抽水蓄能电站水利枢纽工程边坡稳定分析

抽水蓄能电站水利枢纽工程边坡稳定分析1．1边坡稳定分析原理钢筋混凝土面板堆石坝的稳定分析根据工程经验及设计理论,应进行施工期和蓄水发电期稳定分析,对于本工程而言,由于坝体施工采用的是分层碾压法,整个坝高在施工期都在不断变化,而且坝体受的汽车荷载、施工机器荷载和人群荷载，具体考虑起来比较复杂，并且数量级相对较小。要准确分析整个施工期坝体稳定性比较困难。所以，在这里只计算竣工期的坝体稳定，此时期的坝体稳定分析应分为上游坡、下游坡两种情况，但对于两种情况进行比较可知，由于上游坡有钢筋混凝土面板的作用，其整体性要好于干砌块石及次堆石区组成的下游坡，再加上上游坡库盆需用弃石碴回填至115m高程，由于这部分土的作用，上游坡的稳定性也要好于下游坡。另外，对于钢筋混凝土面板坝其防渗性能很好，其面板后的浸润线很低，这对上、下游坡的影响都不大，不是控制性工况。而对蓄水期，在施工质量得到保证的前提下，坝体的上游坡由于水的作用，其稳定性会增大，对于下游坡的稳定性变化会很小。根据上述分析：上游坡的稳定性要强于下游坡，所以这里只对竣工期下游坡的稳定性进行分析。目前对于土石坝边坡稳定性分析，几乎无例外的都是采用近似的方法——极限平衡法来进行分析。常用的土石坝稳定分析方法有：圆弧法和折线法。圆弧法：包括瑞典条分法和毕肖普法，多适用于粘土坝中，适合土坝。折线法：多适用于非粘土坝中，如薄心墙坝，斜墙坝坝体中。本工程为钢筋混凝土面板堆石坝，故宜采用折线法。在进行堆石体坝坡稳定计算之前，要进行大量的现场碾压试验和室内三轴试验，测得堆石体各区的容重和内摩擦角。1.正常情况：图4-3边坡稳定计算受力简图如图所示说明折线滑动法计算坝坡安全系数的原理。假设ABC为可能的滑动面其中AB为下滑动面，BC为上滑动面，BD为错动破裂面。由试验可知，当滑动面BC上的摩擦角（）小于保护层土料的内摩擦角（）时，BD面斜向上部，反之，则BD面可能斜向下部。设滑裂面BD与铅直的夹角为0，滑动土体ABDA与BCDB之间的相互作用力为P，P与BD面法线的交角为（）。由滑动土体BCDB的平衡可知：当时，当时，从以上两式联立求解，可得式4-1同理，从土体ABDA的平衡得：式4-2利用式4-1与式4-2相等的条件，可得式4-3计算时，可先假设安全系数Kc,然后将滑动面上由试验得到的土体抗剪强度指标c1,c2,，，除以Kc,即，，，，将求得的c1,c2,，，入式（4-3），若等式左右两边相等，则假设的Kc就是该滑动面的稳定安全系数。如不相等，则需另行假设Kc，值，重新计算，直到方程两边相等为止。2.特殊情况下（即有水平地震力时）采用拟静力法：从滑动土体BCED力的平衡可得：式4-4从滑动土体ABDA力的平衡可得：式4-5联立两式可得：式4-6式中：F1,F2分别为作用在第1，2两块上的水平地震力计算时，可先假设安全系数Kc,然后将滑动面上由试验得到的土体抗剪强度指标c1,c2,，，除以Kc,即，，，，将求得的c1,c2,，，入式（4-6），若等式左右两边相等，则假设的Kc就是该滑动面的稳定安全系数。如不相等，则需另行假设Kc，值，重新计算，直到方程两边相等为止。当40<h,地震烈度为7度时，地震水平加速度分布系数如下：图4-4地震水平加速度分布系数图为了计算方便，并且有安全保障，可采用的地震水平加速度分布系数如下：图4-5简化的地震水平加速度分布系数图分别计算出两种工况下各种滑动面的安全系数，从中取出各工况下的最小的安全系数。最小的安全系数均要满足各工况下的安全要求。５.2边坡稳定分析计算程序计算流程图（一次循环）开始开始输入坝体的数据输入坝体的数据取取C点坐标(x1,y1)取取B点坐标(x2,y2)否计算否计算BC斜率K1AB斜率K2k1>k2k1>k2k2<1/m是是计算计算1,2两块重力G1,G2安全系数安全系数K=1否否K=K+0.01K=K+0.01满足联立方程满足联立方程k2<1/m是是输出输出K及各点坐标结束结束应用fortran语言编程如下：PROGRAMMAIN*********变量说明*********T-坝顶宽度，DELT---A的步长，DELB---B在Y方向的步长，DELA---B在X方向的步长*********A（50）存放A，B（50，500，2）存放B，K（50，500）存放K，*********ZXIA0K（50）存放每个A对应下的最小K，BK（50，2）用来存放ZXIAOK对应下B的座标，*********（CX，CY）--坝的最低点的座标H1，H2--坝顶点及坝下游最低点所对应的高程****H3---坝底的控制高程***R1，R2---坝体材料的容重MOJIAO1，MOJIAO2--主堆石及次堆石的内摩擦角***C----堆石的粘聚力GFK（10）每一分块的重量***XFK（10），YFK（10）---分块界点FKJIAO（10）--每分块的倾角***FKMO（10）---每分块的内摩擦角LENGTH（10）--每分块的底边长度***AA（4），BB（4）-四条直线的的系数***Y1，Y2，Y3，Y4---通过B点的垂直线与四条直线的交点的纵座标***N---分块数JSK---用来计数***I，J---循环变量M---用来表示A的个数*** PO----下游坡度***KH，CZ，AI是用来表示地震力系数REALT,T1,DELT,DELB,DELA REALA(50),B(50,500,2),K(50,500) REALZXIAOK(50),BK(50,2) REALXFK(0:10),YFK(0:10) REALLENGTH(10),FKMO(10),FKJIAO(10),GFK(10) REALCX,CY,H1,H2,H3,PO REALR1,R2,MOJIAO1,MOJIAO2,C REALAA(4),BB(4) REALY1,Y2,Y3,Y4 REALKH,CZ,AI INTEGERI,J,M,JSK,N,KK***********************************************************如果KK等于0，则表示不考虑地震力，如果KK等于1，则表示考虑地震力。kk=1 IF(KK.EQ.0)THEN OPEN(0,FILE='W1.DAT')OPEN(1,FILE='W11.OUT') OPEN(2,FILE='W12.OUT') ENDIF IF(KK.EQ.1)THENOPEN(0,FILE='W2.DAT')OPEN(1,FILE='W21.OUT') OPEN(2,FILE='W22.OUT') ENDIF***************************************************** READ(0,*)T,DELT,DELA,DELB M=INT(T/DELT) T1=M*DELT IF(T.GT.T1)M=M+2 IF(T.EQ.T1)M=M+1 READ(0,*)(A(I),I=1,M) READ(0,*)H1,H2,H3 READ(0,*)R1,R2,MOJIAO1,MOJIAO2,C doi=1,2 READ(0,*)AA(I),BB(I) enddo READ(0,*)KH,CZ,AI************************************************************* PO=1.0/AA(1) CY=H1-H3 CX=PO*CY+T AA(3)=(H2-H3)/CX BB(3)=H1-H2 WRITE(*,*)(A(I),I=1,M),CX,CY MOJIAO1=MOJIAO1*3.1415926/180 MOJIAO2=MOJIAO2*3.1415926/180****************************************************** DO10I=1,M AA(4)=CY/(CX-A(I)) BB(4)=-A(I)*AA(4) JSK=1 B(I,JSK,1)=A(I)110B(I,JSK,2)=-DELB B(I,JSK,1)=B(I,JSK,1)+DELA IF(B(I,JSK,1).GE.CX)THEN JSK=JSK-1WRITE(*,*)I,JSK GOTO140 ENDIFB(I,JSK,2)=B(I,JSK,2)+DELB130Y1=AA(1)*B(I,JSK,1)+BB(1) Y2=AA(2)*B(I,JSK,1)+BB(2) Y3=AA(3)*B(I,JSK,1)+BB(3) Y4=AA(4)*B(I,JSK,1)+BB(4)100IF(B(I,JSK,2).LT.Y4)THEN B(I,JSK,2)=B(I,JSK,2)+DELB GOTO100 ELSE GOTO120 ENDIF120IF(B(I,JSK,2).GT.Y3)THEN GOTO110 ENDIF*************************************************************在FENKUAI子程序中，利用坝顶的点A、折线与主次堆石分界线的交点（XJIAO，YJIAO）******折点B、坝脚点C将滑动体分块，分别求出每分块点的X、Y座标、每分块体底的长度、****每分块体底的内摩擦角及与水平线的夹角 CALLFENKUAI(B(I,JSK,1),B(I,JSK,2),A(I),CX,CY,N,AA,$BB,T,Y2,MOJIAO1,MOJIAO2,FKMO,FKJIAO,LENGTH,XFK,YFK)****在QIUZHOHGLI子程序中求出了每分块体的重力 CALLQIUZHONGLI(GFK,XFK,YFK,R1,R2,B(I,JSK,1),B(I,JSK,2),$Y2,T,AA,BB,N,A(I))*****在QIUK子程序中求出了折点为B时的安全系数 CALLQIUK(K(I,JSK),GFK,N,FKMO,FKJIAO,LENGTH,C,JSK,I,$B(I,JSK,1),B(I,JSK,2),KH,CZ,AI)************************************************************ JSK=JSK+1 B(I,JSK,1)=B(I,JSK-1,1) B(I,JSK,2)=B(I,JSK-1,2)+DELB GOTO130*****************************************************************此段用来求出在A点不动、B点循环所的的最小安全系数140 ZXIAOK(I)=K(I,1) BK(I,1)=B(I,1,1) BK(I,2)=B(I,1,2) DO20J=2,JSKIF(K(I,J).LT.ZXIAOK(I))THEN ZXIAOK(I)=K(I,J) BK(I,1)=B(I,J,1) BK(I,2)=B(I,J,2) ENDIF20CONTINUE WRITE(1,*)ZXIAOK(I),A(I),BK(I,1),BK(I,2)*******************************************************8810 CONTINUE CLOSE(1) CLOSE(2) CLOSE(3) END***********************************************************************分块子程序*****变量说明（与主程序对应的变量不说明）****（XJIAO，YJIAO）----折线与主次堆石分界线的交点座标，DELX、DELY分块点的步长****I-----循环变量 SUBROUTINEFENKUAI(X,Y,A,CX,CY,N,AA,BB,T,Y2,MOJIAO1,$MOJIAO2,FKMO,FKJIAO,LENGTH,XFK,YFK) REALX,Y,A,CX,CY,AA(3),BB(3),T,Y2,MOJIAO1,MOJIAO2REALFKMO(10),FKJIAO(10),LENGTH(10),XFK(0:10),YFK(0:10) REALXJIAO,YJIAO,DELX,DELY INTEGERN,I********************************************************************************************* IF(Y.GT.Y2.AND.A.LE.T)THEN CALLQIUZUOBIAO(XJIAO,YJIAO,FKMO,FKJIAO,N,A,X,Y$,CX,CY,MOJIAO1,MOJIAO2,Y2,T,AA,BB) XFK(0)=A YFK(0)=0 XFK(1)=X YFK(1)=Y XFK(2)=XJIAO YFK(2)=YJIAO DELX=(CX-XJIAO)/(N-2) DELY=(CY-YJIAO)/(N-2) DO210I=3,N XFK(I)=XFK(I-1)+DELX YFK(I)=YFK(I-1)+DELY210 CONTINUE ENDIF********************************************************************* IF(Y.EQ.Y2.AND.A.LE.T)THEN CALLQIUZUOBIAO(XJIAO,YJIAO,FKMO,FKJIAO,N,A,X,Y$,CX,CY,MOJIAO1,MOJIAO2,Y2,T,AA,BB) XFK(0)=A YFK(0)=0 XFK(1)=X YFK(1)=Y DELX=(CX-XJIAO)/(N-1) DELY=(CY-YJIAO)/(N-1) DO220I=2,N XFK(I)=XFK(I-1)+DELX YFK(I)=YFK(I-1)+DELY220CONTINUE ENDIF********************************************************************** IF(Y.LT.Y2.AND.A.LT.T)THEN CALLQIUZUOBIAO(XJIAO,YJIAO,FKMO,FKJIAO,N,A,X,Y$,CX,CY,MOJIAO1,MOJIAO2,Y2,T,AA,BB) XFK(0)=A YFK(0)=0 XFK(1)=XJIAO YFK(1)=YJIAO************************** IF(X.LE.2*XJIAO/3.0+CX/3.0)THEN XFK(2)=X YFK(2)=Y DELX=(CX-X)/(N-2) DELY=(CY-Y)/(N-2) DO230I=3,N XFK(I)=XFK(I-1)+DELX YFK(I)=YFK(I-1)+DELY230CONTINUE ENDIF************************** IF(CX/3.0+2*XJIAO/3.0.LT.X.AND.X.LT.2*CX/3.0+XJIAO/3.0)THENDELX=(X-XJIAO)/3.0 DELY=(Y-YJIAO)/3.0 DO240I=2,N-3 XFK(I)=XFK(I-1)+DELX YFK(I)=YFK(I-1)+DELY240 CONTINUEDELX=(CX-X)/3.0DELY=(CY-Y)/3.0DO250I=N-2,N XFK(I)=XFK(I-1)+DELX YFK(I)=YFK(I-1)+DELY250 CONTINUE ENDIF*************************** IF(X.GE.2*CX/3.0+XJIAO/3.0)THEN DELX=(X-XJIAO)/4.0 DELY=(Y-YJIAO)/4.0 DO260I=2,N-1 XFK(I)=XFK(I-1)+DELX YFK(I)=YFK(I-1)+DELY260 CONTINUE XFK(N)=CX YFK(N)=CY ENDIF***************************** ENDIF****************************************************************** IF(Y.LT.Y2.AND.A.EQ.T)THEN CALLQIUZUOBIAO(XJIAO,YJIAO,FKMO,FKJIAO,N,A,X,Y$,CX,CY,MOJIAO1,MOJIAO2,Y2,T,AA,BB) XFK(0)=A YFK(0)=0 IF(X.LE.2*XJIAO/3.0+CX/3.0)THEN XFK(1)=X YFK(1)=Y DELX=(CX-X)/(N-1) DELY=(CY-Y)/(N-1) DO270I=2,N XFK(I)=XFK(I-1)+DELX YFK(I)=YFK(I-1)+DELY270CONTINUE ENDIF************************** IF(CX/3.0+2*XJIAO/3.0.LT.X.AND.X.LT.2*CX/3.0+XJIAO/3.0)THENDELX=(X-XJIAO)/3.0 DELY=(Y-YJIAO)/3.0 DO280I=1,N-3 XFK(I)=XFK(I-1)+DELX YFK(I)=YFK(I-1)+DELY280 CONTINUEDELX=(CX-X)/3.0 DELY=(CY-Y)/3.0DO290I=N-2,N XFK(I)=XFK(I-1)+DELX YFK(I)=YFK(I-1)+DELY290 CONTINUE ENDIF*************************** IF(X.GE.2*CX/3.0+XJIAO/3.0)THEN DELX=(X-XJIAO)/4.0 DELY=(Y-YJIAO)/4.0 DO200I=1,N-1 XFK(I)=XFK(I-1)+DELX YFK(I)=YFK(I-1)+DELY200 CONTINUE XFK(N)=CX YFK(N)=CY ENDIF******************************* ENDIF DO201I=1,N LENGTH(I)=SQRT((XFK(I)-XFK(I-1))**2+(YFK(I)-YFK(I-1))**2)201 CONTINUE END****************************************************************************************** 求交点，求每分块的倾角，求每分块的内摩擦角*****变量说明与FENKUAI子程序所对应的变量不说明*****JIAO1、JIAO2分别用来代表折线与水平线的交角*****DELX1、DELX2、DELY1、DELY2分别用来代表A点、B点、C点之间的X、Y座标的差值*****DAIA、DAIX、DAICX分别表示用二分法求（XJIAO、YJIAO）时的中间变量 SUBROUTINEQIUZUOBIAO(XJIAO,YJIAO,FKMO,FKJIAO,N,A,X,Y$,CX,CY,MOJIAO1,MOJIAO2,Y2,T,AA,BB) REALXJIAO,YJIAO,FKMO(10),FKJIAO(10),A,X,YREALCX,CY,MOJIAO1,MOJIAO2,Y2,T,AA(3),BB(3) REALJIAO1,JIAO2,DELX1,DELX2,DELY1,DELY2,YY1,YY2 REALDAIA,DAIX,DAICX INTEGERN******************************************************************************* DELX1=X-A DELX2=CX-X DELY1=Y DELY2=CY-Y JIAO1=ATAN(DELY1/DELX1) JIAO2=ATAN(DELY2/DELX2) DAIA=A DAIX=X DAICX=CX****************************************************************************** IF(Y.GT.Y2.AND.A.LE.T)THEN N=6 FKMO(1)=MOJIAO1 FKMO(2)=MOJIAO1 FKJIAO(1)=JIAO1 FKJIAO(2)=JIAO2 DO310I=3,N FKMO(I)=MOJIAO2 FKJIAO(I)=JIAO2310 CONTINUE302 XJIAO=(DAICX+DAIX)/2.0 YY1=AA(2)*XJIAO+BB(2) YY2=TAN(JIAO2)*(XJIAO-CX)+CY IF((YY1-YY2).GE.0.001)THEN DAICX=XJIAO GOTO302 ENDIF IF((YY1-YY2).LE.-0.001)THEN DAIX=XJIAO GOTO302 ENDIF YJIAO=YY1 ENDIF*************************************************************** IF(Y.EQ.Y2.AND.A.LE.T)THEN N=5 XJIAO=X XJIAO=Y IF(A.EQ.T)FKMO(1)=(MOJIAO1+MOJIAO2)/2 IF(A.LT.T)FKMO(1)=MOJIAO1 FKJIAO(1)=JIAO1 DO320I=2,N FKMO(I)=MOJIAO2 FKJIAO(I)=JIAO2320 CONTINUE ENDIF*********************************************************** IF(Y.LT.Y2.AND.A.LT.T)THEN301 XJIAO=(DAIA+DAIX)/2.0 YY1=AA(2)*XJIAO+BB(2) YY2=TAN(JIAO1)*(XJIAO-X)+Y IF((YY1-YY2).GT.0.01)THEN DAIX=XJIAO GOTO301 ENDIF IF((YY1-YY2).LT.-0.01)THEN DAIA=XJIAO GOTO301 ENDIF YJIAO=YY1FKMO(1)=MOJIAO1FKJIAO(1)=JIAO1******************************* IF(X.LE.2*XJIAO/3.0+CX/3.0)THEN N=6 FKMO(2)=MOJIAO2 FKJIAO(2)=JIAO1DO330I=3,N FKMO(I)=MOJIAO2 FKJIAO(I)=JIAO2330 CONTINUE ENDIF**********************************IF(CX/3.0+2*XJIAO/3.0.LT.X.AND.X.LT.2*CX/3.0+XJIAO/3.0)THEN N=7 DO340I=2,N-3 FKMO(I)=MOJIAO2 FKJIAO(I)=JIAO1340 CONTINUE DO350I=N-2,N FKMO(I)=MOJIAO2 FKJIAO(I)=JIAO2350CONTINUE ENDIF******************************* IF(X.GE.2*CX/3.0+XJIAO/3.0)THEN N=6 DO360I=2,N-1 FKMO(I)=MOJIAO2 FKJIAO(I)=JIAO1360CONTINUE FKMO(N)=MOJIAO2 FKJIAO(N)=JIAO2 ENDIF******************************* ENDIF***************************************************************** IF(Y.LT.Y2.AND.A.EQ.T)THEN XJIAO=A YJIAO=0************************************ IF(X.LE.2*XJIAO/3.0+CX/3.0)THEN N=5 FKMO(1)=MOJIAO2 FKJIAO(1)=JIAO1DO370I=2,N FKMO(I)=MOJIAO2 FKJIAO(I)=JIAO2370 CONTINUE ENDIF***********************************IF(CX/3.0+2*XJIAO/3.0.LT.X.AND.X.LT.2*CX/3.0+XJIAO/3.0)THEN N=6 DO380I=1,N-3 FKMO(I)=MOJIAO2 FKJIAO(I)=JIAO1380 CONTINUE DO390I=N-2,N FKMO(I)=MOJIAO2 FKJIAO(I)=JIAO2390CONTINUE ENDIF********************************* IF(X.GE.2*CX/3.0+XJIAO/3.0)THEN N=5DO300I=1,N-1 FKMO(I)=MOJIAO2 FKJIAO(I)=JIAO1300CONTINUE FKMO(N)=MOJIAO2 FKJIAO(N)=JIAO2 ENDIF***************** ENDIF END*******************************************************************************求重力的子程序******S是求分块重力时的分块的面积，I是中间变量 SUBROUTINEQIUZHONGLI(G,XFK,YFK,R1,R2,X,Y,$Y2,T,AA,BB,N,A) REALXFK(0:10),YFK(0:10),G(10) REALR1,R2,X,Y,Y2,T,AA(3),BB(3),A INTEGERN,I REALS1,S11,S12,S21,S22,S23************************************************************************** IF(Y.GT.Y2.AND.A.LE.T)THEN IF(X.LT.T)THEN S1=(XFK(1)-XFK(0))*(YFK(1)-YFK(0))/2.0 S21=(YFK(1)+YFK(2))*(XFK(2)-XFK(1))/2.0-$(XFK(2)-T)*YFK(2)/2.0 S22=(XFK(2)-T)*YFK(2)/2.0-$(XFK(2)-T)*(AA(1)*XFK(2)+BB(1))/2.0 G(1)=R1*S1G(2)=R1*S21+R2*S22 ELSE S11=1/2.0*(XFK(1)-XFK(0))*(YFK(1)-YFK(0))-$1/2.0*(XFK(1)-T)*(AA(2)*XFK(1)+BB(2)) S12=1/2.0*(XFK(1)-T)*(AA(2)*XFK(1)+BB(2))-$1/2.0*(XFK(1)-T)*(AA(1)*XFK(1)+BB(1)) S21=1/2.0*(XFK(2)-XFK(1))*(YFK(1)+YFK(2))S22=1/2.0*(YFK(2)+AA(2)*XFK(1)+BB(2))*(XFK(2)-XFK(1)) S23=1/2.0*(AA(1)*XFK(2)+BB(1)+AA(1)*XFK(1)+BB(1))*$(XFK(2)-XFK(1)) G(1)=R1*S11+R2*S12 G(2)=R1*(S21-S22)+R2*(S22-S23)ENDIFDO410I=3,N G(I)=-1*R2*(XFK(I)-XFK(I-1))*(AA(1)*$(XFK(I)+XFK(I-1))/2+BB(1)-(YFK(I)+YFK(I-1))/2.0)410 CONTINUE ENDIF*******************888888*****************************8 IF(Y.EQ.Y2.AND.A.LE.T)THEN S11=1/2.0*(T-A)*YFK(1) S12=1/2.0*(XFK(1)-T)*(YFK(1)-AA(1)*XFK(1)-BB(1))G(1)=R1*S11+R2*S12 DO420I=2,N G(I)=-1*R2*(XFK(I)-XFK(I-1))*(AA(1)*$(XFK(I)+XFK(I-1))/2+BB(1)-(YFK(I)+YFK(I-1))/2.0)420 CONTINUE ENDIF******************************************************** IF(Y.LT.Y2.AND.A.LT.T)THEN S11=1/2.0*(T-XFK(0))*(YFK(1)-YFK(0)) S12=1/2.0*(XFK(1)-T)*(YFK(1)-YFK(0))-$1/2.0*(XFK(1)-T)*(AA(1)*XFK(1)+BB(1)-YFK(0)) G(1)=R1*S11+R2*S12 DO430I=2,N G(I)=-R2*(XFK(I)-XFK(I-1))*(AA(1)*$(XFK(I)+XFK(I-1))/2+BB(1)-(YFK(I)+YFK(I-1))/2.0)430 CONTINUE ENDIF******************************************************** IF(Y.LT.Y2.AND.A.EQ.T)THEN DO4