拱坝坝肩稳定计算程序开发应用

李 梦，蔡云鹏

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065)



拱坝坝肩稳定计算程序开发应用

李 梦，蔡云鹏

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065)

探讨依托三维技术开发一款计算原则明确、手段先进的拱坝坝肩稳定计算程序，能够实现三维拱坝及计算块体建模计算分析一体化、模型可视化等功能，程序完善了坝肩稳定的计算理论及原则，细化荷载计算原则，并能够精确拟合滑面产状；计算界面友好，符合设计人员的应用习惯，前处理窗口简洁，后处理功能强大；程序经过多个已建、在建的拱坝工程复核，复核结果证明程序能够良好应用至拱坝坝肩稳定计算中。

拱坝；坝肩稳定;稳定计算；程序；建模;计算分析;一体化

0 前 言

近年来，随着中国水利水电事业的蓬勃发展，拱坝在中国已被广泛采用，依靠坝体混凝土的抗压强度和两岸坝肩岩体的支持，保证拱坝的稳定[1]。拱坝坝肩抗力体承受着由拱圈传递的巨大的水推力，拱坝坝肩岩体的稳定就直接关系到水电工程能否正常运行[2-3]。不论从经验判断，还是模型试验和国内外拱坝事故都证明抗滑稳定在拱坝设计中是至关重要的，并且是第一位的[4]。

拱坝坝肩稳定计算常规依据EXCEL手段计算，存在着荷载求解不精准、计算周期长、荷载计算存在误差、计算繁琐、过程中极易出错等诸多缺点。

鉴于传统拱坝坝肩稳定计算存在的缺点，本文探讨依托三维技术开发一款计算原则明确、手段先进的拱坝坝肩稳定计算程序，能够实现三维拱坝及计算块体建模计算分析一体化、模型可视化等功能，并将这款程序应用于水电站的坝肩稳定计算中。

1 拱坝坝肩稳定计算原理

目前常见的计算方法是刚体极限平衡法[5]，刚体极限平衡法理论成熟、概念清晰、计算简单，为过去和现阶段的工程所普遍采用，是目前规范规定采用的方法[6]。本程序的开发也是采用这种方法。

坝肩稳定的计算过程就是计算坝肩边坡块体在重力、拱推力、渗透水压力及地震荷载等作用下的块体稳定[7]。

本程序依据水利行业规范以及电力行业规范2种方法计算，按照DL-T 5346-2006《混凝土拱坝设计规范》[8]中坝肩抗滑稳定承载能力极限状态设计表达式时，需满足抗滑力大于滑动力，按照SL282-2003《混凝土拱坝设计规范》[9]安全系数表达式计算时，需满足安全系数达到规范值。

2 拱坝坝肩稳定计算程序特点

本次坝肩稳定计算程序基于Autodesk Civil 3D[10]平台开发，考虑单一底滑面、单一侧滑面、临空面与上游拉开面组成的计算块体。

2.1 坝肩稳定计算程序界面输入

传统坝肩稳定计算时，在二维地形图、平切图等基本资料中量取长度、面积等数据，再计入EXCEL中进行计算，输入方式落后，操作步骤繁琐易出错。

本计算程序开发利用VB语言出色的交互式界面设计能力，摆脱了在EXCEL下计算落后的旧况，便于设计人员计算应用，能够实现功能如下：① 界面友好，菜单式操作，程序开发将软件需要的所有功能性命令有层次、有序地集成在输入界面中，设计人员通过简单操作演示培训即可上手，易学易用；② 程序主界面左侧设有结构树，所有设计过程均可在结构树中浏览、选中操作、更改属性等，主界面中间栏是可视化窗口，用户可以观看并任意操作模型，智能化程度高。程序主界面见图1(a)；③ 基础资料导入等设置为功能按钮，可以直接打开在对话框中一键导入所需的平面地形图、各层平切图等；④ 根据坝肩稳定计算所需参数进行分析，界面输入简洁，仅需输入与计算相关的必要输入条件。程序数据输入界面见图1(b)；⑤ 开发过程中考虑到了设计人员拱坝参数的输入习惯，在本次计算程序中采用同样的参数类型及方式等，使得软件应用方便、快捷；⑥ 程序能够自动生成拱坝坝肩稳定分析计算书等。

图1 坝肩稳定计算程序界面图

2.2 实现结构面拟合生成滑面

实际地质平切图中的断层等结构面空间中是扭面，由于无法精确拟合，目前采用传统的计算方法是在平面图中粗略量取结构面产状，依据粗略量取的产状拟合成滑面，而在实际工作中，滑面的产状对抗滑稳定计算结果影响非常大，因此本程序开发过程中非常重视滑面的拟合，争取做到最精确的将空间结构面拟合成滑面。

获取块体区域内结构面目的是更准确地取得对块体的抗滑稳定计算有影响的结构面部分，每个结构面发展范围不同，且并不是整个结构面都对块体的抗滑稳定计算有影响，而仅仅是块体区域内的结果面是计算需要的，以往二维传统计算，无法将块体区域内的结构面部分精确选择，而应用三维可视化程序操作，可依据上游拉开面、结构面、另一个组合滑面的位置确定块体区域内部分结构面。

程序应用三维可视化功能得到块体区域内部分结构面后，将得到的部分结构面依据最小二乘法[11]拟合成平面。最小二乘法是一种数学优化技术，它通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配，是结构面拟合成平面的最小误差的方法。

2.3 细化荷载计算原则

由于传统二维计算无法做到荷载求解非常精准，因此在很多荷载计算原则方面并没有非常全面的考虑，本次程序中将上游拉开面水压力、底滑面渗压等计算原则均进行全面细致的考虑，尽可能最准确地计算块体的荷载。① 上游拉开面水压力：当不计Z向力的时候，将每层水荷载面积都能分解成X、Y向力，步长按照1 m一层，分别求每层的力，然后，将每层X、Y直接累加，以体来表示力。当计Z向力的时候，应用数学方法解，还是上游拉开面是按照1 m一层，每2层中间会形成1个小面，小面上的上游水压力就是每一个小面的面积乘以形心处水头P=S×H，形成的每块小面虽然是1个扭面，但都能得到1个法向矢量方向，将每个P分解到X、Y、Z向，每一个小面都有3个方向的分量，求完所有的小面分量后，每个方向上的力分别直接叠加，则得到X、Y、Z向分力；② 底滑面渗压：以往简单的直接计算底滑面上的渗压，但由于底滑面在高程方向一直在变化，本程序对渗压求法做了改变，考虑了底滑面高程的变化，将底滑面分为50个点，计算每个点处的渗压，最后包络成体，见图2。

图2 细化荷载计算图

图3 块体计算模型图

3 计算分析实例

3.1 工程概况

某电站坝址区河谷呈较对称“V”形，挡水建筑物为混凝土双曲拱坝，最大坝高275 m，坝顶高程2 530.00 m，坝顶弧长579.61 m，顶宽12 m，河床建基面高程为2 255.00 m，最大底宽70 m，厚高比0.255，弧高比2.11，最大中心角90.5°。

左岸F63作为坝肩稳定计算分析模型的侧滑面，F63断层延伸长度大于400 m，属Ⅱ级岩屑夹泥型结构面，底滑面以缓倾角裂隙充当，确定2 430.00 m高程发育缓倾角裂隙为计算底滑面，计算底滑面产状选为左岸中、高高程倾下游偏岸外NW320°～350°倾SW∠15°～24°。

3.2 计算资料

(1) 计算假定

本次计算采用刚体极限平衡法，假定如下：将滑移的各岩体视为刚性体，不考虑其中各部分的相对位移；忽略拱坝的内力重分布作用，认为拱端作用在岩体上的力系为定值；假定岩层面即为可能的侧滑面，计算时侧滑面参数取岩层层面参数[6]；坝址处发育数组缓倾角裂隙，缓倾裂隙面视同底滑面[12]。

(2) 计算模型

计算坐标系以拱坝参考面与坝轴线的交点为原点，以坝顶高程所在平面与拱坝参考面交线为Y轴，Y轴以指向上游为正方向；以过坐标系原点并垂直参考面的直线为X轴，X轴以指向右岸为正方向；以通过原点的铅垂线为Z轴，Z轴以铅直向下为正方向。

计算模型产状见表1。块体计算模型见图3。

表1 计算模型产状表

(3) 计算工况

坝肩稳定计算时按照正常蓄水位进行分析计算，计算荷载包括岩体和坝体自重、拱端推力、各滑面渗透水压力，其中拱端推力按温降工况计算力。

(4) 计算参数

各结构面参数建议取值见表2。

表2 结构面强度参数建议值表

左岸模型侧滑面为断层F63，参数按碎屑夹泥型选取，计算模型底滑面为裂隙，将结构面参数(按硬性结构面选取)与岩石参数加权得到模型计算参数。

3.3 计算分析

(1) 模型建立

将计算工程一定范围内地形图、平切图在二维CAD中进行图层格式整理后，在对话框中一键导入，在程序中自动生成地形体、各地层面、结构面，直接输入体型参数形成拱坝体型。

拱坝各层拱圈左右岸切线方向延伸线构成上游拉开面，选择已导入的真实三维F63结构面，将上游拉开面与底滑面中的滑块范围内的结构曲面，通过最小二乘法拟合成最合理平面作为侧滑面，通过一个产状(输入走向与倾角)以及剪出口点(相对于拱坝中心点的相对坐标)方式生成底滑面，通过侧滑面、底滑面、上游拉开面等滑面切割地形体，得到计算块体。

(2) 计算前处理

将危险块体用各地层面切割成不同岩性，并得到块体侧滑面、底滑面中各岩性的面积，为每个岩性赋予f、c值，程序将自动加权计算求得侧滑面、底滑面的力学参数。

在前处理界面中填写工程名称、等级、阶段等工程属性、分项系数、计算工况、计算荷载参数等。

(3) 抗滑稳定计算分析

程序能够实现一键计算，包括中间成果各荷载计算、力系分解、矢量计算及按规范方法计算块体抗滑稳定安全系数，如表3，图4。

表3 坝肩稳定计算结果表

图4 计算结果图

通过对左岸F63可能构成潜在不稳定体的结构面组合分析及稳定计算，块体模型坝肩抗滑稳定能满足规范要求。

4 结 语

本文探讨了AutodeskCivil 3D平台开发的拱坝坝肩稳定计算程序，实现了坝肩稳定的三维可视化计算，提高了坝肩稳定计算效率，减少计算误差，计算的程序化、标准化有益于拱坝坝肩稳定计算的传承。程序完善了坝肩稳定的计算理论及原则，细化荷载计算原则，实现上游拉开面水压力、底滑面渗压的精确计算，并能够精确拟合滑面产状，提高计算精度。程序计算方法简单，符合设计人员的应用习惯，前处理界面数据简洁，一键进行多工况的坝肩稳定计算，后处理功能强，能够自动生成计算书，并保留全部计算过程。

该程序应用至本文所示的某水电站工程坝肩稳定计算过程，计算简介、效率高，过程全面。程序经过多个已建、在建的拱坝工程复核，复核结果证明程序准确性高，能够良好应用至拱坝坝肩稳定计算中。

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Development and Application of Program for Calculation of Arch Dam Abutment Stability

LI Meng, CAI Yunpeng

(Northwest Engineering Corporation Limited, Xi'an 710065,China)

A program for calculation of the arch dam abutment stability is studied. The program is developed according to 3D technology, features definite calculation principles and advanced means. It enables to realize functions such as the integration of calculation and analysis of modeling, calculation and analysis of 3D arch dam and calculated block as well as the model visualization, etc,. The program perfects the calculation theory and principles of the dam abutment stability, details the load calculation principles and enables to precisely fit the attitude of the sliding plane. The program calculation interface is friendly satisfying the designer's application habits. Its pre-processing window is simple and its post-processing function is powerful. The program is verified by a couple of projects completed and under construction. Those prove that the program is applicable for the calculation of the arch dam abutment stability.Key words: arch dam; dam abutment stability; stability calculation; program; modeling; calculation and analysis; integration

1006—2610(2016)05—0090—04

2016-05-28

李梦(1986- )，女，黑龙江省齐齐哈尔市人，工程师，水电工程数字化方向.

TP319;TV642.4

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2016.05.023