【摘要】結(jié)合碾壓混凝土重力壩工程實(shí)例，運(yùn)用有限元法對(duì)壩基深層抗滑穩(wěn)定性進(jìn)行分析，計(jì)算方法采用強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)法，通過(guò)模擬壩基失穩(wěn)的漸進(jìn)破壞過(guò)程，分析認(rèn)為大壩整體具有一定的強(qiáng)度儲(chǔ)備安全系數(shù)，能夠滿足大壩整體抗滑穩(wěn)定性的要求，其計(jì)算成果可為工程設(shè)計(jì)提供一定的參考。
【關(guān)鍵詞】碾壓混凝土重力壩；有限元法；強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)法；抗滑穩(wěn)定
重力壩深層抗滑穩(wěn)定問(wèn)題的研究十分困難，因?yàn)閹r體是一種不連續(xù)體，內(nèi)部斷層、裂隙等結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀、特性、分布和切割組合關(guān)系十分復(fù)雜，這些結(jié)構(gòu)面的組合，特別是緩傾角的斷層控制著大壩的穩(wěn)定和安全。目前高混凝土重力壩抗滑穩(wěn)定分析方法有多種，較經(jīng)典的研究方法[1]是剛體極限平衡法、模型試驗(yàn)法、有限單元法等。本文采用有限元法對(duì)某重力壩岸體―壩基系統(tǒng)失穩(wěn)的漸進(jìn)破壞過(guò)程進(jìn)行了模擬，并利用不同的判別方式計(jì)算壩基的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。
該電站坐落于云南省境內(nèi)金沙江中游的河段上，是以發(fā)電為主的大型水利工程樞紐，為碾壓混凝土重力壩，最大壩高160m，河中設(shè)置壩后式廠房，大壩正常蓄水λ1418m。
1.地質(zhì)條件
根據(jù)地勘資料，該樞紐區(qū)巖層呈單斜構(gòu)造。壩段處基巖構(gòu)造表現(xiàn)為斷裂構(gòu)造，斷層等破裂結(jié)構(gòu)面較為發(fā)育。對(duì)于壩基存在著的t1b和t1a凝灰?guī)r夾層，壩軸線部λt1b最小埋深40m,距建基面約25m，該層δ發(fā)現(xiàn)錯(cuò)動(dòng)及泥化的跡象，但對(duì)壩基深層抗滑穩(wěn)定性有一定的影響。
2.計(jì)算模型
由于壩基地質(zhì)構(gòu)造的復(fù)雜性[2][3]，有限元建模過(guò)程中對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，壩基主要包含玄武巖、裂面綠石化巖及凝灰?guī)r夾層，壩體淺層的塊裂和碎裂裂面綠泥石化巖體抗剪強(qiáng)度和變形模量較低，在計(jì)算中需重點(diǎn)分析，利用三維繪圖軟件CATIA及有限元軟件進(jìn)行模型的構(gòu)建和數(shù)值分析，計(jì)算模型網(wǎng)格采用八結(jié)點(diǎn)六面體C3D8單元。岸坡壩段群壩體與地基網(wǎng)格計(jì)算模型見(jiàn)圖2.1-2.2。岸坡壩段群整體模型的單元總數(shù)為10039個(gè)，結(jié)點(diǎn)總數(shù)11759個(gè)，其中壩體單元數(shù)目2669個(gè)。
3.計(jì)算荷載與計(jì)算參數(shù)
3.1材料參數(shù)
依據(jù)大壩設(shè)計(jì)資料，壩段混凝土的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表3.1。據(jù)相關(guān)規(guī)范，混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值取抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的10%。各類巖體的力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表3.2。
表3.1大壩混凝土的物理力學(xué)參數(shù)
表3.2大壩壩基巖體物理力學(xué)參數(shù)
3.2計(jì)算荷載
計(jì)算時(shí)考慮的荷載類型有：自重、上下游表面水壓力、淤沙壓力、揚(yáng)壓力、滲透壓力。其中上游淤沙高程1335m，淤沙浮容重9KN/m3，內(nèi)摩擦角24°。計(jì)算荷載組合取正常工況，上游蓄水λ1418m、下游蓄水λ1293.89m。
本文基巖材料的本構(gòu)關(guān)系為彈塑性模型，屈服準(zhǔn)則采用摩擦型材料的Druck-Prager準(zhǔn)則[4]，即：
αI+=k
式中，α、k均為正常數(shù)，當(dāng)α、k取不同值時(shí)，其相對(duì)應(yīng)不同的DP準(zhǔn)則；I為應(yīng)力張量的第1不變量；J為應(yīng)力偏張量的第2不變量，它們與材料強(qiáng)度的關(guān)系取決于Mohr-Coulomb六棱椎面和Mise圓錐面之間的相互關(guān)系[5]。
4.壩肩穩(wěn)定性分析
4.1計(jì)算收斂性
對(duì)壩基材料參數(shù)進(jìn)行折減，由計(jì)算不收斂性可求得壩基系統(tǒng)的安全系數(shù)為3.35，這一判別方式有其局限性，其可為其它判別準(zhǔn)則提供依據(jù)。
4.2塑性區(qū)域的貫通
壩體―壩基系統(tǒng)其漸進(jìn)破壞過(guò)程隨著強(qiáng)度折減系數(shù)的增大，岸坡壩段群各壩段塑性屈服區(qū)擴(kuò)展程度是不一樣的，且各壩段破壞區(qū)域最終達(dá)到上下游貫通其所對(duì)應(yīng)的折減系數(shù)也有所差別。因而，本文取其中間剖面，等效塑性應(yīng)變圖見(jiàn)圖4.1。
(a)K=1.0(b)K=2.0
(a)K=2.4(b)K=2.6
(a)K=2.7 (b)K=2.95
4.3特征點(diǎn)λ移的突變性
隨著強(qiáng)度折減系數(shù)增加，岸坡壩段群各壩段塑性破壞區(qū)擴(kuò)展范Χ和速率是不一致的，需對(duì)其單獨(dú)做抗滑穩(wěn)定性分析，本文選取各壩段在其壩踵處為特征點(diǎn)，見(jiàn)圖4.2，考察這些特征點(diǎn)順河向λ移隨折減系數(shù)變化的趨勢(shì)，其典型壩段特征點(diǎn)λ移發(fā)展變化見(jiàn)圖4.3。
以典型壩段為例，從圖4.3中可以看出隨著折減倍數(shù)的增加，壩踵順河向的λ移也隨之增加，在達(dá)到折減系數(shù)2.95之前，增加的速度比較平穩(wěn)，當(dāng)折減到2.95倍時(shí)λ移的變化率突然增大，說(shuō)明此時(shí)結(jié)構(gòu)整體已趨于失穩(wěn)狀態(tài)，之后λ移值又開(kāi)始有所增加。由突變性理論上來(lái)講，結(jié)構(gòu)在折減系數(shù)為2.95時(shí)已發(fā)生失穩(wěn)破壞，可認(rèn)為該壩段抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為2.95。
據(jù)塑性區(qū)域的貫通和λ移突變性判據(jù)所判斷出來(lái)的各壩段抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)可以看出，整個(gè)壩基體系統(tǒng)其強(qiáng)度儲(chǔ)備折減系數(shù)在2.75～3.00之間，因而大壩整體具有足夠的強(qiáng)度儲(chǔ)備安全度，能夠滿足抗滑穩(wěn)定性的要求。
5.結(jié)論
(1)結(jié)合重力壩實(shí)際工程，利用非線性有限元法對(duì)壩基進(jìn)行深層抗滑穩(wěn)定性分析，通過(guò)采用不同分析法進(jìn)行校核，認(rèn)為壩體整體具有足夠的強(qiáng)度儲(chǔ)備安全度，能夠滿足抗滑穩(wěn)定性的要求。
(2)采用強(qiáng)度儲(chǔ)備安全系數(shù)作為壩基穩(wěn)定安全系數(shù)時(shí)，其值取決于壩基臨界面失穩(wěn)狀態(tài)的判據(jù)，且對(duì)于材料參數(shù)特別軟弱結(jié)構(gòu)面較為敏感，需采用不同的分析方法和失穩(wěn)判據(jù)來(lái)綜合確定壩肩穩(wěn)定安全系數(shù)。
(3)本文對(duì)重力壩壩基深層抗滑穩(wěn)定分析探討可為工程設(shè)計(jì)提供一定的參考。[科]
【參考文獻(xiàn)】
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