拱坝坝肩（精选6篇）
拱坝坝肩 篇1
高拱坝的坝肩岩体稳定性分析是拱坝勘察设计中的首要问题之一。由拱坝的受力特点可以看出,拱坝的稳定性主要是依靠坝肩两岸岩体来维持,坝肩岩体受荷载后大面积屈服,坝肩变形过大,渗水恶化,导致大坝开裂破坏,即人们所说的“变形稳定”问题或“大变形问题”[1]。因此,坝肩岩体的变形稳定直接关系到拱坝的正常运行与安全。
1 工程概况及工程地质条件
拟建的水电站位于虎跳峡峡谷段,电站设计坝高276 m,坝型为混凝土双曲拱坝,正常蓄水位2 012 m,总库容378×108 m3,装机容量400×104 kW。坝址区位于高山峡谷区,金沙江呈近NE40°走向。坝址区位于轴向近SN向的“中～上元古界石鼓群(Pt1-2sh)变质构造穹”西翼。区内发育F11断裂构造,走向N20°W/SW∠70°,破碎带30 cm,影响带3 m～8 m,F11断层以东为构成“中虎跳变质构造穹”核部地层的中～上元古界石鼓群(Pt1-2sh)变质杂岩,主要有长英质变粒岩、云母(石英)片岩及长英质糜棱岩等组成;F11断层以西的地质体由石炭系邛依组(Cq)台地陆棚相块状大理岩组成[2]。
2 FLAC-3D计算模型的建立
三维模型剖分网格为四面体单元,模型共划分出单元233 290个,节点42 025个,三维计算模型见图1。
3 模拟方案及计算结果分析
3.1 模拟方案
本文模拟研究分三个部分进行:第一部分,研究坝肩岩体在天然状态下的应力场特征,建立坝肩岩体的初始应力场;第二部分,研究坝肩在正常工程荷载作用下的应力场及变形特征,进而对拱坝的变形稳定性进行评价;第三部分,模拟研究坝肩岩体在拱端荷载增大过程中(超载)变形破坏的发展过程,即变形破坏机制,确定坝肩岩体的超载安全度以及在超载条件下的可能失稳模式。
3.2 天然状态下坝肩岩体初始应力场
坝肩岩体初始应力场的分布特征较为稳定,主应力随深度变化符合一般河谷的应力场规律,主要以自重应力为主,坡体内岩体最小主应力、最大主应力均呈压应力,具有从坡面往下逐渐增大,从坡体内部往外逐渐减小的特征。
3.3 正常工程荷载下坝肩岩体变形稳定分析
3.3.1 拱肩槽开挖及荷载的施加
本文计算中荷载分三级考虑了岩体自重、拱肩槽开挖及正常运行工况荷载。上述荷载中岩体自重为建坝前形成的岩体自重应力场,以初始应力场计入,而位移场不计;拱肩槽开挖也作为一级荷载施加,应力场计入,而位移场不计;其他工程荷载的施加按照等效荷载节点的移置原理,将大坝拱轴力施加到拱肩槽各个节点上。
3.3.2 正常工程荷载下坝肩岩体的应力场特征
1)坝肩部位由拱端推力产生的附加应力场的影响范围大约集中在拱端下游侧1倍～2倍的拱端宽度内,在此范围外,过渡为岩体自重应力场。2)拉应力区主要分布于拱端上游侧及岸坡局部表层地段,拉应力量值为0 MPa～1.6 MPa。3)剪应力的分布,左岸由于受断层的影响,明显不同于右岸。左岸1 900 m高程以下,拱作用在断层的下盘,拱推力的方向与两断层成小角度相交,在F11与Fd1的交汇部位有剪应力集中现象,最大剪应力在1 MPa左右,1 900 m高程以上,拱作用在断层上,跨断层上下两盘,作用方向跟断层走向相当,并且拱的作用力较小,所以剪应力未有增大现象。坝肩右岸最大剪应力出现在拱端部位,最大值在1 900 m高程,量值1.85 MPa。
3.3.3 正常工程荷载下坝肩岩体的变形特征
模拟的成果表明:在正常工程荷载下,坝肩岩体总位移总体表现出拱端的位移量最大,远离拱端逐渐减小的特征,影响范围为4倍～5倍拱端宽。
坝肩岩体内部质点的位移在左右岸有很大的区别,左岸受断层和地形的控制,坝后岩体质点受影响的范围较小,移动质点基本沿断层的下游侧分布,拱端推力方向上无临空条件,质点运动向山体内部;右岸岩体岩性相对左岸较弱,质点受影响的范围较大,坝后岩体拉裂,质点位移方向在平面形成反S形。
顺河向位移(Y向)、垂直河向位移(X向)右坝肩影响范围比左坝肩大,总位移分布两岸基本对称,拱端岩体最大总位移在1 900 m高程右岸,最大38 mm。岩体位移方向与拱端推力的方向保持一致。总体右岸岩体位移量平均比左岸高4 mm～5 mm,见图2。
通过跟踪拱端各点位移,可得到正常荷载组合拱端水平位移量,图3为水平位移随高程的变化情况。
根据实际工程经验,对200 m～300 m的高拱坝,在推力最大的高程上,若拱端位移水平分量达到30 mm以上,则坝体应力状态可能恶化,甚至开裂[3]。通过跟踪拱端各点位移分析,在正常工程荷载下拱端水平变形最大值在23 mm左右,跟同类200 m～300 m高坝拱端变形值相当,拱端变形符合一般规律,其量值也在许可的范围之内,故在正常荷载下,坝肩岩体变形不会导致拱坝应力状态的恶化。
3.4 坝肩岩体变形破坏过程及超载安全系数
3.4.1 变形特征
各高程在荷载小于2P(部分高程3P)范围内,左、右岸岩体均处于线性变形阶段;当荷载大于2P时,各高程上所有曲线的斜率均有所变缓,说明岩体已出现塑性变形,当荷载增大到4P,曲线斜率进一步变缓,表明岩体已进入破坏阶段。
根据上述变形规律,可将坝肩岩体的变形破坏过程分为三个阶段,即弹性变形阶段(荷载小于2P),塑性变形发展阶段(荷载在2P～4P之间)及大变形阶段(荷载大于4P)。
3.4.2 破坏特征
通过模拟分析不同高程岩体在超载荷载条件下塑性区的发展变化特征可以得到,在正常工程荷载下,坝肩岩体没有出现大面积破坏区,仅在坝体左岸上游近岸坡的少部分岩体发生拉裂破坏,右岸坝体下游近岸坡表层出现少部分剪切塑性破坏区域。
增大拱推力到2P,各高程近坝体角点上下游岩体出现小范围剪切塑性破坏区,并有向山体内部发展之势,但拱端岩体未进入塑性区。显然,总体在荷载2P范围内,坝肩岩体处于弹性状态。
此后,随着拱端推力的增大,岩体内的塑性破坏区进一步增加,此阶段相当于塑性变形发展阶段。
根据以上分析,可将坝肩的破坏荷载定为4P。为了衡量拱坝抗力体承受超载的能力,可将破坏荷载与正常荷载之比定义为超载安全系数。即本水电站高拱坝坝肩,其超载安全系数约为4。
4 结语
1)数值模拟表明,在正常工程荷载下,坝肩岩体总位移总体表现出拱端的位移量最大,远离拱端逐渐减小的特征,影响范围为4倍～5倍拱端宽。2)坝肩岩体在正常工程荷载下,无大面积的剪切破坏和拉伸破坏区域,只是在拱肩槽两侧开挖所留的尖角部位有小部分拉张破坏区域,不影响坝肩整体的稳定性。3)故在正常荷载下,坝肩岩体变形不会导致拱坝应力状态的恶化。4)坝肩岩体的超载安全分析结果表明,坝肩岩体的超载安全度为4,类比国内外其他高坝工程,本工程坝肩岩体变形稳定性具有足够的安全储备。
摘要：以金沙江上游拟建某水电站高拱坝坝肩为研究对象,应用有限差分程序FLAC-3D对坝肩岩体在天然和荷载后的应力、变形和破坏的发展特征模拟分析,重点分析了坝肩岩体在正常工程荷载下的变形稳定性及坝肩超载特性,得到了坝肩岩体的变形破坏特征及超载安全系数。
关键词：高拱坝坝肩,坝肩变形稳定,整体超载稳定性,FLAC-3D数值模拟
参考文献
[1]朱伯房,高季章.拱坝设计与研究[M].北京:中国水利水电出版社,2002.
[2]李渝生.金沙江虎跳峡水电站坝肩岩体结构及稳定性的工程地质研究[R].2005.
[3]高拱坝稳定性评价的方法和准则[J].成都:水电站设计,1997(2):30.
[4]黄润秋,王士天.澜沧江小湾水电站高拱坝坝基重大地质问题研究[M].成都:西南交通大学出版社,1996.
拱坝坝肩 篇2
高摩赞大坝枢纽工程位于巴基斯坦西北边境省境内的印度河支流Gomal Zam河上,工程以灌溉为主,兼顾防洪发电。高摩赞大坝为碾压混凝土重力拱坝,坝顶高程763.00 m,最大坝高133m,坝顶全长231 m。坝址区位于Gomal Zam河的Adam Kok峡谷段,该峡谷段长约800 m。河流自西向东流入峡谷,坝址测区范围内共发现14条断层,且以压扭性断层为主,破碎带为碎块岩及糜棱岩等,挤压较密实,对大坝可能产生影响的断层为位于右岸的断层F2、F3。
2 有限元法分析
2.1 有限元模型
对高摩赞大坝及其附近断层和岩体进行有限元受力分析过程中,假定模型沿坝轴中心线方向为x方向,垂直坝轴线方向为y方向,铅垂向上为z正方向,xy面原点在拱圈弧中心。地基模型主要考虑对坝肩岩体稳定和大坝抗滑稳定明显不利的F2、F3和F13等较大的结构面(见图1)。
2.2 荷载组合
对坝肩稳定进行分析,当温度降低混凝土收缩时拱端推力下降为最不利的工况。下游无水压力并且温降收缩时的工况计算荷载组合见表1。
2.3 有限元计算成果
温降工况考虑了正常工况下温度降低的时候对坝肩抗滑稳定最不利荷载组合。各层拱端推力分析有限元计算成果见表2。
3 刚体极限平衡法计算抗滑安全系数
3.1 刚体极限平衡法说明和计算公式
刚体极限平衡法是一种传统的较成熟的稳定分析方法,在估算拱坝坝肩安全度上被广泛采用。
在刚体极限平衡法中主要包括剪摩和纯摩2种方法。计算公式为:
式中,K,K'为抗滑稳定安全系数;N为垂直于滑动面的有效法向应力;S为滑动块的滑动力;A为计算滑裂面的面积;f为基岩摩擦系数;f'为基岩纯摩擦系数;c为黏聚力系数。
根据《混凝土拱坝设计》中建议,对于高拱坝,一般推荐采用剪摩公式进行计算。
3.2 坝肩的可能滑移形式
坝肩的可能滑移形式,与受力情况、地形地质条件和工程情况有关。在坝肩稳定分析中,坝肩岩体以单块体的形式滑移是最常见的形式。单块体多以楔形块体形式出现,一般由陡滑面和缓滑面切割而成,陡滑面一般也称为侧滑面,缓滑面也称为底滑面。作用在楔形体上的力有拱端传来的推力和剪力、块体的自重、底滑面和侧滑面上的渗透压力。在上述力的合力作用下,假设楔形块体处于极限平衡状态。
3.3 抗滑安全系数计算及分析
高摩赞大坝坝肩岩体是单块体滑动,底滑面和侧滑面为垂直和水平不连续面组成。安全系数计算公式为:
滑块体上各个作用力的位置和方向如图2所示:
通过三维有限元整体模型计算,计算出作用于滑动块各个面上的力。然后利用刚体极限平衡法的公式计算单滑块的安全系数,其中包括侧滑面承担的安全系数、底滑面承担的安全系数以及整个滑动块体的整体抗滑安全系数。具体计算结果如表3所列。
利用刚体极限平衡法计算各个滑动块体的抗滑安全系数结果如表3所列,从计算结果的分析中我们可以得出以下结论:
通过刚体极限平衡法计算可知:在对F2和F3断层不采取加固措施的情况下,3个计算滑块的抗滑安全系数均满足美国混凝土拱坝和重力坝设计标准的要求,而且还有一定的安全储备。
注:根据公式(3)计算,表中阻滑力为摩擦力和黏聚力之和,滑动力为大坝滑动力和水压推力之和。
底滑面在整体安全系数中所承担的比例比较大,侧滑面所承担的安全系数比例比较小。这说明对滑块安全系数影响较大的是作用在底滑面的法向力,而作用在侧滑面断层上的法向力影响不大,由此可见断层对整体安全系数的影响很小。
4 结语
本文讨论了采用有限元法与刚体极限平衡法相结合进行拱坝坝肩稳定分析,通过巴基斯坦高摩赞大坝进行实例分析,工程建成运行状况证明此分析方法能够很好地满足工程设计的需要。希望此方法在以后的其他工程实践中得到应用。
摘要：在拱坝的设计过程中,常进行坝肩稳定性分析。采用了有限元法对拱坝受力进行分析,然后利用有限单元分析的结果采用刚体极限平衡法进行计算。结合巴基斯坦高摩赞工程右坝肩F2和F3断层形成的滑动体进行典型分析。
拱坝坝肩 篇3
随着现代工程经验的积累和科技水平的进步,拱坝向着坝型更薄、坝体更高的方向发展[1],目前高拱坝已成为我国大型水电站枢纽工程的主要坝型之一,已建成的拱坝高度已达到300m级,如锦屏一级(坝高305m)、小湾(坝高294m)、溪洛渡(坝高278m)、白鹤滩(289 m)等大型工程[2]。这些高坝工程的主要特点是:坝高库大、拱坝承载力大,且坝址区复杂的地质构造严重影响了坝与地基的整体稳定性。拱坝承受的荷载主要通过拱的作用传递到坝肩,因而坝肩岩体的稳定是影响工程整体稳定的重要因素[3]。对此需深入开展高拱坝坝肩稳定分析,确保工程安全运行。
由于坝肩岩体非均匀性,岩体中结构面的不连续性,以及拱坝的空间超静定特点,使得拱坝坝肩稳定分析十分困难且复杂,寻找一种能够真实反映坝肩岩体变形破坏机制的稳定分析方法,已经成为高拱坝坝肩稳定分析的重要课题[4]。物理模型和数值计算是解决上述问题的两种有效途径[5,6,7],在拱坝的稳定分析中应用较广的主要有刚体极限平衡法、有限元数值分析法、地质力学模型试验法等。如锦屏一级高拱坝工程,唐忠敏[8]结合三维非线性有限元数值分析和地质力学模型试验对坝肩岩体稳定性展开了系统研究,得到锦屏拱坝的整体稳定安全系数;日本的川俣拱坝,坝基断层、层状裂隙及节理相当发育,该工程首先通过三维数值计算研究了坝肩岩体的稳定性、 提出了加固处理措施,然后再利用二维模型最终确定了加固处理方案并进行了实施,目前川俣坝已安全运行超过20年;黄岩松[9]等采用数值模拟和模型试验相结合的方法,对拉西瓦拱坝整体稳定性进行综合分析与安全评价,为工程设计和施工提供了参考依据。随着现代计算机技术的发展,国内外许多高坝工程采用了物理模型与数值计算相结合的方法,充分发挥各自优势,相互对比和互为补充,以此全面分析和论证坝与地基的变形与稳定安全问题。
本文针对立洲拱坝的特点及实际工程问题,为研究复杂地质构造对坝肩稳定性的影响,将地质力学模型超载法试验与有限元计算相结合,对立洲拱坝的整体稳定安全性作出综合评价,为坝肩坝基加固处理方案提供科学依据。
1工程概况及地质构造分析
立洲水电站是木里河干流水电规划“一库六级”的第6个梯级,拦河大坝为双曲碾压混凝土拱坝,坝顶高程2 092.00m, 坝底高程1 960.00m,最大坝高132.0m。
立洲拱坝坝址区两岸山体雄厚,谷坡陡峻,其优越的地形条件适宜修建拱坝,但两坝肩地质构造复杂,断层、层间剪切带、节理裂隙等软弱结构面较发育。坝肩抗力体被缓倾层间剪切带分割成层状岩体结构,在拱端附近还发育有多条陡倾断层和裂隙密集带,对大坝的稳定及安全有较大影响。其中,影响坝肩岩体稳定的主要结构面有:层间剪切带fj1~fj4,断层f4、 f5、f10,裂隙密集带L1、L2及长大裂隙Lp285。坝址区工程地质剖面图及地质平切图见图1、图2所示。
主要裂隙面及软弱结构面的强度参数见表1所示。
2模型试验及成果
2.1超载法破坏试验
结合立洲拱坝坝址区的地质特征和实际情况,确定模型几何比尺CL=150,模型尺寸为2.6m×2.8m×2m(顺河向×横河向×高度)相当于原型390m×420m×300m范围。模型试验通过对上游水荷载超载进行破坏试验。
试验采用正常工况下的荷载组合,即:上下游水压力+淤沙压力+自重+温升。其中上游水荷载采用小型油压千斤顶分层、分块加载;自重以原型模型材料容重相等来实现;考虑对坝肩稳定不利的温升荷载,并按温度当量荷载近似模拟。
对于拱坝地质力学模型试验,坝与地基的整体稳定超载安全系数可依据拱坝设计规范[10,11],利用“水压力超载系数”作出综合评价:起裂超载安全系数K1为坝踵开始出现裂缝时的水压力超载系数;非线性变形超载安全系数K2为下游坝面开始出现裂缝时的水压力超载系数;极限承载能力超载安全系数K3为坝与坝基丧失承载力时水压力超载系数。
2.2模型试验结果
通过试验主要得到以下成果:两岸坝肩及抗力体顺河向位移与超载系数关系曲线,见图3(a)、(b);坝肩及抗力体表面变位规律;两坝肩破坏过程、破坏形态以及整体稳定安全系数。
模型在正常工况下,两坝肩及抗力体变位均较小;随着超载倍数增加,变位逐步增大,拱端附近的岩体位移值较大。其中左坝肩中上部高程以层间剪切带fj2、fj3附近的岩体变位较大[见图3(a)],右坝肩上部高程以层间剪切带fj3、fj4附近的岩体表面变位较大。这种变位不对称的特征主要是由于两岸地质构造存在差异。左坝肩断层、裂隙等结构面较发育,使坝肩变形较大。此外,各层间剪切带对左右坝肩的影响也有所不同。
注:54号(fj4)等表示在层间剪切带fj4附近的岩体表面变位测点;34号(fj1-2等)表示在层间剪切带fj1与fj2之间的岩体表面变位测点。
坝基面上的破坏,主要是在拱坝上游坝踵部位发生拉裂破坏,裂缝由左岸扩展贯通到右岸,而下游坝趾部位的破坏情况相对较轻(见图4)。两坝肩的最终破坏形态明显不对称:左坝肩破坏程度相对于右坝肩破坏程度要大,左右坝肩最终破坏形态如图5所示。左坝肩主要是坝肩中上部附近岩体破坏严重: 断层f5沿结构面开裂完全贯通,并向上扩展至坝顶与层间剪切带fj3、fj4相交;层间剪切带fj3、fj4沿结构面开裂、扩展及延伸;坝肩中上部fj2~fj4之间岩体表面有大量裂缝产生。右坝肩主要是坝肩上部附近岩体破坏:fj3、fj4沿结构面局部开裂。
根据各测点变位与超载系数关系曲线及现场试验监测结果,模型的变形破坏过程为:在正常工况下,即超载系数KP= 1.0时,左右坝肩及抗力体表面变位均较小;在超载阶段,当超载系数KP=1.4~2.2,部分坝肩岩体表面变位曲线出现转折和拐点,此时上游坝踵附近出现初裂;当超载系数KP=3.4~ 4.3,曲线发生明显波动、出现拐点,坝肩表面变位增长迅速发生大变形,此时坝体下游侧在左岸建基面处发生开裂并向上延伸,此时坝体变形进入非线性变形阶段;当超载系数KP=6.3 ~6.6时,坝肩岩体表面裂缝交汇、贯通,坝与地基呈现出整体失稳趋势。
根据模型试验结果和整体稳定超载安全评价方法,立洲拱坝与地基整体稳定超载安全系数为:起裂超载安全系数K1= 1.4~2.2,非线性变形超载安全系数K2=3.4~4.3,极限超载安全系数K3=6.3~6.6。
3有限元计算及结果
结合立洲拱坝地质特征以及软弱结构面分布情况,通过ANSYS软件建立拱坝天然地基条件下的三维数值模型,并进行超载法计算,分析坝肩和断层的变位特征、坝肩塑性破坏形态,综合评价整体稳定性。
为了与模型试验作比较分析,计算模型模拟的范围、地质构造,以及岩体和主要结构面的力学参数、坝体所承受的荷载均与模型试验保持一致。ANSYS有限元计算采用弹塑性本构模型和D-P准则进行超载计算,坝体采用solid65单元,岩体采用solid45单元。边界约束条件为:两岸垂直河向约束,底面为三向约束,上、下游边界顺河向约束。立洲拱坝三维有限元网格图如图6所示。
通过计算得到两坝肩典型部位的顺河向变位超载关系曲线和极限超载塑性破坏图,见图7~图9。由图可知,两坝肩变位表现出明显不对称性,左坝肩变位总体大于右坝肩变位,其中左岸在中上部fj2~fj3、右岸在上部fj3~fj4附近的变位值较大,表明软弱结构面对左右坝肩变位的不同影响。
计算分析得到了坝肩变形发展与破坏过程:加载过程中, 当KP=1.0时,左右坝肩及抗力体表面变位均较小;在KP= 4.0~5.0之前,坝肩变位随着水压超载系数的增加逐步增大; 当KP=6.0~7.0时,变位曲线出现明显拐点、发生转折,此时岩体与结构面的塑性区扩展贯通,坝肩坝基塑性区从左岸扩展至右岸,建基面上游侧岩体几乎全部处于塑性状态,坝与地基丧失承载力,出现整体失稳破坏现象。最终,左坝肩的塑性破坏区域比右坝肩的范围大,左坝肩主要在中上部区域发生的破坏较严重,右坝肩主要是在坝顶附近出现开裂,如图8所示。 建基面的塑性破坏区左右岸完全贯通,主要是在上游侧坝踵处发生拉裂破坏,而下游坝趾处的破坏区较小,如图8、图9所示。
综合分析有限元计算得到的坝肩变位与塑性发展过程,拱坝与地基整体稳定超载安全系数计算值为KSP=6.0~7.0。
4对比分析数值计算与模型试验结果
4.1坝肩及抗力体表面位移对比分析
在水压超载作用下,综合比较模型试验与数值计算结果, 得出坝肩及抗力体表面变位规律:1试验与计算所得的坝肩及抗力体表面变位特征基本一致,呈现顺河向变位向下游、横河向变位向河谷、左岸变位大于右岸变位的整体规律;2根据超载变位曲线分析,模型试验与数值计算结果均反映出左右两坝肩变形不一致、变位不对称的情况,并受结构面的不同影响,左右坝肩最大变位区域各自分布在不同部位;3坝与地基在即将丧失承载力、出现整体失稳趋势时,出现了非线性大变形的典型特征,变位曲线明显转折,变位值增长迅速。
4.2坝肩破坏形态对比分析
通过模型试验与数值计算,坝与地基的最终破坏形态和破坏特征为:1模型试验中,左岸破坏范围及破坏程度比右岸破坏范围及破坏程度严重;数值计算中,左岸塑性破坏区比右岸塑性破坏区要大,两种方法的结果基本吻合;2试验与计算结果均表明,左坝肩破坏区域主要分布在坝肩中上部高程(fj2~ fj4之间)区域。断层f5沿结构面开裂、由坝肩开裂贯穿至河床,而右坝肩主要是坝顶附近fj3~fj4区间的岩体变形较大、发生开裂;3建基面的破坏主要沿上游坝踵发生拉裂破坏,而下游侧的开裂则较少。对于开裂破坏较严重的部位在坝肩加固处理中应予以重视。
4.3坝肩破坏影响因素对比分析
地质力学模型试验和有限元计算结果表明:坝肩中发育的断层、层间剪切带、节理裂隙等软弱结构面对坝肩变形与稳定有较大影响。其中左坝肩软弱结构面相对较发育,多条结构面相互交错、切割,降低了坝肩抗力体的完整性。此外,左拱端附近的断层f5、裂隙L1、L2等结构面沿近拱推力方向发育,其产状对坝肩岩体的受力不利。影响坝肩破坏的控制性结构面主要为:1对左坝肩稳定影响较大的是断层f5,长大裂隙Lp285、 L2以及层间剪切带fj2~fj4;2对右坝肩稳定影响较大的是断层f5及层间剪切带fj3~fj4;3层间剪切带fj1~fj4对左右坝肩的影响不相同,在层间剪切带、断层、裂隙等结构面的共同作用下,左坝肩变位和破坏程度相对于右坝肩变位和破坏程度要大。
4.4安全系数对比分析
通过模型试验研究与数值计算分析,综合评价天然坝基条件下立洲拱坝坝肩的稳定性,当坝与地基在出现整体失稳趋势时,两种方法评价的超载安全系数大小相当,分别为K3=6.3 ~6.6及KSP=6.0~7.0,其值在类似拱坝工程超载安全系数的统计分布范围之内[12]。
5结语
本文针对复杂地质条件下立洲拱坝的坝肩稳定性问题,采用地质力学模型超载法试验和有限元超载法计算分别进行了研究,主要得到以下结论。
(1)根据坝肩及抗力体表面变位分布和发展规律、坝肩破坏形态及破坏机理、整体超载能力及安全度评价,综合分析得到了立洲拱坝坝肩稳定安全系数为KSP=6.0~7.0。
(2)试验研究及计算分析结果表明,软弱结构面是影响坝肩稳定的主要因素,左坝肩中上部fj2~fj3、fj3~fj4附近岩体及右坝肩上部fj3~fj4区域岩体变形大、破坏较严重。建议采用混凝土置换、固结灌浆、预应力锚索等工程措施对坝肩进行有效的加固处理。
(3)结合模型试验与有限元数值计算两种方法,可全面分析和研究拱坝坝肩稳定问题,达到相互对比、互为补充的良好效果。
摘要：立洲拱坝坝肩地质条件复杂,断层、节理裂隙等软弱结构面发育,直接影响坝肩的稳定安全性。针对上述地质问题采用地质力学模型试验与有限元计算分别进行了研究,通过二者综合对比分析,得到了坝肩及抗力体表面变位分布规律、两坝肩的最终破坏形态以及整体稳定安全系数,揭示了影响坝肩稳定的控制因素及其薄弱部位,为工程的设计和施工提供依据。将物理模型与数值计算相结合,二者相互对比和互为补充,全面分析和论证拱坝坝肩稳定性。
关键词：拱坝,坝肩稳定,复杂地质构造,地质力学模型试验,数值分析,安全系数
参考文献
[1]潘家铮,何璟.中国大坝50年[M].北京:中国水利水电出版社,2000:257-259.
[2]姜小兰,陈进,孙绍文,等.高拱坝整体稳定问题的试验研究[J].长江科学院院报,2008,25(5).
[3]黄润秋,王士天,胡卸文.高拱坝坝基重大工程地质问题研究[M].成都:西南交通大学出版社,1996.
[4]王毓泰,周维垣,毛健全,等.拱坝坝肩岩体稳定分析[M].贵阳:贵州人民出版社,1983:1-2.
[5]REN Q W,XU L Y,WAN Y H.Research advance in safety analysis methods for high concrete dam[J].Science in Chinese(Series E):Technological Sciences,2007,50(Supp.1):62-78.
[6]王汉鹏,李术才,郑学芬,等.地质力学模型试验新技术研究进展及工程应用[J].岩石力学与工程学报,2009,(增1):2 765-2771.
[7]Boulon M,Alachaher A.A new incrementally nonlinear constitutive law for finite element applications in geomechanics[J].Computers and Geotechnics,1995,17(2):177-201.
[8]唐忠敏.锦屏一级高拱坝整体稳定分析与评价[J].水电与新能源,2014,125(11):35.
[9]黄岩松,周维垣,杨若琼,等.拉西瓦拱坝稳定性分析和评价[J].岩石力学与工程学报,2006,25(5):901-905.
[10]SL282-2003,混凝土拱坝设计规范[S].
[11]DL/T 5346-2006,混凝土拱坝设计规范[S].
拱坝坝肩 篇4
关键词：工程地质,溶洞发育特征,溶洞处理,有限元,落脚河拱坝
1 工程概况
落脚河水电站工程位于贵州省西部乌江流域六冲河一级支流的白甫河下游, 毕节地区大方县双山镇、响水镇境内, 是落脚河支流水电梯级开发的第七个梯级工程。水库正常蓄水位1272m, 总库容4200万m3, 拦河坝为混凝土双曲拱坝, 坝高81m, 电站装机20MW。该工程于2004年10月开始施工, 在施工过程中揭露了大量规模不等的岩溶洞穴和溶隙, 主要有分布于右坝肩的K3、K 4, 导流隧洞内的K 6, 引水隧洞内的K5、K7, 其中以右坝肩K3溶洞规模最大。与初步设计报告中描述的岩溶不发育严重不符, 出现了重大的地质情况变化, 给坝肩稳定和大坝渗漏带来隐患。通过地表地质工作、硐探、钻孔、物探、人工开挖、灌浆先导孔等勘察手段后, 对左、右岸两坝肩岩溶发育情况有了进一步的了解和发现, 对坝肩稳定有影响的K3溶洞的发育形态基本查清。根据勘察情况, 设计单位提出了对溶洞的处理措施并对落脚河水电站溶洞及其处理措施对于坝体、基础应力及拱座抗滑稳定的影响等问题进行了复核论证。
2 K3溶洞勘察结果
溶洞K3位于右坝肩, 紧靠大坝下游侧, 发育高程:洞顶约1220m, 洞底高程推测为1198m, 紧靠大坝下游侧的洞口出露高程为1213m, 溶洞长轴方向可见长度约27m, 短轴方向可见宽约7m, 溶洞容积约1100m3 (包括溶洞充填部分) , 溶洞长轴方向S40oE, 从坝基处向下游山内发育;溶洞短轴方向N 5 0 o E, 从山内斜向河床发育, 洞内1209m～1213m高程段为软塑状黄色粘土, 1209m高程以下为粉细砂夹粘土及溶塌块石充填。该溶洞仅在进口段发育石钟乳, 其余地段未见石钟乳发育, 洞壁及洞顶溶孔有明显的冲刷痕迹, 洞内潮湿。但通过冲沙底孔平台四个钻孔勘察后, K3溶洞与勘探孔揭露的洞穴有密切的关系。
3 K3溶洞处理措施
因紧靠大坝, 其充填物为细沙、粉沙土、溶塌块石等物, 对大坝稳定不利, 从地质角度考虑, 必须进行相应的处理, 根据现场溶洞位置及工程地质情况, 采取以下处理措施。
(1) 溶洞回填混凝土。
对K3溶洞继续人工开挖, 将充填物清除, 清洗洞壁, 并对紧靠坝肩溶洞段, 洞壁插锚筋锚固, 然后用混凝土回填。
(2) 回填及固结灌浆。
对清不彻底的局部地段, 采用在已回填混凝土上打孔或预埋灌浆管, 进行高压挤密固结灌浆, 高压冲洗置换固结灌浆, 对混凝土与岩体周边接触部位进行回填、固结灌浆。为处理ZK1、ZK2、ZK3、ZK4揭露出的隐伏洞穴, 确保临近该区段的坝肩稳定, 在勘探区范围 (冲沙底孔出口平台) 布置与拱端应力反方向的固结灌浆孔。在冲沙底孔出口段, 固结灌浆应兼顾冲沙底孔底板基础固结。在K3溶洞隐伏洞段进行高压固结灌浆后, 于孔内加插锚筋, 回填灌浆使其形成灌注桩, 锚筋应深入溶洞顶板和底板数米, 据勘探资料显示, 坝肩1198m高程以下岩溶发育明显减弱, 固结灌浆底板高程应不低于高程1198m。
(3) 改善坝端结构受力条件。
扩大拱座断面面积, 分担部分作用于溶洞顶板的大坝推力, 对大坝下游边缘与冲沙底孔出口间的沟槽回填混凝土, 使坝体与已锚固的岩体、溶洞内回填混凝土形成整体, 分担部分坝体推力, 增强坝肩岩体的抗滑与变形稳定性。在溶洞口拱肩位置, 设置用型钢组成的直立排架或在洞口抗滑控制性结构面上插入锚筋, 使其与坝体、溶洞内回填混凝土形成一整体。增强地基岩体的刚度和抗剪强度, 尽量让拱端推力传至溶洞的顶底及侧壁岩体上。
(4) 加强帷幕灌浆质量控制。
对洞穴内清不彻底的充填物, 在渗透压力作用下, 可能产生机械性管涌造成渗漏变形破坏。所以必须加强灌浆质量控制, 以防止水库蓄水后, 经坝区纵向裂隙或断层向坝肩岩溶洞穴渗漏。
4 溶洞对大坝及基础应力的影响
4.1 计算模型
用三维有限元对坝体及基础进行剖分, 网格示意图见图1。为了能够准确模拟基础内部的溶洞, 基础用较精细的网格。全坝共剖分141650单元, 152360节点, 其中坝体3200单元, 3840节点, 基础138450单元, 148520节点。
4.2 溶洞对大坝应力的影响
(1) 对坝体应力的影响
根据三维有限元计算, 由应力等值线对比可以看出, 孔洞在回填混凝土前后对坝体的影响不大。孔洞影响只是坝体基础的局部, 对于坝体本身的应力影响不大, 符合圣维南原理。
由各等值线图可见:
(1) 溶洞的存在对坝体各面各方向的整体应力影响很小。仅对K3溶洞附近的坝体应力有一定影响。
(2) 填前由于溶洞的存在, 右坝肩下游面附近的应力等值线不光滑。
(3) 填后有所改变。
由于计算考虑年变化的气温引起的非线性温差, 同时未考虑混凝土徐变的影响。因此应力在下游面较大。
总之, 溶洞的存在对坝体应力影响很小, 回填前后对坝体应力的影响均可不计。
(2) 对拱座应力的影响
由等值线图可以看出, 回填前后只是孔洞附近略有变化, 其它部位的应力变化不大。这是由于孔洞的影响只是局部问题, 因此对基础其它部位影响并不大。
(3) 对坝体变形的影响
由位移等值线可以看出, 孔洞回填混凝土前后对坝体变形的影响不大。这也是因为孔洞的存在属于基础局部问题, 对坝体的影响不会很大。
5 结语
通过对落脚河水电站坝址区K3溶洞问题的坝体应力计算, 可以认为, 由于溶洞规模较小, 处理前后对坝体应力影响均不大。用混凝土回填后坝体应力略有改善。
落脚河电站于2005年年底蓄水发电, 至今已有4年多的时候, 根据大坝监测的结果显示, 大坝运行情况良好。这说明K3溶洞的处理是符合工程实际的, 亦是成功的。
参考文献
[1]朱伯芳, 高季章, 陈祖煜, 等.拱坝设计与研究[M].中国水利水电出版社, 2002.
拱坝坝肩 篇5
坝肩岩体稳定性涉及的影响因素众多, 以往的计算方法大多对其影响因素进行了简化或省略。在模糊集合理论中有一种模糊综合评判法, 其在理论上可以考虑所有影响因素, 综合考虑各影响因素的重要性程度, 对问题进行综合评判。本文利用这种方法, 建立坝肩岩体稳定的模糊综合评判法的计算模型。该方法的优势是, 理论上可以综合考虑所有影响因素, 对于坝肩稳定本身就是一个模糊性很大的问题, 因此在评判结果中采用了模糊性的语言对其进行评价。
1 模糊综合评判法
模糊综合评价是应用模糊变换原理和最大隶属度原则, 综合考虑被评事物或其属性的相关因素, 进而进行等级或类别评价。
先确定两个模糊子集。一个是模糊综合评价等级决择评价集合V:
式中:下标n为评价等级数;另一个是评价对象的关联因素集
式中:下标m为关联因素个数。
Ui的单因素评价子集为:
m个关联因素的评价子集的集合构成总的评价矩阵R:
由 (U, V, R) 构成了一个综合评价模型, 或称综合评价空间。
各关联因素对于所评价的事物或其属性具有不同的重要程度, 可用模糊子集A表示:
式中:ai为ui对A～的隶属度, 是单因素ui在总评价中影响程度的度量, 作为权系数, 需满足。
于是, 可进行模糊综合评价
记B= (b1, b2, …, bm) , 它是V上的一个模糊子集。式中, o为广义模糊运算, bj (j=1, 2, …, m) 简记为模型M (﹡-, ﹡+) , 其中*-为广义模糊“与”运算, *+为广义模糊“或”运算, M (﹡-, ﹡+) 可表为无穷多具体的形式, 但在实际运用中通常用主因素突出型M (-, ∨) , M (∧, +) , 加权平均型M (-, +) , 主因素决定型M (∧, ∨) 以及极小型M (乘幂, ∧) 。其中前5个模型按最大隶属度原则选择最大的bj所对应的等级Vj就得到各自的综合评价结果。
在复杂的系统中由于要考虑的因素较多, 各因素之间往往还有层次, 并且许多因素还具有比较强烈的模糊性, 若用一级模糊综合评判模型, 则难以比较系统中事物之间的优劣次序, 得不出有意义的评判结果[2]。此时, 需要用二级或更多级的模糊综合评判。多级模糊综合评判与一级模糊综合评判的计算方法几乎一样, 即分别对各级运用一次模糊综合评判, 然后将计算结果作为已知值, 再对上一级进行模糊评判运算, 以此类推, 从而得出最终的评判结果。
2 坝肩岩体稳定性分析的模糊综合评判法
根据不同的标准, 坝肩岩体稳定性的分类也有不同。根据本方法的特点, 将坝肩岩体分为5个评判等级, 即:很稳定、稳定、一般、不稳定和很不稳定, 分别用Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ, Ⅳ, Ⅴ表示。
坝肩岩体稳定的影响因素众多, 根据国家规范标准及大量实际工程的经验资料, 选取了13种对坝肩岩体影响较大且容易确定的因素。 (见表1) 因为影响因素较多, 因此采用二级模糊综合评判方法对坝肩岩体进行评判, 该方法的优点是能使重要影响因素突出比较符合实际。
在模糊综合评判中, 权重系数的确定是十分重要的, 因为权重集W确定得恰当与否, 直接影响综合评判结果。
请有关专家和从事相应工作且具有丰富经验的人员, 对因素集中的各个因素进行打分, 提出各自独立的权重向量, 根据到会专家的人数以及每组权数的频数和频率得到权重集[1], 从而确定各级因素的权重系数。 (见表2)
根据以上确定的各项指标值, 利用模糊综合评判法进行计算, 得出计算结果。由计算结果, 得出评判结果, 评判其坝肩岩体的稳定性。
3 实例分析
3.1 工程概况及基础地质资料
某水电站位于金沙江下游四川省宁南县和云南省巧家县境内。坝区主要为二叠系上统峨眉山组玄武岩, 根据岩相可分为n个喷溢间歇层。下伏二叠系下统茅口组灰岩等, 上覆三叠系下统飞仙关组砂页岩。各地层呈假整合接触。第四系松散堆积物主要分布于河床、阶地及缓坡台地上。
坝址区岩体呈单斜构造, 岩层产状N30～50°E、SE∠15～25°, 顺层挤压破碎带和节理发育, 并受NW向及NE向节理切割。坝址区无区域性大断裂带通过, 也无大规模的顺河向断层, 仅发育数条NW或NE走向的陡倾角断层斜切河谷, 坝址区主要断层多属压扭性。正常蓄水位820m处原始河谷宽462m, 呈相对对称的“V”型河谷, 两岸山体雄厚, 且地形基本对称, 临江坡左岸坡缓, 右岸坡陡。左岸高程850m以上为宽缓平台, 高程850m以下为悬崖陡壁和缓坡相间;右岸坡高程1170m以下均为陡坡、悬崖, 平均坡度达70°, 高程1170m以上呈缓坡地形。拦河坝采用抛物线混凝土双曲拱坝, 为Ⅰ级建筑物, 坝顶高程8 2 7.0 0 m, 坝底高程550m, 最大坝高277.0m。
基础地质资料:
(1) 基岩的渗透系数为5.0×10-7m/s。
坝基岩体分区及相应力学指标如表3。
(2) 主要断层和层间 (内) 错动带。
坝区主要有F14、F16、F17、F18、g3、g4、g5、J5、J7、J8断层及层内挤压带和节理。
(3) 地震。
坝址区地震基本烈度Ⅷ度, 基岩水平向设计地震峰值加速度暂取0.325g。竖向设计地震峰值加速度为水平向设计地震峰值加速度的2/3。
(4) 水、沙荷载。
上游正常蓄水位820.00m (相应下游水位600.00m) 。
上游设计洪水位820.96m (相应下游水位630.40m) 。
上游淤沙高程710.00m (淤沙浮容重5.0kN/m3, 内摩擦角0°) 。
(5) 温度荷载
3.2 坝肩岩体稳定性的模糊综合评判
采用坝肩岩体稳定的模糊综合评判模型, 对该电站右岸坝肩岩体的整体稳定性作一个定性评判。该方法并不是单独针对某一块岩体而一言, 而是对坝肩岩体的稳定性作综合的定性评判。
参照坝址地区的基本资料, 根据模糊综合评判的方法, 确定出影响左岸坝肩岩体稳定的各参数指标的数值, 对于定性指标通过专家给其“打分”的形式, 确定它们指标值。详见表5。
3.2.1 单因素评判
对所有的子因素按一定关系的隶属函数进行评定, 将各因素参数指标值代入相应的隶属函数, 即可得出各单因素评判结果, 见表4。
3.2.2 一级模糊综合评判
分别按每个因素子集进行综合评判, 求出相应的子集等级模糊向量Bk (k=1, 2, 3, 4) , 共有4个因素子集, 其中权重己经在第三部分中已经确定。
3.2.3 二级模糊综合评判
将4类二级因素作为4个单因素那样进行总的二级模糊综合评判, 计算方法同上。
3.2.4 模糊综合评判结果
(1) 按照最大隶属度原则确定综合评判结果。
根据最大隶属度原则, 在B矩阵中选择最大者, 相对应的稳定等级就是白鹤滩左岸坝肩综合评判的最终结果。bmax=b3=0.387, 说明该坝肩稳定性处于评判标准的第三等级, 即“一般”状态, 即介于“稳定”与“不稳定”状态之间。
(2) 按照加权不平均法确定综合评判结果。
因为评语集为定性指标, 因此对五个等级进行定量化处理, 分别赋予数值:1、2、3、4和5。进行计算得到:
计算结果数值与“3”最为接近, 因此认为评判结果为评语集中的第三等级:“一般”。通过分别利用两种评价指标的处理方法, 等到的是同一种评判结果, 说明该评判表6单因素评判结果结果是有效的。
4 结论与建议
(1) 在坝肩稳定问题中, 涉及因素繁多, 而且存在许多不确定性因素, 特别是模糊性因素, 研究表明模糊性因素同样影响结构的安全度, 因此在对坝肩进行稳定综合评价时, 需要同时考虑一些因素的模糊性。
(2) 在以往的评价方法中, 均没有考虑模糊性因素的存在。特别是对于评判标准, 大多是采用“一刀切”的方法, 各级指标间没有实质性的界限。因此, 本文利用模糊数学中的模糊综合评判法, 对坝肩稳定进行定性评判。该方法的优势是, 理论上可以综合考虑所有影响因素, 对于坝肩稳定本身就是一个模糊性很大的问题, 因此在评判结果中采用了模糊性的语言对其进行评价。
(3) 对于模糊综合评判法, 本文运用专家调查法和统计方法确定了13种影响坝肩岩体稳定的作用因素, 并且构造了各因素的隶属函数及其权重系数。隶属函数采用的是岭形分布与梯形分布相结合的函数形式。定性指标的隶属函数采用对定性指标定量化处理, 然后对其进行线性插值, 确定其隶属度。
摘要：在拱坝安全性的影响因素中, 不仅存在随机性因素, 而且还有大量的模糊性因素。研究表明, 模糊性因素同样对拱坝的安全度有一定的影响。在以往的评述坝肩岩体安全度的方法中均没有考虑该因素的影响。本文根据模糊集合理论, 利用基于模糊数学的模糊综合评判法和概率理论, 以及目前广泛应用在各类工程安全度评价中的结构可靠度理论, 分别建立了坝肩岩体稳定的模糊综合评判法和模糊随机可靠度计算模型。
关键词：模糊数学,模糊综合评判法,隶属函数,坝肩稳定
参考文献
[1]房勇, 任青文.坝肩岩体稳定的模糊分析方法[J].中国知识资源总库, 2004.
[2]李彰明.岩体力学与工程学报[M].1997:16 (5) :490～495.
[3]陈忠达, 黄杰, 孙杰.挡土墙稳定性的模糊分析[J].内蒙古公路与运输, 2000, 3.
[4]汪培庄.模糊集合论及其应用[M].上海:上海科学技术出版社, 1983.
[5]黄洪钟.模糊设计[M].北京:机械工业出版社, 1999:102～144.
[6]王光远, 张跃.模糊随机过程论[M].贵阳:贵州科技出版社, 1994.
[7]黄键元.模糊数学[M].宁夏:宁夏教育出版社, 1998.
[8]田钦漠.模糊综合评价中的若干问题[M].模糊系统与数学, 1996, 10 (2) :62～69.
拱坝坝肩 篇6
关键词：双曲拱坝,非线性有限元法,强度储备系数法,刚体极限平衡法
安全性是拱坝设计的关键问题, 一方面要分析拱坝应力及变形, 检验坝体是否满足强度要求;另一方面要研究两岸拱座的抗滑稳定性和岩体变形, 对坝肩的稳定性作出评价[1]。坝肩稳定分析的方法主要有刚体极限平衡法和有限元法。刚体极限平衡法概念明晰、计算简便;有限元法能计算坝肩中的应力场及位移场, 通过计算收敛性、突变性判据和塑性区贯通分析坝肩岩体、软弱夹层的屈服区和稳定安全度等。
目前国内, 赵尚毅等[2]采用强度储备系数法, 通过有限元计算不收敛性, 判定在系统达到不稳定状态时的折减系数即为安全系数;吴海林等[1]采用强度折减法研究了长塘拱坝的坝体强度和坝肩稳定问题, 并对拱坝失稳破坏过程进行了模拟;秦卫星等[3]在边坡稳定分析中对安全指标与判断标准2个方面进行了讨论, 对拱坝坝肩稳定分析提供了一定借鉴。
本文以丹达河双曲拱坝为例, 以现有勘探资料为依据, 结合中国水利水电科学研究院对于丹达河拱坝相关计算报告, 分析探讨丹达河右坝肩局部稳定性问题。该坝址位于金沙江上游右岸一级支流丹达河与支流羊拉河交汇口上游附近, 坝顶高程2 650.00m, 水库正常蓄水位2 647.00m, 最大坝高137m, 坝顶宽6m, 坝底厚25m, 厚高比0.182。
1 地质条件
根据地质资料, 右岸坝肩主要结构面有:f12分布在右坝肩及河床坝基, 其产状170~200∠60~80, 压扭兼张扭性, 宽20~50cm。f10出露于2 650m平台后边坡, 产状220∠70, 总体缓坡状起伏延伸, 宽上部30cm, 下部10cm。L4基本沿拱间槽的外侧 (东) 边缘发育, 局部高程段进入了拱座建基面边缘, 向下延伸到2 614m左右尖灭, 裂隙沿线普遍有张开现象, 施工爆破后较明显, 开度1~3cm, 带宽10~20cm, 局部30cm。右坝肩典型高程的地质平切图见图1。
2 计算模型
整个计算模型范围为地基底部距坝底建基面10m, 上、下游侧地基长度取约1倍坝高, 其中X向为顺河向, Y向为横河向, Z向为竖直向。
计算网格采用空间8节点等参实体单元, 局部区域为四面体单元, 单元总数68 499个, 节点数30 784个。整体网格见图2。计算过程中, 基岩周边除顶面外均采用法向约束, 其余为无约束自由面。
3 计算参数与荷载
通过可研阶段试验, 并结合开挖实际, 经地质论证, 计算所采用的参数见表1, 计算过程中考虑基岩结构面为弹塑性材料。
计算中所考虑的荷载包括自重、水荷载、温度荷载及地震作用等。除基岩自重外其余荷载所产生的作用效应均等效为建基面作用力, 其荷载值大小根据中国水利水电科学研究院在丹达河水电站工程拱坝体形优化专题报告[4]中所提供的一组不同高程拱端处作用力来确定。荷载作用值见表2。
102 t/m
4 计算原理及计算工况
本文材料本构关系采用理想弹塑性模型, 屈服准则选用多用于摩擦型材料的Druck-prager准则[5], 即:
式中:α、k均为正常数, 当α、k取不同值时, 就可以得到不同的DP准则;I1为应力张量的第1不变量, J2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 6棱椎面和Mise圆锥面之间的相互关系。本文利用软件本身自带的外接圆锥DP1屈服准则, 另外推导了等面积圆DP4屈服准则, DP1、DP4屈服准则α、k值见式 (2) 、 (3) :
拱坝坝肩的稳定不仅取决于岩体内部的地质结构, 也取决于外部荷载的影响。故本文选取拱端荷载较大的3种工况为计算工况, 即工况1:正常水位+设计温升;工况2:校核水位+设计温升;工况3:地震+正常水位+设计温升。
5 坝肩稳定性分析
5.1 非线性有限元 (强度储备法) 成果分析
采用等比强度折减法进行渐进破坏过程计算分析得到的结果表明, 材料强度开始降低时, 仅在结构面L4顶部及断层f12与坝肩槽上游面相交处出现一定的屈服区域, 随着折减系数的增大, L4顶部的塑性区域逐渐增大并沿着底部扩展, f12断层的塑性区也从f12与槽体的交界处沿着上、下游扩展, 发生塑性区域的部位逐渐从表面向内部延伸, 当折减至计算不收敛时, 结构面f12和L4出现大范围屈服, 此时拱坝右坝肩岩体已处于失稳状态。
另以工况3DP4准则作用下的计算结果为基础, 选取一系列关键点进行分析, 综合判定滑移体突变时的折减系数。在此取断层f12与拱肩槽相交处特征点进行展示, 由图3可见, 随着折减系数的增大, 当强度折减系数小于1.7时, 特征点位移增长较平缓, 在1.7~2.0时位移突然增大, 表明该位移曲线在折减系数为1.7时出现了拐点, 坝肩结构面组成的块体有失稳趋势, 结合结构面的塑性区域分布 (见图4~图6) , 与此对应的强度储备系数可认为是1.7。
采用强度储备法计算得到的结果如表3所示。相同工况下坝肩结构面采用DP1模型计算出的强度储备系数相对较DP4模型要大, 其主要原因是DP1准则为M-C准则外角点外接圆准则, 其模型本身要偏于危险。
5.2 极限平衡法的坝肩稳定性分析
根据《混凝土拱坝设计规范》SL282-2003, 采用刚体极限平衡法进行抗滑稳定分析时, 应按以下抗剪断公式[6]计算:
式中:K为抗滑稳定安全系数;N为垂直于滑裂面的作用力;f为抗剪断摩擦系数;c为抗剪断凝聚力;A为计算滑裂面的面积;T为沿滑裂面的作用力。
由以上计算公式, 右坝肩的滑动块是由断层f12、垂直河谷的横向裂隙 (L4) 以及岩层面形成的楔形体。对右坝肩滑动块体进行抗滑稳定计算, 计算成果见表4, 其值参考《迪庆州德钦县丹达河水电站拱坝抗滑稳定补充分析研究报告》[7]。
5.3 2种分析方法的成果比较
根据极限平衡法分析, 由断层f12、裂隙L4以及岩层面形成的楔形体的抗滑稳定安全系数在基本组合下最小为3.55, 在特殊组合下为3.46, 在特殊组合 (有地震) 下为2.92, 均大于允许值, 满足规范要求。
非线性有限元分析结果看, 最大安全系数为2.2, 最小为1.7。目前规范上没有明确规定采用有限元法分析的允许安全系数值, 其结果仅反映安全储备情况。
以上计算成果表明, 丹达河拱坝右岸f12断层、裂隙L4以及岩层面形成的楔形体是安全的。但基于非线性有限元强度储备法是比刚体极限平衡法更为精细的方法, 假定的相对条件较少, 理论上所对应的安全标准应较极限平衡法要小。另外, 为了进一步提高安全度, 对f12断层进行了工程措施处理 (在此不再详述) 。
6 结论
(1) 运用非线性有限元法对丹达河拱坝右岸坝肩进行抗滑稳定性分析, 并采用刚体极限平衡法进行校核, 认为右岸f12断层、裂隙L4以及岩层面形成的楔形体是安全的。
(2) 采用非线性有限元法安全系数作为坝肩稳定安全系数时, 其值取决于坝肩临界面失稳状态的判据, 且对于材料参数较为敏感, 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) 通过数值分析可以比较直观地反应滑动模式, 即坝肩断层f12发生屈服破坏程度相对较重, 其中2 590~2 600 m高程即断层穿切建基面处为控制部位, 承载能力较低, 其破坏区易沿着上下游侧逐渐扩展, 形成贯通并产生失稳, 断层f10离坝肩槽稍远, 产生破坏区较小。
(4) 通过计算分析揭示了右坝肩可能出现的破坏部位与发育深度, 为拱坝基础处理措施选择提供了一定的依据。
参考文献
[1]吴海林, 李昌刚, 周宜红, 等.长塘电站拱坝有限元应力分析及坝肩稳定性研究[J].人民长江, 2009, 40 (1) :49-51.
[2]赵尚毅, 郑颖人, 时卫民, 等.用有限元强度折减法求边坡稳定安全系数[J].岩土工程学报, 2002, 24 (3) :343-346.
[3]秦卫星, 陈胜宏, 陈士军.有限单元法分析边坡稳定的若干问题研究[J].岩土力学, 2006, 27 (4) :586-590.
[4]苏卫强, 雷宏, 符锋.迪庆州德钦县丹达河水电站工程:拱坝体形优化专题报告[R].
[5]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.
[6]DL/T5346-2006, 混凝土拱坝设计规范[S].
[7]朱银邦.迪庆州德钦县丹达河水电站拱坝抗滑稳定补充分析研究报告[R].