工程結構的主要功能是承載和傳遞載荷(載荷是指結構或部件產生內力和變形的外力和其他因素)。要傳遞負荷，首先要承受負荷。什么是負荷？工程有三個基本標準。這三個基本標準是強度、剛性和穩定性。什么是強度？強度是指材料和結構能承受多少負荷而不破壞。簡單的例子，就是給一根桿件施加力，這個力大到一定程度就把它掰斷了，這個桿件在外力作用下發生破壞時出現的最大應力，就是極限強度，也可稱為破壞強度（有些材料在達到極限強度前還有個屈服強度，這里不細說）。什么是剛度？剛度是指材料或結構在受力時抵抗彈性變形的能力。建筑結構在使用上有變形極限的要求，如果變形大，可能還沒有被破壞，但實際上失去了其使用功能。然而，也有一種情況:結構可能沒有被破壞或變形，但它已經失去了作為結構的功能，這就是結構的穩定性。什么是結構的穩定性？結構的穩定性是指結構在外載的作用下，能夠保持本來的平衡狀態的能力。如果結構在外載作用下無法保持原有的平衡，則稱為不穩定。例如住宅建筑結構的壓桿穩定問題等。水工建筑中經常遇到的是防滑穩定和防傾斜穩定問題。例如，重力水庫的功能是擋水，材料被破壞或變形是強度和剛性的問題，但是內部的材料可能沒有被破壞或變形，但是被水平力推動或者被壟斷的話，就不能發揮擋水功能，也可能會造成很大的災害。這就是重力壩的抗滑穩定和抗傾斜穩定。本文主要討論的僅為水工建筑物的穩定計算問題。另外正如文章標題所示的，本文只是淺談和科普性質，并未深入探討。

二，水工建筑物抗滑，抗傾穩定問題概述

水工建筑物的抗滑穩定和抗傾穩定問題，比如重力壩的穩定，水閘閘室的穩定，泵站泵房的穩定，擋土墻的穩定等等，基本上都可以歸結為一個簡單的模型，如下圖所示：

上圖中，水平方向的合力ΣP，鉛直方向的合力ΣW，順時針方向的合力矩ΣM順時針，逆時針方向的合力矩ΣM逆時針。規范給出的穩定安全系數計算公式為：抗滑穩定安全系數Kc=ΣW/ΣP，須大于規范要求的值。抗傾斜穩定安全系數K0=σMV/σMH，必須大于規范要求的值。以下是具體的說明。

三、防滑問題的力學說明

上述防滑穩定安全系數的計算公式為Kc=σW/膦P，即鉛直方向的合力和水平方向的合力比例大于一定值，該值大于1.0，一些工程設計規范要求的值大于(設計都是保守的傾向這個公式是什么意思？其實可以歸納為初中物理簡單的摩擦力問題。上述模型的簡單圖對結構物的力量分析實際上并不完整。摩擦力問題的計算簡單圖大致如下:

最簡單的情況下，物體在鉛直方向受到重力g和支持反力n，G=N。水平方向受推力F和接觸面摩擦力F。當推力小時，靜摩擦力f隨著f的增大而增大，物體可以保持靜止狀態。但是，推力f超過最大靜摩擦力時，物體會滑動。最大靜摩擦力的計算公式是f=uN。f是最大靜摩擦力，N是正壓力，u是最大靜摩擦因數。而N=G。如果G足夠大，則最大靜摩擦力f也將足夠大，大到足以抵抗推力F。規范的公式σW/σP只是簡化了這個原理(工程師喜歡簡潔，一目了然，操作參數方便，科學理論要求邏輯推理的嚴密性)。事實上，上述公式嚴格稱為抗剪強度公式(有些規范在前乘F，即抗剪摩擦系數)。此外，還有一種公式稱為抗剪公式。事實上，分子增加了凝聚力(考慮到壩體混凝土與基巖接觸良好)，f改為f，即抗剪摩擦系數。實際上，是為了更接近力學摩擦力的實際情況。四、抗傾斜問題的力學說明抗傾斜穩定安全系數的計算公式是K0=MV/σMH，是什么意思？MV是指對基底前趾的抗傾覆力矩，MH是指對基底前趾的傾覆力矩。簡而言之，就是說抗傾覆力矩要大于傾覆力矩，才能保證結構物不被傾覆。圖1中，結構物受到逆時針的合力矩(主要由下鉛直力和左側水平力提供)和順時針的合力矩(主要由右側水平力和上鉛直力提供)的作用。在這個例子中，順時針矩是霸權矩，逆時針矩是霸權矩。以結構物的前端為旋轉軸心時，順時針的合力矩大于逆時針的合力矩時，結構必須向前傾斜。因此，在這個例子中，逆時針的合力矩和順時針的合力矩的比例大于規范允許的值(這個值大于1，情況更大)。在某些情況下，順時針矩是抗傾覆矩，逆時針矩是傾覆矩，具體問題應具體分析。

五、進一步討論

在工程設計中，當然不可能有這么簡單的情況。但而，基本原理仍然是上述非常簡單的模型。主要困難只是尋求各種水平力、鉛直力、扭矩復雜。另外，就是要分各種工況，要使得結構在最不利的荷載組合的作用下也能保證安全。比如重力壩的穩定，在水平方向，主要是靜水壓力，動水壓力，浪壓力，泥沙壓力等，基本都是指向下游，對結構抗滑不利的，其合力就相當于圖1的ΣP。在鉛直方向，豎直向下的，主要是重力，這對結構抗滑是有利的，重力壩只所以叫重力壩，原因也是因為主要依靠壩體自重產生的抗滑力來滿足穩定要求。另外，垂直上升的主要是提高壓力，不利于結構的防滑。提升壓力實際上是上浮力和滲透壓力的合稱。上浮力其實是由壩體下游水深產生的浮托力。單位長度的上浮力等于水的容重乘下游水深。滲透壓力是在上，下游水位差作用下，水流通過基巖節理，裂隙而產生的向上的靜水壓力。單位長度的滲透壓力，在上游端最大，等于水的容重乘以上，下游水頭差，在下游端減小為0。自重力和壓力的合力相當于圖1的σw。閘門室的穩定性與泵站泵室的穩定性受力分析基本相似，但由于身體復雜，如自重，需要分為幾個部分計算，如閘門底板的自重、排架自重、閘門自重、開關自重等。水重也是自重的一部分，應該把閘門劃分為兩部分，不同的情況需要分開計算。擋土墻的穩定比較簡單，有幾種類型，最簡單的類型也是重力式擋土墻，自重抵抗滑動。橫力主要是土壓，縱力主要是重力。作用在擋土墻上的土壓有三個特定值，即靜止土壓、主動土壓和被動土壓。墻壁絕對不動的情況下，墻后土體作用于墻背的土壓稱為靜止土壓。當墻壁向前移動(離開土壤)或旋轉時，最后墻壁后的土壤達到主動極限平衡，土壤壓力達到最小值，稱為主動土壤壓力。墻壁在外力的作用下，產生向后的位移和旋轉，最后墻壁后面的土體達到被動極限平衡狀態，土體壓力達到最大值，稱為被動土體壓力。主動土壓力小于靜止土壓力小于被動土壓力。靜止土壓力比較簡單，其強度分布為三角形，墻高為h的總土壓力P0=1/2*γHK0，γ為土容量，K0為靜止土壓力系數。計算主動土壓和被動土壓比較復雜，使用土壓的兩種計算理論，一種是庫倫理論，另一種是朗肯理論。具體公式見《土力學》教材。對于混凝土垂直墻背，庫倫理論計算的主動土壓力合理，經濟，被動土壓力誤差大的朗肯理論的主動土壓力比庫倫理論計算的大，但適用于懸臂式、扶墻式或l形擋土墻。我們水工擋土墻，重力式擋土墻一般用庫倫式計算主動土壓，懸臂式，扶墻式擋土墻一般用朗肯式計算主動土壓。

六、邊坡穩定分析

這里一般指土質邊坡。土坡中的一部分土體對另一部分土體產生相對位移，或沿著一個滑動面旋轉下滑，以至喪失原有穩定性的現象，就是邊坡失穩或滑坡。需要分為無粘土邊坡和無粘土邊坡兩種類型進行穩定性分析。無粘性土邊坡的穩定性分析，其物理原理實際上可以追溯到圖2中的斜坡狀況，實際上土力學也從斜坡上取小塊土體進行研究，相當于斜坡上物體的摩擦力問題。在穩定狀態下，阻止土塊滑動的抗滑動力必須大于土塊的滑動力，因此以抗滑動力和滑動力的比例作為評價土塊的穩定安全度。該比值稱為土坡穩定的安全系數Fs，Fs=抗滑力Tf/滑動力Ts，經推導可得出它等于tanφ/tanβ，β為坡角，φ為無粘性土的內摩擦角，因此對于均質無粘性土而言，如果坡角小于土的內摩擦角，無論坡的高度，坡材的重量如何，土坡總是穩定的。這就是為什么我們邊坡的坡度比一定值慢。當然，上面是全干或全淹沒的土坡的情況，如果有滲透作用的邊坡，也要考慮滲透力的影響，最后推導的公式也和上面相似，但是如果有滲透作用的話，坡度必須放緩。粘性土邊坡的穩定性分析，不能取小塊土體進行研究。滑坡發生時，滑動面的形狀與圓弧面相似。土力學有整體圓弧滑動法，假設滑動面以上的滑動土為剛性體，將滑動面以上的土為脫離體，分析其在各種力作用下的穩定性。此時，安全系數的表現也是比值，但不是滑動力和滑動力，而是滑動力和滑動力的比值。當然，也要確定最危險的滑弧。在比較簡單的情況下，可以采用費倫紐斯的方法。外形復雜，特別是土坡由多層土構成時，滑動土體的重量及其重心位置復雜。此時使用條分法，與費倫紐斯、太沙基、畢肖普例如，費倫紐斯、太沙基、畢肖普最后得到安全系數，與規范的許可值進行比較，看到安全不安全。具體的導游公式在此不予說明，參考土力學，而且有些計算還不能用手計算解決，需要計算機編程。另外，上面第五節提到的重力水庫的防滑穩定，實際上正確地說，應該是沿水庫基面的防滑穩定，還應該分析深層防滑穩定。也就是說，水庫基礎內存在不利緩傾角的弱結構面時，水庫體在水荷載的作用下，水庫體有可能沿弱結構面同步滑動，即所謂的深層滑動。這個深層滑動的穩定計算就有點類似邊坡穩定問題。總而言之，對于此類穩定問題，我們水工設計規范的基本思想都是用安全系數來表示，它等于結構物抵抗破壞穩定或者說保持自身穩定的能力（如抗滑力，抗滑力矩，抗傾覆力矩等）和結構物所受到的外力破壞其穩定狀態的作用（如滑動力，滑動力矩，傾覆力矩等）的比值。而其追根溯源，可以歸結為中學物理的簡單計算模型。

相信經過以上的介紹，大家對水工建筑物的強度，剛度和穩定性怎么計算也是有了一定的認識。歡迎登陸建材板材網，查詢更多相關信息。