重力壩壩基深層抗滑穩(wěn)定性分析

1、重力壩壩基深層抗滑穩(wěn)定性分析【摘要】結合碾壓混凝土重力壩工程實例，運用有限元法對壩基深層抗滑穩(wěn) 定性進行分析，計算方法采用強度儲備系數(shù)法，通過模擬壩基失穩(wěn)的漸進破壞過 程，分析認為大壩整體具有一定的強度儲備安全系數(shù)，能夠滿足大壩整體抗滑穩(wěn) 定性的要求，其計算成果可為工程設計提供一定的參考?！娟P鍵詞】碾壓混凝土重力壩；有限元法；強度儲備系數(shù)法；抗滑穩(wěn)定重力壩深層抗滑穩(wěn)定問題的研究十分困難，因為巖體是一種不連續(xù)體，內部 斷層、裂隙等結構面的產狀、特性、分布和切割組合關系十分復雜，這些結構面 的組合，特別是緩傾角的斷層控制著大壩的穩(wěn)定和安全。目前高混凝土重力壩抗 滑穩(wěn)定分析方法有多種，較經典的研究方

2、法1是剛體極限平衡法、模型試驗法、 有限單元法等。本文采用有限元法對某重力壩岸體一壩基系統(tǒng)失穩(wěn)的漸進破壞過 程進行了模擬，并利用不同的判別方式計算壩基的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。該電站坐落于云南省境內金沙江中游的河段上，是以發(fā)電為主的大型水利工 程樞紐，為碾壓混凝土重力壩，最大壩高160m，河中設置壩后式廠房，大壩正 常蓄水位1418m。地質條件根據(jù)地勘資料，該樞紐區(qū)巖層呈單斜構造。壩段處基巖構造表現(xiàn)為斷裂構造， 斷層等破裂結構面較為發(fā)育。對于壩基存在著的t1b和t1a凝灰?guī)r夾層，壩軸線 部位t1b最小埋深40m,距建基面約25m，該層未發(fā)現(xiàn)錯動及泥化的跡象，但對壩 基深層抗滑穩(wěn)定性有一定的影響。壩基

3、地質剖面圖見圖1。圖1壩基地質縱剖面圖計算模型由于壩基地質構造的復雜性23，有限元建模過程中對其進行適當簡化， 壩基主要包含玄武巖、裂面綠石化巖及凝灰?guī)r夾層，壩體淺層的塊裂和碎裂裂面 綠泥石化巖體抗剪強度和變形模量較低，在計算中需重點分析，利用三維繪圖軟 件CATIA及有限元軟件進行模型的構建和數(shù)值分析，計算模型網格采用八結點 六面體C3D8單元。岸坡壩段群壩體與地基網格計算模型見圖2.1-2.2。岸坡壩段 群整體模型的單元總數(shù)為10039個，結點總數(shù)11759個，其中壩體單元數(shù)目2669 個。圖2.1凝灰?guī)r、碎裂綠泥化巖網格圖圖2.2壩體及壩基整體網格圖計算荷載與計算參數(shù)3.1材料參數(shù)依據(jù)大

4、壩設計資料，壩段混凝土的物理力學參數(shù)見表3.1。據(jù)相關規(guī)范，混 凝土抗拉強度標準值取抗壓強度標準值的10%。各類巖體的力學參數(shù)見表3.2。表3.1大壩混凝土的物理力學參數(shù)表3.2大壩壩基巖體物理力學參數(shù)3.2計算荷載計算時考慮的荷載類型有：自重、上下游表面水壓力、淤沙壓力、揚壓力、 滲透壓力。其中上游淤沙高程1335m，淤沙浮容重9KN/m3，內摩擦角24。計 算荷載組合取正常工況，上游蓄水位1418m、下游蓄水位1293.89m。本文基巖材料的本構關系為彈塑性模型，屈服準則采用摩擦型材料的 Druck-Prager 準則4，即：aI+=k式中，a、k均為正常數(shù)，當a、k取不同值時，其相對應不

5、同的DP準則；I 為應力張量的第1不變量；J為應力偏張量的第2不變量，它們與材料強度的關 系取決于Mohr-Coulomb六棱椎面和Mise圓錐面之間的相互關系5。壩肩穩(wěn)定性分析4.1計算收斂性對壩基材料參數(shù)進行折減，由計算不收斂性可求得壩基系統(tǒng)的安全系數(shù)為 3.35，這一判別方式有其局限性，其可為其它判別準則提供依據(jù)。4.2塑性區(qū)域的貫通壩體壩基系統(tǒng)其漸進破壞過程隨著強度折減系數(shù)的增大，岸坡壩段群各壩 段塑性屈服區(qū)擴展程度是不一樣的，且各壩段破壞區(qū)域最終達到上下游貫通其所 對應的折減系數(shù)也有所差別。因而，本文取其中間剖面，等效塑性應變圖見圖 4.1。(a)K=1.0(b)K=2.0(a)K=

6、2.4(b)K=2.6(a)K=2.7 (b)K=2.95圖4.1壩段中間剖面塑性區(qū)分布圖4.3特征點位移的突變性隨著強度折減系數(shù)增加，岸坡壩段群各壩段塑性破壞區(qū)擴展范圍和速率是不 一致的，需對其單獨做抗滑穩(wěn)定性分析，本文選取各壩段在其壩踵處為特征點， 見圖4.2,考察這些特征點順河向位移隨折減系數(shù)變化的趨勢，其典型壩段特征 點位移發(fā)展變化見圖4.3。圖4.2壩體與壩基面交界處圖4.3典型壩段特征點順河向位移發(fā)展變化圖以典型壩段為例，從圖4.3中可以看出隨著折減倍數(shù)的增加，壩踵順河向的 位移也隨之增加，在達到折減系數(shù)2.95之前，增加的速度比較平穩(wěn)，當折減到 2.95倍時位移的變化率突然增大，

7、說明此時結構整體已趨于失穩(wěn)狀態(tài)，之后位移 值又開始有所增加。由突變性理論上來講，結構在折減系數(shù)為2.95時已發(fā)生失 穩(wěn)破壞，可認為該壩段抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為2.95。據(jù)塑性區(qū)域的貫通和位移突變性判據(jù)所判斷出來的各壩段抗滑穩(wěn)定安全系 數(shù)可以看出，整個壩基體系統(tǒng)其強度儲備折減系數(shù)在2.753.00之間，因而大壩 整體具有足夠的強度儲備安全度，能夠滿足抗滑穩(wěn)定性的要求。結論結合重力壩實際工程，利用非線性有限元法對壩基進行深層抗滑穩(wěn)定性 分析，通過采用不同分析法進行校核，認為壩體整體具有足夠的強度儲備安全度， 能夠滿足抗滑穩(wěn)定性的要求。采用強度儲備安全系數(shù)作為壩基穩(wěn)定安全系數(shù)時，其值取決于壩基臨界 面失穩(wěn)狀態(tài)的判據(jù)，且對于材料參數(shù)特別軟弱結構面較為敏感，需采用不同的分 析方法和失穩(wěn)判據(jù)來綜合確定壩肩穩(wěn)定安全系數(shù)。本文對重力壩壩基深層抗滑穩(wěn)定分析探討可為工程設計提供一定的參 考。科【參考文獻】1譚文輝，王臣，劉偉.邊坡穩(wěn)定性分析方法的探討J.露天采煤技術.2陳祖煜.巖質邊坡穩(wěn)定分析-原理、方法、程序M.北京:中國水利水電 出版社,2004,3.華東水利學院，成都科學技