重力坝深层抗滑稳定计算分析

重力坝深层抗滑稳定计算分析
建设工程学部
水1101班
金建新
201151073
【摘要】
重力坝依靠自身重量来维持稳定,所以,安全就是重力坝设计的最基本最重要的要求。

一般情况下,坝体基岩很少是完整的岩体,常常存在复杂的节理、裂隙或断层等地质结构,并形成不可预知的滑动通道。

由于坝基的地质缺陷很难被发现,或者被清楚的了解,所以往往导致严重的工程事故。

因此,重力坝深层抗滑稳定性的研究在工程上具有普遍性和紧迫性。

对坝基岩体存在断层、节理、裂隙、软弱夹层等地质缺陷的重力坝工程进行稳定性分析与评价并提出合理的处埋措施对大坝工程实践具有十分重要的技术经济意义。

目前,重力坝稳定分析的方法很多,而在实际工程中,通常采用的方法是有限元法与刚体极限平衡法的结合,这样的优点在于：既可以避免难引入刚体极限平衡法的影响因素的缺陷,又可以规范安全系数的定义,方便设计人员进行使用。

本文作者通过理论分析和算例计算的比较,认为邵龙潭教授创立并发展的有限元极限平衡方法是优胜于刚体极限平衡法和有限元强度折减法的优秀方法。

有限元极限平衡方法理论严密,计算验证充分可靠,集合了刚体极限平衡法和有限元强度折减法各自的优点,又有效克服了两种方法的不可回避的缺点。

本文将有限元极限平衡法应用到重力坝深层抗滑稳定分析的问题中,显示出了与传统刚体极限平衡方法及有限元强度折减法计算分析结果一致的适用性,同时能够搜索出与实际情况相符的最危险滑裂面,并减少了稳定计算的工作量。

通过分析和讨论重力坝在分层施工、运行期蓄水及渗流等工况下的稳定性,得到了与实际工程中相一致的结果和结论,进一步验证了有限
元极限平衡法在重力坝稳定性分析问题中的实用性。

所以,有限元极限平衡是有很大发展前景的稳定分析的理论和方法。

前言
随着水利资源的不断开发, 地质良好的坝址越来越少, 当坝基岩体
内存在缓倾角的软弱夹层时, 坝体便有可能带动部分基岩沿软弱夹
层滑动, 对大坝的抗滑稳定十分不利, 因此必须核算坝体带动基岩
沿软弱面失稳的可能性, 研究坝体的深层抗滑问题[ 1] 。

目前, 国内重力坝抗滑稳定分析多采用有限元法模拟坝体和坝基材料的非线
性本构关系, 计算坝体及坝基各部位的应力、位移和破坏形态[ 2] 。

对于大多数滑动面未知的深层抗滑问题, 可采用有限元强度折减法, 按照比例降低基岩及地基中软弱结构面的抗剪强度指标直至达到临
界失稳状态。

笔者依据有限元强度折减法探讨了在地震作用下重力坝的深层抗滑稳定问题。

一计算方法
1. 1 计算思路
选取典型坝段的剖面进行适当简化, 建立三维有限元模型; 基于反应谱法计算单独地震荷载作用下坝体通过建基面作用在基岩上的水
平地震剪力[ 3] ; 对计算模型进行渗流场分析, 得到各节点的水头, 由此计算渗透荷载[ 2] ; 将计算渗流场得到的渗透压力作为节点荷载施加到坝体, 选取不同材料的强度折减系数进行静力深层抗滑稳
定计算分析; 将水平地震剪力作为节点荷载施到坝基上, 选取不同
材料的强度折减系数进行动力深层抗滑稳定计算分析。

1. 2 计算原理
1. 2. 1 位移增量有限元方程
在用有限元强度折减法求解安全系数的过程中, 荷载保持不变, 抗剪强度随加载过程逐渐降低, 这与常规非线性有限元分析中抗剪强度保持不变而荷载随加载过程逐渐增大或降低相反。

选取不同的折减系数从初始状态开始计算, 根据塑性区的分布确定滑动面位置, 通过对特征点位移随材料折减系数的变化曲线及塑性区贯通情况分析确定安全系数。

1. 2. 2屈服面方程
迭代过程中每点的应力状态必须位于屈服面内, 对摩尔库仑屈服准则, 屈服面方程分为沿已知滑动面或节理面屈服和各向同性材料屈服两种情况[ 4] , 笔者采用岩土工程中广泛使用的各向同性M ohr Coulom b 准则和Drucker Prager准则作为基岩屈服破坏准则。

1.2.3 刚体极限平衡法
深层滑动以双斜滑动面最为常见和不利，具有双斜滑动面的深层抗滑稳定简化计算是将滑移体分为两块，分别令其处于极限平衡状态。

常采用3 种计算方法：剩余推力法、被动抗力法、等安全系数法。

1. 2. 4 滑裂面的确定
采用有限元强度折减法计算稳定安全系数时, 无需事先搜索临界滑动面即可求出安全系数。

该方法认为在强度折减过程中, 有限元网格
节点位移出现突变的时刻即为破坏时刻, 此时折减系数的倒数即为
安全系数[ 5]。

在计算安全系数的同时可以得到滑动时刻结构的塑性区图, 考虑到结构的塑性破坏主要与塑性区的出现及分布情况紧密
相关, 根据最大最小值理论及有限元最小势能原理, 可以近似地认
为在此刻的塑性区图上, 塑性应变值最大点的连线(平面问题)即为
临界滑动面。

1.2.5深层抗滑稳定的破坏类型及特点
重力坝稳定性往往取决于坝基内的软弱夹层，根据软弱结构面空间展布性状的不同，重力坝深层抗滑稳定的破坏类型可分为以下3 种。

（1）滑裂面剪切破坏如图1(a)、1(b)所示，坝基内有构成单斜滑动或双斜滑动的软弱结构面，在水平荷载作用下沿滑裂面产生剪切破坏。

（2）抗力体挤压破坏
如图1(c)所示，当坝基内有倾向下游的缓倾角软弱结构面，而下游尾岩内无倾向上游的缓倾角结构面时，不构成双斜滑动面。

但尾岩岩性软弱，或下游有规模较大的横向断层破碎带，此时坝踵处基岩发生拉裂破坏，坝基内软弱结构面发生剪切破坏，坝体传给尾岩抗力体的剩余推力超过其承载力，使其产生挤压破坏，导致坝基产生过大的向下游的压缩变形而失稳。

（3）抗力体隆起破坏
图1(d)坝基内软弱结构面情况与图1(c)相同，但其尾岩为层状岩石，岩性坚硬且比较完整。

在水平荷载作用下，尾岩顶部产生拉力区，并产生向上的位移，即发生隆起破坏，而导致坝体产生过大的向下游的
位移而失稳。

二算例分析
某坝深层滑动面及坝体断面如图3 所示，图中ab 为主滑动面，bc 为第二滑动面，滑动面和水平面的夹角α =18°，β =25°；扬压力折减系数1α =1/3，2 α =0.25；混凝土重度为24 kN/m3，岩石重度为26kN/m3。

滑动面ab 的抗剪断强度参数的标准值1 f ′ = 0.63， 1 c ′= 0.45 MPa；滑动面bc 的抗剪断强度参数的标准值2 f ′ = 0.98，2 c ′ = 1.00 MPa；其中结构重要系数、设计状况系数、分项系数
以及基本组合结构系数按规范取值。

由于抗力方向对结果有较大影响，为安全起见，算例中令抗力Q 为水平方向，即取ϕ＝0°。

本文分别用规范方法和抗力及作用函数投影到滑动面方向来进行深层抗滑稳定分析，为了能定量地比较计算结果，定义一个无量纲数为从计算结果可知，用规范方法得到的1λ =1.171，大于用抗力及作用函数都投影到滑动面方向得到的2λ =1.041。

可见，规范方法偏于危险，而且存在着上述的一些不尽合理之处；而将抗力及作用函数都投影到滑动面方向进行分析，不仅物理意义明确，结果也偏于安全。

三结语
重力坝的深层抗滑稳定问题经过很多学者的多年努力，已经形成了比较成熟的计算方法，但仍有一些问题有待进一步解决。

本文在介绍刚体极限平衡法的基础上，指出了现行规范中重力坝双斜面抗滑稳定极限状态设计公式中存在的问题，并给出了相对合理的设计公式。

在工
程实践中，应根据工程的重要性，参照类似已建工程，采用相应的方法进行研究分析。

参考文献:
[ 1]张倬元, 王士天, 王兰生. 工程地质分析原理[M ]. 北京: 地质出版社, 1981.
[ 2] 聂德新, 杨建宏. 岩体结构、岩体质量及可利用性研究[M ]. 北京: 地质出版
社, 2008.
[ 3] 哈秋舲. 三峡工程永久船闸陡高边坡各向异性卸荷岩体力学研究[ J] . 岩石
力学与工程学报, 2001, 20( 5): 603- 618.
[ 4]任光明, 巨广宏, 聂德新, 等. 斜坡岩体卸荷分带量化研究[ J]. 成都理工大
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[ 5]李勇, 聂德新, 任光明. 西南某水电站左坝肩岩体卸荷分带研究[ J] . 地质灾
害与环境保护, 2003, 14( 2): 44- 46.。