重力壩動力深層抗滑穩定性研究范文

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《水利水電技術雜志》2015年第S1期

摘要:

基于我國西南某待建高碾壓混凝土重力壩，建立了典型壩段三維有限元接觸分析模型，分別采用強度折減動力分析法和時程安全系數分析法，綜合研究了壩基動力深層抗滑穩定性。同時針對傳統時程安全系數分析存在的局限性，基于概率統計深入探討并改進了可靠度動力安全系數評價指標。研究結果表明，大壩滿足動力深層抗滑穩定設計要求，本文所采用的理論方法能夠考慮地震作用的往復性和隨機性，評價結果更為科學合理，為重力壩動力抗滑穩定的定量判別進行了有益探索。

關鍵詞:

重力壩;動力深層抗滑穩定;可靠度;安全系數;接觸非線性;ADINA

1研究背景

傳統的剛體極限平衡法由于不能考慮巖體的彈塑性以及在地震作用時無法反映地震波的波動特征，使得其在分析復雜壩基靜動力深層抗滑穩定性時具有一定的局限性［1］。有限元法通過引入巖土材料的本構關系和不同的單元類型能夠模擬復雜巖體的力學關系，在一定程度上彌補了剛體極限平衡法的不足，已成功地應用于重力壩靜力深層抗滑穩定［2］和拱壩壩肩抗震穩定性分析［3］，但較多地局限于得到壩體的應力、位移以及壩基的塑性區，對于重力壩動力深層抗滑穩定安全系數研究，尚未得到很好地解決。強度折減動力分析法［4－6］將關鍵點位移的突變和計算的不收斂作為壩基失穩破壞的判據，把結構處于臨界穩定時的折減系數作為動力安全系數，表征一種安全裕度值［7］，受屈服準則、有限元模型本身和關鍵點選取的影響，解存在不唯一性［4］，但可作為對工程的深層抗滑穩定性進行綜合評定和處理方案選擇的依據［8］。時程安全系數分析法廣泛應用于邊坡穩定研究，根據有限元計算結果求得各時刻滑動面上總的抗滑力和滑動力，以兩者的比值作為相應時刻的穩定安全系數，其物理意義明確，能夠較好地與現行規范［8］標準銜接。但是由于地震作用的往復性和隨機性，時程安全系數判據研究至今仍不成熟。某一時刻安全系數小于1并不一定表示大壩整體失穩，對此，劉漢龍等［9］在進行土石壩壩坡地震穩定性研究時，提出用最小平均安全系數來評價壩體動力抗滑穩定性，即以安全系數最大振幅的0.65倍作為平均振幅來反映安全系數隨地震作用變化的過程;吳兆營等［10］從面積相等的原則出發，對安全系數時程曲線積分平均得到一個等效的動安全系數。上述對安全系數的處理方法僅是對權重大小的選擇，無法反映地震的累積作用和隨機性，缺乏一定的理論依據。本文針對傳統時程安全系數分析存在的局限性，基于概率統計理論改進了可靠度動力安全系數評價指標，并以我國西南某待建碾壓混凝土重力壩為例，建立了三維有限元接觸模型，結合時程安全系數分析法和強度折減動力分析法的計算結果，對重力壩動力深層抗滑穩定性做出綜合評價。

2計算理論與評價方法

2.1改進的可靠度動力安全系數利用有限元法對壩體—地基—庫水系統進行時程分析，計算每一個時間步滑動面上各單元的正應力和切應力分布，求出滑裂面上總的抗滑力和滑動力［11］，根據規范中抗滑穩定計算公式［8］，將t時刻的抗滑穩定安全系數定義。通過對大量巖質邊坡及重力壩動力穩定時程安全系數的概率統計分析，可以發現地震作用時程內的抗滑穩定安全系數符合正態分布的規律。劉紅帥等［12］在研究巖質邊坡動力穩定性時，提出將巖坡動力安全系數等效為安全系數時程的平均值減去其標準差與可靠度的乘積，將動力穩定性評價與工程可接受風險聯系起來，能夠考慮巖體的動力特性和地震的隨機性，但是人為地將可靠度動力安全系數的范圍限制在時程內最小和最大安全系數之間，無法準確地與標準正態分布函數表配套。本文在前人研究的基礎上，以概率統計的觀點改進了可靠度動力安全系數，不對其取值范圍設限，能夠更為準確地衡量其可靠性。

2.2接觸分析理論在重力壩抗滑穩定分析中，不可避免地存在著接觸非線性問題，本文采用Constraint-Function接觸算法［13］模擬基巖節理、裂隙接觸狀態。接觸界面發生相互作用時應滿足法向不可貫入、法向不抗拉和切向摩擦力條件［14］，如圖1所示。

3計算模型與參數

3.1計算模型我國西南某待建水電站攔河壩為碾壓混凝土重力壩，右岸壩基中存在一緩傾角斷層破碎帶，可能形成雙滑面滑移通道。以非溢流壩段為例(壩高146.00m)，基于ADINA建立能夠反映大壩布置形式和實際地質產狀的壩體—地基—庫水分析模型(見圖2)，地基范圍取2倍壩高，共劃分單元24096個，節點為28250個。采用Westergaard附加質量法模擬壩面動水壓力，采用等效一致粘彈性邊界模擬地基輻射阻尼效應。模型坐標系取橫河向為x軸，指向右岸為正;順河向為y軸，指向下游為正;豎直方向為z軸，向上為正。作用在大壩上的荷載包括壩體自重、上下游正常蓄水位時的水壓力、壩基揚壓力、上游淤沙壓力和地震荷載。其中:(1)上下游正常運行水頭分別為142.00m、62.23m;(2)壩基面揚壓力按主抽排情況計算，α=0.25，計算簡圖按規范選取;(3)淤沙厚66.50m，浮容重6.0kN/m3，內摩擦角12°。

3.2計算參數壩體采用線彈性本構關系，混凝土彈性模量按規范［15］提高30%，基巖采用Mohr－Coulomb屈服準則，結構面采用接觸模擬，材料參數如表1所列。本工程場地地震基本烈度為Ⅷ度，場地類別為Ⅰ類，特征周期Tg=0.2s，設計地震基巖水平向峰值加速度為0.316g，豎向峰值加速度根據規范取水平向的2/3，即0.211g。以規范標準反應譜［15］為目標譜采用三角級數法合成相應順河向及豎向的人工地震波，動力放大系數βmax=2.0，計算時間步長0.01s，持時20s，得到加速度時程曲線如圖3所示。

4計算結果分析

4.1強度折減動力分析以強度折減動力分析法計算壩體—地基—庫水系統的動力穩定安全系數，逐步折減巖體和結構面的f'、c'值，利用重啟動分析實現靜動力的疊加。由于壩踵、壩趾和下游剪出面的位移時程曲線具有相似性，在此選取壩踵關鍵點，將不同強度折減系數Kj下地震結束時的順河向永久位移D繪于圖4，得到壩踵動力D～Kj關系曲線，并給出了不同強度折減系數下接觸面的接觸狀態(見圖5)。結果表明:(1)在Kj從1.00～2.00的變化過程中，壩踵關鍵點順河向永久位移呈現出近似線性變化的規律，上游結構面大部處于粘結狀態，表明基巖仍處于彈性狀態，不會發生滑移失穩;(2)在Kj從2.00～2.80的變化過程中，曲線斜率先增大繼而平緩，剪出面滑動部分增大，表明壩基部分巖體進入塑性狀態;(3)隨著塑性區不斷擴大，當Kj=2.80時，位移發生突變，隨著Kj值的持續增大，整個滑裂面均發生滑動，位移迅速增加直至計算無法收斂，表明已形成剪切破壞區，壩基已經失穩。取D～Kj曲線拐點的橫坐標，即Kj=2.80作為整體強度折減動力穩定安全系數，大壩滿足動力深層抗滑穩定的要求。

4.2時程安全系數分析經計算整理，得到如圖6所示的滑動面抗滑穩定時程安全系數曲線。依次對每一時刻安全系數進行統計，得到等間隔安全系數的頻率，繪制出如圖7所示的抗滑穩定安全系數頻率分布直方圖，結果符合正態分布(μ=2.368，σ=0.123)，再次印證前述理論假定的正確性?？梢园l現，Kmin=1.98發生在6.12s，最小安全系數關注地震過程中最危險時刻，沒有考慮地震的往復作用，結果過于保守;最小平均安全系數Ksmin=2.10以靜力為基礎，考慮地震時程安全系數偏離基線的平均幅度，但沒有考慮數據的隨機性;本文所改進的可靠度動力安全系數Kd從概率統計角度出發，對時程安全系數進行修正，能夠綜合考慮巖體的動力特性和地震作用的往復性、隨機性，可得到任意保證率下的等效時程安全系數，更能合理地反映時程內的壩基抗滑穩定性。為了便于同規范［8］比較，表2給出了不同保證率下的改進可靠度動力安全系數Kd。由于本工程為1級建筑物，規范規定的動力深層抗滑穩定安全系數為1.1，幾種高保證率下的安全系數均大于規范規定的標準值，因此，有更充分的理由相信大壩滿足動力深層抗滑穩定的要求。

5結論與展望

(1)目前重力壩動力深層抗滑穩定的分析方法和評價指標還不完善，本文基于有限元將強度折減動力分析法和時程安全系數分析法相結合，綜合判定該壩滿足動力深層抗滑穩定的設計要求。同時針對傳統時程安全系數分析存在的局限性，深入探討并改進了可靠度動力安全系數評價指標，能夠反映任意保證率下的動力抗滑穩定性，等效結果更為科學合理，為重力壩動力抗滑穩定的定量判別提供了一條新思路。(2)值得注意的是，強度折減動力分析法能夠考慮復雜結構面之間的相互作用，自動搜索滑移通道，模擬滑動失穩漸進破壞的過程，但對材料彈性模量的折減還有待于商榷，且逐步降強計算整個地震過程相對費時費力;時程安全系數分析法適用于滑裂面比較明確的情況，在沒有給定滑動面的情況下，可以通過其他有效方法搜索最危險滑裂面，進而求得等效安全系數并與相關設計規范比較。由于缺乏地震作用下大壩失穩震害的資料，為定量判斷重力壩在極限狀態下的穩定性及可能存在的深層滑動模式，上述判據方法、屈服準則的選取以及滲流場的影響還需要進一步深入研究。

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作者：王家騏 張燎軍 張冬 錢聲源 單位：河海大學 水利水電學院 浙江省水利水電勘測設計院 東南大學 成賢學院 河海大學 土木與交通學院