高拱壩壩肩巖體穩(wěn)定性控制效應(yīng)分析

慈紅衛(wèi)

(黑龍江省紅興隆墾區(qū)江川水利建筑有限公司，黑龍江樺川154302)

拱壩是在平面上呈凸向上游的拱形擋水建筑物，借助拱的作用將水壓力的全部或部分傳給河谷兩岸的基巖。與重力壩相比，在水壓力作用下壩體的穩(wěn)定不需要依靠本身的重量來維持，主要是利用拱端基巖的反作用來支承。拱圈截面上主要承受軸向反力，可充分利用筑壩材料的強(qiáng)度。因此，是一種經(jīng)濟(jì)性和安全性都很好的壩型。

1 壩肩巖體的結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性

拱壩所座落的構(gòu)岸巖體部分，包括兩岸壩體直接澆筑的部位和上下游一定范圍內(nèi)的巖體稱為拱座(壩肩)。壩肩部位的巖休與其他巖體一樣，是由各種地質(zhì)結(jié)構(gòu)面所切割的不同形態(tài)、不同大小結(jié)構(gòu)體的綜合體，是結(jié)構(gòu)體和結(jié)構(gòu)面兩部分組成的不連續(xù)介質(zhì)。結(jié)構(gòu)面是指在地質(zhì)發(fā)展中，在巖體內(nèi)形成的具有一定方向、一定規(guī)模、一定形態(tài)和特征的面、縫、層、帶狀地質(zhì)界面。由于結(jié)構(gòu)面是巖體中力學(xué)性質(zhì)薄弱的部位，因此，在很大程度上，結(jié)構(gòu)面決定著巖體的結(jié)構(gòu)特征和力學(xué)性質(zhì)，其在壩肩巖體的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中具有重要的意義。

壩肩巖體的穩(wěn)定性除了受上述自身的工程地質(zhì)因素影響外，其他影響因素還有地形條件、水文地質(zhì)條件、受力條件、樞紐布置、泄洪方式、壩體體型、施工方法等。

作用在壩肩上的空間力系有巖體自重、滲透水壓力、巖體內(nèi)的地應(yīng)力及地震力等。壩肩巖體在上述空間力系作用下的穩(wěn)定性問題包括:抗滑穩(wěn)定、變形穩(wěn)定及滲透穩(wěn)定，但在進(jìn)行壩肩穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)時(shí)，通常是對(duì)壩肩巖體穩(wěn)定的綜合分析評(píng)價(jià)。

2 壩肩巖體的穩(wěn)定分析方法

高拱壩壩基巖體動(dòng)力穩(wěn)定性分析是高拱壩抗震研究的主要內(nèi)容之一，對(duì)壩肩巖體穩(wěn)定性進(jìn)行合理的分析評(píng)價(jià)，一直是壩工界所關(guān)心的問題。分析評(píng)價(jià)的方法很多，按力學(xué)模型可分為剛性體方法及變形體方法，變形體方法又可分為連續(xù)介質(zhì)分析方法和非連續(xù)介質(zhì)分析方法;按壩肩穩(wěn)定安全度評(píng)價(jià)方法中是否考慮影響因素的不確定性可分為確定性方法及不確定性分析法;此外，地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)?zāi)壳耙矎V泛應(yīng)用于壩肩巖體穩(wěn)定分析評(píng)價(jià)。

2.1 剛性體方法

2.1.1 剛體極限平衡法

剛體極限平衡法假定壩肩巖體的可能滑動(dòng)塊為不發(fā)生變形的剛體，不考慮剛體上作用力引起的轉(zhuǎn)動(dòng)作用(即彎矩的影響)，在極限狀態(tài)下建立平衡方程，以抗滑力與滑動(dòng)力之比作為穩(wěn)定安全系數(shù)，以此安全系數(shù)判斷可能滑動(dòng)塊是否失穩(wěn)。采用剛體極限平衡法進(jìn)行壩肩巖體抗滑穩(wěn)定分析時(shí)，按是否考慮滑裂面的凝聚力，可以分為剪摩和純摩兩種情況。

剛體極限平衡法是一種傳統(tǒng)的穩(wěn)定分析方法，也是現(xiàn)行規(guī)范。規(guī)定采用的方法，是目前唯一一種安全系數(shù)取值有規(guī)范可依的壩肩巖休穩(wěn)定分析法。此法雖然作了許多簡化，但由于具有豐富的工程經(jīng)驗(yàn)，因此，目前仍是拱壩壩肩穩(wěn)定分析的主要方法之一。這種方法只能對(duì)某種整體欠穩(wěn)狀態(tài)從極限平衡觀點(diǎn)出發(fā)作出一個(gè)籠統(tǒng)的安全度估計(jì)，而不能確定各部位的應(yīng)力、變位、失穩(wěn)機(jī)理以及發(fā)展過程;另外由于此法采用假定較多，特別是采用的巖體力學(xué)模型為剛塑性模型，與巖體實(shí)際力學(xué)行為不符，這也是其在壩肩穩(wěn)定分析中的不足之處。

2.1.2 塊體理論

塊體理論首先由石根華于20世紀(jì)70年代提出，并在隨后得到了迅速發(fā)展。塊體理論完全是三維分析，其基本方法是:首先將巖體的結(jié)構(gòu)面和臨空面看成空間平面，將巖體結(jié)構(gòu)體看成凸體，將各種作用荷載看成空間力向量，應(yīng)用幾何方法(拓?fù)鋵W(xué)和集合論)研究在已知空間平面的條件下，巖體內(nèi)將構(gòu)成多少種塊體類型及其可動(dòng)性，排除所有不可動(dòng)塊體;再通過運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，找出工程作用力和自重作用下的所有可能失穩(wěn)的塊體，然后根據(jù)滑動(dòng)面的物理力學(xué)特性，確定出臨空面上所有的失穩(wěn)塊體，即關(guān)鍵塊體。在確定了關(guān)鍵塊體的滑動(dòng)模式、滑動(dòng)而及滑動(dòng)方向后、進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算。

目前，塊體理論在邊坡穩(wěn)定分析及地下洞室圍巖穩(wěn)定分析中應(yīng)用較多，在拱壩壩肩穩(wěn)定分析中尚未見諸報(bào)導(dǎo)。

2.2 變形體方法

將高拱壩壩肩巖體視為連續(xù)變形介質(zhì)或不連續(xù)變形介質(zhì)，應(yīng)用多種變形體數(shù)值分析方法，求解出壩肩巖體的應(yīng)力場、位移場，進(jìn)而從極限平衡的觀點(diǎn)出發(fā)進(jìn)行穩(wěn)定性分析并得出壩肩巖體的穩(wěn)定安全度是目前分析壩肩巖體穩(wěn)定的變形體方法。用于壩肩巖體變形分析的數(shù)值方法很多。可分為如下幾種方法，但必須指出的是，下述方法本身并不能獨(dú)立完成對(duì)壩肩巖體的穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)，與相關(guān)穩(wěn)定性分析方法的結(jié)合使用才能完成對(duì)壩肩巖體的穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)。

2.2.1 有限元法(FEM)

有限元法是一種基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的數(shù)值分析方法，自上世紀(jì)中葉發(fā)展至今，已經(jīng)相對(duì)成熟，并已在拱壩壩肩巖體的穩(wěn)定分析中得到廣泛應(yīng)用。現(xiàn)行《混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定“拱座抗滑穩(wěn)定的數(shù)值計(jì)算方法以剛體極限平衡法為主。1、2級(jí)拱壩或地質(zhì)情況復(fù)雜的拱壩還應(yīng)輔以有限元法或其它方法加以分析”。明確了有限元法在拱壩壩肩穩(wěn)定分析中的應(yīng)用。

有限元法將壩和壩基作為各種本構(gòu)關(guān)系下的變形體，可以在分析中將應(yīng)力、變形和穩(wěn)定統(tǒng)一起來進(jìn)行計(jì)算，可以了解拱壩壩肩破壞的過程和機(jī)理并給出各種情況下的安全度。采用有限單元法能夠充分考慮巖體不同區(qū)域材料的力學(xué)特性、壩肩巖體構(gòu)造的復(fù)雜性并且能夠一次算出穩(wěn)定安全系數(shù)。另外，在分析過程中，可以得到危險(xiǎn)滑移面上應(yīng)力、應(yīng)變及穩(wěn)定安全系數(shù)的變化規(guī)律，定量的指出最危險(xiǎn)區(qū)域的位置。但同時(shí)也應(yīng)注意，有限元法的計(jì)算精度受單元?jiǎng)澐值氖杳艹潭群蛦卧匦缘挠绊憽Ａ硗?，有限元法?jì)算結(jié)果的可靠程度取決于采用的計(jì)算模型及計(jì)算參數(shù)。在進(jìn)行壩肩穩(wěn)定分析時(shí)，如何合理地模擬壩肩巖體地質(zhì)構(gòu)造及采用合理計(jì)算模型和計(jì)算參數(shù)是在用有限無法分析壩肩穩(wěn)定時(shí)需要著重考慮的問題。

2.2.2 離散元法(DEM)

離散元法是專門用來解決不連續(xù)介質(zhì)問題的數(shù)值模擬方法。該方法把節(jié)理巖體視為由離散的巖塊和巖塊間的節(jié)理面所組成，允許巖塊平移、轉(zhuǎn)動(dòng)和變形，而節(jié)理面可被壓縮、分離或滑動(dòng)。因此，巖體被看作一種不連續(xù)的離散介質(zhì)。其內(nèi)部可存在大位移、旋轉(zhuǎn)和滑動(dòng)乃至塊體的分離，從而可以較真實(shí)地模擬節(jié)理巖體中的非線性大變形特征。

目前，離散元法主要應(yīng)用于邊坡工程、地下工程及巖體的動(dòng)力穩(wěn)定性分析。

2.2.3 塊體單元法

塊體單元法是以塊體單元的剛體位移作為基本知量，并根據(jù)它們?cè)谕饬ψ饔孟碌钠胶鈼l件、變形協(xié)調(diào)條件及塊體之間夾層材料的本構(gòu)關(guān)系，建立起塊體單元法的支配方程，用于確定塊體單元的剛體位移及夾層材料的應(yīng)力狀態(tài)。該法特別適用于具有地質(zhì)結(jié)構(gòu)面巖體的穩(wěn)定分析。塊體單元法除了考慮巖塊之間的相互作用和平衡外，還同時(shí)研究了巖塊之間結(jié)構(gòu)面材料的本構(gòu)關(guān)系，可以考慮它的彈性、彈塑性及黏塑性。巖塊本身可視為剛體或彈性體。

2.2.4 剛體彈簧元法

剛體彈簧元模型是把結(jié)構(gòu)劃分為一些由分布在接觸面上的彈簧系統(tǒng)連接在一起的剛性單元的集合。剛體元本身不發(fā)生彈性變形，因此結(jié)構(gòu)的變形能完全儲(chǔ)存在接觸面的彈簧系統(tǒng)中。剛體元的優(yōu)勢在于可用于模擬不連續(xù)變形，且計(jì)算相對(duì)簡潔。傳統(tǒng)有限元強(qiáng)調(diào)幾何協(xié)調(diào)性，這種模型常常不易用于模擬錯(cuò)動(dòng)等巖石變形特點(diǎn)。為此，必須在有限元計(jì)算中加入夾層元。剛體元放松了單元間界面位移協(xié)調(diào)性，可方便地用于模擬巖層錯(cuò)動(dòng)。在分析中可以直接求出交界面上的面力，故而可以方便地求得總的下滑力及總的阻滑力，進(jìn)而求得任意給定的可能滑動(dòng)面抗滑安全系數(shù)。剛體元的這個(gè)優(yōu)點(diǎn)使得最危險(xiǎn)滑動(dòng)塊體的搜索成為可能，為壩肩穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提出一種新方法。目前，剛體彈簧元法已被應(yīng)用到拱壩壩肩穩(wěn)定分析中。

總之，現(xiàn)階段高拱壩壩肩穩(wěn)定分析多采用“安全系數(shù)”來定義其安全程度，這難以反映其實(shí)際的安全度，而且不同的穩(wěn)定分析方法一般得到不同的結(jié)果。如何科學(xué)定義高拱壩壩肩穩(wěn)定安全度，是今后研究工作應(yīng)著重考慮的問題。

[1]宋戰(zhàn)平，李寧，陳飛熊.高拱壩壩肩裂隙巖體的三維非線性抗震穩(wěn)定性分析[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2004(03).

[2]張伯艷，陳厚群，杜修力，張艷紅.拱壩壩肩抗震穩(wěn)定分析[J].水利學(xué)報(bào)，2000(11).