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基于有限元强度折减法的重力坝深层抗滑稳定安全性能研究

2025-02-14 72 上传者：管理员

摘要：为了提升重力坝深层抗滑稳定安全性能，本文通过介绍工程背景、重力坝失稳破坏类型以及基于有限元强度折减法的最大剪切强度允许相对位移失稳判据等内容，深入分析了重力坝在复杂地质条件下的稳定性问题。文章首先阐述了岩土体抗剪强度定律，并详细推导了任意斜截面上正应力的计算方法，进而探讨了岩土体的极限平衡条件。在此基础上，本文提出了一种新的失稳判据。研究结果表明：合理设置齿墙参数可以显著提高重力坝的抗滑稳定性，为重力坝的设计与加固提供了科学依据。

关键词：
坝基失稳
强度折减法
深层抗滑稳定性能
现代水利工程
重力坝
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重力坝作为一种历史悠久且广泛应用的水坝坝型,其稳定性和安全性一直是工程界关注的重点｡随着水利工程技术的持续发展,对重力坝的设计､施工及运行管理提出了越来越高的要求｡特别是在复杂地质条件和极端气候环境下,重力坝的深层抗滑稳定性能显得尤为重要[1] ｡

由于岩体不连续性和内部结构的复杂性,使得重力坝的深层抗滑稳定分析变得尤为困难[2] ｡为了准确评估重力坝的深层抗滑稳定性能,传统的分析方法如刚体极限平衡法等已难以满足现代水利工程对精确度和可靠性的要求[3] ｡因此,需要引入更为先进和精确的分析方法,以全面､准确地评估重力坝的深层抗滑稳定性能｡

有限元强度折减法作为一种先进的数值分析方法,在岩土工程领域得到了广泛应用｡该方法通过模拟坝基失稳的渐进破坏过程,能够较为准确地评估坝基的稳定性和抗滑能力｡下文将结合工程实际需求, 对此展开设计｡

1、工程背景

1.1 工程概况

本文以泰安市王家院水库供水工程为背景,此工程是国家安排山东省的重大试点项目｡本工程通过在大汶河上游新建三座拦河堤坝,为了防止水流对河道的冲刷下切,稳固河槽,改善河道流势,同时,在大汶河河道形成水面景观,补给生态用水,改善生态环境, 实现王家院水库引水水质净化要求｡

本文此次研究的工程项目为小型(一)水库,承担着向下游工业区域及城市提供稳定水源的重任,同时兼顾周边农田的灌溉需求[4] ｡鉴于其重要性,特别选取了水库中的溢流坝段作为本次研究的模拟计算对象｡通过对关键坝段的深入分析,旨在更准确地评估其结构性能与安全性,确保水库能够持续､稳定地满足下游工业､城市及农业灌溉的用水需求｡对此工程的基本概况进行分析,如表 1 所示｡

表1 工程概况

1.2 重力坝失稳破坏类型

大坝的失稳型有两种,即地表滑移和深层滑移｡在坝基岩体完好､强度高的情况下,沿坝基混凝土界面滑移,此种滑移现象被称作表滑移[5] ｡但是,随着大坝建造工艺的进步,坝体与地基的接触越来越密切, 地表滑移的可能性也越来越小｡

而深层滑移较为复杂,有两种情形｡一是在均质基础上,如果其强度不高,则可能出现类圆弧型剪切破坏;二是当坝基处有软弱构造面或缓倾夹层时,沿此裂缝将产生滑动破坏[6] ｡重力坝深层滑动失稳破坏可分为三种基本类型:

其一,若基础为单斜坡或双斜坡的软弱结构面, 则在上游水载荷的作用下,有可能沿着软弱结构面滑移｡损坏的形式显示在图 1 中｡

图2 尾岩抗力体挤压破坏

其三是地基有向下游倾的软弱夹层,下游尾岩无向上游倾的同类结构时,若尾岩为高强度层状坚硬岩体,上部可能隆起,增加大坝向下游位移,导致失稳破坏[7] ｡具体情况如图 3 所示｡

2、基于有限元强度折减法的最大剪切强度允许相对位移失稳判据

2.1 岩土体抗剪强度定律

岩土体抗剪强度定律是描述岩土体在剪切应力作用下抵抗破坏的能力的定律,剪切破坏是工程中常见的一种失效模式,其抵抗剪切破坏的能力即表现为岩土体的剪切强度｡在工程实践中,基础的承载能力､挡土墙的土压力分布以及边坡的稳定性评估,均依赖于岩土体的抗剪强度｡

图3 尾岩抗力体隆起破坏

式中:τf 代表土的抗剪强度,是衡量土体抵抗剪切破坏力的关键指标;c 代表土的内聚力;σ 代表强度与剪切面上的法向应力;φ 代表土的内摩擦角｡这个公式表明,岩土体的抗剪强度是由粘聚力和摩擦力两部分组成的｡粘聚力是岩土体内部颗粒间的吸引力,而摩擦力则是颗粒间因相对运动而产生的阻力[8] ｡

2.2 任意斜截面上正应力计算

在重力坝深层抗滑稳定安全性能的研究中,利用有限元强度折减法可以评估坝体在不同工况下的稳定性｡为了进行这一评估,首先需要计算坝体内任意斜截面上的正应力｡假设坝体材料为均质､连续､线弹性材料｡建立直角坐标系 O-xyz,其中 x 轴平行于坝轴线,y 轴垂直于坝轴线且向上为正,z 轴为水平横向坐标｡在直角坐标系中,坝体内任意点的应力状态可以用六个应力分量表示:σxx､σyy､σzz､τxy､τyz､τzx｡考虑一个任意斜截面,其法线方向由方向余弦 l､m､n 确定,其中 l､m､n 分别表示法线方向与 x､y､z 轴的夹角余弦值｡根据应力张量的性质,任意斜截面上的正应力 σn 可以表示为:

方向余弦l､m､n 可以通过斜截面的法线向量与坐标轴之间的夹角来计算｡假设斜截面的法线向量与 x 轴的夹角为 α,与 y 轴的夹角为 β,则:

如果斜截面是通过给定的两个点确定的,则可以通过向量的叉积来计算法线向量,进而求得方向余弦｡在有限元分析中,通过强度折减法不断降低坝体材料的强度参数,直到坝体发生失稳破坏｡在这个过程中,需要不断计算坝体内各点的应力状态,包括任意斜截面上的正应力,以评估坝体的抗滑稳定性能｡

2.3 岩土体极限平衡条件

在重力坝深层抗滑稳定安全性能的研究中,岩土体的极限平衡条件是评估坝体稳定性的关键｡当岩土体沿某一面上的剪应力 τ 达到或超过其抗剪强度 τf 时,岩土体将发生剪切破坏｡因此,岩土体的极限平衡条件可以表述为:

在有限元分析中,任意面上的正应力 σn 可以通过节点的位移和单元的应力状态来计算｡对于二维问题,假设有一斜截面,其法线方向与 x 轴的夹角为 θ, 则正应力 σn 可以表示为

对于三维问题,正应力的计算将涉及更多的应力分量和方向余弦｡基于有限元强度折减法的重力坝深层抗滑稳定安全性能研究需要深入理解极限平衡条件｡

2.4 最大剪切强度允许相对位移失稳判据

本项目计划采取增设齿墙及切割软弱夹层等措施,旨在增强大坝的深层抗滑稳定性｡为了精确量化增设齿墙对于提升大坝深层抗滑稳定性的效果,提出一种基于最大抗剪强度对应容许位移的失稳判定标准｡

针对上述工程,运用强度折减技术,深入分析坝基软弱夹层上､下两个关键点的相对位移如何随折减系数的变化而变化,并据此确定在不同折减系数下, 该关键点的法向应力 σ 的具体数值

当公式(7)成立时,得出:式中:Δumax 代表最大允许相对位移｡为了评估软弱夹层特征点处的稳定性,分别绘制了上下相对位移随折减系数变化的曲线图,以及另一关键参数 Δumax 随折减系数变化的曲线图｡通过对比这两条曲线,可以找到它们的交点,该交点所对应的折减系数即为所求的安全系数,具体如图 4 所示｡

图4 软弱夹层上下相对位移与 Δumax 曲线

利用有限元方法深入探究了重力坝中缓倾软弱夹层的滑动稳定性问题｡在设定位移限制的情况下, 目标是将软弱夹层上下岩层的相对位移严格控制在预设的范围内｡具体而言,设定一个最大容许相对位移值,即位移限值,一旦实际位移超过此限值,即判定为不稳定失效状态,并将达到此位移限值时的折减系数定义为安全系数｡

本项目所创新提出的最大抗剪强度对应容许位移失稳准则,能够精确且有效地确定重力坝深层抗滑稳定的安全系数,这一准则能够很好地补充和完善现有的强度折减准则中存在的不足｡

3、计算结果

3.1 齿墙宽度影响

根据上述内容,对齿墙宽度与重力坝深层安全系数之间的关系进行分析,设定多个宽度值,对不同宽度值下的深层安全系数进行分析,如表 2 所示｡

表2 齿墙宽度影响分析

3.2 齿墙坡度影响

在上述内容的基础上,分布齿墙不同坡度对重力坝深层安全系数的影响,如表 3 所示｡

表3 齿墙坡度影响分析

3.3 齿墙位置影响

完成上述研究后,对不同位置下的齿墙安全系数进行分析,如表 4 所示｡

表4 齿墙位置影响分析

4、结论

通过上述研究,得到如下结论:

(1) 根据表 2､表 3 的数据分析,齿墙宽度在 0 m~5 m 的范围内时,其宽度与安全系数之间呈现出一种近似的线性正相关关系｡齿墙宽度每增加 1 m,安全系数大约会提升 0.069｡(2) 表 3 中所列数据显示,齿壁斜度与安全系数之相关性｡在斜坡 10~40°之间,齿壁比降与边坡安全系数之间也有较好的线性相关性,但随着坡度的增大,其提高幅度只有 0.041｡研究结果显示,齿壁斜度比齿壁宽度对大坝深层抗滑稳定性的影响要小得多｡

参考文献:

[1]李强.基于应力积分算法的梅山碾压混凝土重力坝层面稳定性分析[J].湖南水利水电,2024(3):1-3.

[2]张秀琴,傅小孙,王会学.基于双折减系数法的重力坝抗滑稳定性研究[J].陕西水利,2024(1):20-21+33.

[3]徐杨,陈金波.不同水位的混凝土重力坝稳定性有限元分析[J].黑龙江水利科技,2023,51(4):15-18+171.

[4]董世勇,陈佳,唐晓松,等.装配式小型重力坝安装搭接施工设计仿真及整体稳定性分析[J].粘接,2023,50 (3):163-167.

[5]陈勇军.复杂基岩重力坝施工中应力稳定性以及加固方案研究[J].水利科技与经济,2023,29(1):62-67.

[6]邓文强.官山水库堆石重力坝枢纽布置及稳定性分析[J].中国水能及电气化,2023(1):38-43.

[7]黄宇峰,卢文波,王高辉,等.远场水下爆炸冲击作用下重力坝动力稳定性的简化时程分析方法[J].工程力学,2024,41(3):73-81.

[8]马力,顾冬,罗坤,等.近断层脉冲型地震动对重力坝深层抗滑稳定性的影响[J].安徽工业大学学报(自然科学版),2022,39(4):410-415.

文章来源:孙高强.基于有限元强度折减法的重力坝深层抗滑稳定安全性能研究[J].科学技术创新,2025,(06):205-208.