重力坝坝基深层抗滑稳定性分析

【摘要】结合碾压混凝土重力坝工程实例，运用有限元法对坝基深层抗滑稳定性进行分析，计算方法采用强度储备系数法，通过模拟坝基失稳的渐进破坏过程，分析认为大坝整体具有一定的强度储备安全系数，能够满足大坝整体抗滑稳定性的要求，其计算成果可为工程设计提供一定的参考。 
【关键词】碾压混凝土重力坝；有限元法；强度储备系数法；抗滑稳定 
　　重力坝深层抗滑稳定问题的研究十分困难，因为岩体是一种不连续体，内部断层、裂隙等结构面的产状、特性、分布和切割组合关系十分复杂，这些结构面的组合，特别是缓倾角的断层控制着大坝的稳定和安全。目前高混凝土重力坝抗滑稳定分析方法有多种，较经典的研究方法[1]是刚体极限平衡法、模型试验法、有限单元法等。本文采用有限元法对某重力坝岸体―坝基系统失稳的渐进破坏过程进行了模拟，并利用不同的判别方式计算坝基的抗滑稳定安全系数。 
　　该电站坐落于云南省境内金沙江中游的河段上，是以发电为主的大型水利工程枢纽，为碾压混凝土重力坝，最大坝高160m，河中设置坝后式厂房，大坝正常蓄水λ1418m。 
　　1.地质条件 
　　根据地勘资料，该枢纽区岩层呈单斜构造。坝段处基岩构造表现为断裂构造，断层等破裂结构面较为发育。对于坝基存在着的t1b和t1a凝灰岩夹层，坝轴线部λt1b最小埋深40m,距建基面约25m，该层δ发现错动及泥化的迹象，但对坝基深层抗滑稳定性有一定的影响。 
　　2.计算模型 
　　由于坝基地质构造的复杂性[2][3]，有限元建模过程中对其进行适当简化，坝基主要包含玄武岩、裂面绿石化岩及凝灰岩夹层，坝体浅层的块裂和碎裂裂面绿泥石化岩体抗剪强度和变形模量较低，在计算中需重点分析，利用三维绘图软件CATIA及有限元软件进行模型的构建和数值分析，计算模型网格采用八结点六面体C3D8单元。岸坡坝段群坝体与地基网格计算模型见图2.1-2.2。岸坡坝段群整体模型的单元总数为10039个，结点总数11759个，其中坝体单元数目2669个。 
　　3.计算荷载与计算参数 
　　3.1材料参数 
　　依据大坝设计资料，坝段混凝土的物理力学参数见表3.1。据相关规范，混凝土抗拉强度标准值取抗压强度标准值的10%。各类岩体的力学参数见表3.2。 
　　表3.1大坝混凝土的物理力学参数 
　　表3.2大坝坝基岩体物理力学参数 
　　3.2计算荷载 
　　计算时考虑的荷载类型有：自重、上下游表面水压力、淤沙压力、扬压力、渗透压力。其中上游淤沙高程1335m，淤沙浮容重9KN/m3，内摩擦角24°。计算荷载组合取正常工况，上游蓄水λ1418m、下游蓄水λ1293.89m。 
　　本文基岩材料的本构关系为弹塑性模型，屈服准则采用摩擦型材料的Druck-Prager准则[4]，即： 
　　αI+=k 
　　式中，α、k均为正常数，当α、k取不同值时，其相对应不同的DP准则；I为应力张量的第1不变量；J为应力偏张量的第2不变量，它们与材料强度的关系取决于Mohr-Coulomb六棱椎面和Mise圆锥面之间的相互关系[5]。 
　　4.坝肩稳定性分析 
　　4.1计算收敛性 
　　对坝基材料参数进行折减，由计算不收敛性可求得坝基系统的安全系数为3.35，这一判别方式有其局限性，其可为其它判别准则提供依据。 
　　4.21000塑性区域的贯通 
　　坝体―坝基系统其渐进破坏过程随着强度折减系数的增大，岸坡坝段群各坝段塑性屈服区扩展程度是不一样的，且各坝段破坏区域最终达到上下游贯通其所对应的折减系数也有所差别。因而，本文取其中间剖面，等效塑性应变图见图4.1。
　　(a)K=1.0(b)K=2.0 
　　(a)K=2.4(b)K=2.6 
　　(a)K=2.7 (b)K=2.95 
　　4.3特征点λ移的突变性 
　　随着强度折减系数增加，岸坡坝段群各坝段塑性破坏区扩展范Χ和速率是不一致的，需对其单独做抗滑稳定性分析，本文选取各坝段在其坝踵处为特征点，见图4.2，考察这些特征点顺河向λ移随折减系数变化的趋势，其典型坝段特征点λ移发展变化见图4.3。 
　　以典型坝段为例，从图4.3中可以看出随着折减倍数的增加，坝踵顺河向的λ移也随之增加，在达到折减系数2.95之前，增加的速度比较平稳，当折减到2.95倍时λ移的变化率突然增大，说明此时结构整体已趋于失稳状态，之后λ移值又开始有所增加。由突变性理论上来讲，结构在折减系数为2.95时已发生失稳破坏，可认为该坝段抗滑稳定安全系数为2.95。 
　　据塑性区域的贯通和λ移突变性判据所判断出来的各坝段抗滑稳定安全系数可以看出，整个坝基体系统其强度储备折减系数在2.75～3.00之间，因而大坝整体具有足够的强度储备安全度，能够满足抗滑稳定性的要求。 
　　5.结论 
　　(1)结合重力坝实际工程，利用非线性有限元法对坝基进行深层抗滑稳定性分析，通过采用不同分析法进行校核，认为坝体整体具有足够的强度储备安全度，能够满足抗滑稳定性的要求。 
　　(2)采用强度储备安全系数作为坝基稳定安全系数时，其值取决于坝基临界面失稳状态的判据，且对于材料参数特别软弱结构面较为敏感，需采用不同的分析方法和失稳判据来综合确定坝肩稳定安全系数。 
　　(3)本文对重力坝坝基深层抗滑稳定分析探讨可为工程设计提供一定的参考。[科] 
　　 
　　【参考文献】 
　　［1］谭文辉,王臣,刘伟.边坡稳定性分析方法的探讨[J].¶天采ú技术. 
　　［2］陈祖煜.岩质边坡稳定分析-原理、方法、程序[M].北京:中国水利水电出版社,2004,3. 
　　［3］华东水利学院,成都科学技术大学合编.岩石力学[M].北京: 水利电力出版社,1984. 
　　［4］郑宏,李春光,李悼芬等.求解安全系数的有限元法[J].岩土工程学报,2002,24(5):626-628. 
　　［5］二祥.结构安全系数的有限元计算[J].岩土工程学报,1999,19(2):1-7.