基于有限元強度折減法重力壩整體穩(wěn)定及安全評價

池明陽 向文錦

`(1.中國電建集團貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081； 2.中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610081)

?

·水利工程·

基于有限元強度折減法重力壩整體穩(wěn)定及安全評價

池明陽1向文錦2

`(1.中國電建集團貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081； 2.中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610081)

結(jié)合某水庫復(fù)雜地質(zhì)條件下重力壩工程實況，建立了壩體壩基系統(tǒng)三維有限元網(wǎng)格模型，并采用有限元強度折減法，基于位移突變性判據(jù)，分析了壩體—壩基系統(tǒng)應(yīng)力變形規(guī)律，求得壩體—壩基整體穩(wěn)定安全系數(shù)達到3.0以上，滿足規(guī)范要求。

重力壩，壩基，有限單元法，安全系數(shù)

1 工程概況

由于工程區(qū)域地質(zhì)條件的復(fù)雜性，為充分考慮壩體—壩基系統(tǒng)協(xié)調(diào)變形作用下大壩應(yīng)力變形特點及其整體穩(wěn)定性，有必要開展壩體壩基系統(tǒng)三維有限元計算。

2 基本原理及方法

2.1 有限元強度折減法

有限元強度折減法的基本原理是在外荷載保持不變的情況下，將材料的抗剪強度指標(biāo)c，φ按式(1)形式進行折減，用折減后的抗剪強度指標(biāo)cf，φf取代原c，φ進行計算。

(1)

通過不斷折減材料的強度指標(biāo)，進行有限元分析，直至邊坡達到臨界破壞，此時得到的折減系數(shù)f即為邊坡的安全系數(shù)K。

2.2 評價標(biāo)準(zhǔn)

采用有限元強度折減法推求壩基整體安全系數(shù)的過程中，需要一個判斷標(biāo)準(zhǔn)：什么時候壩基達到極限狀態(tài)，目前常采用突變理論作為失穩(wěn)判據(jù)。

采用有限元強度折減法計算壩基穩(wěn)定性時，隨著強度折減系數(shù)的增大，其安全系數(shù)逐漸減小，當(dāng)壩基失去穩(wěn)定時，滑體部分將會產(chǎn)生很大的位移，滑體部分將由穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檫\動狀態(tài)，其位移和塑性應(yīng)變不再是定值，而是處于無限塑性流動狀態(tài)，滑動巖/土體的位移會有突然變化的現(xiàn)象，基于此提出了突變性判據(jù)。

3 有限元計算與分析

3.1 有限元網(wǎng)格模型

根據(jù)相關(guān)設(shè)計資料建立壩體壩基系統(tǒng)三維有限元網(wǎng)格模型，如圖2所示。

3.2 基本計算參數(shù)

巖體物理力學(xué)參數(shù)見表1，表2。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)地質(zhì)建議值

表2 結(jié)構(gòu)面物理力學(xué)參數(shù)地質(zhì)建議值

3.3 應(yīng)力變形分析

1)應(yīng)力。計算結(jié)果表明：a.大壩澆筑后，第一主應(yīng)力最大值約為1.5 MPa，處于受壓狀態(tài)，第三主應(yīng)力最大值約為5.3 MPa，均出現(xiàn)在模型底部；b.由于巖性較復(fù)雜，在巖層屬性變化處，應(yīng)力存在不連續(xù)現(xiàn)象；c.蓄水后，大壩整體仍表現(xiàn)為受壓狀態(tài)，僅壩踵區(qū)域存在少量的拉應(yīng)力區(qū)，最大拉應(yīng)力約為0.52 MPa；d.壩體大多處于1 MPa左右的壓應(yīng)力狀態(tài)。

2)變形。計算結(jié)果表明：a.澆筑壩體后，整體向下沉降，向上游傾斜，最大沉降量約為4 mm，最大傾向上游量為2.7 mm，均發(fā)生在河床中心剖面的壩頂位置；b.蓄水后，壩體表現(xiàn)為向下游變形，最大變形量約為2.82 mm，同樣也發(fā)生在河床中心剖面的壩頂位置；c.由于體型基本對稱，蓄水后，大壩兩側(cè)均向河床中間變形，變形量約為1 mm。

3.4 安全評價

統(tǒng)計各壩段壩頂特征點順河向位移uy隨折減系數(shù)f變化曲線，如圖3所示。基于突變理論得出，折減系數(shù)大于3.0后，曲線出現(xiàn)突變，因此判斷，壩體壩基系統(tǒng)整體安全系數(shù)大于3.0。

4 結(jié)語

根據(jù)工程設(shè)計資料，建立壩體—壩基系統(tǒng)整體三維有限元網(wǎng)格模型，基于彈塑性理論對其進行了計算分析，得出了壩體—壩基系統(tǒng)應(yīng)力變形規(guī)律；采用有限元強度折減法對壩體—壩基系統(tǒng)整體安全系數(shù)進行了分析，結(jié)合壩體—壩基屈服區(qū)分布情況，分析壩體—壩基整體系統(tǒng)安全系數(shù)大于3.0，大壩整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

[1] 陳勝宏.高壩復(fù)雜地基及巖石高邊坡穩(wěn)定分析[M].北京：中國水利水電出版社，2001.

[2] 李 征，張 林，陳 媛，等.復(fù)雜地基上重力壩的破壞過程及穩(wěn)定安全度研究[J].中國農(nóng)村水利水電，2016(2)：13-15.

[3] 王 河，王志鵬，李永剛.基于有限元超載—折減綜合法的重力壩深層抗滑穩(wěn)定性分析[J].水電能源科學(xué)，2016(2)：8.

[4] 錢聲源，杜 鵑，張 冬，等.基于綜合判據(jù)的重力壩深層抗滑穩(wěn)定性分析[J].水電能源科學(xué)，2015(12)：21-23.

[5] 李維樹，張睿琳.建基巖體摩擦系數(shù)對重力壩抗滑穩(wěn)定影響分析[J].地下空間與工程學(xué)報，2015(A2)：14-15.

[6] 榮 夢，常曉林，周 偉，等.基于霍克-布朗(Hoek-Brown)準(zhǔn)則重力壩抗滑穩(wěn)定分析[J].武漢大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)，2015(4)：29-30.

[7] 楊志勇，陳建康，吳震宇，等.重力壩深層抗滑穩(wěn)定計算方法探討[J].四川大學(xué)學(xué)報(工程科學(xué)版)，2015(A1)：19-21.

Gravity overall stability and safety evaluation based on finite element strength reduction

Chi Mingyang1Xiang Wenjin2

(1.GuiyangEngineeringCorporationLimited，PowerChina，Guiyang550081，China； 2.SinohydroBureau7Co.,Ltd，Chengdu610081,China)

It established three-dimensional finite element mesh model combining a reservoir which is a gravity dam under complicated geological conditions, and analyzed the dam body-the dam foundation system’s stress deformation law using the finite element strength reduction basing on the displacement mutant criterion and calculated the safety factors of overall stability in the dam body-the dam foundation system which over 3.0 and them met regulatory requirements.

gravity， dam foundation， FEM， safety factors

1009-6825(2016)26-0209-02

2016-07-03

池明陽(1980- )，男，碩士，高級工程師

TV642.3

A