基于有限元法的古償河水庫大壩1#～3#壩塊壩基抗滑穩(wěn)定分析

吳 健，張小飛，田 羽，覃 培，肖天培

(廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西 南寧 530000)

1 工程概況

古償河水庫位于柳州市鹿寨縣黃冕鄉(xiāng)古償村上游3 km的古償河上，是以供水為主，兼顧灌溉的綜合性利用工程。工程由大壩、輸水系統(tǒng)等建筑物組成，屬中型工程。大壩為碾壓混凝土重力壩，最大壩高77.5 m，壩頂總長為192.375 m，采用誘導(dǎo)縫分為8個(gè)壩塊，其中1#～3#為右岸非溢流重力壩段，長72.625 m；4#～5#為溢流重力壩段，長46.0 m；6#～8#為左岸非溢流重力壩段，長73.75 m。根據(jù)施工階段揭露情況，壩址區(qū)右岸巖性以弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖為主，巖層呈互層狀～中厚層狀，巖層產(chǎn)狀NW72°～85°，傾向南西或南東，傾角12°～14°；巖石節(jié)理裂隙發(fā)育，完整性差，層面傾向河床偏下游，局部夾0.1 cm～0.2 cm巖屑，對(duì)壩基抗滑穩(wěn)定不利。受開挖卸荷及開挖爆破影響，邊坡存在卸荷拉裂現(xiàn)象，開挖過程裂隙張開度明顯增大，可見局部崩塌、掉塊現(xiàn)象，壩基處理進(jìn)行了固結(jié)灌漿。

根據(jù)分析，壩址區(qū)的地質(zhì)條件對(duì)右岸壩段抗滑穩(wěn)定不利，大壩建成后存在壩體連同部分壩基沿緩傾巖層接觸面滑動(dòng)的可能，同時(shí)1#和2#壩塊右岸壩基的開挖邊坡為1∶0.5，開挖邊坡較陡，也存在壩體沿壩基面?zhèn)认蚧瑒?dòng)的可能。為對(duì)右岸壩段的穩(wěn)定性作出分析判斷，本文選取1#～3#壩塊進(jìn)行有限元計(jì)算分析。

2 有限元模型構(gòu)建與參數(shù)選擇

2.1 模型構(gòu)建

本文采用三維有限元法對(duì)古償河水庫大壩右岸1#～3#壩塊的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，具體分析采用ANSYS軟件實(shí)現(xiàn)。模型左側(cè)以3#非溢流壩塊左側(cè)截面作為模型的左邊界，右側(cè)從右壩頭向右方向取70 m作為模型右側(cè)邊界，上游方向取至壩踵上游80 m處，下游方向取至3#壩塊左側(cè)壩趾下游80 m處。由于右岸壩基內(nèi)的13、14和15號(hào)軟弱夾層在工程上已進(jìn)行了處理，本次三維有限元計(jì)算不考慮13、14和15號(hào)軟弱夾層的影響，而且由于右岸壩基內(nèi)巖層較多，如果每個(gè)層面均進(jìn)行模擬工作量太大，所以，本次三維有限元計(jì)算從可能滑動(dòng)和代表性兩方面考慮選擇5個(gè)層面進(jìn)行模擬分析，選擇的5個(gè)層面見圖1(圖截自古償河水庫壩軸線工程地質(zhì)縱剖面圖)。大壩為碾壓混凝土重力壩，1#～3#非溢流壩塊之間的橫縫采用的是誘導(dǎo)縫，計(jì)算中橫縫也按誘導(dǎo)縫模擬(按連通率降低縫間混凝土的彈性模量，考慮縫間傳力)。

圖1 計(jì)算模擬的5個(gè)巖層面位置圖

計(jì)算模型采用笛卡爾坐標(biāo)系，X向右岸為正，Y向下游為正，Z向上為正的右手坐標(biāo)系，應(yīng)力符號(hào)與彈性力學(xué)規(guī)定一致，即拉為正，壓為負(fù)。壩基模型底部為固端約束，其他側(cè)面為單向連桿約束，考慮到3#壩塊左側(cè)并不臨空，正常情況下會(huì)受到來自4#壩塊的側(cè)向(X向)約束，因此將3#壩塊左側(cè)也進(jìn)行單向連桿約束。模型整體采用的實(shí)體單元類型為SOLID185單元，在壩體與壩基的接觸面及壩基的5個(gè)巖層面間分別設(shè)置接觸單元。整個(gè)模型剖分為64432個(gè)單元、83284個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中，實(shí)體單元50166個(gè)，接觸單元14266個(gè)。單元?jiǎng)澐忠妶D2。

圖2 1#～3#非溢流壩塊整體單元圖

2.2 計(jì)算工況與荷載組合

根據(jù)水庫的運(yùn)行情況，計(jì)算分析正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水位三種工況，各工況的特征水位與荷載組合見表1。

表1 計(jì)算工況與荷載組合

2.3 材料的物理力學(xué)參數(shù)

模型主要包括壩體和壩基兩大部分，壩體采用C15混凝土，壩體材料物理力學(xué)參數(shù)見表2，壩基、壩基面和巖層層面物理力學(xué)參數(shù)見表3。

表2 C15混凝土物理力學(xué)參數(shù)表

表3 各壩塊巖體工程地質(zhì)參數(shù)表

3 穩(wěn)定分析

目前，重力壩深層抗滑穩(wěn)定問題的計(jì)算分析方法主要包括剛體極限平衡法、有限元法和模型試驗(yàn)法等，為解決傳統(tǒng)的剛體極限平衡法在確定滑動(dòng)體的邊界和滑動(dòng)面上的作用力時(shí)遇到的困難，常將有限元法和剛體極限平衡法結(jié)合[1-2]，核算的安全系數(shù)以整體安全度為主，輔以局部安全度的檢查[2-3]，本文將有限元法與剛體極限平衡方法結(jié)合，采用應(yīng)力代數(shù)和法對(duì)古償河水庫大壩右岸1#～3#壩塊進(jìn)行整體穩(wěn)定分析，分析中，對(duì)壩體-壩基接觸面及巖層間接觸面采用抗剪斷強(qiáng)度公式進(jìn)行計(jì)算，為保證計(jì)算精度，在應(yīng)力代數(shù)和法中引入了單元面積作權(quán)重，計(jì)算公式如下：

(1)

式中：f′為抗剪斷摩擦系數(shù)；c′為抗剪斷凝聚力；σi為單元面上的法向壓應(yīng)力；τi為單元面上的切向剪應(yīng)力；ΔAi為接觸面單元的面積。

巖層間滑動(dòng)面的考慮范圍為：上游從壩踵鉛垂面開始；由于在下游壩趾附近沒有發(fā)現(xiàn)明顯的抬起和拉裂，層間滑動(dòng)面下游取至壩趾下游10 m；右側(cè)取至右岸壩頭外5 m；左側(cè)取至3#壩塊左側(cè)，具體由各巖層層面的出露位置決定。各巖層層間滑動(dòng)面的考慮范圍見圖3。

(a)第一層滑動(dòng)面考慮范圍

3.1 壩基面抗滑穩(wěn)定分析

三種工況的荷載組合下，根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，采用加權(quán)應(yīng)力代數(shù)和法對(duì)各壩塊壩基面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 三種工況壩基面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)值

由表4得知，正常蓄水位工況和設(shè)計(jì)洪水位工況荷載組合下，1、2、3號(hào)面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均大于3.0，但1號(hào)面的富余度很小，校核洪水位工況1、2、3號(hào)面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均大于2.5，三種工況下整個(gè)壩基面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均大于3.0或2.5，且有一定富余。

3.2 巖層層面抗滑穩(wěn)定分析

各巖層層面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表5。由計(jì)算結(jié)果可得，沿本計(jì)算所分析的壩基1～5可能滑動(dòng)面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)KS′值正常蓄水位工況和設(shè)計(jì)洪水位工況均大于3.0，校核洪水位工況大于2.5，且均有一定富余。

表5 三種工況巖層層面可能滑動(dòng)區(qū)域抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

4 結(jié)論

本文將有限元法與剛體極限平衡方法結(jié)合，采用應(yīng)力代數(shù)和法對(duì)古償河水庫大壩右岸1#～3#壩塊進(jìn)行整體穩(wěn)定分析。分析結(jié)果表明：

1)在計(jì)算分析的3種工況下，當(dāng)考慮各壩塊單獨(dú)沿壩基面的抗滑穩(wěn)定時(shí)，1#～3#壩塊的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)正常蓄水位和設(shè)計(jì)洪水位工況均大于3.0，校核洪水位工況大于2.5，滿足規(guī)范要求，但1#壩塊富余很小，3#壩塊富余較大。當(dāng)把3個(gè)壩塊作為整體計(jì)算其沿壩基面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)時(shí)，3種工況的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，且有一定富余。壩體分塊采用透導(dǎo)縫增加壩體整體性，對(duì)提高壩體的穩(wěn)定有利。

2)在計(jì)算分析的3種工況下，所分析的5個(gè)巖層層面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)正常蓄水位和設(shè)計(jì)洪水位工況均大于3.0，校核洪水位工況均大于2.5，滿足規(guī)范的要求。