（工程力学专业论文）拱坝坝肩的抗滑稳定性分析.pdf

摘要 拱坝是水工结构中一种重要的坝型 以其结构合理和体形优美而著称 由于拱坝优良 的力学性能和造价的经济性 拱坝的应用越来越广泛 当前随着水利水电事业的发展 拱 坝应用范围的扩大 地质条件优良的坝址逐渐被开发利用 拱坝不得不修建在地质条件相 对较差的坝址上 这很大程度上增加了拱坝坝肩稳定分析研究的必要性 拱坝坝肩岩体的稳定分析方法主要包括刚体极限平衡法 有限单元法 地质力学模型 法 可靠度法和j 塞连续性介质力学法等 本文对其中最常用的闲4 体极限平衡法傲了研究 实现了超载法和强度储备法在有限元软件a n s y s 中的应用 然后利用三种方法对猫跳河 銎级拱坝进行了坝寓的抗滑稳定憔分拆 主要的研究内容如下 1 综述了坝肩抗滑稳定分析的各种方法的原理及其适用范围 并指出各方法在解决 实际工程闻题中的优缺点 2 研究分析了刚体极限平衡法在拱坝坝肩岩体稳定分析中的应用 其中对等k 法中 的非线性方程组的解法进行研究 优纯求解出滑动西的焦度 确定最小的抗滑安全系数 3 研究分析了非线性有限元的基本理论和方法 提出了超载法和强度储备法在 a n s y s 有限元模型中的具体实现方法 然后利用两种方法计算坝肩抗滑稳定安全系数 并与刚体极限平衡法的计算结果进行比较分析 找出各个方法的侧重点和应用范围 4 利用有限元计算的研究成果提出对猫跳河四级拱坝昀坝癔断层的处理方法 并通 过计算分析 找到最合适的改善坝肩断层的方法 提高坝肩抗滑安全系数 关键词 拱坝坝肩抗滑稳定刚体极限平衡非线性有限元超载法强度储备法安 全系数 a b s t r a c t a r c hd 锄t a l e s 锄i m p o r t a n tr 0 1 ei nt h eh y d 咖1 i c 咖咖r e w h i c hi s 细o u s f o ri t sp r o p e rs t c t u r e 锄d 舯c e f u lb u i l d i t s 印p l i c a t i o ni sw i d e ra i l dw i d e rd u et oi t se x c e l j e mm e c h a l l i cc a p a b j l i t 锄de c o n o m i c a lc o s t c u r r e n t l y w i t ht h ed e v e l o p m e n to fw a t e rc o n s e n 伽c ya n dh y d 朕l e c t r i cp o w c ru n d e r t a k i n g sa l sw e l la st h e e x t e n s i v e 黝g eo fa p p h c a t i o nf o r 砌d 锄 m 锄yd 锄s i t e sb e 撕n g9 0 0 dg e o l o g i c a ic o n d i t i o n sh a v e b e e n e x p j o i t e da n du t i l i z e d t h e r e f o r e a r c hd 锄sh a v et ob eb u i l to nt h es i t e sw i t hp o o rc o n d i t i o n s w h i c ha d d s n e c e s s i t yo f 猢l y z i n ga n ds 伽y i n gt h es 劬i l i t ro f a r c hd a ma b u t m e n tt oag r e a td e g r e e t h em a i nm e t h o d sf o rs t a b i l i t a n a l y s i so fa r c hd 锄a b 咖e n tr o c km a i n l yi n c l u d el i m i te q u i l i b r i u m m e t h o d f i n i t ee l e m e n tm e t h o d g e o m e c h a n i c a lm o d e lm e t h o d r e l i a m l i 够m e t h o d a n dd i s c r e t em e d i 啪 m e c h 柚i c a lm e t h o d l i m i te q u i l i b r i 岫m e t h o dw h i c hi s 0 n eo ft h em o s tc o m m o nm e t h o d si s 锄e l i o 阳把di n t h i st h e s i s 锄dt h eo v e r l o a d i n gm e t h o da l o n gw i t ht h em a t e r i a ls t r e n g t hr e s e n em e t h o da r eu s e di n f i n i t e e l e m e n ts o 脚a r ea n s y s 1 1 1 es t a b i l i 够a g a i n s ts l i d i n go ft h ea r c hd 锄a b u t n l e mo fm a ot i a o 蹦v e ri s a j l a l y z e db yt h e s et h r e em e t h o d s t h em a i na c h i e v e m e n ti ss u m m a r i z e da sf o l l o w s 1 t h e 州n c i p l e 锄d 印p l i c a t i o ns c o p eo fv 撕o u sm e t h o d sf o rs l i d i n gs 劬i l 姆a i l a l y s i so fa r c hd 锄 a b u t m e ma r es u m m 撕z e d a 1 1 dt h ea d v a n 切g e s 锄dd i s a d v a m a g e st os o l v ep r a c t i c a le n g i n e e 她p r o b l e m so f e a c hm e t h o da r ea g g r e g a t e d 2 t h e1 i m i te q u i l i b r i 啪m e t h o du s e di nt h es l i d i n gs t a b i h t y 黝j y s i so f a r c hd 锄a b u t m e n ti sr e s e a r c h e d a i l dt h es o l u t i o no ft h en o n j j n e a fe q u a t j o n si n c l u d e di nt h es 锄e km e t h o di sr e s e a r c h e d b e s i d e s t h ea n g l e0 f s l j d j n gs u m c ei so p t i m i z e da n ds 0 1 w 泔 a i m i n gt oc o n f i r n lt h em i n i m u ms l i d i n gs a f e t yc o e 伍c i e n t 3 t h eb a s i cf i n i t ee l e m e n tn o n l i n e a rt h e o e sa 1 1 dm e t h o d sa r es t u d i e d i nt h i sc h 印t e r a n dt h e i d i o g r a p h i cu t i n t yo fo v e 卜l o a d i n gm e t h o da n dt h es t r e n g t hr e s e em e t h o da r e 锄p h a s i z e di nt h i st h e s i s t h e n t h e8 a f e t yf k t o ro fs t a b i l i t ya g a i n s ts l i d i n gi s c a l c u l a t e db yt h e s et w om e t h o d s c o m p a r i n gt h i sr e s u l tt o a n o t h e ro n ec o m i n g 行o mt h el i m i te q u i l i b r i u mm e t h o d e a c hk e yp o i n ta l l ds c o p eo f 印p l i c a t i o nw i l lb ef o u n d o u t 4 t h ep r o c e s s i n gm e t h o df o rt h ea r c hd a n la b u t m e n tf a u l t a g eo fm a ot i a or i v e ri sr a i s e db yu s i n gt h e r e s e a r c hr e s u l to u to ff i n i t ee l e m e n tc o m p u t a t i o n t h ea p p r o p r i a t ew a yt o l l i l e l i o r a t et h ea b u t m e n t f a u l t a g ew i l l b es e i e c t e do u tt l r o u 曲a i l a l y s i sa n dc a l c u l a t i o n i no r d e rt oe 1 1 h a n c et h e s l i d i n gs a 蠡哪c o e m c i e mo ft h e a b u t m e n t k e y w o r d s a r c hd a ma b u t m e n t s t a b i l i t ya g a i n s ts l i d i n g l i m i te q u i l i b r i u mm e t h o d n o n i i n e a rf i n i t e e l e m e n t o v e r 1 0 a d i n gm e t h o ds t r e n g mr e s e n em e t h o d s a f 的 c o e 伍c i e n t i l 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果 与我一同工作的同事对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意 如不实 本人负全 部责任 论文作者 签名 壑垄兰 l 2 孵年石月加日 学位论文使用授权说明 河海大学 中国科学技术信息研究所 国家图书馆 中国学术期刊 光 盘版 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档 可以 采用影印 缩印或其他复制手段保存论文 本人电子文档的内容和纸质论文 的内容相一致 除在保密期内的保密论文外 允许论文被查阅和借阅 论文 全部或部分内容的公布 包括刊登 授权河海大学研究生院办理 2 d o g 年石月加日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 拱坝是一种重要的坝型 人类修建拱坝具有悠久的历史 最早起源于古罗马时代的欧 洲 早期的拱坝已经开始利用拱的传力作用 对拱的作用有了很深刻的认识 l 进入上世 纪之后 拱坝的发展更加日新月异 主要表现在 拱坝的建造更加普遍 技术更加先进的 拱坝大量出现 模型试验技术快速发展 现今拱坝已成为当今大坝设计中的三大优选坝型 之一 根据国际大坝委员会 世界大坝登记 1 9 9 8 一书统计 截至1 9 8 6 年底 全世界 已建成坝高 1 5 m 的拱坝1 6 0 8 座 占世界大坝总数3 6 2 3 5 座的4 4 我国是世界上修建 拱坝最多的国家 已建拱坝7 5 0 多座 接近全世界拱坝总数的5 0 2 5 二十一世纪内 根据我国西部大开发的战略部署和能源发展的长远规划 在黄河中上游 大西南和红水河 流域等广阔西部地区 将要兴建许多高 大 薄型拱坝 其中有些拱坝堪称世界之最 我 国目前在建的和设计中的高拱坝有小湾 2 9 2 m 拉西瓦 2 5 0 m 溪洛渡 2 7 8 m 锦屏一级 3 0 5 m 白鹤滩 2 7 8 m 虎跳峡 2 7 8 m 等 6 这些宏伟的拱坝高度将明显地超过目前世界 最高 原苏联英古里拱坝 2 7 2 m 水平 1 7 1 拱坝是一个空间壳体结构 在立面上可以看作是由许多水平拱圈叠成 在横断面上看 它是由许多弯曲或铅直的悬臂梁组成 拱坝是一个三面受岩体约束的高次超静定的壳体结 构 当承受水压力等外荷载时 借助拱的作用 拱坝把大部分的库水压力以水平推力方式 传至坝端两岸岩体 少部分荷载靠自重承担 拱坝坝肩岩体的稳定直接关系到拱坝的正常 运行与安全 坝肩的任何变形都将使大坝坝体应力产生重分布 从而影响坝体传递给拱座 的作用力的大小和方位 变形超过一定限度 甚至会导致大坝的毁坏 8 拱坝的稳定性主 要是依靠坝肩岩体来维持 可以看出坝肩失稳问题在拱坝的安全问题上占有重要的地位 所以本文将着重研究拱坝坝肩失稳问题 1 2 拱坝坝肩稳定分析的研究意义 我们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 因 此坝肩岩体的稳定直接关系到拱坝的正常运行与安全 特别是建造在复杂地质条件上的拱 坝 对坝肩岩体局部地质缺陷的忽视很有可能引起拱坝的失稳破坏 坝肩失稳引起的事故 在工程界常有所闻 轻者引起坝体的破坏 重者摧毁大坝下游的建筑物 甚至造成人员伤 亡 引起重大的经济损失 例如于1 9 5 4 年建成的法国马尔巴塞拱坝 在1 9 5 9 年1 2 月破 1 河海大学硕士学位论文 坏 死亡4 2 1 人 是世界上第一个拱坝破坏事例 失事的主要原因是 左岸重力墩的的页 岩基础受水浸蚀和风化后 强度降低 摩擦系数减小 致使重力墩位移2 0 8 米 从而使拱 坝破坏 意大利瓦依昂双曲薄拱坝于1 9 6 0 年建成 1 9 6 3 年l o 月9 日库内左岸滑坡体突然 下塌 造成水库库容淤满而报废 坝体由于施工质量好 坝肩经过锚固处理 虽然大坝受 到巨大涌浪荷载冲击但没有遭到破坏 这说明坝肩稳定有着重要的作用 据不完全统计 至1 9 8 0 年为止 国外已建拱坝有4 8 座出问题或破坏 其中1 7 座是因施工质量不好等遭 致损坏 其余3 l 座 占6 4 6 均是由于坝肩岩体稳定问题没有得到很好解决而出问题 甚至于造成失稳而失事 9 不论从经验判断 还是模型试验和国内外拱坝事故 都证明拱 坝坝肩稳定在拱坝设计中是至关重要的 但由于拱坝坝肩是一个复杂的天然岩体 限于目 前的测试技术 还难以准确的获得岩体的物理力学参数 另外目前应用的计算方法还比较 粗略 这使得拱坝稳定分析相对更为困难 但作为拱坝设计的一个重要和关键的内容 拱 坝坝肩稳定分析又是必须面对和解决的问题 因此可以看出研究拱坝的坝肩稳定具有很重 要的意义 1 3 目前存在的问题和发展趋势 随着水利水电事业的不断发展 地质条件优良的坝址逐渐被开发利用 特别是在一些 发达国家 不得不在地质条件相对较差的坝址修建拱坝 在我国虽然可开发的坝址还有很 多 但是由于拱坝的数量和规模越来越大 不少高拱坝已经是世界级的 抗滑稳定性问题 也变的很突出 这就带来了很多复杂的工程问题需要我们研究和解决 l 1 定性问题要有可控制性 在拱坝的建设和运行中要足够的重视 例如 有的拱 坝把坝布置于山头过于单薄处 还有的由于枢纽中其他建筑物的布置因素 将坝区岩体开 挖过多极大的影响了坝肩的抗滑稳定性 这些在拱坝的工程实践中都曾经发生过 2 计算方法粗略 更多的依赖经验和分析 拱坝的坝肩抗滑稳定分析中 大都采 用刚体极限平衡原理和方法 但是这种方法有许多假定 对于一些地形地质情况比较复杂 的高拱坝我们应当进行有限单元法的计算 目前关于有限元法的抗滑安全系数计算在 混 凝土拱坝设计规范 lo 的s l 2 8 2 2 0 0 3 版本中已经有所定义 但是仍然没有完全成熟的统 一标准 需要我们在工程实践中注意可能出现的问题 不断完善发展 3 查明坝区周围岩体的难度很大 再详细的勘探工作 对于整个坝区来说 也只 是极个别的直接或间接的点线面 与实际情况的吻合度仍存在不足 这就需要我们在工程 中充分考虑到坝区范围内影响较大的这些地质缺陷 采用适当的方法对其进行处理 2 第一章绪论 4 坝肩的受力难以准确确定 坝肩受到拱坝传力有很大的不确定性 在工程实践 中渗透压力的问题还不是很成熟 多凭借经验来确定 坝肩还受到地震影响等很多复杂因 素影响 很难准确把握f 1 1 这就需要在工程实践中不断的总结与完善 随着工程技术的发展和坝肩抗滑稳定分析研究的不断深入 越来越多的分析方法已应 用于坝肩稳定分析中 比如在大型拱坝的设计和抗滑稳定分析中 利用刚体极限平衡法与 有限单元法相结合 从多个方面分析计算抗滑安全系数 有条件的情况下我们还应当辅以 地质力学模型试验法和可靠度法进行分析验证 随着地质力学模型法可靠度方法的成熟 这两个方法已经越来越多的应用到工程实践中 近年来其他的一些数值计算方法如刚体弹 簧元 边界元 d d a 不连续变形分析 数值流形元法 离散元法 界面元等也先后应用 于拱坝的坝肩稳定研究 随着这些方法的逐渐成熟 应用也会越来越广泛 1 4 拱坝坝肩稳定分析的方法 由于拱坝坝肩稳定分析所研究的对象是天然岩体 它是被断层 节理 层面及其它地 质构造面相互切割而成的多相不连续 非均匀 非弹性 各向异性体 它的力学特性不像 拱坝本身那样 易于置于人为控制之下 所以需要深入了解工程地质和水文地质条件 合 理选用有关岩体力学参数 选择恰当的本构关系 来反映岩体的变形破坏机制 研究坝肩 的稳定 这些都涉及到在研究坝肩可能的破坏机制的基础上 合理确定稳定分析方法的问 题 目前坝肩稳定分析的方法一般分为三大类 一类为数值计算方法 一类为地质力学模 型实验法 还有可靠度法分析方法 1 2 归纳起来有如下方法 1 4 1 数值分析方法 数值计算方法是目前拱坝坝肩稳定分析广泛采用的方法 它又包括刚体极限平衡法 有限单元法和非连续分析方法等 1 4 1 1 刚体极限平衡法 在过去几十年中 在估算拱坝坝肩安全度上广泛采用刚体极限平衡法理论 刚体极限 平衡法是一种传统的较成熟的稳定分析方法 也是规范规定采用的方法 1 0 具体方法是将 有滑动趋势范围内的坝肩岩体按照某种规则划分为一个个小块体 通过块体的平衡建立整 个坝肩岩体的平衡方程 刚体极限平衡法假定坝肩岩体可能滑动块为不发生变形的刚体 以抗滑力与滑动力之比作为稳定安全系数 以此安全系数判断可能滑动块是否失稳 8 1 该 方法的特点在于概念清晰易懂 计算比较简单容易 1 1 但其中也存在着众多假定 不能全 面分析复杂的情况 3 河海大学硕士学位论文 刚体极限平衡法的计算公式为 剪摩 k 半 纯摩f 辈 1 2 s 其中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 为滑动方的 滑动力 a 为计算滑裂面的面积 厂为基岩摩擦系数 厂 为基岩纯摩擦系数 c 为粘聚力 系数 由于该法具有模型简单 计算公式相对简洁 可以解决各种复杂剖面形状 能考虑各 种加载形式的优点 因此得到广泛应用 在中小拱坝的稳定分析中应用比较广泛 然而刚 体极限平衡法引入一些假定 因而成果比较粗糙 尚不能正确反映岩体结构的受力状态 所得到的只能是安全度的近似估算值 从力学角度看 该方法的理论本身是完整的 但是 应用于拱坝坝肩稳定分析方面 尤其是考虑坝肩岩体结构的复杂性时 尚存不足之处 主要 表现在不能有效地反映左右坝肩变形过程中拱推力的调整作用 以及滑移块体渗透压力及 主滑方向的不确定性 因而所计算的成果比较粗糙 不能完全反映岩体结构的受力状态 所以得到的只是安全度的近似估算值 1 3 1 1 4 1 2 有限单元法 与刚体极限平衡法相比 以有限元为代表的数值计算方法在处理复杂结构 复杂边界 及荷载条件 非线性问题方面显示了独特的效能 并能获得更为详尽 准确的结果和显著 的经济效益 1 4 1 有限元法从5 0 年代中期开始提出 在6 0 年代初期就己广泛应用于岩体力学中 克劳 夫 威尔逊 辛克维茨等人首先采用线弹性连续体有限元分析方法来求解岩体力学问题 1 9 6 8 年古德曼等人提出岩体不连续面单元 这对模拟岩体中的断层 裂隙 节理等结构面 的存在有很重要的贡献 1 9 6 8 年 厄加塔迪斯等又采用有限元方法对拱坝及基础作了三维 分析 1 9 6 3 年 威尔逊首先提出应用非线性有限元进行结构分析计算 迄今非线性弹塑有 限元法已日趋完善和成熟 1 5 近年来使用有限元法探讨岩体工程问题己相当普遍 其中包 括用有限元法来研究岩质高边坡的稳定 地下洞室稳定以及坝体 坝肩岩体的应力和变形 分析 进而分析坝肩岩体和坝体结构的稳定性 1 6 1 9 1 有限元法是当今使用最广的一种数值方法 它几乎可适应所有的计算领域 自2 0 世 纪7 0 年代以来有限元法己发展相对比较成熟 其最大的优点是可以分析任何形状的几何 4 第一章绪论 体 不但能进行线性分析 还能进行非线性分析 2 2 1 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 按公式 1 3 计算整体或各滑块稳定安全系数 从而初步掌握滑移面上的各块的稳定安全 度 采用有限元法主要有两种方法 直接法和间接法 1 3 1 1 直接法 在正常情况下 正常荷载 正常参数 计算系统的位移场和应力场 由 以下极限平衡公式直接计算安全度 k 竺 竺 i r 幽 2 间接法 采用逐渐降低材料强度或逐步超载的方法 强度改变或超载的倍数即为稳定安全度 1 3 使系统进入极限平衡状态 直接法只适用于滑移面较简单的问题 间接法建立在仿真分析应力一应变的基础上 得到的位移 应力场满足基本方程和边界条件 使稳定性分析具有正确的基础 难点在于 判定极限平衡状态的失稳判据 2 3 埘 由于目前对于三维问题 还没有统一的 为工程界和 力学界共同认可的失稳判据 而根据不同的失稳判据得到的稳定安全度一般是不同的 这 就给稳定安全度的确定带来困难 有限单元法对计算参数很敏感 其计算结果常常因为参 数的选取不同以及对某些边界条件的不同处理而出现显著的差别 所以在运用有限单元法 时适当的选取计算参数是非常关键的 1 4 1 3 非连续介质分析方法 近年来 其他的一些数值计算方法如刚体弹簧元 边界元 d d a 不连续变形分析 数值流形元法 离散元法 界面元等也先后应用于拱坝的坝肩稳定研究 随着计算机系统 的快速发展 高拱坝稳定性研究的发展趋势在于数值仿真 首先是多单元 细单元 简化 本构关系 以及大规模计算 对开裂采用局部化 失稳仿真和剪切带模型是今后的发展趋 势 其次是快速迭代 虚拟实现法等将引入拱坝仿真计算 1 刚体弹簧元 2 引 刚体弹簧元模型是把结构划分为一些由分布在接触面上的弹簧 系统连接在一起的刚性单元的集合 刚体元本身不发生弹性变形 因此结构的变形能完全 储存在接触面的弹簧系统中 2 离散元 2 6 硎 离散元方法也称为散体元法 其明显的优点是适应于模拟被地质 构造切割的岩体或块体在准静态或动态情况的变形过程 包括移动或翻滚 塌落等各种大 位移 结合汁算机辅助设计 c a d 技术 可形象直观的观察到边坡岩块的运动变化 包括 力场 位移场 速度场等的变化 但离散单元法存在着计算收敛速度慢的问题 5 河海大学硕士学位论文 3 d d a 法 不连续变形分析 2 8 之9 1 d d a 不连续变形分析 是石根华提出的一种新型 的数值分析方法 它解决了岩体的大变形和大位移问题 d d a 以位移作为基本未知量 按 结构矩阵分析的方式求解平衡方程 主要适应于不连续块体系统 4 拉格朗日元法 拉格朗日元法源于流体力学 它采用按时步的动力松弛进行求 解 这与离散元相同 求解是基于显式差分 不须形成刚度矩阵 不用求解大型方程组 因此占用内存少求解速度快 便于微机求解大规模的工程问题 5 块体单元法 3 0 3 2 块体单元法 是将块体的刚体位移作为基本未知量 根据虚 功原理 求出刚体位移 由块体的相对位移确定块体间缝面的变形和应力 这种方法有较 高的精度 1 4 2 地质力学模型试验法 2 0 世纪7 0 年代末发展起来的地质力学模型试验方法也常用于拱坝的坝肩稳定性分析 中 地质力学模型就是从力学的观点出发 采用试验的手段 研究地质构造条件对工程的 影响 地质力学模型主要研究岩体的断层 破碎带 软弱夹层等不连续结构对结构的应力 分布和变形状态的影响及岩体稳定和工程安全问题 3 3 1 从技术上看 一般采用逐级超载上 游水压力来研究坝肩变形和破坏的渐进过程 这种方法与研究拱坝的超载特性思路一致 问题在于超载过程中坝肩应力场不太客观 模型实验的另一种方法是近年来四川大学提出 的变温相似方法 即通过预埋在坝肩关键部位的电阻丝不断升温 逐渐降低岩体和结构面 的参数 以此来研究坝肩的破坏演变过程 3 钳 该方法可以较真实地反映坝肩应力场 但在 具体实验方面还存在需要改进之处 同时模型实验周期长 费用高 尤其是无法考虑环境 因素 例如渗透压力荷载难以模拟 而渗透压力荷载是坝肩稳定问题的主要荷载之一 3 5 在1 2 级拱坝或者地质情况复杂的拱坝的稳定分析中 此法常作为刚体极限平衡法的辅助 分析方法 1 0 1 1 4 3 可靠度分析法 可靠度分析法是基于概率统计理论的不确定性分析方法 结构的可靠度指的是结构 或构件在规定的时间内 在规定的条件下具备预定功能的概率 它承认几乎所有的工程 变量都是随机变量 在此基础上发展出一整套基于可靠度理论的计算方法 最后算出概 括结构安全性与可靠性的各种量值 以设计或校核结构 3 6 刀 因为它将结构的作用和效应 紧密地结合起来 充分考虑各参数的随机性 以及参数之间的相关性 所以比常规的单一 安全系数法要合理得多 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 6 第一章绪论 数都当作随机变量 通过统计特性的分析和检验 确定分布类型 然后用结构分析方法建 立大坝的极限状态方程 从中求得坝肩的失效概率 和可靠度指标 拱坝坝肩岩体成因和构造复杂 岩性多样 不同岩体力学属性不同 而同一岩体的物 理力学参数也具有明显的分散性和不确定性 另外作用于坝肩岩体上的力系 又受到诸如 水压 泥沙压力 变温 材料参数等不确定因素的影响 所以拱坝坝肩考虑随机特性的稳 定可靠度分析也是比较有意义的 可靠度理论应用于拱坝坝肩安全度评估时 将一些主要 参数作为随机变量处理 能较真实的反映实际情况 目前对坝肩稳定分析中的不确定性 随机性参数的处理方法越来越优 这使得可靠度分析方法在坝肩稳定分析领域得到广泛应 用 3 8 1 4 4 综合法的应用 将上面提到的方法的两种或两种以上的方法相综合 本文称之为综合法 以上各种方 法均有自身的不足之处 因此在进行坝肩稳定性分析时 应当综合应用各种分析方法 利 用已有的工程经验进行定量和定性分析 尤其对一些重要的工程采用综合法进行研究 对 于高拱坝而言 运用地质力学模型试验和数值分析方法对其进行稳定性和破坏研究 能更 好的揭示其破坏机制 为设计提供重要的参考依据 在更大程度上发挥高坝的超载能力 综合法的利用方面的文献也越来越多 例张伯艳 陈厚群 3 9 充分利用有限元和刚体极限平 衡分析方法的优点来分析坝肩稳定 1 5 问题的提出及本文的研究内容 拱坝的坝肩岩体结构是稳定分析的基础 而且岩体的成因和构造复杂 岩性多样 一 般来说坝肩很少是完整的岩体 这一岩体是被众多结构面切割的不连续体 常常有若干条 节理 裂隙或者断层将坝肩岩体切割成块 并形成连续的滑动通道 在拱坝坝肩的抗滑稳 定分析中 在用刚体极限平衡法进行分析时 往往要找出其最不利的滑裂面 需要研究因 错动角度的变化对抗滑安全系数k 的影响 4 0 训 而且在等k 法中求解非线性方程组的时候 如何寻求最简单的解法都是我们在工程计算中要面对的问题 在工程实践中由于刚体极限平衡法采用了众多假定 所以此方法并不能考虑复杂的情 况 考虑到坝肩岩体的复杂性以及岩体变形对坝体结构的影响 就应当采用有限单元法来 分析了 在拱坝的坝肩岩体中存在着各种断层 裂隙及软弱夹层等不连续结构面 表现出 明显的非线性特性 单一采用刚体极限平衡法不能全面反应材料的非线性的特性 这就需 要我们利用非线性有限单元法进行分析计算 非线性有限元应力分析不仅满足静力平衡条 7 河海大学硕士学位论文 件 而且可以考虑到岩体的弹性 塑性特性及非均质性和几何形状所引起的应力变化 能 更好的模拟岩体的受荷载之后应力 应变和位移的变化 在 混凝土拱坝设计规范 1 0 中规定拱座抗滑稳定的数值计算以刚体极限平衡为主 但是对于复杂地质情况应当进行有 限元计算 本文第四章所研究的猫跳河四级拱坝 就属于周围地质情况比较复杂的拱坝 所以本文采用刚体极限平衡法结合非线性弹塑性有限元法对坝肩岩体进行分析计算 并通 过计算结果分析如何改善此坝的坝肩稳定性 通过计算提出比较可行的处理断层的方法 具体地说本文的主要工作如下 1 本文首先综述了拱坝坝肩抗滑稳定分析的各种方法的原理及其适用范围 并指 出各种方法在解决实际工程问题中的优缺点 2 研究分析了刚体极限平衡法在坝肩岩体抗滑稳定分析中的应用 在空间稳定分 析的过程中分析了单块体 双块体和多块体的可能滑移方式 并对各个滑移方式下安全系 数表达式进行了分析 其中对多块体安全系数计算中的等k 法进行了分析 对其非线性方 程组的解法进行研究 然后利用数学优化的方法求解出错动面的最可能滑移角度 确定最 小的抗滑安全系数 2 研究分析了非线性有限单元法的基本理论和方法 提出了在有限元软件a n s y s 中的具体实施方法 对拱坝坝体混凝土和坝肩岩体应采用的单元模型和材料类型进行分 析 然后建立了拱坝及坝肩岩体的仿真分析模型 4 利用a n s y s 软件建立的猫跳河四级拱坝的有限元模型 首先分析了正常工况下 坝体及坝肩岩体的位移及应力情况 然后通过超载法和强度储备法两种途径计算坝肩抗滑 稳定安全系数 最后与刚体极限平衡法的计算结果进行比较分析 找出各个方法的侧重点 和应用范围 5 利用有限元计算的研究成果提出对猫跳河四级拱坝的坝肩断层的处理方法 并 通过计算分析 找到最合理的改善坝肩抗滑安全系数的方案 给猫跳河四级拱坝工程提供 一些有意义的参考 8 第二章基于刚体极限平衡法的坝肩稳定分析 第二章基于刚体极限平衡法的坝肩稳定的分析 2 1 概述 拱坝的坝肩稳定分析方法很多 总的来说可以分为数值计算方法 可靠度分析方法和 地质力学模型试验法等几类 数值计算方法中的刚体极限平衡方法是目前拱坝坝肩稳定分 析中的常用方法 因为这一方法的长期工程应用已积累了丰富的经验和符合实际的安全判 断准则 刚体极限平衡法在实际应用中首先要注意的是认真分析坝肩两岸岩体的地质状 况 对坝址附近重要的断层应进行详细的勘测 此外应关注层间和层内错动带 蚀变带和 各种风化 弱风化的软弱结构面 在此基础上确定可能滑动块体的几何形状 可能滑动块 体可以是具有一缓一陡滑面的楔形体 也可以是具有多组滑动面的复合块体 在刚体极限平衡法中 主要使用的是各种二维和三维的计算方法 图解法一般在较为 简单的情况下使用 l 但由于拱坝坝肩受力条件与地质薄弱面的配合关系往往比较复杂 三维刚体极限平衡法使用较多 本章将首先说明在刚体极限平衡法中的基本假定以及抗滑 分析原则 介绍了工程中应用比较成熟的平面抗滑稳定分析方法 然后着重讨论了坝肩岩 体的空间稳定分析 包括可能的滑移方式 分析了在各个滑移条件下安全系数的计算公式 然后着重对多块体滑移中的等k 法进行分析 对等k 法计算中的非线性方程组的解法进行 研究 最后又利用优化方法找出最可能错动面以求得最小抗滑安全系数 2 1 1 刚体极限平衡法的基本假定 刚体极限平衡法在拱坝的抗滑稳定分析中应用很广泛 目前国内多采用此方法 但是 刚体极限平衡法的计算结果比较粗糙 引入了如下的假定 l 1 移走拱坝代之以拱坝传来的作用在基础面上的力系 不考虑各可能滑移体位移时大 坝工作情况的改变与坝肩抗滑稳定问的相互影响 2 可能滑移体的各种界面上的渗压 一般按面力计 不考虑各块在达到极限平衡状态 前的位移过程中 数值上有改变 3 坝肩各可能滑移体内部刚度无限 滑体只作整体移动或转动 只考虑滑移体上力的 平衡 一般不考虑力矩的平衡 4 不计可能滑移面 错移面在其法向的压缩性 不计各面在达到极限平衡状态时剪切 错动位移不同的影响 各可能滑体所有各滑移面 错移面同时达到极限平衡状态 5 各可能滑移面 错动面 在达到极限平衡状态时 该面上的剪阻力相对于滑向平行 9 河海大学硕士学位论文 并且指向相反 数值达到最大值 6 对于一个统一的滑移面 错动面 不单独的考虑可能的强度不均匀性 7 一般不计地应力的影响 2 1 2 抗滑分析原则 滑移面上的抗剪强度来自两个方面 一个与有效正应力有关 且可视为与之成线性关 系 即摩擦因素 另一个与有效正应力无关 主要与粘结和咬合有关 即粘聚力因素 根 据以上两种因素不同对待 抗滑稳定分析的原则 一般有以下两种 1 l k 型二竺2 丝 s k 型二竺2 s 2 1 2 2 上式中 为正应力 u 为滑面上的渗透压力 彳为滑移面面积 s 为滑动力 沿滑 面 厂和 7 分别为剪摩和纯摩情况下的摩擦系数 c 为粘聚力 k 和k 分别为剪摩 即 同时考虑摩擦和粘聚力两种因素存在 和纯摩 只考虑摩擦因素 情况下的抗滑稳定安全 系数 对前者要求大 后者较小 我国混凝土拱坝设计规范 1 0 1 规定 对于l 2 级工程的 拱坝或高拱坝 采用剪摩公式计算 其他拱坝用剪摩擦和纯摩都可以 本论文均采用剪摩 公式进行讨论 2 2 平面抗滑稳定分析 平面抗滑稳定分析是分高程切取单位高度 止 lm 的坝体及基岩 按照平面核算坝 肩岩体是否稳定的方法 这一方法在工程上应用广泛 有很长的历史和实践经验 在抗滑 稳定分析的计算中 即各层拱圈的基岩稳定了 就认为整个基岩稳定了 实际上 在各种 荷载作用下 拱坝是超静定空间结构 其应力状态是非常复杂的 虽然某一高程的基岩稳 定性较差 但是坝体及基岩会自动进行应力调整以适应之 使整体不至于失稳 由此可以 看出平面抗滑稳定分析是偏于安全的 4 2 1 由于平面稳定分析计算简便 因此在中小拱坝的 设计计算中应用很广泛 而且可以作为分析大型拱坝某一危险高程的实用计算方法 我们分析单块单高水平剖面的抗滑安全系数 如图2 1 所示 这是一种坝肩抗滑稳定 的常遇模式 主要是陡倾不连续面从坝上游端点通过 形成侧向可能滑移面 这种不连续 面可以是特定的 如断层 也可以是成组面中的一个面 1 0 第二章基于刚体极限平衡法的坝肩稳定分析 竺到 v 公 j l l 吒参 避 a 平面图 b 侧面9 0 度 底面o 厦 图2 1 单块单高平面稳定分析示意图 从上图中我们可以看出可能滑移体为a b c d e f g 所代表的面为底部可能滑移面 a f 为单高侧向可能滑移面 尸和y t a l l 分别为拱坝传来力系中的水平和垂直作用力 对应 止 1m l 尸s i n 口一u 为侧向可能滑移面的有效反力 u 该面渗透压力 为单高滑 体a b c d e 的自重 剪摩抗滑稳定安全系数为 k 垫竺二垡2 竺 竺型 堡二垒丝2 五 鱼 鱼 竺 2 3 c o s 口 上式中 鲋 分别为单高滑体沿高度方向面积 渗透力增量 彳 五分别为剪 摩时侧面和底面的摩擦系数 q 分别为剪摩时侧面和底面的粘聚力系数 k 为剪摩时 抗滑稳定安全系数 为侧向可能滑移面长度 口为尸方向力与侧向可能滑移面的夹角 按照 2 3 式计算中 当分子地一项为负时 表明滑块不再是双滑面滑动 而呈单滑 面 底滑面 滑移 滑向为合力方向 抗滑安全系数计算公式为 k 兰 呈竺丝 兰丝三 垒 丝 2 兰 呈垒型 2 4 a 一 f 一 尸cos 口 2 尸s in 口一u1 2 在平面抗滑稳定分析中还存在侧向可能滑移面倾角可能不是9 0 0 而是一个缓倾角 也可能是基岩是一组陡倾角 另外一组为缓倾角结构面等各种情况 方法类似 在此就不 河海大学硕士学位论文 详细列出 在平面稳定分析中 日本学者曾提出 所需坚岩线法 该方法在日本的拱坝 设计中得到了较为普遍的使用 8 1 本文计算不涉及此方法所以不详细叙述 2 3 空间抗滑稳定分析 在基于刚体极限平衡法的坝肩抗滑稳定分析当中 平面稳定分析是按照平面核算坝肩 岩体稳定的 没有考虑到基岩自适应调整应力 所以是偏于安全的 所以更多的时候要考 虑坝肩基岩的空间抗滑稳定分析 近来它已成为核算坝肩基岩稳定分析的主要方法 坝肩 基岩为断层 节理裂隙 层面等结构面所围成的岩体并有可能滑移时 就必须进行空间稳 定分析 由这些结构面围成的可能滑移体可能是从坝顶到坝底部 甚至低于底部基岩 也 可能是从坝顶部到坝中间附近的基岩 所有这些都必须进行空间抗滑稳定分析 空间抗滑 稳定分析能够更加准确的反映坝肩的抗滑稳定性 但是也需要进行必要的简化和假定 空间抗滑稳定分析中所采用的假定 l 1 作用在滑移体上的所有的力 可以合成一个力 2 在外力作用下 滑移体不发生变形 即为刚性块体 3 沿单一面的滑移 只有当滑移力指向临空面时才能发生 4 沿两个面的滑移 只能沿着他们的交线并该交线指向临空面才能发生 5 在垂直于滑移方向的平面上 不存在剪切 如何确定滑移体是在单一的平面上还是在两个滑移平面上滑移昵 若作用在滑移体 上诸力的合力有一个分量垂直并指向某一结构面 则这个平面就会产生抗滑力 若只有一 个结构面满足这一条件 则可能的滑移面就是单一的平面 如有两个结构面满足这个条件 则可能的滑移面就是两个平面 根据上述假定 在三个结构面上发生滑移是不可能的 2 4 坝肩的可能滑移方式及安全系数计算 在空间抗滑稳定分析中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 坝肩受力后可以是单块体滑移也可以是双块体或者多块体滑移 单块体或者多块体 滑移中 各块体界面情况可能相同 也可能不同 有的处于张拉状态 是拉开面 有的处 于错移状态 是错动面 块体的滑移可以是单滑面的 也可以是双滑面的 这个时候滑移 方向为两个面的交线 各个滑动块体的滑移方向可以相同也可以不同 需要我们在具体的 分析中去区别对待 1 2 第二章基于刚体极限平衡法的坝肩稳定分析 2 4 1 单块体滑移 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 这种滑移方式相 对来说计算比较简单 所用假定条件比较少 稳定安全系数的计算方法也比较清楚 通常 的计算结果也比较符合实际情况 单块体多是以楔形块体的形式出现的 刚体极限平衡法 重要的公式之一是针对楔形块体的极限状态而推导的 楔形块体如图2 2 所示 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 的合力的作用下 假设楔形块体处于极限平衡状态 见图2 2 底滑面用s 表示 侧滑面用 表示 底滑面与侧滑面的交线为倒 作用于 底滑面上的渗透压力为u 作用于侧滑面上的渗透压力为 块体自重为矿 拱端的外 力合力为p 将所以作用于楔形块体上的力转化为3 个分力 即 平行于棱线洌向的下滑力s 正交于缓滑面s 法向压力墨 正交于陡滑面最上的法向压力r 则安全系数是抗滑 力与下滑力的比值 即 k 墨二竺 刍垒 厶 鱼二坠 刍垒 2 5 s 上式中 石 c l 4 u 分别为s 面的摩擦系数 粘聚力 面积和渗透压力 五 c 2 4 分别为是面的摩擦系数 粘聚力 面积和渗透压力 平行于棱线倒向的下滑力s 为滑动力 图2 2 楔形块体受力图 双滑面 河海大学硕士学位论文 墨 如 s 可以用下面的方程组来求解 s r l 厶 r 2 2 死i s 聊o 尺l 朋l 尺2 历2 e 2 6 s 刀o 尺l 船1 r 2 聆2 t j 上式中 乇 碍 乞 分别为棱线伽及s 和 面外法线的 方向余弦 b 巧 兄是作用于楔形体的合力在x y z 方向的分量 它们是由拱端 合力 块体自重 大坝上游基础面以下到可能滑移体底 侧面这个范围内的地下水渗透压 力等荷载在x z 方向的分量够成的 在单块体滑移当中除了以上讨论的沿双面滑移的情况外 还包括单面滑移的情况 在 双滑面的滑移当中 滑动方向是沿着交线的方向指向临空面的 而在单面滑移当中 滑动 的方向是沿着合力的方向指向临空面的 在2 6 式的计算当中当求出的墨一u 或者恐一致中 如果有一个为负值 则需要对计 算结果进行调整 因为刚体极限平衡的基本假设是 滑动面受压力作用 如果有足一u 或 者尼一 一个为负的话 说明此时受到的是拉力 所以进一步假定得到负值所对应的滑动 面在实际受力的时候与周围岩体脱开 这时就变成单面滑动问题了 假设尼一以为负 侧 滑面是为脱开状态 楔形体沿着底滑面s 滑动 转为外荷载的计算中 修正式2 6 中的 以 e 易值重新计算蜀一u 和新滑动方向上的滑动力r 如图所示 图2 3 楔形块体受力图 单滑面 1 4 第二章基于刚体极限平衡法的坝肩稳定分析 这时单块体的安全系数计算公式为 k 厶j 堡 三丝 呈 丝 2 7 s2 尺2 一u2 2 上式中 石 c l 4 u 分别为s 面的摩擦系数 粘聚力 面积和渗透压力 以为 面的渗透压力 上面所讨论的是单块体沿着双滑面或者单滑面滑移时安全系数的计算公式 这是工程 中最基本的情况 所有单块体滑移都可以概括为以上公式 单块体当中主要包括下面几种 情况 坝肩岩体有垂直和水平不连续面 侧面不垂直但是底面仍水平 侧面垂直但 是底面倾斜 以上这些情况坝肩岩体稳定的安全系数计算都可采用上述方法 2 4 2 双块体滑移 双块体滑移比单块体滑移复杂 但确又是工程实际中经常碰到的情况 有一种情况是 具有垂直和水平的可能滑移面所组成的滑移问题 侧向滑移面呈折线布置 同时有垂直不 连续面分割滑移体的情况 如图2 4 所示 这种陡倾面不一定非要完全垂直 只要倾角很 陡就可以看作这种面 坝肩可能的滑移体在承受拱坝传力后 第 块往里面挤 第 块往 河谷方向 即临空面 滑出 y 图2 4 双块体滑移图 1