基于FLAC3D和强度折减法的重力坝深层抗滑稳定性分析

陈鳞泉 ，杨 磊 ，李丽勤 ，张寅寅

（1.四川大学-香港理工大学 灾后重建与管理学院，四川 成都610065；2.甘肃省水利水电勘测设计研究院，甘肃 兰州 730000）

重力坝是主要依靠坝体自重所产生的抗滑力来维持稳定的挡水建筑物，具有结构简单、工作可靠、适应性强和耐久性好等优点[1]。抗滑稳定安全是重力坝设计中最为关心的问题之一[2]，目的是核算坝体沿建基面或地基软弱结构面的安全度，决定了坝体的剖面设计[3]。实际工程中坝址具有良好地质条件的情况较少，随着中国大坝建设的快速发展，坝基地质情况的复杂性也越来越大[4]，复杂地质条件下的深层抗滑稳定性更是成为重力坝设计中的普遍而关键的问题[5]。目前研究重力坝坝基稳定性问题的方法[6－8]主要有刚体极限平衡法、地质力学模型试验方法和数值分析方法等。刚体极限平衡法作为一种半经验、半理论的方法，是重力坝抗滑稳定分析中最常用的分析方法。地质力学模型试验中模型是真实的物理实体，能够模拟多种复杂的地质构造，作为研究坝体变形破坏的重要手段。随着计算机的发展和数值计算软件的广泛应用，数值模拟方法成为进行重力坝深层抗滑分析的重要手段[9]。其中，FLAC软件由于其采用动态松弛技术，而不需解大型联立的方程组，提高了计算速度，从而可以节省计算时间[10]。同时基于FLAC软件的强度折减方法是一种可靠、有效的方法，在分析岩土体稳定性、求解安全系数方面具有可以反映岩土体非线型本构关系、不需进行滑移面假设等优点，同时能够较为准确的判断出复杂结构的破坏位置。当前,重力坝坝址的地质情况均较复杂,深层稳定性已经成为坝身与坝基稳定的关键。因此本文结合新集水库重力坝,建立具有不同深度潜在滑移面的数值模型，重点采用强度折减法进行坝基稳定性分析，计算得出各种滑动组合的安全系数。

1 工程概况

1.1 工程简介

新集水库位于甘肃省平凉市灵台县境内的达溪河上，工程区位处于陇东黄土高原南缘河谷沟壑区。水库设计总库容为3218万m3，混合坝型(混凝土重力坝+均质土坝)。坝基岩体为白垩系下统(K1)青灰色泥质粉砂岩和粉砂质泥岩，局部夹薄层浅褐色泥岩，水平层理，互层状结构，单层厚0.1～0.5 m，岩层厚度极不稳定，时厚时薄，岩相变化频繁随机，局部可见交错层理发育，属河流相沉积。岩性软弱，岩体较完整，层间结合较差。坝基置于弱风化带中下部岩体上，次生结构面不发育，仅存在原生结构面（层面），微风化带以下岩体层面多闭合，完整性较好，坝基岩体中层面可能是构成潜在底滑面的结构面。

1.2 数值模型

建立如图1模型。考虑5种主要的结构和地质材料，即坝体、覆盖层、回填土、基岩和软弱结构面。模拟时，软弱结构面和剪出口搜索区采用的是弹塑性本构关系，其他岩体均采用弹性本构关系。计算模型共划分节点44018个，单元21563个。

不同的工况下分别按照表1的荷载组合施加边界条件，其中自重按照初始应力考虑，静水压力分别施加在坝身、坝踵和拉裂缝上；扬压力根据渗流分析结果施加在滑动面上；浪压力根据《混凝土重力坝设计规范》（SL319-2005）的式（B-6）计算得到，作用在水面与坝身交界处；作用在坝身的泥沙压力按照《混凝土重力坝设计规范》（SL319-2005）的式（B-2）计算得到，作用在坝踵的泥沙压力按照泥沙的浮容重计算；地震工况下的水平向地震惯性力按照《水工建筑物抗震设计规范》（DL-5073-2000）的式（4.5.9）计算得到。

图1 计算模型示意图

表1 基础面抗滑稳定及基础面应力计算作用组合

表2 FLAC3D计算参数表

其中，坝体为C15混凝土；覆盖层为沙壤土、砂砾石和粉土的按厚度权重的平均值，其弹性模量的取值参照《工程地质手册》和《土质学与土力学》；软弱结构面取为泥质粉砂岩在ZK7~10区间的平均值，其抗剪强度为岩石与岩石抗剪断强度；基岩取为泥质粉砂岩和粉砂质泥岩的强度平均值。根据《混凝土重力坝设计规范SL319-2005》的规定要求，按抗剪断计算得出抗滑稳定安全系数。

2 计算思路及方法

2.1 研究思路

新集水库重力坝工程坝基地质条件复杂，具有水平互层、岩体较破碎、岩层厚度极不稳定的复杂地质情况，同时存在多条潜在的滑移面，坝基深层抗滑稳定问题十分突出。因此坝基中各软弱结构面对稳定性的影响程度如何是工程安全建设的关键问题。本文结合新集水库重力坝坝段，采用强度折减法进行了坝基稳定性分析。

研究内容主要为：结合新集水库重力坝坝段建立了具有不同深度潜在滑移面的数值模型，采用强度折减法进行了坝基稳定性分析，提出了各种滑动组合的安全系数，同时确定具有最危险情况下的软弱结构面深度。

2.2 研究方法

目前坝基失效破坏的判断准则主要有4种：①特征点位移法，位移曲线出现较为明显的转折处对应的强度折减系数作为该研究对象的安全系数；②滑动面某一幅值的广义剪应变的贯通；③数值模拟中如有限差分、有限元平衡计算不收敛；④出现贯通的塑性区。目前工程界中还未有统一的判断依据。特征点位移法的应用困难在于曲线的拐点不明显，合适的安全系数取值困难。广义剪应变的大小能够在一定程度上反映剪切破坏状态，但是并不能准确地描述塑性区的发生与发展过程。数值计算不收敛准则对数值计算软件和所建模型的质量依赖较大，作为收敛准则缺乏客观性。使用塑性区贯通法不但理论上与极限平衡法一致，而且应用上标准客观，操作性强。因此本文主要以④作为主要判断依据确定最终的安全系数。

本文主要采用强度折减法进行计算，其基本原理是将将岩土体强度指标c、Φ值按照公式（1）、（2）同时除以一个折减系数RF，得到一组新的c1、Φ1值。然后将折减后的参数，即c1、Φ1代入数值仿真程序中计算。不断增加折减系数RF进行计算，根据判断准则来确定坝基失效破坏，此时的折减系数RF即为该坝的整体抗滑稳定安全系数。

式中，c为凝聚力；Φ为内摩擦角；RF为折减系数。

3 计算结果分析

3.1 塑性区分析

以引起潜在破坏的软弱结构面位于建基面以下h=2 m模型，正常蓄水情况工况为例：塑性区发展过程如图2、3所示，红色为拉破坏区，蓝色为剪切破坏区。强度折减过程中未屈服的单元范围呈递减趋势。当强度折减系数RF=2.82时，已形成连续的屈服区，即安全系数Fs=2.82。随着强度折减系数的增大，塑性区沿回填土和下游覆盖层界面不断扩展直至RF=2.82时贯通。塑性区贯通的先后顺序一定程度上反映了砼重力挡水坝段潜在的变形失稳特征，即挡水坝段失稳过程是由下游段浅部回填土和下游覆盖层地表界面处和深层深部软弱结构面同时发展，最后扩展贯通的。

图2 正常蓄水情况，RF=2.82，h=2 m，塑性区

图3 正常蓄水情况 ，RF=3.33，h=6 m，塑性区

3.2 结果分析

以塑性区贯通为判据，由强度折减法所求得安全系数，其随软弱结构面深度关系如图4所示。安全系数随软弱结构面深度的增加整体上呈增大趋势。最危险情况为软弱结构面深度2 m的情况，正常蓄水情况安全系数2.82，校核洪水情况安全系数2.72，地震情况安全系数2.07。可以解释为，随着软弱结构面埋深的增加，上方基岩厚度增加，抵抗剪断的能力也随之增加。

图4 安全系数vs软弱结构面深度

软弱结构面、回填土和下游覆盖层地表界面处位移发生有突变，将引起潜在的破坏。其结果和塑性区分析的结果是一致的。同时拉应力主要集中在大坝底部及回填土区，坝顶与坝趾处有少量拉应力，但数值不大，随着软弱层深度增大，坝底拉应力减小。因结果分析表明最危险情况为软弱结构面深度2 m的情况，故建议通过灌浆来提高基岩的整体性和强度，降低坝踵处的拉应力。

因安全系数随软弱结构面深度的减小而减小，故分析中进一步复核了引发潜在失稳的软弱结构面在建基面直下的情况，h=0 m（见图 5）。

图5 正常蓄水情况，RF=2.67，h=0m，塑性区

正常蓄水情况安全系数2.67，校核洪水情况安全系数2.64，地震情况安全系数2.02，正常蓄水情况安全系不满足规范安全系数要求。

对照规范计算公式分别对软弱结构面0 m和2 m进行抗剪断系数进行计算（见表3）。结果表明随着软弱结构面埋深的增加，抵抗剪断的能力也随之增加。同时正常蓄水情况安全系数、校核洪水情况安全系数和地震情况均分别能满足规范抗剪断和抗剪安全系数要求。

表3 抗剪与抗剪断安全系数对照表

4 结论

（1）存在较多水平互层结构的复杂地形，安全系数随软弱结构面深度的增加整体上呈增大趋势。最危险情况为软弱结构面深度2 m时。

（2）在软弱结构面深度8 m~10 m时安全系数随深度变化的趋势出现了突变，初步认为这是由于防渗帷幕为8 m，8 m以下深度防渗帷幕将失去作用，8 m~10 m之间扬压力的作用相对增加更为显著，其后，安全系数变化趋势恢复为随深度的增加而增加。

（3）地震与洪水对大坝抗滑稳定均有影响，由于水库校核洪水位较设计水位增加较小，洪水对大坝安全影响较小，同一软弱结构面深度分别在地震情况、校核洪水情况和正常蓄水情况下安全系数逐渐增大。

本文研究成果已应用于实际工程，为新集水库水电站的加固处理提供了科学依据，可为类似工程的稳定分析和加固处理提供参考。

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