Hardfill坝的整体稳定安全度

熊,何蕴龙,刘俊林

(1.长江勘测规划设计研究院,湖北武汉 430010;2.四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室,四川成都 610065;3.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室,湖北武汉 430072)

Hardfill坝是一种新坝型,其基本剖面为上下游坝坡对称的梯形,上游坝面设置面板或其他防渗设施,筑坝材料为价格低廉的低强度胶结砂石料.Hardfill坝的倡导者认为这种坝型具有高安全性、高抗震性和对地基条件要求低的优点,而且施工简便、快速,造价低廉,对环境的负面影响小[1].20世纪90年代在希腊、多米尼加和法国等地建成了世界上首批Hardfill坝[2],土耳其的Cindere坝[2]和Oyuk坝[3]2座Hardfill坝坝高分别达到了100m与107m.日本坝工界对Hardfill筑坝技术表现出了极大的热情,投入大量人力物力,根据日本的碾压混凝土技术研究和开发了具有其自身特点的Hardfill筑坝技术,并冠之以一个新名称:Cemented Sand&Gravel,简称CSG,所建造的大坝称为CSG坝[4].国内先后在贵州省道塘水库上游围堰[5]、福建街面水电站下游围堰和洪口大坝上游围堰采用了CSG方案[6-7],效果良好.

在国内对Hardfill筑坝技术的理论研究中,科研人员陆续对Hardfill坝的结构特性、安全性以及断面设计进行了试验与计算分析[8-10],但目前对其破坏模式研究尚少.本文根据Hardfill坝的设计理念,研究适合Hardfill坝的整体稳定安全度考察方法,基于弹塑性有限元方法对典型Hardfill坝进行计算分析,探讨破坏过程与破坏机理,并与相同高度的重力坝结构进行比较,最后就Hardfill坝的材料参数及结构特征对大坝整体稳定安全度的影响进行了敏感性分析.

1 基于弹塑性有限元方法的大坝整体稳定安全度分析

1.1 整体稳定安全度分析方法

目前基于弹塑性有限元方法探讨大坝破坏过程与破坏机理的数值分析中,大坝整体安全度的考察方法主要有水容重超载法、水位超载法、强度储备法、滑动面的点安全系数法与应力代数和法等.这些方法不仅所得的大坝整体安全度不同,且破坏形式和机理亦会有较大差异.将超载与强度储备相结合的综合法能较全面地反映实际问题,对Hardfill坝而言,其设计理念是尽可能运用当地易得的砂砾石材料或开挖弃料加入少量胶凝材料后作为筑坝材料,坝体材料性能具有明显的不均匀性与不确定性,比较适合采用以强度储备为主的综合法来考察大坝的整体稳定性.在对水荷载的超载计算中,除了考虑实际工程中确实可能出现的超载倍数外,由于水荷载是大坝抵御的主要工作荷载,给其以足够的安全储备也是十分必要的,所以在考虑强度储备的基础上可再适当进行更大倍数的水荷载水位超载,以反映坝体抵御水荷载的富裕度.但大坝材料强度的变化幅度有限,且材料的f值(内摩擦角)降到残余值后,再很难下降,因此不能将材料强度无限度地降低.

本文采用综合法考察大坝整体稳定安全度的具体计算程序为:首先进行现实中可能出现的1.2倍水荷载的水位超载,之后对坝体材料进行强度折减直至强度参数可能的最低值,此时考察大坝的破坏情况.若大坝整体并未失稳,再进一步提高水位以进行水荷载的超载,直至大坝结构破坏.本文在进行强度折减的过程中,由于目前对于Hardfill坝材料的试验比较有限,仍采用对c,φ等比例降低的方法,且强度参数最多降低至原来的1/2.在考察大坝整体安全度时以计算的收敛性、大坝变形的突变性和屈服区的贯通性等作为整体失稳判据.大坝最终的整体安全系数k为

式中:k1——水位超载安全系数;k2——强度储备系数;H0,HF——设计水位与超载后的水位;R0,RF——坝体材料设计强度与降低后的强度.

1.2 计算模型

图1为Hardfill坝的典型剖面,本文的计算模型中大坝坝高70m,坝坡的坡比按照Oyuk坝[3]和Cindere坝[2]取为1∶0.7.主要考虑坝体自重、静水压力和扬压力等荷载,上游水位66m,下游无水.其中假定扬压力在排水孔幕处折减为水头的1/2,扬压力在坝底线性分布.建立二维平面应变有限元模型,采用大型有限元软件ADINA进行计算分析,其中坝基面考虑为抗剪软弱面,在该位置设置了薄层单元.

根据试验结果,Hardfill坝材料是一种弹塑性材料,其典型应力应变曲线如图2所示.本文Hardfill坝材料与坝基采用理想弹塑性本构模型,屈服条件为带拉裂截断的Mohr-Coulomb准则.综合Hardfill坝材料试验研究成果[6-7,11-12],本文计算中坝体材料参数值按平均水平选取,见表1.

图1 Hard fill坝典型剖面[8]Fig.1 Typical profile of Hard fill dam[8]

图2 Hardfill材料典型应力应变关系曲线[4]Fig.2 Typical stress-strain curve of Hardfill material[4]

2 典型Hardfill坝整体失稳机理与过程

2.1 大坝应力状态特征

图3为大坝应力分布图,其中正应力以拉为正,剪应力以向下游为正.在正常荷载作用下,Hardfill坝基本全断面受压,仅在坝踵有1个节点出现较小的拉应力值;坝体主压应力分布较为均匀,应力水平较低,坝底面中部出现最大压应力值,在坝趾有一定的压应力集中.坝基面的剪应力水平较高,同时从上游至下游坝体的剪应力逐渐增大,尤其在坝趾有明显的应力集中现象,剪应力的分布情况与常规重力坝类似.

表1 典型Hard fill坝整体稳定计算参数Table 1 Parameters for integral stability calcu lation of typical Hardfill dam

图3 典型Hard fill坝应力特征(单位:MPa)Fig.3 Stress characteristics of typical Hard fill dam(units:MPa)

2.2 大坝整体失稳过程分析

经综合法计算,Hardfill坝在各典型阶段的破坏情况如图4所示,其中黑色区域为塑性区.正常荷载作用下坝体基本没有破坏区域,只是在坝踵有范围极小的屈服.图4(a):水位提高到1.2倍正常水位后,坝踵范围极小的屈服区有很小的扩展,大坝仍保持正常工作状态.图4(b)至图4(c):此时进行降低强度分析,随着折减系数的增大,坝踵的屈服区沿坝基面向下游很缓慢地扩展,而坝趾处的屈服区一方面沿坝基面向上游较快地延伸,另一方面沿高程方向向上逐渐发展.图4(d):当强度储备系数大约为2时,屈服区在沿坝基面的中上游位置贯通,导致大坝发生沿坝基面的整体失稳.

图4 典型Hard fill坝整体破坏过程Fig.4 Failure process of typical Hardfill dam

由此可见,在本文计算模型条件下,典型的Hardfill坝主要发生了沿坝基面的整体失稳破坏,其破坏主要是剪切屈服区从坝趾开始,沿坝基面向上游扩展的结果.坝踵尽管有拉裂区,但并不会导致坝体的失稳破坏,而坝趾的剪切破坏比较严重.

2.3 整体安全度分析

定义坝基面屈服率为已剪切屈服长度与坝基面总长度之比,则坝基面屈服率与整体安全系数的关系曲线如图5所示.由图5可知,随着整体安全系数不断增大,坝基面屈服率逐渐增大,并且其变化速率也逐渐增大.按屈服区贯通定义整体安全系数,则当k1=1.40,k2=1.92时坝基面屈服区贯通,此时k=2.69.

图5 坝基面屈服率与k的关系曲线Fig.5 Relation curve of yield ratio of dam base and safety factor

3 与相同高度重力坝整体稳定性的比较

建立与本文Hardfill坝具有相同坝高、且位于相同地基条件上的典型重力坝模型,对比梯形结构Hardfill坝与三角形结构重力坝的结构破坏特点.其中重力坝下游坝坡坡比为1∶0.8,计算参数见表2.为尽量保证在相同条件下比较2种大坝体型的破坏过程与机理,重力坝坝基面的抗剪强度取值也与Hardfill坝相同.

同样采用综合法计算.图6为相同计算条件下基本剖面为三角形的重力坝结构的破坏过程,其中黑色区域为塑性区.在正常荷载条件下,重力坝在坝踵与坝趾出现屈服区,随着水位的超载与材料强度的降低,坝踵由于开裂导致拉应力释放,而坝趾的剪切屈服区则沿坝基面向上游扩展,直至整个坝基面屈服区贯通.该大坝的整体破坏模式与Hardfill坝类似,但坝趾屈服区的扩展较Hardfill坝迅速,大坝失稳时所对应的k=1.96,明显小于基本剖面为梯形的Hardfill坝的整体安全系数.

表2 典型重力坝整体稳定计算参数Table 2 Parameters for integral stability calculation of typical gravity dam

4 敏感性分析

4.1 材料参数变化时Hardfill坝整体稳定性规律

4.1.1 弹性模量敏感性分析

对Hardfill坝材料与地基不同的弹性模量比进行了计算分析,所得Hardfill坝整体安全系数见表3.由计算结果可知,坝体与地基材料的弹性模量比对大坝整体安全系数影响较小,大坝最终的破坏模式基本都是沿坝基面整体失稳.但当坝体弹性模量较大时,坝趾更容易发生剪切屈服,这一现象与弹性模量比对重力坝失稳破坏的影响规律[13]一致.但由于Hardfill坝剖面较大,坝体应力比重力坝均匀,因此弹性模量比在一定范围内变化时对大坝整体安全系数的影响较小.

4.1.2 抗剪强度敏感性分析

在Hardfill坝材料抗剪强度可能的范围中拟定5组参数进行计算,Hardfill坝整体安全系数见表4.材料抗剪强度对整体安全系数有较大影响,抗剪强度的增加使大坝安全度提高,并且抗剪强度对大坝最终的破坏模式也有一定的影响.当坝体抗剪强度较高时,坝体只沿坝基面出现屈服区,而当坝体抗剪强度较低时,坝趾屈服区迅速向上游和坝顶发展,最终在坝体的中部发生屈服区贯通,大坝中上部沿倾向下游的滑动面失稳破坏.

图6 相同坝高的重力坝整体破坏过程Fig.6 Failure process of gravity dams with same heights

表3 弹性模量敏感性分析Table 3 Sensitivity analysis of elastic modulus

表4 材料抗剪强度敏感性分析Table 4 Sensitivity analysis of material shear strength

4.2 结构特征变化时Hardfill坝整体稳定性规律

4.2.1 坝坡坡比敏感性分析

在Hardfill坝坝坡可能的坡比范围中拟定了5组参数进行计算分析,大坝整体安全系数见表5.Hardfill坝坝坡的坡比对整体安全系数有一定影响,较缓的坝坡使大坝拥有较大的安全度.大坝最终的破坏模式基本都是屈服区自坝趾开始发展而大坝沿坝基面整体失稳,但最终的坝体屈服区分布略有不同:当坝坡较陡时,坝趾区域的压应力与剪应力的应力集中现象更为显著,使得除坝基面的屈服区外在坝趾附近也有较大区域的压剪破坏;当坝坡较缓时,大坝主要表现为沿坝基面出现剪切屈服区.

4.2.2 坝高敏感性分析

对坝高拟定了3组值,仅改变坝高进行同比例缩放,水位高程同比例变化.大坝整体安全系数列于表6.图7为坝基面屈服率随整体安全系数的变化曲线.Hardfill坝坝高的变化对整体安全系数有一定影响,大坝最终的破坏模式都是沿坝基面整体失稳,并在坝趾处出现屈服区.当坝高较小时,坝基面的屈服区扩展缓慢,整体安全系数明显增大;而当坝高较大时,整体安全系数较小,坝基面屈服区也发展迅速.这是由于当坝高较小时,黏聚力在抗剪强度中所占比例较大,使得大坝不易发生剪切屈服,同时坝踵也不易发生拉裂或拉剪屈服,抗滑稳定安全度也越高.文献[13]在分析坝高对重力坝失稳破坏的影响时,也得到了类似的结论.

表5 Hardfill坝坝坡坡比敏感性分析Table 5 Sensitivity analysis of slope ratio of Hard fill dam

表6 Hardfill坝坝高敏感性分析Table 6 Sensitivity analysis of Hardfill dam heights

图7 坝高变化时坝基面屈服率与k关系曲线Fig.7 Relation curves of yield ratio of dam base and safety factor with different dam heights

5 结 语

a.本文采用以强度储备为主的综合法考察大坝整体安全度,Hardfill坝一般沿坝基面整体失稳破坏,破坏模式主要为剪切屈服区自坝趾开始,沿坝基面向上游扩展,从而导致大坝失稳.同时,在坝趾及下游坝坡附近也有一定的破坏区域.其整体安全度与相同条件下的典型重力坝结构相比有明显的提高.

b.坝体及坝基弹性模量比对Hardfill坝的破坏模式及整体安全度影响较小,坝体抗剪强度对其则有显著的影响.当坝体弹性模量较大时,坝趾更容易发生剪切屈服.坝体抗剪强度的增加使大坝安全度提高,此外,当坝体抗剪强度较高时,大坝的破坏模式为沿坝基面的滑动失稳破坏;而当坝体抗剪强度较低时,大坝的破坏模式为坝体中上部沿倾向下游的滑动面失稳破坏.

c.坝坡坡比和坝高对Hardfill坝的破坏模式影响较小,对大坝的整体安全度有一定影响.当坝坡较缓、坝高较低时,大坝的安全度较高.

d.大坝的坝趾区域是Hardfill坝安全的薄弱部位,在各种情况下大坝的破坏均从坝趾开始,因此在实际设计和施工中应适当加大该位置的水泥含量以提高其强度.

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