静动力作用下高拱坝坝肩稳定性三维分析
高拱坝坝肩裂隙岩体的三维非线性抗震稳定性分析
高拱坝坝肩裂隙岩体的三维非线性抗震稳定性分析宋战平;李宁;陈飞熊【期刊名称】《岩土工程学报》【年(卷),期】2004(26)3【摘要】在高拱坝坝肩裂隙岩体的抗震稳定性分析中 ,采用传统刚体极限平衡法分析坝肩裂隙岩体潜在滑体的安全性态 ,坝肩稳定性评价未考虑裂隙岩体变形对坝体应力的影响 ,由此计算的抗滑安全系数并不能保证坝体的安全性 ;而采用基于连续介质理论的有限元法和基于碎散介质的离散单元法分析时 ,其物理数学模型和坝肩岩体的实际情况相距甚远。
为此 ,本文在安全系数强度储备概念基础上提出了动抗滑变形安全系数法 ,该方法以坝体拉应力作为坝肩岩体抗滑稳定性评价标准 ,综合考虑非线性坝体和坝基节理、裂隙岩体的动静态耦合作用 ,坝肩岩体的抗滑安全系数保证了坝体的安全 ,较传统的分析方法更为科学、合理。
采用该方法 ,本文将坝肩裂隙岩体作为可以考虑局部开裂、各向异性和大变形的非线性连续体用动态接触单元模型模拟 ,对在建的小湾高拱坝坝肩裂隙岩体的抗震稳定性进行了三维动力分析。
数值分析结果表明 ,在综合考虑坝体应力影响后 ,坝肩裂隙岩体的变形安全系数小于强度安全系数。
因此 ,在高拱坝坝肩岩体的抗震稳定性评价中必须计及坝体应力的影响因素。
【总页数】6页(P361-366)【关键词】高拱坝;坝肩;裂隙岩体;抗震稳定性;动力非线性【作者】宋战平;李宁;陈飞熊【作者单位】西安理工大学岩土工程研究所【正文语种】中文【中图分类】TV642.4【相关文献】1.高拱坝坝肩岩体变形稳定性的三维数值模拟 [J], 罗选红2.溪洛渡高拱坝坝肩(基)稳定性的三维非线性有限元分析 [J], 周明军;张建海;赵文光;王仁坤3.基于非线性有限元法的高拱坝坝肩岩体抗滑稳定分析 [J], 章青;陈爱玖;王大伟4.高拱坝坝肩岩体裂隙连通性分析方法研究 [J], 杜朋召;王品;高平因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
江坪河拱坝坝肩稳定的三维非线性有限元分析
三维立体示意图。
冉红 玉 常晓林 周 伟
（ 武汉大学水 资源与水电工程科 学国家重点实验室 ， 湖北 武汉 ４０ ７ ） ３０２
摘 要
采用三维有 限元方 法 ， 用强度储备系数 ， 江坪河双曲拱坝 坝肩抗滑 稳定性进 行分析 。计算结 果表 明 ， 对 原加 固
方案有一定效果 ， 左岸坝肩不满足抗滑稳定要求 ， 但 对断层进～步加固后 ， 坝基 的整体强度储 备 系数达 到 ３６ 坝肩稳定 ．， 安全度基本满足要求 。
有限元计算网格采用八结点六 面体单元为主 ， 对 边界和岩体结构的过渡 ， 辅之以退化的四面体单元 ， 对
垫块 、 传力洞等加固部位采用 ２ 结点六面体单元。整 ０ 体有限元网格见图 １坝肩岩体的加 固方式见图 ２ ， 。计 算工况为正常蓄水位 ＋ 温降工况。主要计算荷载有 自
重、 水压力 、 扬压力 、 风压力 、 泥沙压力和温度荷载。 ３２ 计算参数 ．
为实际的抗剪强度参数 ， ／ Ｋ、／ 用 ／ ｃ Ｋ代替ｆ ｃ 、 值进行
计算 ， 随着 Ｋ值的逐渐增 大 ， 以求出大坝从 局部破 可
响。根据具体情况 ， 右两岸各考虑三个滑动块体进 左
行分析。各个滑块体的构成及其侧裂面和底裂面物理
１ ７
维普资讯
３ 仿真计算模型
３ １ 计算模型概化 ． 有限元计算模型主要模拟 的岩层沿高程 自下而上
依次为 ∈ｉ 、 ｝ ∈｝ ∈２、 ！ 、 、 Ｉ 、 ｜ ∈ 厂 、 厂 、 ∈ ∈！ Ｅ… 『 － ∈５ 、 Ｉ ； Ｅ… 主要 考 虑 的断层 为 Ｆ１Ｆ１Ｆ１Ｆ４ － １、４ 、７ 、７ 、
１５ Ｆ４ 、５ 、１５ 泥化 夹层 右岸 考 虑 ｆｌ 、 ２ 、２ ７ 、Ｉ１Ｆ４ Ｆ９ ； ３ ｎ７ ｆ ５ｆ ３ ｎ ｎ
拱坝准稳定温度场三维有限元分析
拱坝准稳定温度场三维有限元分析拱坝作为一种重要的水利工程，是为了灌溉农田、水库蓄水、水资源开发和许多其他用途而建设的。
它的安全性直接影响着水利设施的可持续性，因此，拱坝的结构安全性应作为一个重要参数来考虑。
拱坝结构温度变化是结构安全性评价中非常重要的参数，因此，拱坝准稳定温度场三维有限元分析成为结构安全性评价的基础。
拱坝的温度受气温和太阳辐射的影响，拱坝结构材料的温度受到动态热流和蒸发换热的影响，拱坝结构内部温度受拱坝结构材质和气体传热系数的影响。
针对这一问题，拱坝准稳定温度场三维有限元分析引入了先进的数学模型，以准确分析和预测拱坝结构温度变化，为拱坝结构安全性提供基础依据。
拱坝准稳定温度场三维有限元分析模型的基本原理是建立拱坝的三维温度场模型，并由拱坝结构与气象条件之间的相互作用，通过计算热流方程和蒸发换热方程，进行有限元分析来模拟和研究拱坝结构温度场的变化情况。
首先，根据拱坝材料的物理特性，可以计算出拱坝结构的热传导系数、比热容和导热率，并建立拱坝结构的温度场。
在拱坝结构周围，将影响拱坝结构温度变化的参数，如太阳辐射、环境温度、风速等气象条件建立在拱坝结构温度场中。
其次，在拱坝结构中考虑多种传热形式，其中包括热流和蒸发换热，结合外部气象条件，计算拱坝结构表面的热流和蒸发换热强度，建立拱坝结构热流方程和蒸发换热方程。
最后，利用有限元方法，对拱坝结构热方程和蒸发换热方程进行求解，结合初始条件，计算拱坝温度场的数值解，从而精确地模拟和分析拱坝的温度场变化情况。
拱坝准稳定温度场三维有限元分析通过准确地模拟和分析拱坝结构温度场变化情况，可以有效地评估拱坝的热性能和热稳定性，辅助决策，为保证拱坝结构安全性提供有效的技术支持。
此外，拱坝准稳定温度场三维有限元分析还可以为拱坝改善建设、拱坝结构完善和降低拱坝结构温度变化等提供宝贵的信息。
总之，拱坝准稳定温度场三维有限元分析是一项建立在均匀紧实拱坝温度场模型的科学理论的研究，可以为拱坝的结构安全性评价提供可靠的理论依据，从而使拱坝安全可靠、可持续地发挥功能。
东庄拱坝坝肩三维抗滑稳定分析
拱坝以是所 有建 筑物 中最 为 安全 的一 种 ， 但 这 些优 良性 能 都是 建立 在拱 坝 稳定 的基 础之 上 。拱 坝坝 基 和坝肩
淳化 县王 家 山林场 ， 右岸 为 陕西 省礼 泉县 叱 干镇 ， 距 西 安市 约 ９ ０ ｋ ｍ。工 程 开发 任务 以 防洪 减 淤 为 主 ， 兼 顾 供水 、 发 电和改 善 生 态 等综 合 利用 。枢 纽 主要 建 筑 物 包括 ： １座混凝 土 双 曲拱坝 （ 最大坝高 ２ ３ ０ ｍ） ； 结 合 坝 身布 置 的 ３个 溢 流 表 孔 、 ４个 排 沙 泄洪 深 孔 和 ２个 非 常排 沙底 孔及 其配 套设 置 的坝下 消 能防 冲水垫 塘 和二
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ：Ｔ ｈ ｅ ｓ ｔ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｙ ａ ｇ ａ ｉ ｎ ｓ ｔ ｓ ｌ ｉ ｄ ｉ ｎ ｇ ｉ ｎ ａ ｂ ｕ ｔ ｍｅ ｎ ｔ ｓ ｏ ｆ Ｄｏ ｎ ｇ ｚ ｈ ｕ ａ ｎ ｇ Ａｒ ｃ ｈ Ｄ ａ ｍ ｉ ｓ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｚ ｅ ｄ ｗｉ ｔ ｈ ｔ ｈ ｒ ｅ ｅ － ｄ ｉ ｍｅ ｎ ｓ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ ｒ ｉ ｇ ｉ ｄ— ｂ ｏ ｄ ｙ ｌ ｉ ｍｉ ｔ ｅ ｑ ｕ ｉ ｌ ｉ ｂ ｉ ｒ ｕ ｍ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ．Ｔ ｈ ｅ ｐ ｏ ｔ ｅ ｎ ｔ ｉ ａ ｌ ｓ ｌ ｉ ｄ ｉ ｎ ｇ ｒ ｏ ｃ ｋ ｂ ｌ ｏ ｃ ｋ ｓ ｗ ｉ ｔ ｈ ｉ ｎ ａ ｃ ｅ ｒ ｔ ａ ｉ ｎ ｓ ｃ ｏ ｐ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｄ ａ ｍ ａ ｂ ｕ ｔ ｍｅ ｎ ｔ ｓ ａ ｙ ｅ ｉ ｄ ｅ ｎ ｔ ｉ — ｌ ｆ ｅ ｄ ｗｉ ｔ ｈ ｔ ｈ ｅ ｔ ｈ ｒ ｅ ｅ — ｄ ｉ ｍｅ ｎ ｓ ｉ ｏ ｎ ｌ ａ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｍｏ ｄ ｅ １ ． Ａｐ ｐ ｒ ｏ ｐ ｒ ｉ ａ ｔ ｅ ｔ ｈ ｒ ｅ ｅ — ｄ ｉ ｍｅ ｎ ｓ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ ｃ ｏ ｏ ｒ ｄ ｉ ｎ ａ ｔ ｅ ｓ ａ ｒ ｅ ｔ ｈ ｅ ｎ ｃ ｏ ｎ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｅ ｄ ｔ ｏ ｃ ａ ｒ ｒ ｙ ｏ ｕ ｔ ｔ ｈ ｅ ａ ｎ ｌｙ ａ ｓ ｉ ｓ ．Ｉ ｔ ｓ ｈ ｏ ｗｓ ｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｐ ｒ ｏ ｐ ｏ ｓ ｅ ｄ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｉ ｓ ｏ ｆ ｇ ｏ ｏ ｄ ａ ｃ ｃ ｕ ｒ ａ ｃ ｙ ａ ｎ ｄ ｅ ｉｃ ｆ ｉ ｅ ｎ ｃ ｙ ．
拱坝坝肩稳定的可靠度分析
拱坝坝肩整体稳定静力动力可靠度分析(表七)
拱坝坝肩整体稳定静力动力可靠度分析
本文应用研制的BR·SAIDP 程序, 对左、右岸6个 高程的坝肩岩体进行了可靠度计算,得到了每一高程各 滑型出现的概率、沿该滑型滑动的概率、坝肩失稳的全 概率以及坝肩稳定的可靠指标。 左、右岸坝肩岩体静力抗滑稳定可靠度计算结果分 别列于表4 、表5。对于实际上不可能出现的滑型, 表 中未列出。从表4的计算结果可见, 左岸坝肩岩体以沿P3 面(即底滑面) 滑动的单面滑型为主, 只有在1130 m, 1090m两高程兼有沿P1,P3 面交线滑动的双面滑型出现。 而由表5的计算结果可以看出, 右岸坝肩岩体失稳只出 现单面滑型, 在113Om高程以上是沿P3面滑动, 以下各高 程则可能沿P2面或P3面滑动。
（19）
经分析整理, 将各随机变量及其统计特性列于表2,表3。 2.3 坝肩岩体静力、动力抗滑稳定可靠度分析 由上述讨论知坝肩岩体失稳有多种滑动形式。对于 每一种滑型, 可根据其运动学条件和力学条件建立相应的 极限状态方程。由极限状态方程求解可靠指标的方法很 多, 本文采用优化迭代方法, 得到了令人满意的计算结果。 由各极限状态方程求出相应的失效概率后, 即可用式(1 6) 计算坝肩岩体的失稳概率, 并进一步求出其可靠度。
拱坝坝肩整体稳定静力动力可靠度分析
对坝肩岩体进行动力抗滑稳定可靠度分析时, 应同 时计人静力、动力计算中的随机变量。本例设地震烈度 为7度,取综合影响系数Cz=1/4 ,其它参数参照现行规范 取值, 选择最危险情况加地震荷载, 即沿顺河流方向。 表6、表7分别给出了左、右岸各高程动力抗滑稳定 可靠度计算结果,由表6可见, 左岸1090m高程以上坝肩 失稳有两种滑型, 即沿P3面的单面滑动和沿P1,P3面交线 的双面滑动。1090m高程以下坝肩岩体失稳只有沿P3面滑 动一种形式。表7给出的计算结果表明, 右岸坝肩岩体 只产生单面滑型,1130m 高程以上是沿P2面滑动, 以下是 沿P2面或P3面滑动。980 m 高程岩石的抗剪断指标偏低, 所以算得的可靠指标值较小。
拱坝坝肩块体三维地质建模及稳定性分析
拱坝坝肩块体三维地质建模及稳定性分析
杨伟;王小锋
【期刊名称】《云南水力发电》
【年(卷),期】2016(032)006
【摘要】以XX水电站上坝址拱坝坝肩块体为例,通过对形成块体结构面特性的分析,建立块体三维地质模型,块体三维模型的构建可直观形象的展示块体与坝体的空间位置关系,为块体空间分析提供新的途径.根据结构面的性质及块体的空间特性对块体进行了初步稳定性评价,并提出工程处理建议.
【总页数】4页(P61-64)
【作者】杨伟;王小锋
【作者单位】中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司,云南昆明 650051;中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司,云南昆明 650051
【正文语种】中文
【中图分类】TU432
【相关文献】
1.基于三维地质力学模型试验的溪洛渡高拱坝坝肩稳定性研究 [J], 段龙海;张林;杨宝全;丁泽霖
2.沙牌RCC拱坝坝肩稳定三维地质模型试验研究 [J], 张立勇;张林;李朝国;高志辉
3.块体理论在拱坝坝肩边坡抗滑稳定性分析中的应用 [J], 商开卫;秦宏浩;窦灿
4.高拱坝坝肩裂隙岩体的三维非线性抗震稳定性分析 [J], 宋战平;李宁;陈飞熊
5.拱坝-坝肩三维可视化建模和稳定性分析 [J], 周先齐;徐卫亚;钮新强;郑文棠;任佳丽
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基于三维地质力学模型试验的溪洛渡高拱坝坝肩稳定性研究
近 年来 ， 水 电开发 建设 当 中 ， 坝 因具 有体 型 在 拱
小、 超载能力强 、 节省投资及抗震性能好 ¨ 等优点 而被广泛采用 随着 一 ． 批特高拱坝的兴建 ， 如小湾、
锦 屏一级 、 洛渡 等 ， 溪 对拱 坝稳定 安 全性 的研 究显 得
型综合法试验运用新 型模 型材料——变温相似 材 料 ， 同一模型上实现既考虑水压可能超载的因素 ， 在 又考 虑 坝 肩 、 坝基 岩 体 力 学参 数 可 能 降 低 的 实 际 ｊ将 这 两种 因素 综 合 起 来 进 行试 验 ， 能 贴 近 ， 更
工程 实 际。本 文采用 三维地 质力 学模 型综合 法试验 对溪 洛渡 高拱 坝坝肩 、 坝基 稳定 性进行研 究 ， 讨大 探
十分重要 ， 而坝肩岩体 的稳定是拱坝安全 的根本保
证 。通过 地质力 学模 型 试验可 以 解 大坝 、 坝肩 、 坝
基的变形及分布特征 ， 揭示坝 与坝肩及抗力体部的
降低 岩体 或结 构面 的抗 剪 断强 度 直至 基 础 失稳 ， 并
１ 前
言
得 出基础 失稳 时抗剪 断强 度降低 的倍 数 即强度储备 系数 ， 但在 实 际运用 中 ， 于模 型 材料 的限 制 ， 现 由 实 起来 较 困难 ， 要 研 制新 型 模 型 材料 。地 质 力 学模 需
法， 三种 方法 所考 虑 的影 响稳定 安 全的 因素不一 样 。
在超载情况下的坝体稳定安全系数 以及破坏过程。
该方中： 超载法主要考虑坝基 （ 坝肩） 岩体等结构在其 力学参数不变 的条件下 ， 超标洪水对工程安全度的 影响。超载安全系数 定义为超载破坏时的荷载 Ｐ 与设计荷载 Ｐ 的比值 ， 试验中一般采用超容重
拱坝应力变形及坝肩稳定分析
2018，
14（6）：
1667-1675.
［3］李季，孔庆梅.高混凝土拱坝长期安全运行反馈分析［J］.
水利水电科技进展，2018，38（5）：15-21，47.
［4］孙金昌.浆砌石拱坝应力变形及坝肩抗滑稳定性分析
研究［J］.黑龙江水利科技，2019，47（8）：33-35，120.
及左右岸滑块三维有限元模型见图 1。坝体及基
岩材料参数值如表 1 所示。
2.2 计算荷载及工况组合
根据 SL 282-2003 规范选定：自重+正常蓄水
位及相应的尾水位+设计正常温降+扬压力+泥
沙+浪压力工况为计算工况。正常蓄水状态水库
水位为 1 071 m，下游水位为 989 m；坝体内上游设
有防渗帷幕和主排水幕，帷幕排水正常时取折减
从图 4 中可以看出，各曲线均是上凹型，说明
随着超载系数的增大，水平位移不断增大，但在超
度潜力，进而发现更有可能对坝体稳定构成威胁
的岩体。
载系数 K =3 时，各曲线均出现不同程度的斜率变
2）虽然 3 种计算方法侧重点不同，计算出的
化，可以认为在 K =3 时，位移开始发生突变，坝肩
安全指标所体现出的拱坝抗滑性能也不同，但得
稳定满足设计要求。
到的安全系数数值上相近，结果均可
工程建设与管理
2021 年第 6 期
东北水利水电
［参 考 文 献］
［1］李炳奇，张宇弛，李泽阳，等.基于坝—岩基—水耦合解
解析的坝肩动力稳定分析［J］.水利水电技术，2017，48
（3）：25-29，51.
［2］陈林，潘燕芳，刘小强.叶巴滩高拱坝抗震安全分析与
拱坝准稳定温度场三维有限元分析
拱坝准稳定温度场三维有限元分析拱坝是一种非常重要的水利建筑物，它主要用于控制水位，进行河流治理，灌溉等。
但由于水位的不稳定性及气温的变化，拱坝在使用过程中会受到热力学力的影响，以至于导致拱坝的失稳。
因此，为了保证拱坝的稳定性，需要进行准确的准稳定温度场的三维有限元分析。
有限元分析是一种数值计算方法，用于求解各种结构的复杂场景。
有限元分析可以模拟出各种形状物体的多维空间体系，从而提供准确的准稳定温度场模拟结果。
对于拱坝而言，有限元分析可以模拟拱坝的温度场变化，从而确定拱坝的热辐射及热量的传输情况，以及拱坝的温度分布。
为了进行准确的三维有限元分析，首先需要准备计算所需的模型数据。
这些模型数据包括拱坝的形状、几何大小以及温度场。
对于拱坝而言，主要需要确定拱坝的几何形状，它们包括拱坝的面、边、角、点、表面等；其次需要确定拱坝的尺寸，即高度、宽度以及拱坝不同部位的厚度；最后，需要确定拱坝的温度场，即拱坝不同部位的温度分布。
接下来，需要使用有限元分析软件根据准备好的模型数据进行计算。
根据热流体动力学原理以及边界条件，有限元分析软件可以根据拱坝的尺寸、形状以及温度场，模拟出准稳定温度场分布情况，以解决拱坝失稳问题。
最后，通过三维有限元分析，可以得到准确的拱坝温度场分布情况，从而进一步控制拱坝的温度。
有限元分析可以模拟出如何利用拱坝的结构特性，使拱坝的温度保持稳定，以避免拱坝的失稳问题。
通过有限元分析，我们可以根据拱坝的几何特性和温度场，模拟出准稳定温度场并对拱坝进行优化，从而确保拱坝的可靠性和稳定性。
因此，计算机有限元分析不仅可以为拱坝的设计提供技术指导，还可以在不断变化的气温条件下保障拱坝的安全运行。
总的来说，有限元分析是拱坝准稳定温度场的必备方法，它可以为拱坝的设计及运行提供准确、稳定的分析结果。
只有准确、合理的分析结果，才能保证拱坝在变化的气温条件下得以稳定运行，避免造成灾难性的后果。
拱坝坝肩岩体三维稳定分析
２２ ３ ０ 年 月 ０
中南 水 力 发 电
第１ 期
拱 坝 坝 肩 岩 体 三 维 稳 定 分 析
傅 坚毅
（ 阳市水 利 局 ， 南 浏 阳 ４００ ） 浏 湖 １３２
摘 要 简要介绍 龙德法 （ 岩体稳定三 维分析法” 的基本原 理 ， 即“ ） 重点 研究其 在坝肩 抗滑稳 定分
类 ： ０区 ； 稳 类 ： ∞ 区 ； 能 滑 动 类 ： 、 ２ Ｚ 、 ｚ 失 Ｚｌ 可 ＺｌＺ 、 ３
东，， ｌ 轴的正向指向北 ， ｚ轴正向向上。
则ｎ＝ａ 。 ｉ ＋ｂｊ＋ｃｋ ｉ ｉ
Ａ
ｚｌ ｚ ｚ 区。 ８个 区 ， 为稳 定分 区 ， 的下 标 表 ２ ∞、 ， 、 共 称 ｚ 示 可 能 滑移 体 滑 动时 的脱 开结 构 面 。
Ｉ ：
：
丝
（ Ｒ・ｎ）ｇｏ ｔ￣ ｉ＋（ ） Ｒ。 增
式中
ｎ ：
Ｉ Ｉ ，× ｌ
可 能 滑移 岩 体 由结 构 面 Ｆ 、 ： Ｆ 和 自然 边 坡 面 。Ｆ 、 ，
ห้องสมุดไป่ตู้
向余弦为 ａ、 ｃ。 ｉｂ、 取定直角坐标系 ， 轴的正 向指向
所 围成 的岩体的可能稳定状态分为 ３ ８区。 ： 类 即 超稳
・
ｌ ・ ６
中南水 力发 电
第１ 期
态。
表 １ 所示。 方程 中各系数 的表达式如下 ：
Ｌ ｌ＝ （ １ Ｓｌ・ ∞） ｌ Ｓ２一 ３ Ｓ Ｕ ｒ Ｌ ２＝ （ ３ Ｓｌ—Ｓ２・ ） ｌ ｌ Ｕｒ
２ 坝 肩 稳定 分 析
２ １ 渗透压力的浮动 ． （）在平面上表示 ８ １ 个稳定分 区。 为了浮动渗透压 力 ， 把渗 透压力 同其他外 荷分开
盖下拱坝坝肩稳定分析
拱坝 本身安 全度较 高 ， 但必 须保证 两 岸岩 体 坝肩 基岩 的稳定 ， 拱坝 的稳 定性 主要是 依靠 两岸 坝 肩 岩体 来维持 ． 国外 拱坝 的失 事绝 大多数 由坝 肩岩 体 失稳 引
收 稿 日期 ： ０ ０ １ — ７ ２ １ — ２１
有 必要对 该拱 坝 的 坝 肩在 静 力 和 动力 条 件 下 的稳 定
Ｋｅ ｗｏ ｄｓ ｄａ ｂｕ ｍ ｅ ｔ ｂ ｌｔ ｆｎｉｅ ｅ ｅ ｅ ｔ ｒｇｉ ｉ ｉ ｅ ｉｉ ｉ ｍ ｅ ｈｏｄ ｙ ｒ ｍ ａ ｔ ｎｔｓ ａ ｉｉｙ； ｉ ｔ ｌ ｍ ｎ ｓ； ｉ ｄ ｌ ｔ ｑｕ ｌｂｒｕ ｍ ｔ ｍ
１ 概 述
盖 下 拱 坝 为 混 凝 土 双 曲 拱 坝 ， 大 坝 高 １ ０ｍ 最 ６
Ｇａｘａａ ｃ ａ ａ ｕ ｍｅ ｔｉ ｓ ｆ．Ｔｈ ｅ ｕ ｔ ａ ｅ ｔｋ ｎ ａ ｅ ｅｅ ｃ ｏ ｒ ｃｉａ ｒ ｊｃｓ ｉ ｉ ｒｈ ｄ ｍ ｂ ｔ ｎ ｓ ａｅ ｅｒ ｓ ｌｓｃ ｎ ｂ ａ ｅ ｓｒ ｆｒ ｎ ｅｆ ｒｐ ａ ｔ ｌｐ ｏｅ ｔ ． ｃ
第３ ３卷
第１ 期
三峡大学学报 （ 自然科 学版 ）
Ｊ ｏ ｉａＴｈ ｅ ｒ ｅ ｉ． Ｎａｕ ａ ｃｅ ｃ ｓ ｆＣｈｎ ｒｅＧｏ ｇ ｓＵｎｖ （ ｔ ｒｌＳ ｉｎ ｅ ）
Ｖ ｏ１３３ Ｎｏ．１ ． Ｆｅ ２ １ ｂ． Ｏｌ
２１ ０ １年 ２月
盖 下 拱 坝 坝 肩 稳 定 分 析
Ａｎａ ｙ ｉ ｆＳｔ ｂ ｌｔ ｆ Ｇａ ｘ ａ Ａｒ ｈ Ｄａ Ａｂ ｔ ｅ ｔ ｌ ｓｓ ｏ ａ ｉｉｙ ｏ ｉ ｉ ｃ ｍ ｕ ｍ ｎ
Ｆａ ｇ Ｗ ｅ Ｌｉ ａ ｑ ｎ ｎ ｉ ｕ Ｘｉｏ ｉ ｇ
水工工程实例--拱坝整体稳定性分析
拱坝整体稳定分析方法拱坝整体稳定性的关键就在于坝肩的稳定性，坝肩稳定分析十分复杂，一方面是由于拱坝的是一个空间超静定体系，另一方面坝肩的岩体较为复杂，和往往含有各类不连续的结构面。
国内外用以评价拱坝坝与坝肩稳定的方法，总结来看，主要有以下四种：刚体极限平衡法，有限元法、地质力学模型试验方法、可靠度法[ii]。
刚体极限平衡法[i][ii]目前，国内的水利水电工程设计中，刚体极限平衡法是分析拱坝坝肩稳定性的一种常规方法。
通过假定简化多余变量，使超静定问题转化为静定问题来求解，通过计算抗滑力和滑动力之比求出大坝的稳定安全系数，判断计算的对象是不是失稳。
一般采用下述稳定计算公式： 抗剪断公式()f W U c AK P''-+'=(1.3.1) 抗剪强度公式()f W U K P -=(1.3.2) 经过长期的积累，刚体极限平衡法具备了丰富的工程应用经验，在处理简单的工程对象时计算精度较高，通过拟定一些假定也能应用于较为复杂的稳定问题，简单且容易使用[iii][iv]。
但是该方法没有考虑对象所处的岩体发生变形时对上部结构的影响，具有下述的一些局限性[v]，该；一是该方法在一定的基础上，进行了比较大的人为简化，计算过程中所采用假定的合理性直接影响到计算的精度，以及最终的安全系数；二是计算时主要考虑的是岩体的强度，对于岩体的实际应力－应变关系则未考虑，因此不能获得在滑动面内的应力、变形在空间分布特性以及伴随加载的发展过程；三是该方法无法获得对象在临界状态下的变形特性，其所获得的给定滑动面上的安全系数只是一个平均安全系数 [vi]。
有限单元法有限元法用于坝肩稳定性分析始于20世纪60年代，该方法通过建立单元几何、弹性（塑性）、位移、强度以及应力等矩阵，来计算分析对象的受力及变形状况，可以分析整体或局部的稳定安全系数，能够考虑坝基岩体构造的复杂性以及岩体变形对坝体结构的影响[vii][viii]。
210984854_基于地质力学模型试验的拱坝整体稳定性分析
文章编号:1006 2610(2022)06 0111 09基于地质力学模型试验的拱坝整体稳定性分析朱 涛1,刘耀儒2,庄文宇2,于海江1,王兴旺2(1.中水北方勘测设计研究有限责任公司,天津 300222;2.清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室,北京 100084)摘 要:地质力学模型试验是评价拱坝整体稳定性和加固处理效果的有效手段,采用200∶1几何比尺对新疆某高拱坝进行三维地质力学模型试验;模型采用小块体砌筑技术对坝址区不同质量分级岩体的变形㊁强度特性以及优势节理裂隙进行模拟,基于压缩变形相等的原则模拟断层㊁岩脉等软弱结构面,并且考虑了建基面槽挖填换混凝土㊁抗剪洞等加固处理措施;基于油压千斤顶加载系统模拟坝面分布式水载,采用数据采集系统和视频监控系统记录分析坝体及坝基在超载过程中的变形㊁应力和开裂破坏过程;确立了拱坝起裂安全度K1㊁非线性起始安全度K2㊁极限荷载安全度K3三个稳定性评价指标;此外建立数值模型,基于变形加固理论对比分析了拱坝的整体稳定性,确定工程稳定的控制部位和值得注意的薄弱区域㊂结果表明:拱坝的3个安全度分别为K1=2.0㊁K2=4.5~6.0㊁K3 =11~12㊂在超载过程中,河床右岸坝踵破坏程度较左岸严重,断层jef36㊁jef4局部出现开裂但未见明显错动㊂整体而言,地基和坝体的破坏程度均较小,整体上是稳定的㊂关键词:地质力学模型试验;整体稳定性;拱坝;小块体砌筑技术;变形加固中图分类号:TV698.1+1;TV642.4+2 文献标识码:A DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2022.06.019 Global Stability Analysis of Arch Dam based on Geomechanical Model TestZHU Tao1,LIU Yaoru2,ZHUANG Wenyu2,YU Haijiang1,WANG Xingwang2(1.China Water Resources Beifang Investigation,Design and Research Corporation Limited,Tianjin 300222,China;2.State Key Laboratory of Hydroscience and Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084,China) Abstract:The geomechanical model test is an effective means to evaluate the global stability of the arch dam and the effect of reinforcement. The three-dimensional geomechanical model test of an arch dam is carried out with a geometric scale of200∶1.The model adopts small block masonry technique to simulate the deformation,strength characteristics and dominant joint fissures of rock masses with different quality grades at the dam site.Based on the principle of equal compression deformation,the model simulated the weak structural planes such as faults and dykes, and considered the reinforcement measures such as concrete replacement and anti-shear tunnel.Based on the hydraulic jack loading system,the distributed water load on the dam surface is simulated.The deformation,stress and cracking process of the dam and foundation in the process of overload are recorded and analyzed by the data acquisition system and the video monitoring system.Three stability evaluation indexes of dam,i.e.crack initiation safety degree K1,nonlinear initial safety degree K2and ultimate load safety degree K3,are proposed.In addition,a numerical model is established.Based on the deformation reinforcement theory,the global stability of arch dam is compared and analyzed,and the control areas for the project stability and the weak areas worthy of attention are determined.The results show that K1=2.0,K2=4.5~6.0,K3=11~12. In the process of overloading,the dam heel on the right bank is more severely damaged than that on the left bank.The faults jef36and jef4are cracked locally but no obvious dislocation is found.The damage degree of the foundation and dam is small,and the dam is stable on the whole. Key words:geomechanical model test;global stability;arch dam;masonry technique of small blocks;deformation reinforcement 收稿日期:2022-08-04 第一作者简介:朱涛(1985-),男,河南省信阳市人,高级工程师,主要从事水工结构设计工作. 通讯作者简介:刘耀儒(1974-),男,河北省曲阳县人,博士生导师,教授,主要从事岩石力学和水工结构方面的教学与研究工作. 基金项目:国家自然科学基金(41961134032;51739006).0 前 言中国在建或已完工的拱坝多位于西部地区,该地区通常为峡谷地貌,地形㊁地质条件复杂,褶皱㊁断裂等构造行迹较为发育㊂基于施工期㊁运营期的监111西北水电㊃2022年㊃第6期===============================================测资料分析拱坝的工作性态是评估其安全性与稳定性的重要手段[1-4]㊂对于缺少监测资料的设计阶段如何分析工程的整体稳定性㊁掌握拱坝及基础的薄弱环节,对加固处理措施进行优化设计是近年来的研究热点[5]㊂拱坝的整体稳定性评价是一个涉及非均匀性㊁多裂隙介质和不可逆内部损伤演化的三维非线性问题[6-7],地质力学模型试验[8-9]和非线性有限元[10-12]是研究这类问题的主要方法㊂地质力学模型试验可以真实模拟复杂的地质构造,直观地反映模型从加载到破坏的全过程,有助于发现新的力学现象和规律[5]㊂国内外自20世纪50年代开始开展了一系列包括Vajont㊁Cambambe㊁大岗山㊁锦屏一级㊁白鹤滩等大型拱坝工程的模型试验,对大坝的整体稳定性和超载能力进行了系统研究,对基础加固处理措施效果进行了评价[13-14]㊂随着试验技术的飞速发展,模型试验已经成为高拱坝坝肩稳定和加固分析的难以替代的研究方法㊂作为模型试验的补充,将非线性有限元分析与其相结合可以更好地研究工程结构的力学行为㊂例如,JIN F.等提出了结构整体稳定性评价方法[15]㊂杨强等提出了变形加固理论,可以定量地对岩体结构进行破坏㊁稳定和加固分析[10]㊂新疆某水利枢纽由混凝土拱坝㊁水垫塘及二道坝㊁发电引水系统和电站㊁生态放水洞㊁鱼道等组成,水库总库容3.68亿m3,电站装机容量160MW,在电力系统中承担腰荷和峰荷运行㊂拱坝采用抛物线型双曲拱坝,最大坝高167.5m,坝顶全长288.4m㊂坝址为横向谷,呈较对称 V”型,左岸山体雄厚,右岸山体较单薄,地形完整较差㊂坝址区III级及以下结构面㊁层间错动带较发育,错动带主要由岩块岩屑组成,多见泥化现象,但厚度较小,一般小于0.5 mm㊂本文采用200∶1几何比尺对拱坝进行三维地质力学模型试验,模型采用小块体砌筑技术对坝址区不同质量分级岩体的变形㊁强度特性以及优势节理裂隙进行模拟;基于压缩变形相等的原则模拟断层㊁岩脉等软弱结构面,并且考虑建基面槽挖填换混凝土㊁抗剪洞等加固处理措施,基于油压千斤顶加载系统模拟坝面分布式水载,采用数据采集系统和视频监控系统记录分析坝体及坝基在超载过程中的变形㊁应力和开裂破坏过程,确立拱坝起裂安全度K1㊁非线性起始安全度K2㊁极限荷载安全度K33个稳定性评价指标;建立数值模型,基于变形加固理论对比分析拱坝的整体稳定性,确定工程稳定的控制部位和值得注意的薄弱区域㊂1 拱坝模型试验设计1.1 模型试验设计在进行模型设计时,原型与模型之间的几何比尺㊁荷载强度㊁力学参数㊁位移㊁应力㊁应变等各项参数均应满足相似理论,以确保模型中的变形和破坏的相似[16]㊂本次模型的几何比尺C L选定为200∶1㊂在静力试验中,为了确保自重应力场的相似,模型试验中的容重比Cγ尺采用1∶1,其他比尺根据相似理论换算得到,如表1所示㊂表1 模型试验相似比尺CγCμC L CδCεC f CσC E C c Cτ1∶11∶1200∶1200∶11∶11∶1200∶1200∶1200∶1200∶1 表1中Cγ㊁Cμ㊁C L㊁Cδ㊁Cε㊁C f㊁Cσ㊁C E㊁C c㊁Cτ分别表示容重㊁泊松比㊁几何㊁位移㊁应变㊁摩擦系数㊁应力㊁变形模量㊁黏聚力和抗剪强度比尺㊂根据相似比尺可知,模型需要采用高密度㊁低强度㊁低变模的材料㊂为了模拟岩石的抗剪强度,还需采用低粘结剂的材料,以便模拟岩体的综合强度特征,以使其破坏形式符合于岩体特性㊂本次试验采用的相似材料为重晶石粉㊁膨润土㊁108胶㊁水拌合而成的混合料㊂其中重晶石粉占比较大,可显著提高相似材料的重度;膨润土占比较小,但可以有效降低相似材料的变形模量;108胶经过稀释后作为重晶石粉和膨润土的粘接剂㊂模型试验在钢架结构的试验台中进行,试验台内净空为5.0m×4.0m×4.0m(长×宽×高)㊂依据试验相似率的要求,本次试验的模拟范围为:上游模拟大于1倍坝高,约200m;下游大于等于3倍坝高,约500m;两岸各大于2倍坝高,每岸约350m;建基面以下大于1.5倍坝高,约200m;坝顶以上按100m控制㊂拱坝模型如图1所示㊂1.2 地质条件及加固措施的模拟地质力学模型试验的模型制作有:浇注法㊁夯实填筑法和小块体砌筑法[16]㊂其中,浇注法是将流体211朱涛,刘耀儒,庄文宇,于海江,王兴旺.基于地质力学模型试验的拱坝整体稳定性分析===============================================状态的材料输入到事先做好的模子中,形成一个块体㊂这种方法的优点是不用粘结,但干燥较慢,且不能模拟岩体中的不连续构造面㊂夯实填筑法是在实验台架内分层摊铺材料,再用小型振动夯实机逐层遍布地碾压材料,直至模型顶部㊂这种方法可以极大地缩短试验的时间,比较适合地下洞室类的试验模型制作,但各填筑层的密度存在差异,且不易模拟不连续构造面㊂小块体砌筑法是将相似材料压制成小块体,用小块体逐块砌筑试验模型㊂图1 拱坝-地基模型本试验采用小块体砌筑法,块体尺寸主要采用5cm×5cm×8cm(长×宽×高)㊂块体主要用来模拟岩体的变形特性,块体与块体之间的粘接用来模拟岩体的强度特性,粘接剂采用不同配比的胶水来模拟岩体的摩擦系数f′和黏聚力c′㊂岩体力学特性如表2所示,岩体模型砌筑示意如图2所示㊂表2 坝址区岩体力学特性岩体分级泊松比μ变形模量E 0/GPa原型模型摩擦系数f′黏聚力c′/MPa 原型模型Ⅱ0.22~0.2413.0~15.00.065~0.0751.2~1.31.2~1.50.006~0.0075ⅡⅢ10.24~0.268.0~11.00.040~0.0551.0~1.21.0~1.20.005~0.006Ⅲ20.26~0.286.0~7.00.030~0.0350.8~0.90.8~0.90.004~0.0045ⅣⅣ10.30~0.323.0~4.00.015~0.0200.7~0.80.5~0.70.0025~0.0035Ⅳ20.32~0.342.0~3.00.010~0.0150.6~0.70.4~0.50.002~0.0025Ⅴ0.380.6~1.00.003~0.0050.3~0.40.05~0.10.00025~0.0005图2 裂隙岩体及软弱结构面砌筑示意软弱结构面的力学性质往往是控制岩体结构稳定和工程安全的决定性因素之一,因此在砌筑模型时应尽可能地模拟出这些不连续构造面的性状㊂对于要重点模拟的软弱结构面,如断层㊁错动带等,通常由于当夹层很薄或变形模量很低,无法采用模型规定的几何比尺㊂此时可考虑两侧破碎带的影响,根据压缩变形相等的原则进行模拟㊂坝址区地质构造主要为原生构造和断裂构造,如图3所示,主要包括断层jef4㊁岩脉㊁jef36㊁jef61㊁jef8㊁jef51㊁jef38㊂上述地质构造位于坝体上游180m,下游285m,左岸330m,右岸340m 范围内,将直接影响到大坝的安全度㊂试验采用脱水石膏和加纸方式来模拟断层裂隙材料,断层模拟方法如图2所示,其中脱水石膏用来模拟变形性能,纸(白报纸㊁电光纸和牛皮纸等)用来模拟强度特性(摩擦系数f ),具体根据夹泥厚度和的不同组合选用㊂上述断层及岩脉的产状及力学特性如表3所示㊂图3 断层和岩脉与坝体的位置关系表3 断层、岩脉的产状及力学特性结构面破碎带宽原型/m 模型/cm 摩擦系数f 黏聚力c′原型/MPa 模型/kPa产状jef4断层1~1.50.5~0.750.40.060.3NW271°NE∠29°/NW285°NE∠50°jef4岩脉42同IV 类岩体-jef36断层0.50.250.40.060.3NW290°SW∠52°~57°jef38断层10.50.40.060.3NW298°SW∠69°jef51断层0.10.050.40.060.3NW298°SW∠58°jef8断层0.50.250.40.060.3NW295°SW∠56°jef61断层0.50.250.40.060.3NW298°SW∠60°加固处理措施主要模拟建基面槽挖填换混凝土和右岸jef4断层高程720.00~740.00m 水平及斜311西北水电㊃2022年㊃第6期===============================================向抗剪洞,其设计方案和砌筑过程分别如图4和图5所示㊂图4 高程720.00m剖面加固处理措施图5 加固处理措施砌筑示意1.3 模型试验系统试验模拟水荷载和自重,其中水荷载经相似理论换算㊁通过多个千斤顶模拟分布式荷载,如图6所示㊂加载共分5层,形成近三角形荷载,采用22个自制的小千斤顶,每组千斤顶均与分油器相连,用5个精密压力表来控制各层的外油压,加载设备布置如图7所示㊂为了探讨坝体的受力状态及各种地质构造对坝体应力稳定的影响,在坝肩岩体内部㊁基础以及坝体表面分别布设了14㊁46㊁36套位移计㊂为分析坝体的应力分布及坝在加载过程中的破坏机制,在坝体的上下游面贴有电阻片,在上游坝踵处还贴有拐弯电阻片㊂试验共布置电阻片250片,布置如图8所示㊂将外部位移计㊁内部位移计和坝面应变片与数据采集系统(NI 和UCAM-70A)连接,通过计算机进行数据采集操作,实时反馈数据㊂外部破坏监测通过视频监控系统进行㊂各个设备均可以实现实时监测坝体㊁以及基础各个部位的破坏情况㊂图6 水荷载示意图7 油压千斤顶加载系统布置图8 上游应变片布置及连线2 试验结果分析2.1 坝体位移分析正常水荷载作用下,坝体顺河向位移分布如图9所示㊂由图9可以看出,坝体的顺河向变形在拱冠梁3/4坝高处最大㊂由于大坝右岸地质条件复杂,发育有jef36㊁jef38㊁jef4㊁jef61以及jef8等断层构造,虽然右岸断层jef4采取了加固措施,但由于jef36靠坝体很近,且向山里延伸很长,故整体而言大坝右端的顺河向变形略大于大坝左端㊂411朱涛,刘耀儒,庄文宇,于海江,王兴旺.基于地质力学模型试验的拱坝整体稳定性分析=============================================== 拱冠梁在超载过程中的顺河向和横河向位移分别如图10和图11所示,其中顺河向位移以指向下游为正,横河向位移以指向左岸为正㊂由图10可知,拱冠梁高程800.00m 以上在超载过程中的顺河向位移显著大于高程800.00m 以下;1~6P 0水荷载作用下,高程713.00~750.00m 拱冠梁顺河向变形整体较小;3~5P 0水荷载作用下坝体变形速率有所增加;水荷载大于11P 0后,坝体变形速率进一步增大㊂图9正常水载下拱坝下游面顺河向变形单位:高程,m ;其他,mm图10 拱冠梁顺河向位移与超载倍数的过程曲线图11 拱冠梁横河向位移与超载倍数的过程曲线 由图11可知,拱冠梁坝顶高程测点在超载过程中的横河向变形较为明显且指向左岸㊂800.0m 高程测点在超载过程中略向右岸变形但量值不大㊂其他高程测点的横河向变形很小可以忽略㊂2.2 坝体应力分析正常水荷载作用下坝体的应力分布如图12所示㊂由图12可知,上游坝面坝踵最大拉应力为2.88MPa,位于河床右岸;拱向最大压应力为3.13MPa,位于拱冠梁高程800.00m 附近㊂下游坝面梁向最大拉应力为1.23MPa,位于拱冠梁高程800.00m 附近;坝趾最大压应力为4.90MPa,位于河床左岸㊂坝体的应力分布和主应力轨迹线符合一般拱坝应力分布规律㊂2.3 开裂破坏过程分析综合电阻片㊁摄像采集等手段获取了坝体在超载过程中由线性变形到非线性变形㊁再到开裂直至整体破坏的全过程㊂在正常水荷载1.0P 0作用下,大坝及两坝肩工作正常,未出现开裂及屈服区;1.75图12 正常水荷载下拱坝坝面应力分布(0.1MPa )511西北水电㊃2022年㊃第6期===============================================~2P 0载荷作用下,上游坝踵右岸jef 4附近最先开裂;2~4P 0载荷作用下,上游坝踵右侧开裂,裂缝扩展延伸;4~4.5P 0载荷作用下,上游坝体高程750.00m 左岸出现开裂;4.5~5P 0载荷作用下,由变形分析可知坝体大部分进入非线性状态;5~6P 0载荷作用下,上游裂缝向下游延伸;6~7.0P 0载荷作用下,下游坝趾局部出现开裂;7P 0~10P 0载荷作用下,出现了较为明显的裂纹扩展,包括①下游坝面裂缝继续扩展②坝趾㊁坝踵处裂缝扩展③上游jef36附近裂缝向两岸扩展;10~12P 0载荷作用下达到承载极限,结构迅速大变形,荷载很难向上增加,大坝丧失承载力㊂坝体和坝基的最终上下游面破坏情况如图13所示,其中数字表示裂缝起裂时的超载倍数㊂图13 拱坝破坏过程 单位:高程,m 试验加载完毕拆卸模型过程中可以发现,左右两岸坝肩破坏不大,坝肩基础整体强度较好,如图14所示㊂左岸坝肩的裂缝明显少于右岸,左岸的受力条件更好㊂两岸坝肩上的裂缝多位于接坝处附近,延伸范围不大;在各平切高程中,断层均未形成错动;在高程740.00~800.00m,坝肩破坏相对更加明显,裂缝更多;在高程800.00m 以上和高程740.00m 以下,裂缝相对较少㊂各断层在超载过程中破坏较少㊂断层jef36在高程880.00m 左岸有一条斜向裂缝延伸较长,在高程870.00㊁800.00m 等附近有一些小裂缝,延伸范围均很小,断层jef36未见明显错动;断层jef4在高程740.00~760.00m 发现几条小裂缝,其余高程未见明显开裂,也未见明显错动;断层jef38未见明显开裂和错动㊂图14 坝肩最终开裂示意611朱涛,刘耀儒,庄文宇,于海江,王兴旺.基于地质力学模型试验的拱坝整体稳定性分析===============================================2.4 整体稳定性分析拱坝从加载到破坏的全过程可以用3个整体特征超载安全系数来描述,并将其作为拱坝整体稳定性的评价指标[17]㊂K1表示起裂安全系数,即裂纹起裂(通常发生在坝踵区)时的水荷载为K1P0(其中P0为正常水荷载)㊂K2表示大坝非线性变形起始安全系数,对应的水荷载为K2P0㊂当水荷载为K3P0时,坝体出现较大开裂,丧失承载能力㊂可见,K1< K2<K3,且特征超载安全系数越大,表示拱坝整体稳定性和安全性越高㊂可以利用不同高拱坝工程的3K安全度成果序列进行工程类比,了解各拱坝的整体稳定性,从而为设计提供相应的依据㊂试验模拟了拱坝区域的主要地质构造,尽管该区域地形㊁地质较为复杂,特别是左右岸穿坝的断层jef4,但由于对其采取了加固措施,在正常水荷载P0作用下,没有形成较大应力集中,所测得的应力㊁变形能满足规范的要求㊂在2.0倍水荷载作用下,坝踵右侧开始出现微破裂,故K1=2.0㊂加载至4.5~ 6.0倍水荷载时,坝体开始进入非线性,坝基在5~ 6P0后出现局部破坏,下游坝趾在6~7P0时开裂,故K2=4.5~6.0㊂随着超载过程继续,地基裂缝逐渐向两岸延伸,加载至11~12P0时,结构出现大变形,荷载很难再向上增加,大坝丧失承载力,故K3= 11~12㊂最终破坏时,破坏区域主要集中于地基,坝体破坏程度较小,且右岸破坏较左岸严重㊂整体而言,坝体上的裂缝不多,除右岸坝体及拱冠梁坝体有一些水平缝和竖直缝,上游坝体及下游左岸坝体无明显裂缝㊂3 与数值模拟结果对比分析拱坝整体稳定是一个变形问题,反映的是一个从弹性状态到极限承载状态的破坏过程,基于最小塑性余能原理的变形加固理论主要研究荷载超出结构极限承载力后的结构失稳行为㊂对于理想弹塑性模型,按照增量型正交流动法则和一致性条件进行的应力调整过程将使塑性余能趋于极小值,而结构整体上趋于加固力最小化㊁自承力最大化的状态[10]㊂数值模拟采用三维非线性有限元软件TFINE,计算出不同工况下的不平衡力和塑性余能范数㊂本节基于数值计算和模型试验的对比,综合评价拱坝的整体稳定性,确定工程稳定的控制部位和值得注意的薄弱区域㊂3.1 计算网格数值模拟采用三维模型进行计算,计算坐标系以坝顶拱冠梁上游点为坐标原点,向左岸为X轴正方向,向下游为Y轴正方向,竖直向下为Z轴正方向㊂上游模拟范围大于1.5倍坝高,下游模拟范围大于等于3倍坝高;左右两岸模拟范围大于2倍坝高;坝基模拟深度大于1.5倍坝高,坝顶高程以上模拟1倍坝高以内坝坡㊂整个模拟范围为680m×770 m×567m(长×宽×高)㊂各方向模拟范围为X轴方向:-340~340m;Y轴方向:-289~480m;Z轴方向:-139.5~427.5m㊂网格采用八节点六面体和六节点五面体单元,节点总数为132583,单元总数为120048㊂整体计算网格如图15所示㊂图15 有限元整体计算网格3.2 位移对比模型试验和数值模拟得到的拱梁顺河向位移曲线对比如图16所示㊂整体而言,模型试验与数值模拟在坝体位移上吻合情况较好㊂除个别点外,模型试验得到的位移值要略小于数值模拟得到的位移值,左拱梁的位移略大于右拱梁㊂3.3 应力对比正常水荷载下,模型试验得到的坝踵最大拉应力为2.88MPa,位于坝踵右侧,数值模拟纯水载工况下上游坝踵最大拉应力为于坝踵左侧,量值为2.94MPa,两者数值上较为吻合,但两者的位置有些差别;模型试验得到的下游最大压应力为6.31711西北水电㊃2022年㊃第6期===============================================MPa,位于下游高程750.00m 左拱端,数值模拟纯水载工况下得到的下游最大压应力为8.23MPa,位置在下游高程730.00左拱端,试验与数值结果基本吻合㊂数值计算得到的下游坝面主应力矢量如图17所示,与图12(b)对比可知应力分布规律基本一致㊂图16 模型试验与数值模拟坝体位移比较图17 数值模拟得到的下游坝面主应力矢量3.4 破坏模式对比在变形加固理论体系中,结构的破坏程度和范围可以用不平衡力表征,不平衡力集中的区域就是结构容易开裂破坏的部位[10]㊂拱坝左㊁右岸坝踵区在超载过程中的不平衡力如表4所示,建基面在超载过程中的不平衡力分布矢量如图18所示㊂分析可知,不平衡力主要分布在河床坝踵处,最大值出现在右坝踵附近㊂右岸不平衡力主要由地基引起(箭头朝向坝体),左岸由坝体和地基共同引起,且右岸坝踵不平衡力要大于左岸坝踵不平衡力(2倍超载时分别为361t 和52t)㊂模型试验中,右岸坝踵部位的岩体破坏要严重一些,左岸坝踵的开裂则位于坝体和基础相交的部位,如图19所示㊂因此,数值计算和模型试验是一致的㊂数值计算中,在2倍超载时,不平衡力有明显的突变,这与模型试验的结果K 1=2.0也相吻合㊂表4 拱坝坝踵区不平衡力/t加载倍数左岸F X F YF Z合力F 右岸F X F YF Z合力总合力正常0.070.090.150.190.371.210.311.311.5倍 3.88 6.086.189.516.2256.915.4161.14712倍16.0440.5428.7352.2194.06338.4882.73360.924132.5倍38.695.5169.37124.19189.87683.98154.99726.57851对于下游坝面的破坏,由图20和图21对比可知,下游坝面破坏位于靠近河床坝址的拱冠梁右侧部位,地基破坏位于河床坝址部位㊂而屈服区也出现在这两个部位㊂数值计算表明,下游坝体出现屈服区较小㊁不平衡力也较小;而模型试验破坏图表明,下游坝面破坏程度也较小㊂图18 拱坝建基面超载过程中的不平衡力矢量811朱涛,刘耀儒,庄文宇,于海江,王兴旺.基于地质力学模型试验的拱坝整体稳定性分析===============================================图19 拱坝上游面坝踵部位破坏图20 拱坝下游3.5倍水载点安全度和屈服区图21 拱坝下游坝趾部位破坏情况4.5 整体稳定综合分析变形加固理论认为,最小塑性余能是对结构自我调整能力不足的测度,采用K -ΔE min 曲线可评价拱坝的整体稳定性,荷载状态K 为正常水荷载倍数,ΔE min 为该荷载状态对应的最小塑性余能㊂图22为拱坝坝体㊁基础及总体塑性余能范数随超载倍数的变化曲线㊂从图中可以看出,基础的塑性余能范数曲线在2~2.5倍水载之间已经开始增长缓慢,这与模型试验得到的K 1=2.0,吻合较好㊂整体而言,坝体塑性余能范数很小,几乎为0;基础余能范数占总体余能范数的比重达到100%,其中右岸基础余能范数占总体的80%以上,这也与模型试验右岸破坏较为严重相吻合㊂图22 拱坝坝体、基础及总体余能范数随超载的变化曲线5 结 论(1)正常工况下,拱坝的顺河向变形在拱冠梁3/4坝高处最大,左拱梁位移略大于右拱梁,与计算值较为吻合㊂坝体的应力分布㊁主应力轨迹线符合一般拱坝规律㊂(2)超载试验表明K 1=2.0P 0(上游坝踵开裂荷载,P 0为1.0倍水载),主要出现在河床附近坝踵㊂在超载2~4.5P 0过程中,坝踵裂缝缓慢扩展,坝体其他位置未见开裂;超载至K 2=4.5~6P 0时,上游坝踵裂缝已经向两侧延伸,下游坝趾出现压剪破裂,下游坝面大坝也出现裂缝,出现非线性变形;当超载至K 3=11~12.0P 0,大坝丧失承载能力㊂(3)下游两岸地基条件较好㊂左右两岸基础的破坏都在较高倍水载时才发生,且右岸裂缝比左岸形成稍早㊂超载过程中,断层jef36㊁jef4局部出现开裂但未见明显错动,两岸坝肩上的裂缝多位于接坝处附近,延伸范围不大㊂总体而言,拱坝在超载过程中,基础和坝体的破坏程度均较小,整体上是稳定的㊂(下转第126页)911西北水电㊃2022年㊃第6期===============================================以下3个方面:一是计算得到的变形是竖井整个开挖全过程变形完整的积累,不存在时间滞后效应,而多点位移计监测到的变形通常具有很大的滞后效应,对于本工程来说,埋在高程516.00m 的多点位移计基本测不到高程516.00m 以上开挖卸荷引起的围岩变形,测到的主要是5阶段和6阶段的开挖变形即高程516.00~481.50m 段岩体开挖所引起的变形㊂根据图5可得出该阶段开挖所引起的总变形约为3.9mm,该变形值比该处实际测到的最大变形值大2.37mm;二是岩体是一种非常不均匀介质,难以给出准确的物理力学特性指标;三是岩体初始地应力分布和量值也存在不准确性㊂4 结 论(1)通过规范计算和工程类比,初步拟定大型调压井围岩系统支护参数,并用三维有限元计算分析,结果表明不同锚杆长度对围岩塑性区㊁变形影响很小㊂(2)基于围岩塑性区分布和块体稳定计算结果,结合类似工程类比,提出了安全可靠㊁技术经济合理的围岩系统锚杆支护参数,优化后的围岩系统锚杆长度L 与调压井开挖深度H 之比最小值为0.033㊂(3)由现场围岩变形和锚杆应力监测数据分析,三维有限元计算结果与现场监测值分布和大小具有较好的一致性;调压开挖过程中,没有因支护强度不够而发生局部塌方,说明围岩整体稳定满足要求,由此技术方法优化确定的围岩系统支护措施是可靠的㊂参考文献:[1] 张奇华,胡惠华,张煜,等.块体稳定分析中传统赤平投影与全空间赤平投影对比研究[J].岩土工程学报,2022,44(06):1148-1154.[2] 石广斌,李宁.用灰色局势决策法优选高地应力下大型地下洞室拱形[J].岩石力学与工程学报,2005,24(12):2119-2123.[3] 张奇华,张煜,李利平,等.块体理论在地下洞室围岩稳定分析中的应用进展[J].隧道与地下工程灾害防治,2020,12(12):9-17.[4] 石广斌,王明疆,赵靖伟.地下洞室块体稳定安全标准及其应用的研究[J].西北水电,2018(05):39-44.[5] 贾巍,于冲,石广斌.块体理论在阜康抽水蓄能电站地下厂房围岩稳定分析中的应用[J].西北水电,2015(01):20-24.[6] 杨海波,姜俊红.大型调压室围岩稳定分析[J].人民长江,2009,40(12): 4-7. (上接第119页)参考文献:[1] 孔庆梅,乔海山,费新锋,等.基于SSA-LSTM 的混凝土拱坝变形预测模型[J].西北水电,2022(03):81-86.[2] 韩世栋,李新.高寒区某拱坝首蓄期坝体渗透压力异常现象分析[J].西北水电,2021(01):60-64.[3] 雷丽萍,黄天润.拉西瓦拱坝施工期温度应力反演计算与典型坝段裂缝成因分析[J].西北水电,2020(S1):60-66.[4] 李元玖,刘千驹.基于某混凝土拱坝的坝顶位移回归分析[J].西北水电,2020(02):102-105.[5] 刘耀儒,杨强,杨若琼,等.高拱坝地质力学模型试验[M].北京:清华大学出版社,2016.[6] 周维垣,杨若琼,刘耀儒,等.高拱坝整体稳定地质力学模型试验研究[J].水力发电学报,2005,24(01):53-58.[7] 张泷,刘耀儒,杨强,等.基于地质力学模型试验的大岗山拱坝整体稳定性分析[J].岩石力学与工程学报,2014(05):971-982.[8] Zhu W S,Li Y,Li S C,et al.Quasi-three-dimensional physicalmodel tests on a cavern complex under high in-situ stresses[J].International Journal of Rock Mechanics &Mining Sciences,2011,48(02):199-209.[9] Fishman Y A.Features of shear failure of brittle materials and con⁃crete structures on rock foundations [J].International Journal of Rock Mechanics &Mining Sciences,2008,45(06):976-992.[10] 杨强,刘耀儒,陈英儒,等.变形加固理论及高拱坝整体稳定与加固分析[J].岩石力学与工程学报,2008,27(06):1121-1136.[11] Alvarez M A.Mechanical models as compared with mathematics[C]//Proceedings of the International Colloquium on Geome⁃chanical Model.Bergamo,Italy:ISRM,1979:149-151.[12] Yu X,Zhou Y F,Peng S Z.Stability analyses of dam abutmentsby 3D elasto-plastic finite-element method:a case study of Hou⁃he gravity-arch dam in China[J].International Journal of RockMechanics &Mining Sciences,2005,42(03):415-430.[13] Oliveira S,Rui F.Numerical simulation of collapse scenarios in reduced scale tests of arch dams [J].Engineering Structures,2006,28(10):1430-1439.[14] Zhang L,Liu Y R,Yang Q.Evaluation of reinforcement and a⁃nalysis of stability of a high -arch dam based on geomechanicalmodel testing[J].Rock Mechanics and Rock Engineering,2015,48(02):803-818.[15] Jin F,Wei H,Pan J,et parative study procedure for the safety evaluation of high arch dams[J].Computers &Geotech⁃nics,2011,38(03):306-317.[16] Liu Y R,Guan F H,Yang Q,et al.Geomechanical model testfor stability analysis of high arch dam based on small blocks ma⁃sonry technique[J].International Journal of Rock Mechanics andMining Sciences,2013,61:231-243.[17] 周维垣,杨若琼,剡公瑞.高拱坝稳定性评价的方法和准则[J].水电站设计,1997,13(02):1-7.621刘有全,张利平,靳俊杰,石广斌.赞比亚下凯富峡水电站大型调压井围岩支护参数优化研究===============================================。
【doc】沙牌RCC拱坝坝肩稳定三维地质模型试验研究
沙牌RCC拱坝坝肩稳定三维地质模型试验研究水电站设计DHPS第19卷第4期2003年12月沙牌RCC拱坝坝肩稳定三维地质模型试验研究张立勇,张林,李朝国,高志辉(四川大学水电学院,四川成都610065)摘要:通过三维地质力学模型试验,研究了沙牌RCC拱坝坝体和坝肩的变形规律,破坏机理,综合评价了坝肩的超载安全度,为工程设计提供依据.关键词:碾压砼拱坝;坝肩稳定;地质力学模型;超载安全度;沙牌拱坝中图法分类号:TV321文献标识码:B文章编号:1003—9805(2003)04一OO2O一041工程特性沙牌碾压混凝土(RCC)拱坝为三心圆单曲拱坝,最大坝高130m,底宽28m,顶宽9.5m,厚高比0.238,最大中心角92.4..坝址区河谷地形在平面上呈葫芦形,两岸地形陡峻,左坝肩下游侧有一高约40余米的陡崖,右坝肩下游侧由于河流流向由NE向拐弯成sE向,因此形成一个三面临空的山脊.总体而言,两坝肩都显单薄.在立面上河谷深切呈"V"形状,两岸大致对称,宽高比约为1.70,适宜修建拱坝.坝区地质条件较好,从平面岩性分布看,左岸分三区,右岸分四区.由各区岩性综合分析得出,以工区花岗闪长岩的岩性最好,两坝肩主要支承在该区上,详见图1.由图可知,在I,Ⅱ区交界面上分布证坝肩,坝基失稳的破坏过程,破坏形态及破坏机理,确定其稳定安全度,藉以评价工程的安全性,为设计提供依据.图11850m高程平切图及坝区地质分布图2模型设计有承受变形能力较差,遇水有软化现象的sc片岩带,但不存在大规模控制边坡整体稳定性的贯穿性 2.1几何比尺选择及模拟范围确定软弱结构面.对两坝肩及抗力体而言,主要受34根据试验内容及要求,坝区的地形,地质构造特组不同产状的节理控制,这是稳定分析主要考虑的点,模型槽尺寸等因素综合考虑,选取模型比尺问题(见表1).以第①组节理最发育,其它裂隙较=200.确定模型纵向下游边界为以河流流向拐弯为短小闭合,第③组为底滑面.后的河心为界,上游边界以考虑加载设备方便安装本次试验是在八五,,攻关及技施设计阶段工作为限,横向边界每岸均取在顶拱端以外一倍坝高以基础上,采用三维地质力学模型,按超载法进一步验上的范围,故模型模拟的平面范围相当于原型的收稿日期:2003—09—12作者简介:张立勇(1960一),男,浙江宁波人,副教授,研究方向为水工结构.20300m×400m(纵向×横向).模型下游为自由边界.模型基底高程为1644.5m,已超过三分之二坝高的深度,因此所确定的模型范围足以满足破坏试验要求.2.2地质构造模拟及简化对地质构造的模拟,主要考虑在不影响坝肩及抗力体部总体特性的前提下,力求抓住对稳定起控制作用的节理进行模拟,其余予以忽略,这有利于突出主要矛盾.对两坝肩及抗力体稳定起控制作用的节理产状及组数按表l控制,并着重模拟两拱端及其下游岩体的结构特征(包括Sc软弱带的特征模拟).对于坝肩及抗力体内所夹薄层片岩,以各层岩体的综合变模模拟.对节理连通率的模拟,分别采用块体错缝砌筑和用自配高分子材料黏结剂黏结块体接缝面的方法模拟.2.3模型材料及其物理力学特性选择坝与地基岩体均采用高容重,低变模及低强度的地质力学模型材料.其中坝体采用重晶石粉,少量石膏粉及水浇制而成.岩体材料主要由重晶石粉,机油及掺合料等组成,按各类岩层力学参数要求,以不同配合比拌制混合料,再压块成型备用.根据委托方提供的设计采用的力学参数,结合力学模型试验相似律将其力学参数换算为模型要求的相应力学参数(详见表2).表2中抗剪强度以r/r:C2满足相似要求进行模拟,即以岩体的.厂与C的综合效应满足相似条件进行模拟.2.4荷载模拟及量测方法荷载组合考虑自重+水荷载+淤沙荷载.原型岩体和坝体自重由模型材料本身的自重来实现,即模型材料的重度与原型一致.上游水平荷载只加正常水荷载和淤沙荷载,按照上游水,沙荷载分布形式进行分层分块.选用l3只油压千斤顶加荷,并按三角形超载方式(淤沙不超载)在正常荷载情况下按一定倍数逐级增加水压力直到模型破坏.为了获得坝体,坝肩不同部位的变形特性,一是在两岸岸坡至坝顶高程范围每隔20m高程沿等高线布置30个位移测点;二是在坝体下游面三个典型高程上布置7个位移测点,在左,右顶拱端布置2个切向位移测点.位移主要采用SP-10A电感式数显位移计量测,次要部位辅以少数千分表量测.观测分析超载系数与应变间的变化关系,有利于从应变变化的角度来判断适宜的超载安全系数,比单纯从变位角度判断更为全面,因此在下游坝面典型高程共布置37组应变花,应变量测采用u一前述模拟范围所包含的岩层及节理裂隙面,按地质CAM-8BL数字应变量测系统监测.表2原型,模型岩体力学参数3试验成果分析3.1坝体位移分布及其变化特征坝体拱向和拱冠梁向变位分布总的规律符合常规,即拱冠变位大于拱端变位,坝体上部变位大于下部变位,左拱端的径向变位大于右拱端变位,两拱端的切向变位在<3.0时,两者变位相近,但以后左拱端的切向变位较右拱端大,在≥3.0以后尤为明显.3.2坝肩及抗力体岩面各测点的变位分布特征由两岸岸坡各高程测点的变位分布看出(见图丁厂—_■一2,3,图中a,b,C断面按距拱端距离由近至远排列),其总体特征是:变位随拱推力加大而逐渐加大,左坝肩及抗力体部位的变位大于右坝肩及抗力体的变位;上部的变位一般大于下部的变位;顺河向的变位一般大于横河向的变位;靠近拱端部的变位大于远离拱端部的变位.但两坝肩及抗力体变位的分布特征有所不同(见图2,3):就右岸变位分布特征而言,由于河流流向急转,导致右岸形成较为单薄的条形山脊,高程1810m以上抗力体底滑面的节理产状为N45.W/NE 30~,倾角较陡,拱推力与其走向交角又较大,加之拱端表部sc软弱带经混凝土塞加固后传力较好,因21此随着,值增大,靠近条形山脊一侧,各高程测点的变位较冲沟一侧各测点的变位大,且向坡外变位, 而冲沟附近各测点由于受Sc软弱带压缩变形和该部冲沟地形等因素影响,向坡内变位.此外,由于坝体在1790m高程以上左,右半拱不对称,愈向坝顶不对称性更加明显,随着超载倍数增大,拱推力指向由初期指向山体深部逐渐向河槽-6,1偏转,使右坝肩抗力体在向下游变位的同时,在水平面内有绕冲沟一侧转动变位的趋势.然而,在1810m高程以下抗力体部位变位形成的影响因素较上部复杂得多, 一是它虽受上部山体变位影响,但主要是该部位底滑面产状由上部N45.WNE/30.急变为N10~ESE/2o~,其倾向与拱推力指向相近;二是该部处于坝体中下部,为拱推力最大区域,加之下部左,右半拱结构基本对称,超载后拱推力指向往山体内偏转,因此出现下游沿坡面与冲沟对应的下部测点的位移值较大,且向坡外变位.此外,右拱端下游测点的位移值较大,产生向河槽--6,1膨胀,致使该部向坡外变位.对左岸抗力体变位分布而言,坝肩及抗力体部岩体节理产状基本相近,仅上,下部底滑面节理的倾角系上陡下缓(详见表1),因此上,下部变位分布符合常规,即总体向坡外变位,上部变位较下部变位大,而且拱推力指向总体变化不大.3.3坝体典型高程测点的应变变化及特征坝体各应变片所测得的与间的变化过程及其特征与坝肩抗力体各测点的位移变化趋势是相协调的.在≤4.0时,过程线的变化不大,但随着值的增大,变化逐渐加大;在>5.0以后,过程线弯转程度更加明显,有些应变片的测值已由原来的压应变转变为拉应变;当≥7.6时,过程线开始发生突变,测值急剧变化,说明坝体已开始破坏,直至最终失去承载能力.k"71867.503.25.26.17.0缪lO号11号》f//口l850.00∥1.l4号l5号|?/I1830.00J18号19号f/l『口l8lO.0022号23号/.∞...28号.//f{29号34号…35号a断面b断面图2右岸岸坡各高程变位测点的位移分布变化3.4坝肩与抗力体的破坏过程及形态坝肩与抗力体的破坏发展过程是:在正常荷载基础上,以一定倍数进行超载后,左坝肩首先出现褶皱,右坝肩抗力体中下部开裂滞后,并迅速发展,随即左坝肩下游侧中下部亦很快剪裂,两拱端上游面拉裂并逐步贯通,变位进一步增大,抗力体开裂增多,最后坝体开裂破坏,失去承载力.从最终破坏形态看,其主要特点是:两坝肩抗力体中下部先破坏,且初期破坏明显,但随着超载倍数的增大,中上部破坏更为突出,下部裂缝趋于稳定, 甚至有所闭合.从两岸岩面破坏形态看,右岸裂缝分布较左岸明显,且分布范围较大;左岸陡岩部分, 特别是在1796m高程以上虽表面开裂不多,但变化l8l0.000甘I^24号'l790.00∞'It3l号71770.00I36号-7l7.50.00一40—20O2O40c断面较右岸大,且在拱推力方向出现开度较大的拉裂缝, 这是不可小视的破坏特征.此外,因Sc软弱带在左,右拱端分布的部位有所不同,对坝肩稳定的影响程度也有差异.从右坝肩破坏形态看,由于Sc软弱带在拱端(1820～1850m高程)中上部相交汇,并在1850m高程以上偏至拱端下游侧,经混凝土塞加固处理后,对拱推力传递有较大改善,效果较好.对左拱端而言,Sc软弱带虽主要位于拱端及上游侧,仅在1820～1850m高程与拱端交汇,尽管在交汇部作了混凝土塞加固处理,可是在靠近坝顶部呈陡倾角分布于拱端上游侧的部分未作处理.不对称拱坝采用超载法进行破坏试验时,在拱推力作用下,sc虽位于拱端上游侧受拉区,但超载初期Sc在侧压下产口l867.50—F寸In12号J|f//口l850.00J16号/f|口l830.0020号\|口I8l0.0o25号|7口1790.00f32号'.{/口l770.00.37号//8P口l75o.0o02040608o100l20—4o一2002040a断面b断面27号1l770.00图3左岸岸坡各高程变位测点的位移分布变化生压缩变形,致使左拱端切向变位增大,这正是=2.6时左拱端上游侧先出现挤压褶皱的基本原因.3.5坝肩稳定安全度评价采用超载法进行破坏试验,对超载安全度的评价方法,主要根据坝体和两坝肩及抗力体部的表面位移,坝体典型高程应变与间的变化过程线,结合试验现场破坏过程记录等资料综合分析得出.本次试验在未计渗压及温度荷载情况下得出的超载安全系数=4.6[引,满足设计要求.4结论与建议(1)试验结果表明,沙牌RCC拱坝坝肩超载稳定安全系数为4.6,大于3.0的要求,但这是在未计渗压及温度荷载情况下得出的.若计入渗压等影响,安全系数应有所降低.(2)试验结果表明,两坝肩中下部先破坏,但最终是中上部破坏较重,稳定性最差,因此,对右岸中上部及左岸陡岩部进行重点加固是十分必要的.建C断面议采用预应力锚索进行加固处理.(3)试验结果表明,两坝肩软弱带Sc采用混凝土塞加固处理,对改善坝肩的承载能力效果是显着的,尤以右坝肩效果更突出.为提高左坝肩的加固效果,建议在可能的条件下,将原设计的混凝土塞向上延伸至坝顶以上一定部位,同时尽可能作深些,并结合灌浆帷幕布置,对其进行固结灌浆,以改善受力状态及减小渗透压力.(4)本试验采用的新型高分子材料黏结剂,在反映不连续结构面的力学特性,改善完全干砌制模甚至在通缝砌筑的不足方面,效果显着,具有良好的使用价值及工程实际意义.参考文献:[1]陈兴华,等.脆性材料结构模型试验[M].北京:水力发电出版社,1984.[2]李朝国,等.综合法与超载法在沙牌RCC拱坝中的应用[J].四川联合大学(工学版),1997,(3).[3]李朝国.结构模型试验新方法及其安全度评价[M].I~tJq水力发电,1995,(4). TestofThreeDimensionalGeomeehamealModelforShap~ArchDamAbutmentStab~itySt udyZHANGLi—yong.ZHANGLin,LIChao-guo,GAO一hui (SchoolofHydmlicEngineering,SichuanUniversity,Clae~gdu610065,C~ina) Abstrad:Basedonthreedimensionalgeon~hanicalmodeltesting,thedeformationcharacter isticsandfailuremechanismofShap~ROt2 archdamandabulmentswerestudied,andtheoverloadsafetymarginoftheabutmentswaseva luated.KeyWOldS:RCCarchdam;abutmentstability;geomechanicalmode;overloadsafetymarc; ShamArchDam23囊疆J1-厂——_一～j娉两万河两两两。
基于CATIA三维设计软件的拱坝坝肩抗滑稳定分析
适应各种块体组合 的计算分析 ， 并可 大大提高坝肩
１ 前
言
抗滑稳定分析计算效率。
拱坝以结构合理 、 力学性能优 良、 造价经济和体
摘
要： 结合 工程实践研究利用先进辅助设计工具 Ｃ Ｉ ＡＴＡ三维软件进行拱坝 坝肩抗滑 稳定安全 系数计算 的方法和步 骤 ， 并成功
应用上述 方法分析 了锦屏一级和大 岗山坝肩复杂块 体的稳定 。该方法拥有直观 、 简单实用、 速高效 和适应性强等优点。 快 关键词 ：Ａ Ｉ 软件 ； Ｃ ＴＡ； 拱坝坝肩 ； 滑稳定分 析； 抗 刚体极 限平衡法 ； 三维数字化设计
Ｃ ／ ＡＭ 一体 化软 件 ， 泛应 用 于航空 航天 、 车 ＡＥ Ｃ 广 汽 制造 、 船 、 械 制 造 和 电子 电器 行业 。Ｃ ＴＡ 的 造 机 ＡＩ 交互 捕捉 和对 冲突 提 出警告 的功 能 ， 可减 少 设 计 出
错风险 ， 指导设计人员快速完成设计任务。其工程
分析 功能 可快 速对 设 计 成果 进 行 应 力 分 析 、 形 分 变 析等 一 系列工 程分 析 ， 同时 可 方 便 地利 用 分 析 规 则 和分 析结 果优 化设 计 。因此 ， 利用 Ｃ ＴＡ 可实 现设 Ａ Ｉ 计 一分析 一利 用分 析成果 优化 设计 的全 过程 。 我院 自 ２０ ０６年开始基 于 Ｃ ＴＡ 的水 电三维协 同 ＡＩ 设计研 究与应用工作 ， 经过多年 的努 力 ， 已成功搭建 了 适应水 电工程多专业 、 据量 、 大数 复杂工程 结构 的在线 协 同设计 平 台 ， 成了适应 水工建 筑物设计 和快速建 形 模 的三维设 计方 法体 系 ； 同时 ， 结合 水 电工程 特点 ， 通 过合作开发 ， 改进 了 Ｃ ＴＡ在 水 电行业 的适 用性 ， ＡＩ 完 善 了与 Ｇ Ｃ Ｄ 地质模 型 的接 口， 而能 方便地 实 现 ＯＡ 从 地形生成 、 地质分界面出露线绘制等诸多功能。
溪洛渡高拱坝坝肩(基)稳定性的三维非线性有限元分析
由于错动 带存 在抗 变形 能力弱 、 度低 的特点 ， 强 且坝 区玄武 岩岩 体 裂 隙 较 发育 ， 于溪 洛 渡 高拱 坝 鉴 这一特 殊 的地质 现 象 ， 坝 的科研 和设 计 特 别关 心 大
收 稿 日期 ：０５—１ ０ ２０ ０—１
层 间错动 带 和坝 区裂 隙对 坝 肩 （ ） 定 性 的影 响。 基 稳 对此工 程上关 心 的 问题 ， 文 采用 三 维 非 线性 有 限 本 单元法 开展 了数 值模 拟研 究 。
维普资讯
水 电 站 设 计 第 ２ 卷 第 ３ ２ 期
Ｄ Ｈ Ｐ Ｓ
２ ０６年 ９月 ０
溪洛渡高拱坝坝肩 （ ） 基 稳定 性 的 三 维 非 线 性 有 限 元 分 析
周 明军・张建 海 赵 文 光２王仁 坤２ ， ， ，
（．四川大学 水 利水电学 院， １ 四川 成都 ６０６ ； ． １０ ５２ 中国水 电顾问集团成都勘测设 计研究 院， ｔｒ成都 ￣）ｌ ６ ０７ ） １０２
方位 Ｎ １８Ｅ； ４ ．０
Ｙ轴 ： 河 向 ， 顺 由下游 水 平 指 向上游 ， 轴线 方 位
Ｎ４８． 。 ： ２Ｗ
Ｚ ： 轴 铅直 向上 ， 由底 面指 向 山顶 。 为准 确模 拟 层 间层 内错 动带 在 空 间 的连 通 、 起 伏 和厚度 的 变化 ， 次 有 限元 分 析 建 模 采用 了横 剖 本 面和平切 面 相结 合 的 办 法 。在对 岩体 建 模 时 ， 用 采
期 喷溢 的陆相 基 性 火 山 岩 流 ， 分 为 １ 岩 流层 。 划 ４个
１ 工 程背 景
溪洛 渡水 电站 拦 河 大 坝采 用 双 曲拱 坝 （ 坝 中 拱 心线 Ｎ ８ ２ Ｗ ） 坝 顶 高 程 ６０ ０ 建 基 面 高 程 ４ ．。 ， １ ．ｍ， ３２ ０ 最 大坝 高 ２ ８０ ３ ．ｍ， ７ ．ｍ。该 工 程 以发 电为 主 ， 兼
拱坝坝肩稳定的三维地质力学模型试验研究
拱坝坝肩稳定的三维地质力学模型试验研究
李朝国;张林
【期刊名称】《成都科技大学学报》
【年(卷),期】1994(000)003
【摘要】本文引用强度储备的概念，通过拱坝坝肩稳定的三维地质力学模型试验，采用变温相似材料来模拟岩体及断夹层力学参数在工程长期运行中逐步降低的演化过程。
总结出了新技术和方法并结合工程实例，用强度储备与超载相结合的方法，探讨论了拱坝坝肩失稳的破坏过程，破坏机理和破坏形态，得出了综合稳定安全度，提出了坝肩需要加固处理的具体措施和建议，为工程设计和施工提供了参考依据。
【总页数】11页(P73-83)
【作者】李朝国;张林
【作者单位】不详;不详
【正文语种】中文
【中图分类】TU642.4
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4.二滩水电站拱坝坝肩岩体稳定性的地质力学模型试验中的声波测试 [J], 董万里;
张连弟
5.复杂地质条件下拱坝整体稳定三维地质力学模型试验研究 [J], 诸葛亦斯;陈秀铜因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
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第27卷增1岩石力学与工程学报V ol.27 Supp.1 2008年6月Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering June，2008 静动力作用下高拱坝坝肩稳定性三维分析王忠耀1，2，李明超1，2，秦朝霞1，2，梁辉2，张伯艳3(1. 天津大学建筑工程学院，天津 300072；2. 中国水电工程顾问集团公司中南勘测设计研究院，湖南长沙 410014；3. 中国水利水电科学研究院工程抗震研究中心，北京 100044)摘要：按照静载设计、动载复核的设计原则，基于地质勘测资料，针对坝肩抗滑稳定问题的三维特性，采用关键块体理论来识别和描述被结构面切割的岩体，确定相应的控制性滑块，进而运用程序实现三维刚体极限平衡法，选取不同高程的试算面对某水电站300 m级高拱坝左、右岸坝肩的静动力抗滑稳定性进行计算分析。
在动力分析中，将坝体、库水及其地基作为整个体系，充分考虑坝体、地基和库水三者的动力相互作用。
静动综合计算分析的结果表明，拱坝左、右岸坝肩在静力作用下是安全的，且安全富裕较大；在地震作用下也是安全的，但安全裕度不大。
这为该拱坝的设计和论证提供了重要的科学依据。
关键词：水利工程；坝肩稳定性；高拱坝；三维分析；水电工程中图分类号：TV 311；TV 312 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2008)增1–3058–06 3D ANALYSIS OF HIGH ARCH DAM ABUTMENT STABILITYUNDER STATIC AND DYNAMIC LOADINGSWANG Zhongyao1，2，LI Mingchao1，2，QIN Zhaoxia1，2，LIANG Hui2，ZHANG Boyan3(1. College of Civil Engineering，Tianjin University，Tianjin300072，China；2. Mid-south Design and Research Institute，ChinaHydropower Engineering Consulting Group Co.，Changsha，Hunan410014，China；3.Earthquake Engineering Research Center，China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing100044，China)Abstract：According to the principles of static forces for designing and dynamic forces for checking，3D critical block theory is used to identify and describe all removable blocks based on the geological exploration data. Then the corresponding dominative sliding blocks are determined. For the 3D features of the abutment stability problem，the program of 3D rigid body limit equilibrium method is developed to compute and analyze the sliding resistance stability of high arch dam abutments of a hydropower station，nearly 300 m in height，under static and dynamic loadings with several different elevation planes. In dynamic analysis method，the arch dam，reservoir water body and dam foundation are regarded as an integrated system，so that the dynamic interaction between the blocks and dam body can be effectively considered. The results obtained by the method integrating static and dynamic loadings indicate that the arch dam abutments of both sides are stable under static loading with enough margin of safe. While under the action of earthquake，the dam is safe though the factor of safety is not very high. All of these provide significant scientific bases for design and demonstration of high arch dam.Key words：hydraulic engineering；abutment stability；high arch dam；3D analysis；hydropower engineering收稿日期：2006–11–21；修回日期：2007–02–21基金项目：国家重点基础研究发展规划(973)项目(2007CB714101)；中国博士后科学基金项目(20070420706)作者简介：王忠耀(1960–)，男，1987年毕业于武汉水利电力学院水利水电工程建筑专业，现为博士研究生、教授级高级工程师，主要从事水工建筑物设计和施工方面的研究工作。
E-mail：lmc@第27卷增1 王忠耀，等. 静动力作用下高拱坝坝肩稳定性三维分析 • 3059 •1 引言拱坝坝肩岩体稳定分析是拱坝设计、施工和运行的首要问题，尤其是建于地震高烈度区的高拱坝[1]。
目前，研究岩体稳定分析的方法主要有刚体极限平衡法、非线性有限元法、离散元法、界面元法、不连续变形分析和数值流形法等[2，3]。
而刚体极限平衡法仍为坝肩稳定分析的主要方法之一[4～6]，该方法在长期的工程应用中已积累了经验，有明确的力学概念和丰富的工程实践经验，易于使用，并得出了符合实际的安全判断准则。
但在使用过程中，往往通过作图法来进行刚体极限平衡分析，烦琐且精度不高。
而基于地质勘测资料采用关键块体理论[7]来识别和描述被结构面切割的岩体，然后通过程序实现刚体极限平衡的计算，这样就可以在工程中较简便地使用这种方法，为实际应用提供广阔的前景。
龙蟠水电站位于金沙江中游河段，混凝土双曲拱坝最大设计坝高276 m，坝址基本地震烈度8度，设计基岩地震峰值水平加速度为0.408 g。
规范[8，9]规定，对坝高超过250 m 的拱坝需进行专门研究。
该拱坝高度达300 m级，坝体承受荷载巨大，坝身泄流量大，坝址地震烈度高，对拱坝设计提出了很高的要求，需要重点研究坝肩抗滑稳定性问题。
坝肩抗滑稳定问题实际上是一个三维边坡稳定分析问题，其滑动方向系由平行于河道的拱推力和垂直于河道的重力(沿卸荷方向)的综合作用形成，具有明显的三维特性。
因此，按照“静载设计，动载复核”的设计原则，本文分别从静荷载作用和考虑地震作用下，利用刚体极限平衡法从三维角度对拱坝坝肩抗滑稳定性开展了分析研究，取得了一定的成果。
2 坝肩工程地质条件图1给出了坝址地质平面图(局部)。
左坝肩岩体1 960 m高程以上为上泥盆统(13D)灰白色厚～巨厚层状大理岩，块状结构。
岩体中节理裂隙多短小、闭合、少充填，岩体嵌合较紧密，风化程度较浅，完整性较好，其基本质量类别为II类，变形模量一般为15～17 GPa；1 960 m高程以下为下泥盆统(1D)灰～灰黑色绢云千枚岩及绢云石英片岩，风化相对较深，千枚岩夹层的存在，使岩体的完整性受到一图1 坝址地质平面图(局部)Fig.1 Local geological plan view in the dam area定影响，岩体基本质量类别为II类，变形模量一般为13～15 GPa。
左坝肩主要断层有F11，F111，F113，F115，F117，除F11外其余均为小断层，且均为层间型断裂，走向NNW，倾向SW，倾角60°～80°，断层破碎带宽度较小。
左坝肩岩层走向近SN(330°～355°/SW∠65°～80°)，与边坡斜交，倾向上游偏山里，为一斜切反向坡，边坡岩体断层不发育；左岸优势节理有两组，产状分别为85°～95°/NW～NE ∠75°～80°和85°～95°/SE～SW∠70°～75°，另外产状为275°～285°/SW∠35°～50°的节理也有发育。
以走向近EW、倾向N的高倾角组节理最为发育，该组结构面延伸较长，一般为10～30 m，充填物较少，基本为硬性结构面。
另外，大理岩中有2组优势结构面，产状分别为80°～95°/ SE～SW∠65°～85°和60°～75°/NW∠45°～55°。
石英片岩中有3组优势结构面，产状如下：70°～110°/ SE～SW∠60°～85°，50°～75°/NW∠45°～55°和350°～20°/SE～NE∠65°～85°。
右坝肩岩体为下泥盆统(1D)浅灰、灰色绢云石英片岩、石英岩夹少量绢云千枚岩，局部有不规则的基性～酸性岩浆岩侵入体，软弱的千枚岩夹层单层厚度一般小于1 m，在岩体中所占的厚度比为5%～10%，岩体基本质量类别为II类，变形模量一般为13～15 GPa。
平面地质调查及平洞开挖结果显示，右坝肩未发现有大的断层存在。
坝肩岩层走向近SN向(345°～360°/SW∠65°～80°)，与坡面斜交，边坡为斜切顺向坡。