重力壩壩基抗滑穩(wěn)定計(jì)算方法

郭天明

(山西省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院,山西 太原 030024)

重力壩壩基抗滑穩(wěn)定計(jì)算方法

郭天明

(山西省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院,山西 太原 030024)

為研究重力壩壩基抗滑穩(wěn)定性,以含軟弱夾層復(fù)雜地質(zhì)條件的重力壩為研究對象進(jìn)行分析。從剛體極限平衡法出發(fā),對各參數(shù)的敏感性進(jìn)行分析評價,用剛體極限平衡法和ANSYS分析軟件分別進(jìn)行抗滑穩(wěn)定計(jì)算,并進(jìn)行結(jié)果對比。有限單元法與剛體極限平衡法得出的壩基深層抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)較為接近。有限單元法能分析各種復(fù)雜形狀,比剛體極限平衡法更接近于真實(shí)狀態(tài)。

抗滑穩(wěn)定;極限平衡法;ANSYS;對比分析

0 前 言

在實(shí)際工程中,重力壩壩址的地質(zhì)結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜,壩基內(nèi)往往存在不利的結(jié)構(gòu)面,重力壩的深層抗滑穩(wěn)定也隨之變得更加復(fù)雜。因此抗滑穩(wěn)定一直是重力壩設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要內(nèi)容。

現(xiàn)在對于壩基深層抗滑穩(wěn)定的分析方法中,剛體極限平衡法仍然是主要方法[1],這種方法簡單實(shí)用,但是剛體極限平衡法僅考慮了巖體的強(qiáng)度特性,未將地基作為變形體,不能給出地基內(nèi)應(yīng)力和變形的分布情況,而且在求解時須采用許多假定,忽略了一些復(fù)雜的地質(zhì)條件,從而導(dǎo)致了一些計(jì)算結(jié)果不夠準(zhǔn)確。近年來,隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展,有限單元法己經(jīng)發(fā)展得非常成熟和完善。有限單元法可以較大范圍考慮地質(zhì)構(gòu)造的復(fù)雜性,能較精確地分析壩體和壩基的應(yīng)力和變形,對極限平衡方法有很大改進(jìn)和補(bǔ)充。

本文對地質(zhì)條件較為復(fù)雜的重力壩工程擋水壩段進(jìn)行了分析探討,從傳統(tǒng)的剛體極限平衡法出發(fā),對各參數(shù)的敏感性進(jìn)行了分析評價,得出壩基深層抗滑穩(wěn)定安全系數(shù),并與運(yùn)用ANSYS分析軟件計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行了對比分析。

1 工程實(shí)例

1.1 工程概況

某重力壩壩頂高程683.8 m,最大壩高49.8 m,壩頂長240 m,壩頂寬6 m,壩底寬47.42 m上游水深48.2 m,下游水深6.75 m。大壩左右壩肩各有一條斷層,壩基存在兩層軟弱結(jié)構(gòu)面,其滑動示意圖見圖1。

圖1 雙斜面滑動示意圖

1.2 模型影響因子敏感性分析

考慮ABD塊的穩(wěn)定,則有:

式中:K′1、K′2為按抗剪斷強(qiáng)度計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù);W為作用于壩體上全部荷載(不包括揚(yáng)壓力,下同)的垂直分值(kN);H為作用于壩體上全部荷載的水平分值(kN);G1、G2分別為巖體ABD、BC D重量的垂直作用力(kN);f′1、f′2分別為AB軟弱夾層面、BC剪切破裂面的抗剪斷摩擦系數(shù);c′1、c′2分別為AB軟弱夾層面、BC剪切破裂面的抗剪斷凝聚力(kPa);A1、A2分別為AB、BC面的面積(m2);α、β 分別為軟弱夾層面AB、剪切破裂面BC面與水平面的夾角;U1、U2、U3分別為AB、BC、BD面上的揚(yáng)壓力(kN);Q、φ分別為BD面上的作用力及其與水平面的夾角。夾角φ值需經(jīng)論證后選用,從偏于安全考慮 φ可取0。

通過式(1)、式(2)及K′1=K′2=K′,可求解抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K′值。

當(dāng)壩基中的軟弱夾層成為壩體深層抗滑穩(wěn)定的控制滑動面時,則軟弱夾層的物理力學(xué)性質(zhì)對壩體的抗滑穩(wěn)定安全至關(guān)重要,而其中抗剪斷摩擦系數(shù)f′和抗剪斷凝聚力c′最為重要[2]。計(jì)算中取抗剪斷摩擦系數(shù)f′在0.25～0.47之間每增加0.02計(jì)算抗滑穩(wěn)定安全系數(shù),軟弱夾層面的抗剪斷凝聚力c′在2 kPa～57 kPa之間每增加5 kPa計(jì)算抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。得出抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)隨軟弱夾層面抗剪斷摩擦系數(shù)f′和抗剪斷凝聚力c′的變化趨勢見圖2和圖3。

圖2 壩基深層抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)k隨軟弱夾層面抗剪斷指標(biāo) f′的變化趨勢

圖3 壩基深層抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)k隨軟弱夾層面抗剪斷指標(biāo)c′的變化趨勢

由圖2和圖3可知:軟弱夾層面上的抗剪斷摩擦系數(shù)f′在0.25～0.47之間變化時,壩基深層抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)隨抗剪斷摩擦系數(shù)的增加而增大。抗剪斷摩擦系數(shù)每增加0.02,安全系數(shù)增加0.03左右。軟弱夾層面的抗剪斷凝聚力c′在2 kPa～57 kPa之間變化時,壩基深層抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)隨抗剪斷凝聚力的增加略有增大。抗剪斷凝聚力每增加10 kPa時,安全系數(shù)增加0.02。

1.3 剛體極限平衡法計(jì)算抗滑安全系數(shù)

計(jì)算時選取地勢較低的6#壩段(泄洪排沙底孔壩段)作為典型壩段,分兩種工況進(jìn)行研究,第一種是正常蓄水位工況,第二種是校核洪水位工況。由于6#壩段的上層軟弱夾層埋深較淺,為了改善穩(wěn)定性,對上層軟弱夾層進(jìn)行了開挖置換的工程處理,只計(jì)算下層軟弱夾層的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。根據(jù)剛體極限平衡法計(jì)算壩段整體的深層抗滑穩(wěn)定,按圖4雙斜面深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算簡圖,根據(jù)地質(zhì)資料選取軟弱夾層面上的力學(xué)指標(biāo)f′1為0.25,c′1為5 kPa,剪切破裂面上的巖體力學(xué)指標(biāo)第一層f′2為 0.750,c′2為 700 kPa;第二層f′2為0.750,c′2為1 200 kPa。軟弱夾層與水平面的夾角取為7.5°。剪切破裂面起始點(diǎn)B的水平投影點(diǎn)D由壩趾正下方向下游移動變化,剪切破裂面滑出點(diǎn)C根據(jù)β值變化可向下游移動變化。以AD,β為變量,AD從AE～(AE+30m)之間變化(AE為壩底寬度),計(jì)算步長為1m;β在1°～89°之間變化,計(jì)算步長為2°。計(jì)算的出最危險滑動面參數(shù)見表1。

圖4 軟弱夾層雙斜面深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算簡圖

表1 深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

1.4 有限元法計(jì)算抗滑安全系數(shù)

在考慮材料非線性及各種荷載對壩段進(jìn)行有限元計(jì)算時,運(yùn)用大型有限元計(jì)算程序ANSYS進(jìn)行三維非線性有限元分析計(jì)算[3]。建立模型是考慮了壩體周圍復(fù)雜的地形、左右壩肩的斷層以及地基內(nèi)的兩條軟弱夾層帶。整體有限元計(jì)算模型如圖5所示,6#壩段模型如圖6所示。

圖5 重力壩整體三維有限元模型

根據(jù)有限元結(jié)果計(jì)算穩(wěn)定安全系數(shù)時,用下列步驟計(jì)算:首先根據(jù)地質(zhì)狀況和剛體極限平衡法確定可能滑動面(見圖5中的路徑A)。然后根據(jù)有限元結(jié)果計(jì)算出沿可能滑動面的正應(yīng)力和剪應(yīng)力,再計(jì)算抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。

圖6 6#壩段有限元模型

在重力壩的深層滑動中,當(dāng)可能滑動面不再是一個平直的滑動面,而是由若干個滑動面組成的折面時,由于沒有單一的滑動方向,無法簡單將滑動力和抗滑力投影到一個滑動面,因此當(dāng)采用有限元法計(jì)算時,可以將滑動力和抗滑力分別投影到各自平直滑動面上,再分別疊加,根據(jù)規(guī)范規(guī)定,在大壩基礎(chǔ)內(nèi)存在可能引起滑動的軟弱面時,必須用下式分別計(jì)算可能滑動面的整體和局部抗剪斷安全系數(shù)[4]:

整體安全系數(shù):

式中:M為構(gòu)成滑移面的折面總數(shù);σi、τi為折面i上作用的法向有效應(yīng)力和切向應(yīng)力;fi、ci、li分別為折面i的摩擦系數(shù)、凝聚力和線段長度。

有限元結(jié)果與剛體極限平衡法計(jì)算的整體安全系數(shù)比較見表2。

由表2計(jì)算結(jié)果可以看出,正常蓄水位的基本荷載組合壩基中的軟弱夾層的抗滑安全系數(shù)均在3.0以上,校核洪水位的特殊荷載組合壩基中的軟弱夾層的抗滑安全系數(shù)均在2.5以上,因此可以判定壩體是穩(wěn)定的。

表2 軟弱夾層的抗滑安全系數(shù)

2 結(jié) 論

(1)剛體極限平衡法算法簡單、工程經(jīng)驗(yàn)豐富、有與之配套的穩(wěn)定評價標(biāo)準(zhǔn)。由此,對重力壩抗滑穩(wěn)定的研究,仍是以剛體極限平衡法為主,并以有限元法等加以復(fù)核。

(2)有限單元法能分析各種復(fù)雜形狀、多種材料組成的地基條件,計(jì)算模型不僅滿足力的平衡方程,而且滿足土體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系,比剛體極限平衡法更接近于真實(shí)狀態(tài),具有很好的適用性。

[1]林繼鏞.水工建筑物[M].北京:中國水利水電出版社,2006:44-53.

[2]彭一江,黎保琨.復(fù)雜地基重力壩深層抗滑穩(wěn)定非線性有限元分析[J].中國安全科學(xué)學(xué)報,2005,15(3):82-86.

[3]李圍.ANSYS土木工程應(yīng)用實(shí)例[M].北京:中國水利水電出版社,2005:76-120.

[4]張國新,金峰.重力壩抗滑穩(wěn)定分析中DDA與有限元方法的比較[J].水利發(fā)電學(xué)報,2004,23(1):11-14.

Calculation Methods for Stability Against Sliding of Gravity Dam's Base

GUO Tian-ming
(Shanxi Investigation and Design Institute of Water Conservancy and Hydropower,Taiyuan,Shanxi030024,China)

In order to study the stability against sliding of gravity dam's base,the gravity dam with the weak interlayers and complex geologic conditions is adopted as an investigated subject.The limit equilibrium method of rigid body and ANSYS software are applied to analyze and appraise the sensitivity of various parameters,make calculation for the slability against sliding and make comparison for the calculation results.The results show that compared with the limit equilibriummethod of rigid body,the finite element method is further in agreement with the actual conditions as it could be used to analyze the various complex forms.

stability against sliding;limit equilibrium method;ANSYS;comparative analysis

TV642.3

A

1672—1144(2010)02—0121—02

2010-01-15

2010-01-21

郭天明(1979─),男(漢族),山西右玉人,工程師,主要從事水利水電工程設(shè)計(jì)。