有限元法在分析拱坝坝肩稳定中的应用.doc

有限元法在分析拱坝坝肩稳定中的应用有限元法在分析拱坝坝肩稳定中的应用THEAPPLICATIONOFFINITEELEMENTMETHODINANALYSlsINGARCHDAMSPANDRELSSTABILIZATIONDEGREEOFSAFETY.题吐GuChongshi(河海大学.南京),qJ,HohaiUniversity,Nanjing)mn【摘要】在评述估计拱坝埂肩稳定安奎度方法基础上,结合某重力拱坝的左坝肩的稳定问题,重点对有限元法作了详细分析,并与刚体极限平衡的等法和地质力学模型试验的成果作了对比,-结果表明,用有限元法估计坝肩的稳定安奎度比其它方法更能反映实际情况.【关键词】有限元法稳定安奎度刚体极限平衡等法1前言目前,国内外评价拱坝坝肩稳定安全度的方法,以刚体极限平衡法为主,这和地质勘探技术,岩石力学的发展水平有关.最近几年发展起来的可靠度理论分析大坝安全度方法,给坝工技术带来了更光明的前景,但在应用方面尚缺少经验.还需逐步完善有限元理论的不断发展,为评价坝的安全度开辟了新的途径.此法力学概念明确,模拟坝体及地基力学参数较接近实际.近年来不断用于大型工程及重要水工建筑物的设计之中.取得了较好的效果象一些地质条件复杂,资料不全的工程以及蓄水初期的大坝,用有限元分析安全度,是一种比较切合实际的有效方法.因此.随着有限元理论的不断深化,计算机技术的发展,用有限元分析工程安全度.将会得到更广泛的应用.下面简要评述拱坝稳定安全度的分析方法.2评述拱坝稳定安全度的分析方法拱坝坝肩是一个复杂的天然岩体,限于*到稿时问:lg95一l2一O3目前的测试技术,还难以准确地获得岩体的物理力学参数(,c).因此,拱坝坝肩稳定评估方法有待不断补充完善.下面介绍几种目前坝工上常用的评估安全度的方法:安全系数法,可靠度理论和物理模型试验法.2.1安全系数法安全系数法是目前国内外工程设计中最常用的方法,按计算原理可分为:刚体平衡理论和有限元法等.(1)刚体极限平衡理论众所周知,该理论假定滑移体为刚体,作用在滑移面上的力系只计法向力和剪力.而不考虑弯矩作用.因此,计算简单,且比较成熟.已被广泛应用于估计拱坝稳定安全度.然而此法比较粗略,忽略因素较多.但就目前勘测和试验所得的原始数据的精度来看,还是相当的.该理论的计算方法众多,但归纳起来,主要是计算下式的安全系数;+c.A._式中的.v,C.,T.,A.分别是滑动面上的法向力,摩擦系数,凝聚力,剪力和滑动面面积.顾冲时有限元法在分析拱埂坝肩稳定中的应用37若计算简图为图1,那末,可通过力系平衡方程:X=0:0Z一0J(2)求得M,代入(1)式,求出滑动面上(图1,中的ACB面)的安全系数K.图1计算筒图(2)有限元法有限元法原则上可以模拟岩体的地质构造和物理力学特性,采用线性和非线性有限元分析,可以得到滑移面上的应力,然后用(3)式计算整体或各块稳定安全系数从而初步掌握滑移面上的各块的稳定安全度,至于其应用将在下面实例中详细讨论,?I.ds+IC?dsdJr.式中当c一0时.为纯摩擦公式;当c0时,为抗剪断公式;,r,f,C分别为某滑动单元滑动面上的正应力和剪应力,摩擦系数,凝聚力;为滑动面面积.2.2可靠度理论分析坝肩稳定结构可靠度理论分析复杂地基上拱坝坝肩稳定,目前国内外还属研究阶段,其主要特点是:将作用的荷载,荷载效应以及抗力和物理力学参数都当做随机变量,通过统计特性的分析和检验,确定分布类型,然后用结构分析法建立大坝的极限状态方程,从中求得坝肩的失效概率Pf和可靠度指标它通常分下列三步进行:1)统计分析;2)建立大坝失事模式及其极限状态方程;3)计算失效概率Pt或可靠度指标卢.可靠度理论应用于拱坝坝肩安全度评估中,将一些主要参数作为随机变量处理.因此,该法比安全系数法更能反映实际.但是该法要求有完整的观测资料和试验资料.这对尚未竣工或蓄水初期的工程来说,往往无法达到从而用此法评价安全度时,精度不高,甚至无法使用2.3模型试验法上述介绍的两种安全度评估方法是数学力学分析法,而对于某些重要工程来说,除此以外,往往还需用模型试验进行分析论证.本世纪7O年代末,8O年代初发展起来的地质力学模型试验技术,可以做到原型的重力相似,地质构造的产状和物理力学参数等相似.从而,可以在模型中找出破坏机理和工程的薄弱部位.并根据荷载与变形关系曲线扔步估计大坝和坝基的稳定安全度.由于试验中的一些技术问题还未全部解决,如:地震,扬压力和温度等荷载的模拟问题以及分析成果的定量估计安全度等问题但是,可以与安全系数法的分析成果相互检验和补充,使对大坝的稳定安全度估计更符合实际.3实例某重力拱坝左坝肩稳定安全度的分析某重力拱坝坝高库大.坝高180rll,确保其安全,事关重大.因此,先后用地质力学试验,以及用极限平衡理论的等K法,有限元法等分析左坝肩沿主要滑裂面的稳定安全度由于该大坝目前处于低水头运行,而且缺少坝体混凝土和坝基材料的物理力学参数的试验资料,因此应用可靠度理论分析坝肩安全度的条件还未成熟.下面重点介绍应用三维有限元方法,估计该重力拱坝在600m水位时(库底高程430rl1)该坝左坝肩的稳定安全度.此外,对有限元法,极限平衡理论的等K法以及地质学模型试验这三种方法所得结果作一比较,说明三种方法的应用效果.3.1有限元分析法有限元分析法求解拱坝坝肩的安全度一般381996年6月大坝观测与土工测试第20卷第3期按下列步骤进行:1)确定最危险滑动体;2)求滑动面上的应力分布;3)成果分析:主要包括描述局部安全度的变化规律以及求解滑动体的安全度.(1)危险滑动面的选取根据文献1的分析成果,该坝最危险滑动面在左岸,以BB为侧滑裂面,以G一为底滑裂面,由多组不同材料力学性质的断裂裂隙面组成(见图2),因此,选择上述滑动体作为分析对象.图2工程简图及最危险滑动体示意图(2)求滑动面上的应力分布根据滑动面上的材料性能变化,划分有限元网格,在各种计算工况下.求出各单元及滑动面上的应力分布.某重力拱坝左岸坝肩稳定分析共考虑了两种工况:】)正常情况:正常水位(V600131水位)+相应的扬压力+自重+温升;2)特殊情况:V600nl水位+相应的扬压力+自重+温升+地震荷载(3)成果分析1)安全度沿高程的分布规律根据(3)式.计算得到安全系数K沿高程变化的规律见图3从图中看出,该坝左坝肩天然地质条件差.尤其在断层G以下更为突出.局部安全系数较低,是整个左坝肩最薄弱带.2)滑动体的安全系数附表各种计算工况下滑动安全系数以(3)式为基本公式,计算经工程加固处理后滑动体的安全系数.其成果见附表.从附表看出:经加固处理后,正常情况:K,一1.24,K一4.83;特殊情况:K一1.1I,Kr一4.34.因此该大坝在600nl水位,并附加设计温度荷载(温升)和地震荷载时,左岸以G_-(71为底滑面,以为侧滑面的纯摩和剪摩情况的安全系数满足规范要求.由于上述滑裂面为该大坝坝肩稳定安全储备较小的滑裂面,因此地基经加固处理后,在600131水位时坝肩稳定是有保证的3.2刚体极限平衡理论的等法首先对图2的滑动体进行简化.然后计算在正常情况和特殊情况下滑动体的安全度,其结果为:在正常荷载情况下,整体稳定安全系数为1.29;在特殊情况下.整体安全系数为1.17.说明该坝在主要荷载作用下,经加固处理后,左坝肩的稳定是有保证的.但由于在作计算时,对实际滑动体作了较粗略的简化,同时未考虑园地下水上升而引起的c,值的下降,这在一定程度上使K值偏大.3.3地质力学模型试验采用以重晶石粉为加重骨料的三维小块体拼砌的整体地质力学模型试验,模拟了自重和水压荷载,大坝经三角形和梯形超载试验.结果如下:大坝的正常工作超载安全系数2.28.溃坝安全系数1.j6:左坝肩和右坝肩的正常工作超载安全系数为3.5和4.2.丧失承载能力的安全系数分别为7.0和7.7.从拱坝破坏成因分析知道:一般当坝肩沿某些地质和构造产生滑移或大变形引起坝体的大变形,使坝产生(下转第5l页)伍跃进等平行击实试验中的最优含水量5l在.使其对应的干密度等于前一Wop所对应的干密度(即最大干密度).所以在实际工作中,由于操作和计算精度等因素的影响,在平行击实试验中实际上可求出两个以上的”最优含水量”Wo,构成一个”最优含水量区间”.由于平行击实试验表明最优含水量有几个,因此建议将现在的击实试验增加两个点,即在第1次击实所得的最优含水量左右,各配上一个含水量相差0.5l的试样进行击实,求出”最优含水量区间”.这样既可提高最优含水量o的准确度,也可为使用提供方便.例如.假设图1中没有第5.6.7.8四个击实点,只有2,4,9,10,ll五个击实点,那么第9点所对应的含水量即为最优含水量.但通过增加点的击实试验即可发现,用第9点对应的含水量作最优含水量偏大.在填土施工中,如果以第9点对应的最优含水量为基础,再给一个使用范围,则有可能因含水量过大施工质量达不到要求,甚至无法施工.如果增加击实点,求出了”最优含水量区间”,则可避免这类失误.另外,单一数值的最优含水量无法使用,在使用时都要人为给定一个使用范围.显而易见,人为给定的含水量使用范围不如增加点的击实试验求出的”最优含水量区间”准确.(上接第38页)过大的应力,从而使大坝破坏.因此应将大坝和坝肩看作一个整体,定出重力拱坝和两岸的超载系数.从这观点分析,该重力拱坝的正常超载系数为2左右;溃坝安全系数为4左右.4结论文章讨论了评估拱坝坝肩稳定安全度的方法,重点探讨了有限元法在稳定分析中的应用,并将刚体极限平衡法,有限元法,物理模型试验用于分析某重力拱坝左坝肩稳定安全度,得到如下结论.(1)地质力学模型能直观地揭示坝及基础(包括岸基)的变形规律和破坏机理,从宏观上能了解到坝的最薄弱环节.由分析结果看出,模型试验所得到的正常超载系数K(2左右)比剐体极限平衡的等K法和有限元法所求得的安全系数要高,这是由于在试验中,未模拟扬压力,温度荷载以及渗流水对,c的影响.(2)刚体极限平衡的等K法.概念清晰易懂,计算简单,并在实践中已积累了丰富的经验.它采用的岩体物理力学模型属于”刚塑性”,在计算稳定时力学状态不考虑岩体的弹塑性变形,认为作用在滑移面上的力均匀分布.不计弯矩等影响.如果在分析拱坝稳定时,不考虑坝肩岩体变形时对坝体结构的影响,则”刚体极限平衡理论的等K法”是适用的.实例中该重力拱坝左坝肩地质条件复杂,从图3中看出,其危险滑动面上的应力为非均匀分布.因此,等K法求出的稳定安全系数K(129)与有限元法计算得到的数值(1.24)总的来说接近,但略比有限元法所得结果高一些,或许是由于在简化滑动体上内力时,未考虑滑动面上应力非均匀分布所致.(3)有限元法能反映岩体不同区域的力学材料特性.在分析过程中,可以得到危险滑移面上的应力,应