基于有限元法的混凝土重力坝抗滑稳定分析方法

2010-09-27 01:48张彬洪王文全

水利与建筑工程学报 2010年1期

张彬洪,姚激,李泽,王文全

(1.武汉大学水利水电学院,湖北武汉430072;2.广东水电二局股份有限公司,广东增城511340;3.昆明理工大学工程力学系,云南昆明650051)

0 前言

抗滑稳定分析是重力坝设计中的一项重要内容。由于工程地质条件复杂,大中型重力坝中地基因软弱夹层而改变设计的问题屡见不鲜。因此,准确核算坝体沿坝基面或沿深层软弱结构面抗滑稳定是保证重力坝正常工作的重要保证。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[1,2]。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,因此广泛应用到实际工程,积累了丰富实践经验,得到的安全系数可作为大坝安全度的主要依据。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存在一定误差。

随着计算机软硬件及计算力学的发展,利用有限元法较精确地求解坝体与基岩的应力、变形以及塑性区等已成为可能。借助计算机,有限元法能精确建立模型,并考虑各种材料的非均质、各向异性等特性,因而能较准确地计算接触面上的阻滑力和滑动力[3～5]。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做出评价。结合现行规范,利用有限元法准确计算重力坝与基岩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,得到的抗滑稳定系数将更能准确反应重力坝的抗滑稳定状况。

1 重力坝抗滑稳定计算原理

《混凝土重力坝设计规范》(DL5108-1999)规定使用极限状态表达式来进行结构的强度和稳定验算。规范规定对于各类水工建筑物的强度和稳定应满足下列承载能力极限状态设计式为[6]:

式中:γ0为结构重要性系数,Ⅰ级结构及构件取1.1;φ为设计状况系数,持久状况时取1.0;S(·)为作用效应函数;R(·)为结构及构件抗力函数;γG为永久作用分项系数;GK为永久作用标准值;γQ为可变作用分项系数;QK为可变作用标准值;aK为几何参数的标准值(可作为定值处理);γd1为承载能力极限状态的结构系数;fK为材料性能的标准值;γm为材料性能的分项系数。以上参数的取值依据工程等级按规范相应条目规定选用。

利用有限元法与抗剪断安全系数法分析相结合进行重力坝的抗滑稳定性时,首先要建立准确的有限元模型,在对模型进行应力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,再求出作用效应函数S(·)和抗滑稳定抗力函数R(·)后,带入承载能力极限状态设计式(1)进行稳定安全分析,来评价坝体的抗滑稳定性。为了方便计算和比较,变换式(1)可得[7,8]:

在此,称K为稳定安全系数。如计算所得K≥1.0,则坝体稳定满足承载能力极限状态式,是稳定安全的,否则不满足稳定安全要求。

2 工程实例

某水电站位于金沙江中游河段。工程主要任务是发电,兼顾防洪、灌溉、航运与旅游。电站装机规模3 000 MW,年发电量126.22×108kW·h。水电站大坝坝高159 m。根据工程区地质条件,挡水建筑物采用碾压混凝土坝和当地材料坝共同组成的混合坝型,坝体右岸布置当地材料坝,而左岸、河中及右岸部分硬岩布置混凝土坝。电站工程区域地质构造背景十分复杂,坝基地质条件较为复杂,岩层软硬相间,坝基岩体条件沿坝轴线方向变化较大,且有岩溶发育。主体建筑物大部分处于大平坝背斜和干坪子向斜的公共翼及其核部,坝基岩体存在挤压错动带发育且夹泥、反倾节理与挤压错动带组合形成深层坝基深层滑动面、岩层较硬相间、陡倾角裂隙发育中的溶蚀裂隙、节理面中的砂土状透镜体等特殊地质缺陷,这些因素都对混凝土坝体稳定和变形造成不利影响。

2.1 计算模型

本文选取了某水电站混凝土重力坝中孔坝段进行了计算分析。为了能够真实地模拟坝体应力应变情况,三维有限元计算要求取较大的模型范围,并考虑关键的地质体及地质结构的影响。计算所取范围如下:重力坝上、下游面顺河向,分别向上、下游取2倍坝高的范围;基础深度计算范围为1.5倍坝高。坐标系确定:坝纵0+554.651剖面中坝轴线与1 012.00 m高程线交点为计算坐标系的原点,顺水流方向为X轴正方向,垂直水流方向且指向左岸为Y轴正方向,沿高程向上方向为Z轴正方向,整个坐标系符合右手螺旋法则。

整个计算区域主要采用八结点六面体单元离散,局部不规则区域采用四面体、五面体过渡。大坝由2个双泄中孔及廊道系统组成,几何形状复杂,模型共划分为1 305个几何体,并离散为25 246个节点和34 316个单元。双泄中孔坝段整体三维有限元网格如图1所示。

图1 三维有限元模型

正常蓄水位工况的荷载组合为:工况1(正常蓄水位)与工况2(校核工况)。其中工况1是: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);其中工况2是:坝体自重+校核洪水位静水压力(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1 136.0 m;死水位为1 124 m;淤沙高程1 101.00 m,内摩擦角 φ=17°,浮重度ρ=9 kN/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,各材料的力学参数如表1所示。

表1 坝体混凝土及基岩的材料参数

2.2 应力计算结果

图2～图5分别为工况1与工况2下有限元计算的中孔坝段应力分布等值线图。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。

2.3 坝基面抗滑稳定分析

根据抗剪断安全系数法公式(2),利用有限元法较为准确地求得中孔坝段坝体与坝基接触面上的法向应力、滑动力和阻滑力。然后分别求出作用效应函数S(·)和抗滑稳定抗力函数R(·),再按照承载能力极限状态设计法进行坝体稳定安全分析,并进行了稳定安全系数对建基面抗剪断强度参数变化的敏感性分析,如表2所示。从表2可知,在正常蓄水位工况和校核工况下,坝体沿建基面的稳定安全系数K均大于1.0,满足稳定承载能力极限状态设计式,是稳定安全的。