混凝土重力坝抗滑稳定分析

混凝土重力坝抗滑稳定分析

0在坝体与基岩的界面抗滑稳定分析是水库设计的一项重要内容。水库的正确计算是水库基地的标准或平坦结构的重要保障。目前,常用的重力坝抗滑稳定分析方法有抗剪断安全系数法与基于分项系数的极限状态法,其中抗剪断安全系数法应用较为广泛。抗剪断安全系数法考虑了坝体混凝土与基岩间的凝聚力,物理概念明确,比较符合大坝的实际工作情况。但是这种方法不讨论坝体与基岩的应力应变关系,然而,从不少的重力坝所发生的失稳现象来看,重力坝的失稳破坏是一个比较复杂的过程,实际上是一个剪切屈服范围逐渐扩大并最终形成滑动通道的过程。因此,在抗剪断安全系数法中阻滑力与滑动力的大小不一定反映了接触面的真实受力状态。此外,抗剪断安全系数法也不研究坝体与基岩的变形情况,也就不能分析坝体稳定破坏的发生、发展过程,因此,不能较全面地反映重力坝的失稳机理。随着计算力学的发展,可以利用有限元法较精确地求解坝体与基岩的应力、变形以及塑性区等。有限元法不仅能考虑坝体与基岩间的相互作用,还能考虑各种材料的非均质、各向异性等特性,因而能较好地反映坝体的失稳机理,也能较准确地计算接触面上的阻滑力和滑动力。但是,有限元法不能直接得出重力坝的抗滑稳定系数,不能对重力坝的抗滑稳定性作出评价。因此,利用有限元法计算接触面上的阻滑力和滑动力,然后再利用抗剪断安全系数法进行重力坝的抗滑稳定计算,这种方法较确切地考虑了各种影响因素,且与现行规范接轨,固能准确反映重力坝的抗滑稳定状况。1坝体抗滑稳定性验算利用有限元法与抗剪断安全系数法相结合进行重力坝的抗滑稳定性分析时,首先要建立准确的有限元模型,在对模型进行应力场和位移场分析结果的基础上,通过积分得到接触面上的阻滑力和滑动力,然后,结合抗剪断安全系数法来评价坝体的抗滑稳定性。基岩一般为非均匀的复杂岩体,可根据实际工程情况沿接触面分段,并分别赋予不同的材料力学参数。根据有限元计算的结果,求出每一分段的正应力场σni和剪应力场τni。设每一分段的面积为Ai,则每一分段的阻滑力为∫A(fiσni+ci)dA,滑动力为∫AτnidA,沿接触面求代数和,即可得抗滑稳定安全系数为:K=∑ni=1∫Ai(fiσni+ci)∑ni=1∫AiτnidA(1)Κ=∑i=1n∫Ai(fiσni+ci)∑i=1n∫AiτnidA(1)式中fi——第i分段的摩擦系数;ci——第i分段的凝聚力;σni——第i分段的正应力;τni——第i分段的剪应力;Ai——第i分段的面积。2黎贡山西东南角腾龙桥二级水电站位于云南省保山市龙陵、腾冲两县交界处,地处高黎贡山西麓,伊洛瓦底江的一级支流龙江上。工程主要任务是发电,电站装机容量81MW,拟采用拦河坝抬高水头,坝型采用混凝土重力坝,坝后布置电站厂房,最大坝高57m,坝轴线全长175m。2.1计算模型及计算位移沿坝轴线方向用横缝将重力坝分割成若干个独立的坝段,在进行抗滑稳定分析时可以取其中的一个代表性坝段作为计算坝段。本算例选取坝高为57m的溢流坝段作为计算的代表性坝段(图1),基岩沿上游、下游和底部延伸距离分别为60m,90m,75m。坝体部分有限元模型的单元剖分严格按照混凝土分区,模型精确反映坝体上主要孔洞的影响。最终建立的腾龙桥二级水电站溢流坝段有限元模型如图2所示,模型的总节点数为23221个,总单元数为19002个。模型的约束施加在基岩周边,分别为:坝基上、下游及左、右侧面施加法向位移约束,底面施加垂直向位移约束。坝体混凝土因考虑到结构缝的设置情况,不做任何约束。在有限元模型中,坐标x轴平行于河流走向(指向下游为正),y轴为铅垂向(垂直向上为正),z轴垂直于河流走向(指向右岸为正)。正常蓄水位工况的荷载组合为:坝体自重+正常水位静水压力(上、下游)+泥沙压力+扬压力+闸门作用力(闸门上的静水压力作用在闸墩牛腿上)。其中,静水压力对应水位高程为:上游正常蓄水位高程1146.00m,相应下游水位高程1116.82m;淤沙高程1116.00m,内摩擦角φ=15°,浮重度ρ=8kN/m3;上游帷幕渗透压力折减系数0.25。在运用有限元法计算时,各材料的力学参数见表1。2.2坝体混凝土应力分布图3～6分别为正常蓄水位工况下有限元计算的溢流坝段建基面应力和变形等值线结果图。图7～10分别为正常蓄水位工况下有限元计算的溢流坝段应力和变形等值线结果图(应力:MPa;变位:m)。通过有限元计算,较全面准确地反映了整个坝段区域的真实应力和位移状态。计算结果表明,坝体及基岩应力分布正常,分布特点表现为在靠近建基面区域的坝体部位应力分布较为密集,这主要是由于坝体混凝土变形模量与基岩变形模量差异较大所致。竖向应力在坝踵处沿轴线方向大致均匀;只有局部区域出现了较小范围的应力集中,坝体内的绝大部分区域都处于完全弹性状态,未发现对结构安全有危害的特殊应力分布。根据第一主应力和第三主应力的分布,还可以评价坝基岩体及坝体混凝土所具有的强度储备。位移分析结果显示,坝体位移分布连续,且最大位移也较小,不会影响坝体的正常运行。2.3坝体结合基岩面的滑动力验算根据抗剪断安全系数法公式(1),利用有限元法较为准确地求得各滑动面的法向压力、滑动力和阻滑力。通过积分计算分别求得阻滑力∑∫A(fiσni+ci)dA为1.00303×106kN,滑动力∑∫AτnidA为1.7193×105kN,所以,沿建基面的抗滑稳定安全系数为5.83,其中坝体与基岩接触面上的凝聚力ci取0.8MPa,摩擦系数fi取0.65。分析结果表明,大坝运行安全可靠(与按传统的抗剪断安全系数法计算的结果相比较,计算精度相对有了较大提高,进一步明确大坝的安全储备情况,与实际情况比较吻合。)。3坝体抗滑稳定验算混凝土重力坝的失稳机理比较复杂,准确计算坝体稳定系数是工程安全的有力保证。本文采用有限元法与抗剪断安全系数法相结合的方法计算坝体的抗滑稳定安全系数,与