水工工统统标标）规规定定的的原原则则全全面面修修订订。新新规规范范对对混混凝凝土土重重力力坝坝设设计计作作出出了了规规定定。通通过过新新规规范范的的实实施施
2、，在在混混凝凝土土重重力力坝坝的的设设计计中中贯贯彻彻国国家家的的有有关关技技术术经经济济政政策策，做做到到安安全全实实用用、经经济济合合理理、技技术术先先进进、确确保保质质量量。新新规规范范对对混混凝凝土土重重力力坝坝设设计计规规范范及及其其年年补补充充规规定定（简称（简称原规范原规范）作了重大修订。）作了重大修订。2023/1/82 第一一节 混凝土重力坝设计新规范混凝土重力坝设计新规范 一、设计规范修订概述一、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，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
3、则（DJ/T5005-1992)。2023/1/83 修订目的修订目的：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。2023/1/84 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、温控防裂、坝下消能等进展显著，国外的重
4、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。2023/1/85 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、采用混凝土强度等级取代混凝土标号
5、。8、增加了碾压混凝土坝的设计部分。2023/1/86 三、与重力坝新设计规范配套使用的标准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2023/1/87四、结构的极限状态简介四、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；2023
6、/1/88(二二)正常使用极限状态正常使用极限状态 出现下列状况之一,即超过了正常使用极限状态 1、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；2023/1/89（三）结构的极限状态功能函数表达（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。2023/1/810 第二节 混凝土重力坝断面设计2023/1/811 混凝土重力坝一般
7、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。2023/1/812 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
8、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。2023/1/813 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。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。2023/1/814 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
9、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。2023/1/815 一、断面设计原则一、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，以分项系数极限状态设计为实用方法。2 2、建立极限状态方程，但仍以原规范的计算方法为基础。3 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 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 5、对持久状况应考虑承载能力和正常使
10、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。2023/1/816二、二、重力坝上的作用及其分类与组合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：（一）作用按时间的变异分类：1、永久作用、永久作用 （1 1）自重）自重 （2 2）土压力）土压力 （3 3）淤沙压力）淤沙压力 （4 4）地应力）地应力 （5 5）围岩压力）围岩压力 （6 6）预应力）预应力2023/1/8172 2、可变作用、可变作用 （1 1）静水压力）静水压力 （1111）工作桥上活荷载）工作桥上活荷载（2 2）扬压力）扬压力 （1212）桥机门机荷载）桥机门机荷载（3 3）动水压力）动水压力 （13
11、13）温度作用）温度作用（4 4）水锤压力）水锤压力 （1414）土壤孔隙水压力）土壤孔隙水压力（5 5）浪压力）浪压力 （1515）灌浆压力）灌浆压力（6 6）外水压力）外水压力（7 7）风压力）风压力 （8 8）雪压力）雪压力（9 9）冰压力）冰压力（1010）冻胀力）冻胀力2023/1/818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2023/1/8193、偶然作用、偶然作用 （1 1）地震作用）地震作用 （2 2）校核洪水位时水荷载）校核洪水位时水荷载（二）作用组合（二）作用组合1 1、基本组合、基本组合 基本组合按永久作用和可
12、变作用的组合：基本组合按永久作用和可变作用的组合：（1 1）自重）自重 （6 6）动水压力）动水压力 （2 2）土压力）土压力 （7 7）浪压力）浪压力 （3 3）淤沙压力）淤沙压力 （8 8）冰压力）冰压力 （4 4）静水压力）静水压力 （9 9）其它机会出现较多的荷载）其它机会出现较多的荷载 （5 5）扬压力）扬压力 2023/1/8202 2、偶然组合、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）校核洪水位时水荷载（3）其它机会出现很少的荷载2023/1/821 2023/1/8222023/1/823（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
13、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：永久作用长期组合：永久作用 和可变作用的长期作用组合和可变作用的长期作用组合短期组合：永久作用短期组合：永久作用 和可变作用的和可变作用的短期作用组合期作用组合2023/1/824三、坝体强度和稳定承载能力极限状态三、坝体强度和稳定承载能力极限状态计算计算（一）一）承载能力极限状态计算包括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
14、定计算 4、坝基深层结构面抗滑稳定计算2023/1/825（二）对基本组合，应采用如下极限状态设计表达式：2023/1/8262023/1/827（三）对偶然组合，应采用如下极限状态设计表达式：2023/1/8282023/1/8292023/1/8302023/1/831（四）坝趾抗压强度承载能力极限状态（四）坝趾抗压强度承载能力极限状态计算计算2023/1/832 2023/1/833（五）坝体任一计算截面下游端点抗压承载（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能力极限状态计算2023/1/8342023/1/835（六）坝体混凝土与基岩接触面的抗滑坝体混凝土与基岩接触面的抗
15、滑稳定极限状态计算稳定极限状态计算2023/1/836（七）（七）坝体混凝土层面（包括常态混凝土水平施坝体混凝土层面（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：工缝或碾压混凝土层面）的抗滑稳定极限状态：2023/1/837四、坝体正常使用极限状态计算四、坝体正常使用极限状态计算（1 1）正常使用极限状态作用效应短期组合用如下表达式：（2 2）正常使用极限状态作用效应长期组合采如下表达式：2023/1/838（3 3）坝踵垂直应力不出现拉应力）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
16、和；JR：计算截面对形心轴的惯性矩；2023/1/839（4 4）坝体上游面垂直应力不出现拉应力）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；2023/1/840（5 5）短期组合下游坝面垂直拉应力不超限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；2023/1/841 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
17、1 2，3 4，5 2023/1/842 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 Mpa fck 7.6 9.8 14.3 18.5 22.4 26.22023/1/843 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 31.02023/1/844 第三节第三节 混凝土重力坝深层抗滑稳定混凝土重力坝深层抗滑稳定 极限状态设计 2023/1/845 混凝土重力坝设计规范(SDJ
18、21-78)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。2023/1/846u 根据已颁布实施的国家标准水利水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。2023/1/847 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
19、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。2023/1/848 1.混凝土重力坝深层抗滑稳定 安全度评价现状 1 1 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
20、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。2023/1/849 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。2023/1/850 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
21、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。2023/1/851 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，得到综合的安全系数K=Kp Ks。2023/1/852 1.31.3 模型试验法 通常采用石膏模型，并垫入夹层以反映软弱带的影响，以超载法测定安全系数Kp。由于受模型材料的限制，不容易按需要
22、任意规定材料的力学参数，更难以在试验过程中反复再改材料的力学指标。因此，模型试验法一般与数值计算法配合使用，相互验证。2023/1/853 1.4 1.4 可靠度分析法 在重力坝深层抗滑稳定可靠度分析方面，张镜剑等人首先作了有益的探讨；黄东军曾对安康水电站工程厂房坝段重力坝进行了深层抗滑稳定可靠度分析；吴世伟等人采用有限元法为基础的最大可能破坏模式研究了重力坝(含基础)可靠度分析；刘宁等人继续前者工作，用同样方法研究了基础有软弱夹层的重力坝深层抗滑稳定可靠度,高延伟采用刚体极限平衡法研究了单滑动面的重力 坝 深 层 抗 滑 稳 定 可 靠 度 问 题。2023/1/854 2.2.混凝土重力坝
23、深层抗滑稳定可靠度分析混凝土重力坝深层抗滑稳定可靠度分析 刚体极限平衡法是对重力坝深层抗滑稳定安全度作一笼统的整体分析，它不能反映地基逐步破坏的机理、确定相应的变位和应力分布。但由于计算比较简单明了，应用的经验较多，可以得到一个整体安全度的概念，目前被广泛应用。规范把它作为基本方法。2023/1/855 应用刚体极限平衡法分析重力坝深层抗滑稳定问题，成果应该偏于安全，是安全度的下限。水工统标规定，在分析水工结构可靠度时建立极限状态方程应以规范规定的方法为基础。因此，在研究重力坝深层抗滑稳定可靠度时，仍将刚体极限平衡法作为基本方法。2023/1/856 2 21 1 极限状态方程极限状态方程 地
24、基有软弱夹层的混凝土重力坝抗滑稳定问题，可分为单滑动面、双斜滑动面和多滑动面等。单滑动面与沿建基面抗滑稳定分析方法无大的区别。双斜滑动面最为典型。多滑动面比较复杂，不常见，用刚体极限平衡法计算也比较困难。因此，以图F1F1所示典型的双斜滑动面重力坝深层滑动模型作为讨论计算的基本剖面。不难论证，当其它条件不变时，滑动面A B起始A点前移、B点前移或后移，抗滑稳定安全度将增大。因此，图F1F1 所示情况是最危险滑动面组合。2023/1/857 下面以刚体极限平衡法建立极限状态方程。可根据地质结构模型分析确定控制性滑动面进行极限状态抗滑稳定分析。双斜滑动面为最常见情况，如图Fl。2023/1/858
25、 2023/1/859 2023/1/860 2023/1/861 第四节第四节 关于有限元计算问题关于有限元计算问题2023/1/862 重重力力坝坝是是古古老老而而重重要要的的坝坝型型，随随着着科科学学技技术术的的发发展展，筑筑坝坝水水平平提提高高，重重力力坝坝坝坝型型不不断断改改进进，由由实实体体坝坝发发展展到到宽宽缝缝坝坝和和空空腹腹坝坝。由由于于坝坝型型的的革革新新，促促使使坝坝体体设设计计理理论论做做出出相相应应地地改改进进，尤尤其其工工程程实实践践经经验验和和已已建建工工程程运运行行观观测测资资料料不不断断积积累累，为为设设计计规规范范的的制制订订和和修修改改，提提供供了了条条件
26、件，有有力力促促进进了了设设计计水水平平的的提提高高和和施施工工技技术术的的发发展展。施施工工机机械械化化程程度度提提高高加加快快了了混混凝凝土土浇浇筑筑速速度度，缓缓解解了了该该坝坝型型体体积积大大的的缺缺点点，特特别别是是近近年年来来碾碾压压混混凝凝土土筑筑坝坝技技术术的的发发展展，重重力力坝坝的的施施工工已已变变成成类类似似于于土土石石坝坝的的施施工工一一样样，采采用用大大型型通通用用机机械械运运送送混混凝凝土土直直接接上上坝坝，用用振振动动碾碾碾碾压压混混凝凝土土，大大大大加加快快了了施施工工进进度度，简简化化施施工工技技术术，缩缩短短工工期期，使使工工程程可可提提前前发发挥挥效效益益
27、，这这一一重重大大的的施施工工改改革革，为为重重力力坝坝的的建建设设输输入入了了新新的的“生生命命力力”。为为了了适适应应重重力力坝坝的的新新发发展展，重重力力坝坝的的设设计计方方法法和设计规范中应力控制标准，亦必须做出相应地修正。和设计规范中应力控制标准，亦必须做出相应地修正。2023/1/863 混混凝凝土土重重力力坝坝坝坝体体断断面面设设计计，以以前前我我国国与与大大多多数数国国家家一一样样，基基本本上上按按允允许许应应力力和和稳稳定定极极限限平平衡衡法法计计算算选选定定。对对于于坝坝体体应应力力计计算算方方法法和和控控制制标标准准，我我国国现现行行混混凝凝土土重重力力坝坝设设计计规规范
28、范(SDJ(SDJ 21-78)21-78)及及SDJ SDJ 21-7821-78补补充充规规定定-84-84规规定定，用用材材料料力力学学方方法法计计算算坝坝体体应应力力进进行行断断面面设设计计时时，坝坝体体上上游游面面最最小小主主应应力力(不不计计入入扬扬压压力力)应应等等于于大大于于四四分分之之一一计计算算截截面面处处的的静静水水头头(即即 1 10.25rH)0.25rH)。对对于于高高坝坝，尤尤其其当当地地质质条条件件复复杂杂时时，除除用用材材料料力力学学方方法法计计算算外外，宜宜同同时时进进行行模模型型试试验验或或采采用用有有限限元元法法进进行行计计算研究。算研究。2023/1/
29、864 现现行行规规范范中中对对用用有有限限元元法法计计算算坝坝体体应应力力时时，没没有有制制订订出出相相应应应应力力控控制制标标准准，致致使使计计算算成成果果往往往往仅仅作作为为校校核核而而不不能能作作为为设设计计选选择择坝坝体体断断面面的的依依据据，此此其其一一；第第二二，对对用用材材料料力力学学法法计计算算坝坝体体上上游游面面的的主主应应力力控控制制指指标标，一一方方面面与与国国外外同同类类设设计计规规范范不不一一致致，另另一一方方面面亦亦不不再再适适用用于于坝坝体体混混凝凝土土用用薄薄层层摊摊铺铺、碾碾压压施施工工、薄薄弱弱层层面面多多的的碾碾压压混凝土重力坝。混凝土重力坝。针针对对上
30、上述述情情况况，设设计计规规范范中中应应力力控控制制标标准准，亦亦必必须须做做出出相相应应地地修修正正。提提出出研研究究内内容容，拟拟解解决决：第第一一，坝坝体体上上游游面面以以材材料料力力学学法法计计算算的的主主应应力力指指标标为为垂垂直直应应力力指指标标；第第二二，制制定定用用有有限限元元法法计计算算的的坝坝体体建建基基面面及及上上游游面面垂垂直直拉向力区的允许范围。拉向力区的允许范围。2023/1/865 坝坝体体上上游游面面应应力力控控制制标标准准，以以往往国国内内外外在在同同类类设设计计规规范范中中有有两两种种不不同同规规定定：一一是是以以主主应应力力为为准准,二二是是以以垂垂直直应
31、应力力为为准准。例例如如19761976以以前前，原原苏苏联联岩岩基基土土混混凝凝土土重重力力坝坝的的设设计计标标准准和和技技术术条条件件(CH-123-60)(CH-123-60)规规定定，上上游游面面应应力力控控制制标标准准，不不计计扬压力时，主应力扬压力时，主应力 1 10.25rH 0.25rH。19851985年年颁颁布布的的混混凝凝土土和和钢钢筋筋混混凝凝土土坝坝设设计计规规范范代代替替19771977年年规规范范，对对坝坝体体上上游游面面应应力力控控制制标标准准基基本本上上保保持持原原有有规规定定，仅仅坝坝基基接接触触面面(包包括括实实体和宽缝坝体和宽缝坝)改为改为 Y Y 0.
32、2023/1/866 我我国国以以往往设设计计和和建建成成的的实实体体和和宽宽缝缝重重力力坝坝，对对坝坝体体上上游游面面应应力力，均均以以主主应应力力控控制制。19841984年年以以前前按按混混凝凝土土重重力力坝坝设设计计规规范范(SDJ(SDJ 21-78)21-78)控控制制标标准准为为：不不计计扬扬压压力力时时，1=1=(0.25(0.250.40)0.40)rHrH。19841984年年以以后后按按混混凝凝土土重重力力坝坝设设计计规规范范(SDJ(SDJ 21-7821-78补补充充规规定定-84)-84)规规定定控控制制标标准准，不计扬压力时，不计扬压力时，1 10.25rH 0.
33、25rH。国国内内外外8 8个个坝坝坝坝基基面面上上游游同同一一点点的的主主应应力力和和垂垂直直应应力力成果见表成果见表4-14-1：2023/1/867 表表4 41 1 国内外重力坝坝体上游面应力国内外重力坝坝体上游面应力 (应力单位：应力单位：0.01Mpa)0.01Mpa)工程名称坝高（米）上游坝面应力（不计扬压力）上游坝坡垂直应力y主应力l黄龙滩1078885.231：01：0.25湖南镇12985.284.71：0.2龚嘴8661.161.11：0枫树坝95.330.9528.521：01：0.3象山（美国）89.666.266.21：0.0625富赖恩特（美国）83.561.27
34、59.151：01：0.3夏思塔（美国）185172.3168.71：01：0.4福特（美国）6199.399.31：0.06表41 国内外重力坝坝体上游面应力 (应力单位：0.01Mpa)表41 国内外重力坝坝体上游面应力 (应力单位：0.01Mpa)表41 国内外重力坝坝体上游面应力 (应力单位：0.01Mpa)2023/1/868 由表由表4 41 1可见：可见：1.1.当当上上游游面面垂垂直直或或接接近近垂垂直直时时，主主应应力力即即为为垂垂直直应应力；力；2.2.当当上上游游坝坝坡坡小小于于1 1：0.20.2时时，主主应应力力与与垂垂直直应应力力十十分接近；分接近；3.3.当上游坝
35、坡当上游坝坡1 1：0.250.251 1：0.40,0.40,主应力比垂直应力小。主应力比垂直应力小。所所以以设设计计重重力力坝坝时时，如如果果改改用用垂垂直直应应力力控控制制，一一般般来来说说标标准准略略有有放放宽宽，这这样样亦亦与与坝坝基基截截面面的的上上游游坝坝面面即即坝坝踵踵采采用用垂垂直直应应力力作作为为控控制制标标准准相相同同；同同时时，与与有有限限元元法法计计算算坝坝踵踵附附近近的的应应力力时时定定出出的的允允许许垂垂直直拉拉应应力力区区作作为为控控制制协协调调一一致致。这这样样重重力力坝坝上上游游面面无无论论用用材材料料力力学学法法或或有有限限元元法法计计算算均均可可统统一一
36、取取垂垂直直应应力的计算值作为控制依据。力的计算值作为控制依据。2023/1/869 2023/1/870坝趾坝踵自重荷载组合扬压力上下游水压力y(0.1Mpa)X(m)-203010-10257550-4020-3040100图图4 44 4 坝高坝高110m110m坝的垂直应力坝的垂直应力(y y)沿建基面分布沿建基面分布 （用有限元法计算）（用有限元法计算）（图中拉应力为正，压应力为负，应力单位（图中拉应力为正，压应力为负，应力单位0.1Mpa0.1Mpa）2023/1/871 2023/1/872 一、一、用有限元法分析时坝体上游面应力控制标准用有限元法分析时坝体上游面应力控制标准 1
37、.1.问题的指出问题的指出 现现行行混混凝凝土土重重力力坝坝设设计计规规范范(SDJ(SDJ 21-78)21-78)第第7474条条“对对于于高高坝坝，尤尤其其当当地地质质条条件件复复杂杂时时，除除用用材材料料力力学学方方法法计计算算外外，宜宜同同时时进进行行模模型型试试验验或或采采用用有有限限元元法法进进行行计计算算研研究究。对对于于修修建建在在复复杂杂地地基上的中、低坝亦可根据需要进行上述研究。基上的中、低坝亦可根据需要进行上述研究。”上上述述规规范范中中对对用用有有限限元元法法计计算算坝坝体体上上游游面面及及建建基基面面的的上上游游面面的的应应力力，没没有有制制订订相相应应应应力力控控
38、制制指指标标，因因而而计计算算结结果果无无法法用用来来作作为为选选择择坝坝体体断断面面的的依依据据，致致使使有有限限元元法法的的应应用用受受到到了了限限制制，为为了了充充分分发发挥挥本本方方法法的的理理论论严严谨谨、计计算算方方法法灵灵活活、适适用用范范围围广广的的优优点点，应应结结合合近近个个多多年年来来坝坝工工设设计计上上对对该该方方法法应应用用经经验验，尤尤其其对对复复杂杂地地基基和和复复杂杂结结构构上上应应力力和和变变形形问问题题的的解解决决，通通过过分分析析研研究究，制制订订一一个个控控制制标标准准，以以利利于于该该方方法法进进一一步步的的发发展展和和应应用用，逐逐步步完完善善，以以
39、适应大坝建设的发展。适应大坝建设的发展。2023/1/873 采采取取设设计计上上有有实实践践经经验验的的材材料料力力学学法法对对三三种种有有代代表表性性的的坝坝高高，在在主主要要荷荷载载的的基基本本组组合合情情况况下下，选选定定坝坝体体断断面面，然然后后用用有有限限元元法法，考考虑虑不不同同的的坝坝体体与与坝坝基基弹弹模模之之比比，不不同同的的三三角角形形单单元元尺尺寸寸，不不同同的的荷荷载载及及其其组组合合，用用线线弹弹性性有有限限元元法法，并并通通过过工工程程实实例例进进行行分分析析对对比比，拟拟定定出出有有限限元元的的应应力力控控制制标准。标准。2023/1/874 2.2.有限元法分
40、析内容有限元法分析内容 考考虑虑自自重重，上上、下下游游水水压压力力和和扬扬压压力力的的基基本本组组合合，由由坝踵应力控制指标和抗剪摩稳定安全度为依据。坝踵应力控制指标和抗剪摩稳定安全度为依据。材料力学法计算坝的垂直应力沿建基面的分布成果材料力学法计算坝的垂直应力沿建基面的分布成果;沿上游坝面的应力分布成果沿上游坝面的应力分布成果;在相应荷载组合下主应力沿建基面的分布。在相应荷载组合下主应力沿建基面的分布。由由于于上上游游坝坝面面垂垂直直，沿沿上上游游面面分分布布即即为为沿沿上上游游面面的的分分布。布。上上述述用用材材料料力力学学法法计计算算选选定定的的坝坝体体剖剖面面，用用有有限限元元法法进
41、进行行专专门门应应力力分分析析，选选择择典典型型的的计计算算方方案案成成果果，与与材材料料力力学学法法计计算算成成果果进进行行对对比比分分析析。有有限限元元法法分分析析采采用用三角形单元。三角形单元。2023/1/875 2023/1/876 2023/1/877 2023/1/878B B典型坝体剖面典型坝体剖面2023/1/879 选选定定了了三三种种坝坝高高190m190m、110m110m和和50m50m的的典典型型坝体剖面。坝体剖面。计算分析了五种单项荷载及其组合：计算分析了五种单项荷载及其组合：坝体自重坝体自重 坝面静水压力坝面静水压力 上库底及下游河底静水压力上库底及下游河底静水
42、压力 地基渗流体积力地基渗流体积力 坝底扬压力。不考虑温度荷载。坝底扬压力。不考虑温度荷载。有有限限元元分分析析采采用用弹弹性性分分析析方方法法。并并选选择择坝坝踵附近单元尺寸最小的计算结果。应力成果为：踵附近单元尺寸最小的计算结果。应力成果为：2023/1/8802023/1/881 2023/1/8822023/1/883 2023/1/884 2023/1/885 2023/1/886 2023/1/887从上述计算成果可见：从上述计算成果可见：沿建基面各单项荷载及其组合作用下，材料力学法计沿建基面各单项荷载及其组合作用下，材料力学法计算，均为直线分布且为压应力；而有限元法计算，坝踵算，
43、均为直线分布且为压应力；而有限元法计算，坝踵处应力集中明显，荷载组合下有较大拉应力，但衰减很处应力集中明显，荷载组合下有较大拉应力，但衰减很快，除了坝踵附近区外，与材料力学法成果相比，分布快，除了坝踵附近区外，与材料力学法成果相比，分布趋势是较一致的，分布曲线较平缓，而材料力学法为直趋势是较一致的，分布曲线较平缓，而材料力学法为直线分布。线分布。用有限元法计算成果中沿建基面的应力，随不同的弹用有限元法计算成果中沿建基面的应力，随不同的弹模比相差较大，尤其坝踵附近区域模比相差较大，尤其坝踵附近区域 (见表见表3-23-2、表、表3-3)3-3)，但分布趋势是一致的。但分布趋势是一致的。2023/
44、1/888 有有限限元元法法计计算算成成果果中中，沿沿建建基基面面拉拉应应力力区区范范围围较较大大，坝坝越越高高，宽宽度度越越大大，但但其其相相对对宽宽度度较较为为接接近近。分分析析上上述述有有限限元元法法计计算算成成果果，从从坝坝踵踵单单元元尺尺寸寸最最小小方方案案来来看看，坝坝踵踵处处均均为为拉拉应应力力，且且其其值值坝坝越越高高而而越越大大，拉拉应应力力区区宽宽度度，坝坝越越高高而而越越宽宽，但但拉拉应应力力宽宽度与坝的相对宽度基本接近。度与坝的相对宽度基本接近。2023/1/889 3 3应力控制标准应力控制标准 从从用用有有限限元元法法计计算算坝坝体体应应力力的的实实践践中中可可知知
45、，由由于于重重力力坝坝的的特特点点，往往往往将将坝坝体体作作为为弹弹性性体体平平面面问问题题处处理理，其其计计算算精精度度是是随随着着单单元元尺尺寸寸的的减减小小而而增增加加，应应力力误误差差与与单单元元尺尺寸寸成成正正比比，并并且且与与单单元元的的边边长长比比亦亦有有很很大大关关系系。实实际际计计算算中中，每每个个计计算算对对象象单单元元大大小小不不可可能能一一致致，亦亦不不可可能能做做到到单单元元边边长长一一致致，尤尤其其是是结结构构的的角角缘缘处处，往往往往应应力力值值相相当当大大，网网格格越越密密，应应力力可可大大到到惊惊人人的的程程度度(实实际际上上角角缘缘处处的的材材料料此此时时已
46、已局局部部屈屈服服、开开裂裂或或滑滑移移，应应力力将将重重分分布布)，因因此此，用用有有限限元元法法计计算算坝坝体体应应力力时时，要要用用一一个个量量值值作作为为控控制制标标准准是是不不太太可可能能的的，鉴鉴于于前前面面对对有有限限元元法法计计算算成成果果的的分分析析，用用拉拉应应力力区区大大小小来来控控制制是是可可行行的的，特特别是用垂直拉应力分布范围大小来控制更合理一些。别是用垂直拉应力分布范围大小来控制更合理一些。2023/1/890 2023/1/891 2023/1/892 2023/1/893 4 4小结小结 在在原原设设计计时时均均用用材材料料力力学学法法计计算算坝坝体体应应力力
47、的的结结果果作作为为设设计计坝坝体体断断面面的的依依据据。当当用用线线弹弹性性有有限限元元法法计计算算时时，沿沿建建基基面面上上游游部部位位出出现现较较大大的的主主拉拉应应力力区区而而超超过过帷帷幕幕灌灌浆浆范范围围，当当有有些些工工程程经经用用弹弹性性非非线线性性有有限限元元分分析析，假假设设沿沿建建基基面面或或坝坝基基开开裂裂一一定定宽宽度度和和深深度度，用用应应力力重重分分布布分分析析，坝坝踵踵附附近近主主拉拉应应力力区区消消失失或或范范围围缩缩减减到到小小于于帷帷幕幕灌灌浆浆区区，所所以以在在长长期期运运行行中中未未发发生生大大量量漏漏水水或或其其它它不不安安全全的的问问题题的的这这个
48、个事事实实，也也可可以以用用同同一一计计算算中中坝坝踵踵附附近近垂垂直直应应力力来来解解释释，该该处处垂垂直直拉拉应应力力区区相相对对宽宽度度在在0 07.37.3，均均在在帷帷幕幕区区宽宽度度范范围围以以内。内。再再说说建建基基面面是是两两种种不不同同材材料料的的接接触触面面，不不能能承承受受主主拉拉应应力力，当当拉拉应应力力超超过过接接触触面面砂砂浆浆强强度度后后，必必然然沿沿接接触触面面拉拉开开，所所以以真真正正控控制制的的面面应应以以垂垂直直于于建建基基面面的的正正拉拉应应力力为为准准，此此其其一一。第第二二，从从各各坝坝在在自自重重+水水压压力力或或自自重重+水水压压力力+扬扬压压力
49、力组组合合作作用用下下，坝坝踵踵附附近近的的拉拉应应力力区区相相对对宽宽度度，垂垂直直正正拉拉应应力力：不不计计扬扬压压力力时时约约为为5 5左左右右，计计扬扬压压力力时时约约为为7 7左左右右；主主拉拉应应力力：不不计计扬扬压压力力时时约约为为1616左右，计扬压力时约为左右，计扬压力时约为2222左右。左右。2023/1/894二、总结总结1 1、原规范中有限元法计算问题、原规范中有限元法计算问题 原规范中没有给出有限元法应力控制标准，这是因为：1、应力结果具有网格尺寸效应 应力结果随网格尺寸大小而变化，即具有网格尺寸效应，应力值有不确定性。2、坝踵处拉应力经常出现奇异值，很难用拉应力的绝
50、对值来作为应力控制标准。2023/1/8952、新规范中有限元法计算问题、新规范中有限元法计算问题 经过多年的研究，采用许多不同的网格划分方案对重力坝进行有限元法计算，发现有如下规律：(1)、不同的网格划分方案，坝踵处主拉应力（或垂直拉应力）差别很大，不能用其作为应力控制标准。(2)(2)、不同的网格划分方案，存在一个无量纲数，即上游面垂直拉应力区长度与坝底宽之比，不随网格划分方案而变化，具有确定性，可作为应力控制标准。2023/1/8963、新规范中有限元法应力控制标准、新规范中有限元法应力控制标准(1)、坝基上游面、坝基上游面 计扬压力时，坝基上游面垂直拉应力区长度与坝底宽之比应小于0.0