工程结构的主要功能是承载和传递荷载(荷载是指使结构或构件产生内力和变形的外力等因素)。要传递荷载，首先要能承受荷载。什么是能承受荷载？项目中有三个基本标准。这三个基本标准是强度、刚度和稳定性。

什么是强度？强度是指材料或结构在不破坏的情况下能承受多大的载荷。简单的例子就是给一个杆件施加力，在一定程度上断裂。当这个杆件在外力作用下被破坏时，最大的应力是极限强度，也可以称为破坏强度(有些材料在达到极限强度之前还有屈服强度，这里就不细说了)。

什么是刚度？刚度是指材料或结构在受力时抵抗弹性变形的能力。建筑结构在使用中有变形极限的要求。如果变形太大，虽然可能没有损坏，但实际上已经失去了使用功能。但是还是有一种情况:结构可能没有损坏或变形太大，但是已经失去了作为结构的功能，这就是结构的稳定性。

结构稳定性是什么？

所谓结构稳定性，是指结构在外载荷的作用下能够保持原有平衡的能力。如果结构在外载荷的作用下不能保持原有的平衡，就叫不稳定。比如建筑结构的压杆稳定。水工建筑经常遇到抗滑稳定和抗倾稳定的问题。比如一个重力坝，它的作用是挡水。有一种情况:它的材料被破坏或变形，这就是强度或刚度的问题；但也可能有一种情况:其内部材料可能没有损坏或变形，但由水平力驱动或倾覆，不能再发挥挡水功能，造成巨大灾害。这就是重力坝的抗滑稳定性和抗倾稳定性。

本文主要讨论的只是水工建筑的稳定计算。另外，如文章标题所示，本文只是简单的讨论和科普的性质，没有深入的讨论。

二、水工建筑抗滑、抗倾稳定性概述

水工建筑的抗滑稳定性和抗倾稳定性，如重力坝的稳定性、闸门室的稳定性、泵站泵房的稳定性、挡土墙的稳定性等。，基本上可以归结为一个简单的模型，如下图所示:

上上图中，水平方向的合力σP，铅直方向的合力σW，顺时针方向的合力σM，逆时针方向的合力σM和逆时针方向的合力σM。规范给出的稳定安全系数的计算公式为:抗滑稳定安全系数Kc=σW/σP，必须大于规范要求的值。抗倾稳定安全系数K0=σMV/σMH必须大于规范要求的值。下面详细解释一下。

三、抗滑问题的力学解释

上述抗滑稳定安全系数的计算公式为Kc=σW/σP，即铅直方向的合力与水平方向的合力之比大于一定值，这个值必须大于1.0，而一些工程设计规范要求的值更大(设计偏保守，必须提供一定的余量)。

这个公式是什么意思？其实可以归结为初中物理简单的摩擦问题。其实上面的模型简图并没有完全画出结构的受力分析。摩擦问题的计算简图应如下图所示:

最简单的情况是，物体在铅直方向受到重力G和支撑反力N，G=N。水平方向受到推力F和接触面的摩擦力f。当推力F较小时，静摩擦力f随F的增大而增大，物体可以保持静止。但是，如果推力F大于最大静摩擦力，物体就会被推滑。

最大静摩擦力的计算公式是f=un。f是最大静摩擦力，n是正压，u是最大静摩擦因数。N=G。如果G足够大，最大静摩擦力f足够大，足以抵抗推力f。事实上，标准公式σW/σP只是简化了这个原理(工程师喜欢简洁、一目了然、操作方便的参数，而科学理论需要严格的逻辑推理)。其实上面的公式严格叫抗剪强度公式(有的规范在前面乘f，也就是抗剪摩擦系数)，另一个公式叫抗剪公式，其实就是在分子上加一个凝聚力(考虑到坝体混凝土与基岩接触良好)，f改为f，也就是抗剪摩擦系数。其实都是为了让自己更接近力学中摩擦力的实际情况。

四、抗倾问题的力学解释

抗倾稳定安全系数的计算公式是：K0=σMV/σMH，什么意思？MV是指对基底前趾的抗倾覆力矩，MH是指对基底前趾的倾覆力矩。简单地说，就是说，抗倾覆力矩大于倾覆力矩，以确保结构不被倾覆。图1中，结构物受到逆时针的合力矩(主要由向下的铅直力和向左的水平力提供)和顺时针的合力矩(主要由向右的水平力和向上的铅直力提供)的影响。例如，顺时针力矩为倾覆力矩，逆时针力矩为抗倾覆力矩。若以结构物前端为旋转轴心，若顺时针的合力矩大于逆时针的合力矩，则结构将向前倾覆。因此，在这一例子中，需要逆时针的合力矩与顺时针的合力矩的比值大于规范允许的值(这一值大于1，有些情况更大)。而且在某些情况下，顺时针力矩是抗倾覆力矩，逆时针力矩是倾覆力矩，具体问题应具体分析。

5.进一步讨论

在工程设计中，当然不可能有这么简单的情况。但基本原理还是上面很简单的模型。主要困难无非是寻求各种水平力、铅直力和扭矩的复杂性。此外，还需要划分各种工况，使结构在最不利的荷载组合作用下保证安全。

例如重力坝的稳定性，在水平方向，主要是静水压力、动水压力、波浪压力、泥沙压力等，基本上都指向下游，不利于结构的防滑，其合力相当于图1的σP。

在铅直方向，重力主要是垂直向下的，有利于结构的防滑。重力坝只叫重力坝，因为主要靠坝体自重产生的防滑力来满足稳定要求。此外，还有垂直向上的，主要是提升压力，不利于结构的防滑。提升压力其实是上浮力和渗透压力的统称。上浮力实际上是坝体下游水深产生的浮托力。单位长度的上浮力等于水的容重乘以下游水深。渗透压力在上下游水位差的作用下，水流通过基岩节理和裂缝产生的向上静水压力。单位长度的渗透压力在上游端最大，等于水的容重乘以上，下游水头差在下游端降到0。自重力和提升压力的合力相当于图1中的σW。

闸门的稳定性与泵站泵室的稳定性受力分析基本相似，但由于形状复杂，如自重，需要分为几个部分进行计算，如桥墩闸门底板自重、排架自重、闸门自重、启闭机自重等。水重也是自重的一部分，应以闸门为界分为两部分，不同的工况需要单独计算。

挡土墙的稳定性比较简单，有几种类型，最简单的类型也是重力挡土墙，也是靠自重来防滑。水平力主要是土压，垂直力主要是重力。

作用于挡土墙的土压一般有三个特定值，即静止土压力、主动土压力和被动土压力。当墙绝对不动时，墙后土体作用于墙背的土压称为静止土压力。当墙面向前微小移动(离开土)或旋转时，最后墙后土体达到主动极限平衡状态，土压达到最小值，称为主动土压力。当墙体在外力作用下向后移动或旋转时，最后墙后土体达到被动极限平衡状态，土压达到最大值，称为被动土压力。主动土压力小于静止土压力，小于被动土压力。静止土压力相对简单，强度分布为三角形。墙高为H的总土压力P0=1/2*γHK0，γ是土的容重，K0是静止土的压力系数。主动土压力和被动土压力的计算比较复杂需要两种计算理论，一种是库伦理论，一种是朗肯理论。具体公式见《土力学》教材。对于混凝土垂直墙背，库伦理论计算的主动土压力合理且经济，被动土压力误差大；朗肯理论主动土压力大于库伦理论计算的，但适用于悬臂式、扶墙式或L型挡土墙。我们的水工挡土墙一般采用库伦公式计算主动土压力，悬臂式和扶墙式。

六、边坡稳定性分析

这里一般指土壤边坡。土壤边坡中的一部分土壤对另一部分土壤产生相对位移，或者沿滑动面旋转下滑，从而失去原有的稳定性，即边坡失稳或滑坡。

稳定性分析需要分为无粘性土边坡和粘性土边坡两种。

无粘土边坡稳定性分析，其物理原理，其实可以追溯到图2中的斜坡情况，其实土力学也是从坡面上任意取一小块土来研究的，相当于斜坡上物体的摩擦问题。当处于稳定状态时，防止土块滑动的抗滑能力必须大于土块的滑动能力，因此用抗滑能力与滑动能力的比例来评价土坡稳定的安全性。该比例称为土坡稳定的安全系数Fs，Fs=抗滑Tf/滑动Ts，通过推导可以得出它等于tanφ/tanβ，β为坡角，φ为无粘性土的内摩擦角，因此，对于均质无粘性土，只要坡角小于土的内摩擦角，不管坡的高度有多大，边坡材料的重量有多大，土坡总是稳定的。因此，我们边坡的坡度比某个值慢。

当然，以上是完全干燥或完全淹没的土坡。如果有渗流边坡，也要考虑渗透力的影响。最后推导出来的公式和上面差不多，但是如果有渗流，坡度一定要减慢。

粘土边坡坡的稳定性分析不能用一小块土来研究。滑坡发生时，滑动面的形状往往类似于一个弧形表面。在土力学上，有一种整体弧形滑动方法，即假设滑动面以上的滑动土体是刚性塑性体，然后将滑动面以上的滑动土体分离体，分析其在各种力作用下的稳定性。此时安全系数的表达也是一个比值，但不是抗滑力和滑动力，而是变成了抗滑力矩和滑动力矩的比值。当然也要确定最危险的滑弧。对于简单的情况，可以采用费伦纽斯的方法。如果形状复杂，尤其是土坡由多层土组成时，确定滑动土体的重量和重心位置是复杂的。这个时候就要用条分法了，专家们做了很多研究工作，比如费伦纽斯，太沙基，毕肖普。最后，他们都需要得到一个安全系数，与标准允许值进行比较，看是否安全。具体推导公式这里就不赘述了。参见土力学，有些计算靠手算解决不了，需要电脑编程。

另外，上面第五节提到的重力坝的抗滑稳定性，其实应该叫沿坝基面的抗滑稳定性，还要分析深层的抗滑稳定性。也就是说，当坝基有不利的缓倾角软弱结构表面时，在水荷载的作用下，坝体可能会沿软弱结构表面同步分基岩，即所谓的深层滑动。这种深层滑动的稳定计算有点类似于边坡稳定。

综上所述，对于这样的稳定性问题，我们水工设计规范的基本思想是用安全系数来表示的，相当于结构抵抗破坏稳定或保持自身稳定的能力(如抗滑力、抗滑力矩、抗倾覆力矩等)的比值。)和结构受到的外力破坏其稳定状态(如滑动力、滑动力矩、倾覆力矩等。).它的可追溯性可以归结为中学物理的简单计算模型。

相信经过以上介绍，大家对水工建筑的稳定计算？看看这里的轻松学习也有一定的了解。欢迎登录建材板网查询更多相关信息。