地震下岸坡壩段側(cè)向抗滑穩(wěn)定研究范文

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摘要:岸坡壩段的抗滑穩(wěn)定性關(guān)乎大壩結(jié)構(gòu)運(yùn)行安全。為研究地震作用下岸坡壩段的側(cè)向抗滑穩(wěn)定性，結(jié)合某工程采用ANSYS有限元軟件建立岸坡壩段的三維有限元模型，分別采用擬靜力法和反應(yīng)譜法進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明:二者計(jì)算所得岸坡壩段地基面最大應(yīng)力均小于地基允許承載能力4．0MPa;穩(wěn)定計(jì)算均滿足抗滑穩(wěn)定要求，反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果較擬靜力法偏大。該對(duì)比結(jié)果可為實(shí)際工程設(shè)計(jì)和安全評(píng)估提供重要參考。

關(guān)鍵詞:地震;岸坡壩段;抗滑穩(wěn)定;擬靜力法;反應(yīng)譜法

前言

近年來(lái)中國(guó)水電事業(yè)高速發(fā)展，在大壩建設(shè)方面取得了顯著的成效，在大壩建設(shè)中遇到的許多問(wèn)題都得到合理的解決。就重力壩而言，岸坡壩段穩(wěn)定對(duì)整個(gè)壩體的穩(wěn)定影響較大，對(duì)于岸坡壩段穩(wěn)定方面的問(wèn)題研究的比較多，其中李永明［1］分別用剛體極限平衡法和有限元法2種方法，并且按分項(xiàng)系數(shù)法的原理對(duì)某重力壩岸坡壩段側(cè)向穩(wěn)定進(jìn)行了分析研究;丁旭［2］等人對(duì)蟒河口水庫(kù)岸坡壩段進(jìn)行分區(qū)，并利用剛體極限平衡法，按可能失穩(wěn)情況進(jìn)行穩(wěn)定應(yīng)力計(jì)算，最后對(duì)結(jié)果進(jìn)行了分析;宮照光［3］等人分別采用有限元和材料力學(xué)2種方法，對(duì)某重力壩岸坡壩段上游面裂縫對(duì)岸坡壩段穩(wěn)定的影響進(jìn)行了分析。地震因素是不可控制因素，對(duì)岸坡壩段的影響較大，容易造成岸坡壩段失穩(wěn)。在地震作用下岸坡壩段動(dòng)力穩(wěn)定性的問(wèn)題研究的比較少，王超［4］等人采用概率思想，并結(jié)合確定性矢量和安全系數(shù)方法，對(duì)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)隨機(jī)地震條件下的重力壩岸坡壩段動(dòng)力抗滑穩(wěn)定性問(wèn)題進(jìn)行了初步探討;鄧良軍［5］等人采用數(shù)值計(jì)算法和模型實(shí)驗(yàn)法對(duì)金安橋水電站岸坡壩段在地震作用下進(jìn)行了動(dòng)力分析。而對(duì)于地震作用下岸坡壩段側(cè)向抗滑穩(wěn)定問(wèn)題的研究就更少了，為了對(duì)這一問(wèn)題做進(jìn)一步研究和分析，本文將結(jié)合某實(shí)際工程，選取其岸坡壩段，采用AN-SYS有限元法，建立岸坡壩段三維有限元模型，在地震作用下進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，根據(jù)地基面上的作用效應(yīng)和抗力計(jì)算結(jié)果，分析岸坡壩段在地震作用下的側(cè)向抗滑穩(wěn)定性。

1計(jì)算方法和模型

1．1抗滑穩(wěn)定計(jì)算方法根據(jù)SL319－2005《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定，壩體抗滑穩(wěn)定計(jì)算主要核算壩基面滑動(dòng)條件，采用抗剪斷強(qiáng)度公式計(jì)算壩基面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)［6］。式中:K'為按抗剪斷公式計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù);f'為壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪斷摩擦系數(shù);∑W為作用于壩體上全部荷載(包括揚(yáng)壓力)對(duì)滑動(dòng)平面的法向分值，kN;c'為壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪斷凝聚力，kPa;A為壩基接觸面截面積，m2;∑P為作用于壩體上全部荷載對(duì)滑動(dòng)平面的切向分值，kN。

1．2地震分析方法1．2．1擬靜力法根據(jù)SL203－97《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定，采用擬靜力法計(jì)算重力壩地震作用效應(yīng)時(shí)，只需考慮水平地震慣性力，計(jì)算公式為:Fi=αhξGEiαi/g(2)式中:Fi為作用在質(zhì)點(diǎn)i的水平向地震慣性力代表值;αh為水平向設(shè)計(jì)地震加速度代表值;ξ為地震作用的效應(yīng)折減系數(shù)，取ξ=0．25;GEi為集中在質(zhì)點(diǎn)i的重力作用標(biāo)準(zhǔn)值;αi為質(zhì)點(diǎn)i的動(dòng)態(tài)分布系數(shù);g為重力加速度［6－7］。動(dòng)態(tài)分布系數(shù)應(yīng)按照下式進(jìn)行計(jì)算:式中:n為壩體計(jì)算質(zhì)點(diǎn)總數(shù);H為壩高，溢流壩的H應(yīng)算至閘墩頂;hi、hj分別為質(zhì)點(diǎn)i、j的高度;GE為產(chǎn)生地震慣性力的建筑物總重力作用的標(biāo)準(zhǔn)值。采用擬靜力法計(jì)算重力壩地震作用效應(yīng)時(shí)，水深h處的地震動(dòng)水壓力代表值應(yīng)按下式進(jìn)行計(jì)算:式中:pw(h)為作用在直立迎水壩面水深h處的地震動(dòng)水壓力代表值;ψ(h)為水深h處的地震動(dòng)水壓力分布系數(shù);ρw為水體質(zhì)量密度標(biāo)準(zhǔn)值;H0為水深。1．2．2反應(yīng)譜法地震反應(yīng)譜多指單自由度體系在給定的地震作用下最大加速度反應(yīng)與體系自振周期的關(guān)系曲線。反應(yīng)譜法的實(shí)質(zhì)則為將計(jì)算結(jié)構(gòu)的動(dòng)力問(wèn)題轉(zhuǎn)化為靜力問(wèn)題進(jìn)行求解，在計(jì)算地震響應(yīng)時(shí)，將地面運(yùn)動(dòng)特征同結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性一同納入考慮的抗震計(jì)算方法［8－9］。單自由度體系動(dòng)力方程為:式中:m為質(zhì)量;x為位移;k為體系剛度;xg為地面運(yùn)動(dòng)水平位移;c=2mωζ，ζ為阻尼比，ω=(k/m)1/2。將各變量代入式(5)可得:綜上所述，通過(guò)反應(yīng)譜法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析，即將各震型作用效應(yīng)采用平方和開(kāi)放的組合法求解。

1．3計(jì)算模型利用有限元ANSYS軟件建立岸坡壩段三維有限元模型。水流方向?yàn)閄軸方向，向下游為正，鉛直方向?yàn)閅軸方向，豎直向上為正，垂直水流方向(壩軸線方向)為Z軸方向，向右岸為正，坐標(biāo)原點(diǎn)在該壩段計(jì)算模型壩踵高程最低點(diǎn)處。計(jì)算基礎(chǔ)深度取2倍壩高，上游自壩踵位置處向上游取2倍壩高，下游自壩趾位置處向下游取2倍壩高，左右岸方向上自壩肩或壩體橫縫處分別向左右岸延伸2倍壩高。計(jì)算域內(nèi)單元?jiǎng)澐只静捎冒斯?jié)點(diǎn)六面體實(shí)體單元，部分通過(guò)四面體實(shí)體單元進(jìn)行過(guò)渡，壩體和地基均采用單元SOLID45進(jìn)行模擬，地基與壩體相接部位設(shè)有5m和3m的過(guò)渡區(qū)域。壩體和5m過(guò)渡區(qū)域采用八節(jié)點(diǎn)六面體實(shí)體單元，3m過(guò)渡區(qū)域采用四面體實(shí)體單元進(jìn)行過(guò)渡。壩體和5m過(guò)渡區(qū)網(wǎng)格尺寸控制在1．0m以內(nèi)，3m過(guò)渡區(qū)域以外地基單元邊長(zhǎng)為5～10m，如圖1、2所示。

2計(jì)算分析

2．1擬靜力法計(jì)算成果2．1．1岸坡壩段基底應(yīng)力計(jì)算成果該壩段在計(jì)算工況(正常運(yùn)行+地震)情況下用材料力學(xué)法的擬靜力法計(jì)算時(shí)，其基底X向最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在壩體上游邊緣及壩肩右側(cè)邊緣處，為0．6MPa;Y向最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在右側(cè)壩肩處，為0．2MPa;Z向最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在右側(cè)壩肩上游邊緣處，為1．0MPa;切向最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在壩體上游邊緣處，為0．6MPa。基底最大拉應(yīng)力值、最大壓應(yīng)力值及其出現(xiàn)部位見(jiàn)表1。2．1．2岸坡壩段側(cè)向抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果在計(jì)算岸坡壩段的側(cè)向抗滑穩(wěn)定中，將該壩 段的壩基面整體進(jìn)行分塊計(jì)算，該壩段的抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

2．2反應(yīng)譜法計(jì)算成果2．2．1岸坡壩段基底應(yīng)力計(jì)算成果該壩段在計(jì)算工況(正常運(yùn)行+地震)情況下用反應(yīng)譜法計(jì)算時(shí)，其基底X向最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在壩體上游邊緣及壩肩右側(cè)邊緣處，為0．4MPa;Y向最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在右側(cè)壩肩處，為0．3MPa;Z向最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在右側(cè)壩肩上游邊緣處，為1．5MPa;切向最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在壩體上游邊緣處，為0．6MPa。最大拉應(yīng)力值、最大壓應(yīng)力值及其出現(xiàn)部位見(jiàn)表3。2．2．2岸坡壩段側(cè)向抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果在計(jì)算岸坡壩段的側(cè)向抗滑穩(wěn)定中，將該壩段的壩基面整體進(jìn)行分塊計(jì)算，該壩段的抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。通過(guò)表1和表3對(duì)比分析可知，二者計(jì)算所得基底應(yīng)力X向最大拉應(yīng)力差幅0．2MPa基本接近，均出現(xiàn)在壩體上游邊緣及壩肩右側(cè)邊緣;Y向最大拉應(yīng)力基本一致，均出現(xiàn)在右側(cè)壩肩處;但Z向最大拉應(yīng)力，擬靜力法計(jì)算結(jié)果為1．0MPa，反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果為1．5MPa，二者計(jì)算結(jié)果差幅0．5MPa偏大，均出現(xiàn)在右側(cè)壩肩上游邊緣處;切向最大剪應(yīng)力差幅0．2MPa基本接近，均出現(xiàn)在壩體上游邊緣處。2種方法計(jì)算所得應(yīng)力雖有些偏差，但出現(xiàn)的部位一致，且均小于Ⅲ類(lèi)地基巖體允許承載力4．0MPa，滿足應(yīng)力控制要求。對(duì)比分析表2和表4可知，根據(jù)抗剪斷試驗(yàn)資料，其中抗剪斷摩擦系數(shù)f'取1．0，抗剪斷凝聚力c'取800kPa，在同樣的分塊情況及荷載組合下，側(cè)向抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果二者均大于2．3，滿足抗滑穩(wěn)定要求，二者切向力計(jì)算結(jié)果基本一致，但反應(yīng)譜法計(jì)算所得法向力結(jié)果較擬靜力法偏大，從而反應(yīng)譜法計(jì)算得到的抗滑穩(wěn)定系數(shù)偏大。

3結(jié)語(yǔ)

2種方法計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析得到以下結(jié)論:(1)二者計(jì)算得到的基底應(yīng)力均小于Ⅲ類(lèi)地基巖體允許承載力4．0MPa，滿足應(yīng)力控制要求。(2)二者計(jì)算得到的側(cè)向抗滑穩(wěn)定系數(shù)均大于2．3，滿足抗滑穩(wěn)定要求。(3)反應(yīng)譜法計(jì)算所得應(yīng)力及抗滑穩(wěn)定系數(shù)較擬靜力法偏大。

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作者：邵明磊 杜慧超 單位：中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司