高碾压混凝土坝层面稳定分析方法研究.pdf

广西水利水电 G U A NG X I WA T E R R E S O U R C E SH Y DR O P O WE R E N G I N E E R I NG 2 0 1 2 ( 5 ) 研究与探讨 高碾压混凝土坝层面稳定分析方法研究 牛景太 ( 南昌工程学院， 江西南昌3 3 0 0 9 9 ) 【 摘要】 碾压混凝土坝在结构上具有明显的成层状， 水平层面是影响碾压混凝土坝强度、 稳定和渗流的关键部位。 随着碾压混凝土坝筑坝高度的增加， 沿层面的抗滑稳定越来越受到重视。针对碾压混凝土坝的结构和施工等特点， 详细分析了引起层面失稳破坏的各个影响因素， 并对层面各种失稳破坏形式的判据做了分析研究， 提出了采用等比 例降参数强度储备和非线性有限元相结合的方法 ， 对碾压混凝土重力坝的渐进破坏过程、 破坏机理和极限承载能力 进行了探讨和研究。 关键词】 碾压混凝土坝； 层面； 稳定； 强度储备系数法 【 中图分类号】 T V 3 1 4 文献标识码】 B 文章编号】 1 0 0 3 1 5 1 0 ( 2 0 1 2 ) 0 5 0 0 0 1 2 0 4 碾压混凝土坝是近3 O 年来发展起来的一种新 的筑坝技术 。其在结构上具有 明显 的成层状 】 。这 些水平层面是影响碾压混凝 土坝强度 、 稳定和渗流 的关键部位， 其抗剪强度一般都低于其混凝土本体 的抗剪强度 。对于坝高较低的碾压混凝土重力坝 ， 由于所承受的水平推力相对较小， 沿层面的抗滑稳 定问题尚不能引起人们的重视。但对于坝高超过 2 0 0 m的高碾压混凝土坝而言， 这个问题就显得非 常 的突出了。层面的破坏 问题在一定程度上成 了 碾压混凝土坝往更高方 向发展 的瓶颈问题 。已有 的研究皿 卅 多从抗滑稳定可靠度、 有限元模型、 断裂 力学模型对碾压混凝 土坝层面进行研究 ， 而鲜见有 采用强度储备 系数法结合 弹塑性有 限元法对碾压 混凝土坝层面稳定进行分析的研究。 本文针对碾压混凝土坝的结构和施工等特点， 详细分析了引起层面失稳破坏的各个影响因素 ， 并 对层面各种失稳破坏形式的判据做了分析研究， 提 出了采用等比例降参数强度储备和非线性有限元 法相结合的方法， 对碾压混凝土重力坝的渐进破坏 过程 、 破坏机理和极 限承载能力进行了探讨和 研 究 。 1 层面抗剪破坏 因素分析 相对于碾压混凝土的抗拉压强度而言， 人们更 关心碾压混凝土的抗剪强度值， 抗剪强度的大小直 接关系到坝体的抗滑稳定性。众多试验表明， 碾压 混凝土的抗剪强度为抗压强度的1 4 1 5 。影响碾 压混凝土抗拉强度和抗压强度的影响因素， 同样是 影响抗剪强度的因素。但是在层面存在的情况下 ， 碾压混凝土的抗剪强度则更为众多学者所关注。 许多研究表 明， 在施工初凝时间内的碾压混凝 土， 层面抗剪强度与本体抗的剪强度相当或前者稍 小 ； 但超过初凝时间， 并且未对层面进行处理或者 存在冷缝的施工层面， 层面抗剪强度要远低于本体 的抗剪强度 。 1 1 层间间隔时间的影响 碾压混凝土坝存在着众多的施工层 面 ， 而层间 间隔时间是影响混凝土的一个重要的因素， 抗剪断 强度因层间间隔时间的增加而降低， 尤其是在间隔 初期， 抗剪断的强度降低的速度较快， 而后期则趋 于缓和。 碾压混凝土层层间的抗剪强度主要受凝结 时 间、 凝结材料用量、 缓凝剂效果、 外界气温和大气湿 度以及层面状况等因素的影响。因此， 层间允许间 隔时间根据工程的当地气温、 大气湿度 、 混凝土配 合比， 通过现场的层间抗拉和抗剪断试验来确定。 1 2 层面处理方式的影响 碾压混凝土坝由于层面的存在 ， 不可避免地要 对有一定时间间隔的层面进行处理。处理的方式 包括层面铺静浆和铺砂浆两种 ， 研究表明， 采用铺 净 浆 处 理 方 式 的 抗 剪 强 度 要 比不 处 理 高 6 4 一 1 8 6 ， 而采用层面铺砂浆的处理方式获得 【 收稿 日期】 2 0 1 2 0 7 1 0 【 作者简介】 牛景太( 1 9 7 7 一 ) 男， 山东东明人 ， 南昌工程学院讲师， 博士研究生， 主要从事水工结构及建筑物安全监控方面的研究。 1 2 广西水利水电 G U A N G X I WA T E R R E S O U R C E S&H Y D R O P O WE R E N G I N E E R I N G 2 0 1 2 ( 5 ) 的碾压混凝土抗剪强度又要高于层面铺净浆的处 理方式 ， 且具有更高的凝聚力。如表 I 所示 ： 表 1 不 同胶凝材料用量的碾压 混凝土层面抗剪断试验成果 表 1 中 ， 碾压混凝土试验 龄期 为 1 8 0 d ， 层 间间 隔时间为 2 4 h 。从表 1 可以看 出 ， 当胶 凝材料用量 在 2 0 0 1 6 0 k m 范围内变化时 ， 对混凝土抗剪强度 的影响不大 ； 层面铺净浆 的抗剪强度 比层面不处理 的抗剪强度高 1 8 一 2 0 ， 而层面铺砂浆的抗剪强 度又略大于层面铺净浆的抗剪强度。 2 层 面失稳破坏判据分析 对于存在众多施工层 面碾压混凝土坝 ， 其层面 的抗 剪强度并不都具有 良好 的稳定性 ， 由于施工 、 层间间隔等一些不可预知的原 因， 碾压混凝土坝层 面稳定性分析就不可缺少了， 其稳定分析方法通常 与坝基稳定性分析方法相同。 碾压混凝土坝层 面发生破坏的方式一般包括 3 种 ： 拉裂破坏、 拉剪破坏和压剪破坏。 2 1 层面的拉裂破坏判据分析 层面在单向拉应力的作用下发生拉裂时， 其破 坏的判据可以表示为： f= ，f ， f1 - o ( 1 ) 式中： 为第 i 层层面的拉裂破坏的判据值； ， 为第i 层层面法向的所受的拉应力值； I 。 I 为 第 i 层层面的法向的抗拉强度的极限值。 当 0时 ， 表示层面已经被拉裂 ， 发生破坏 ； 当 0时 ， 表示层面没有被法 向的拉应力拉裂 ， 处于稳定状态 ； 当 =0时 ， 表示层面的稳定性处 于一种临界状态 。 当层面在拉应力的作用下 ， 发生拉裂破坏后， 层 面的应力会进行应力重分布 ， 产生二次应力场 ， 层面间的应力可以表示为 = 0 0 0 】 ( 2 ) 相应的应力应变关系为可以表示为 ) = l ) ( 3 ) 式 中 ： d a 为 应 力 增 量 ； 为 应 变 增 量 ； 【D 为 层 面 拉 裂 后 的 弹 性 矩 阵 ， 【D 】 = 【D 【E 1 ， D 为 弹性 矩 阵 l E 1 = D 】 ： 1 O 0 0 0 0 0 1 O 0 0 0 O O 0 0 0 0 O O l O 0 O 1 0 O O O O O O O O 0 0 +2 G O 0 O +2 G +2 G 0 0 0 +2 G +2 G 0 0 0 0 0 O O O 0 0 0 0 G 0 0 0 G 0 0 O G 2 2 层面的拉剪破坏判据分析 层面在单拉应力 的状况下发生拉裂破坏 的形 式通常比较简单 ， 在实际问题中， 层面受力情况是 比较复杂 的， 层面在拉裂时往往还要承巨大的受剪 应力作用。 当层 面的所受的法 向拉应力 还没有达到层 面的法 向极限抗拉应力强度的时 ， 即 0 ，f I ， f I ( 4 ) 如果此时层面间的应力关系满足下列条件， 则 层 面发生拉剪破 坏 ， 即为层 面发 生拉剪破坏 的判 据 。 f： 、 ， f + ， f ， f c f = 0 ( 5 ) 式中： 为第 i 层层面的摩擦系数； 为第 i 层 层面的凝聚力； r x y ， 分别为第 i 层层面 相应的应力值 。 2 - 3 层面的压剪破坏判据分析 层面的压剪破坏与拉剪破坏均属于复杂应力 状态 ， 可以分为初始屈服破坏和后继屈服破坏 。初 始屈服破坏的判据类似于拉剪破坏判据， 如式( 5 ) 所示。当层面发生初始的压剪屈服后， 层面间的应 力会产生重分布 ， 伴随着一定的应力释放。释放应 力的增量形式为 ： I o 0 0 0 ， f ， f I ( 6 ) 式中： = ( 1 一 A ) ， f ； 1 3 牛景太： 高碾压混凝土坝层面稳定分析方法研究 ，f =( 1 一 Af ) ，f ； A f =( C 1 ， - A ， f ， f ) ( f ， f ) ； f 1 ， 、 ，f 表示第i 层层面的残余凝聚力和摩擦系数。 继初始屈服后 ， 层面在复杂应力状况下发生后 继屈服， 其判据可以表示为 f= 、f y + r 2+ ， f 一 C 1 ， f = o ( 7 ) 3 层 面抗滑稳定分析方法 在实际的工程中， 采用有限元模拟计算分析碾 压混凝 土重力坝层面失稳破坏过程 的方法主要有 两种， 即超载法和强度储备系数法 1。对于超载法 ， 作用在坝体上的外部荷载由于某些特殊原因有可 能超过设计荷载， 超过的总荷载与设计总荷载之比 称之为超载系数 ， 超载法采用逐渐增加超载系数来 分析研究大坝从局部到整体的渐进破坏过程 ； 强度 储备系数法认为， 坝体的材料强度参数由于受多种 因素的影响， 难以准确地确定， 且其波动性比较大， 尤其是碾压混凝土层面的强度参数， 往往因缺乏足 够的试验资料和经验数据 ， 使坝体材料的实际强度 可能远低于设计要求 的强度。如果用 Kf ( 为大于 1 0的值 ) 表示强度储备系数 ，f、 f 为实际的材料 抗剪强度参数， 用 厂 K， 、 f 代替原来的 f、 C 值 进行计算， 随着 K， 值的逐渐增大， 可以求出大坝从 稳定到局部破坏再到全部破坏的渐进破坏全过程 ； 发生整体破坏时的 K， 值的大小反映了大坝的安全 程度 ， 因此 ， 此法称为强度储备系数法 。 考虑到大坝实际可能出现 的超载系数较小 ， 一 般在 1 1 - 1 2 之间。因此 ， 用增大超载系数的方法研 究碾压混凝土重力坝的渐进破坏过程不符合实际 ， 精度也较低 ， 整体破坏时的超载 系数 ， 不能很好地 反映整个大坝 的实际安全稳定情况。因此 ， 本文采 用强度储备系数法作为研究碾压混凝土重力坝渐 进失稳破坏特性的方法 。 碾压混凝土层面 的破坏是一个 渐进过程 。如 图 l 所示 。从图中可以看到 ： 0 到 n 过程中 ， 剪应力 比较小 ， 层面处于弹性阶段 ； 当剪应力继续增大到6 点时， 层面基本上还是符合虎克定律 ； 达到剪应力 极 限值 ( c 点位置 ) 时 ， 此时的剪切位移 还是 比较 的小， 基本不会出现断裂性裂缝； 随后， 伴随着剪切 位移迅速增大， 剪应力则降低， 当剪应力降低到d 位 置时， 层面则完全处于剪断滑移状态； 从d 状态到e 状态 ， 说 明了碾压混凝土有着明显的软化特性。 1 4 图 1 碾压混凝 土层面典型破坏过程 考虑到碾压混凝土的显著的软化特性 ， 在有限 元弹塑 f生 计算时采用理想弹塑性模型。如图2 所示。 图2 碾压混凝土理想弹塑性模型 采用强度储备系数法结合弹塑性有限元法， 分 析坝体沿层面的失稳破坏过程和机理， 计算分析时 取 K， = 1 0 ， 1 1 ， l - 3 ， 1 5 ， 1 6 ， 1 7 ， 1 8 ， ， 当 Kf 大于 1 5 后每次增加0 1 ， 临近极限状态时每次增大0 0 0 1 ( 如果在有限元计算中， 有必要时， 可以减小 的 增大值 ) ， 直到坝体某个层面所有单元都屈服 ， 对于 每一个 K， 都作 整个过程的非线性分析计算 ， 以进 行判断。 4 实例分析 4 1 有限元模型的建立 以某碾压混凝土坝的河床挡水坝段为例， 该坝 段的坝顶高程4 0 6 5 rf l ， 坝底高程为2 1 0 0 m， 下游坝 坡 1 ： 0 7 3 ， 上游面在 2 7 0 0 m以下为 1 ： 0 2 5 坝坡面 ， 其余为垂直面。在不考虑分期施工的情况下 ， 进行 典型剖面有限元网格剖分。上下游方向取2 倍左右 坝高( 各约1 5 0 m ) ， 左右坝肩各取约 1 5 0 m。有限元 节点布置， 尽可能将变形测点安排在节点上。网格 广西水利水电 G UA N G WA T E R R E S O U R C E S &H Y D R O P O WE R E N G I N E E R I N G 2 0 1 2 ( 5 ) 剖分时考虑了坝体的材料分区， 网格单元全部采用 六面体8 节点等参单元， 共有2 7 4 2 1 个六面体等参 单元 ， 3 1 9 9 2 个结点 ， 如图3 所示 。 图3 有限元网格模型 4 2 计算结果分析 在非线性有限元计算 中， 取计算水位为4 0 0 0 m， 考虑自重和库水压的作用， 不考虑温度荷载和施 工等影响。坝体各个分区的材料物理力学参数详 见表 2 所示。 表 2 坝体各区材料主要物理力学参数 材 磊批 M 强P a 帷幕 1 6 O 2 7 2 6 1 4 2 4 0 1 0 0 5 1 0 3 0 2 6 0 ； 2 4 l _ 】 7 2 1 6 o 7 2 o 3 1 9 警 0 _3 2 4 1 1 1 2 0 9 0 5 0 0 2 l_4 l - 5 0 2 5 2 4 1 0 5 1 7 o8 0 8 o 0 2 1 2 根据有限元的计算结果得到： 当强度储备系数 K， ：1 0 时， 由于基岩的约束 和库前水压力的作用下， 坝踵处的局部( 很小的范 围内) 出现应力集中和拉裂破坏现象 ， 其余区域均 处于弹性状态。 当强度储备系数 =1 5 3 2 时， 坝体达到了准 弹性的临界 阶段 。由于混凝 土为脆性材料 ， 当达到 剪切屈服后 ， 其强度迅速降为残余强度， 进人了屈 服区快速扩展阶段。此时坝基面或坝体的各个层 面均有可能成为屈服失稳破坏的区域。 当强度储备系数 K产 1 7 4 5 时， 坝体下游面压 剪屈服区扩大， 并与高程为2 7 0 0 m处附近的层面剪 切屈服 区连通 ， 大坝达到了极 限承载能力 ， 发生整 体滑动破坏。此时的 K 1 7 4 5 为大坝整体破坏 的强度储备系数。 5结 论 碾压混凝土坝作为成层状结构的客观存在 ， 本 文重点研究 了碾压混凝土重力坝层面抗滑稳定 问 题 ， 取得了以下成果 ： ( 1 ) 对层面抗剪破坏因素进行了研究， 指出层 间施工间隔时间和层面处理方式是影响层面抗剪 强度的主要 因素； ( 2 ) 对层面失稳破坏判据进行分析 ， 包括层 面 拉裂破坏 、 拉剪破坏 以及压剪破坏 的判据 ， 为碾压 混凝土坝层面稳定性分析提供 了理论依据 ； ( 3 ) 在理论分析的基础上， 提出采用强度储备 系数法结合弹塑性有限元法作为碾压混凝土重力 坝层间抗滑稳定的分析方法； ( 4 ) 通过实例分析 ， 表明了强度储备系数法结 合弹塑性有限元法的可行性和合理性。同时， 实例 计算表明碾压混凝土坝的失稳破坏形式表现为沿 坝体下部下游侧大面积 的压剪屈服与沿层面发生 剪切滑移破坏相结合， 也可能只沿着碾压混凝土层 面( 包括建基面 ) 发生剪切滑移破坏 。 参考文献 f 1 11 侍克斌 ， 牛景太， 毛远辉 碾压混凝土重力坝应力分析 方法研究【 J 】 人民黄河 ， 2 0 0 6 ， 2 8 ( 4 ) ： 6 3 6 4 2 】 刘宁 碾压混凝土重力坝的层面特性及抗滑稳定可靠 度【 J 】 河海科技进展， 1 9 9 3 ， 1 3 ( 2 ) ： 2 9 3 3 3 孙荣书， 有层面碾压混凝土双K断裂参数试验研究f J 1 辽宁工业大学学报伯 然科学版) ， 2 0 0 9 ， 2 9 ( 2 ) ： 1 0 1 1 0 3 【 4 】 寇立夯， 金峰 ， 王进廷 基于不同有限元模型的R C C 大 坝层面抗滑稳定分析 J 水力发电， 2 0 0 8 ， 3 4 ( 2 ) ： 2 0 2 2 【 5 】 赖国伟， 陆述远 ， 常晓琳等 高碾压混凝土重力坝的失 稳破坏机理和极限承载能力分析【 J 1 2 0 0 0 ， ( 1 2 ) ： 1 7 2 1 ( 责任编辑： 刘征湛) 1 5 生垦 压混凝 土坝 层面 稳定分 析方 法研究 S t u d y o f l a y e r s t a b i l i t y a n a l y s i s me t h o d s f o r h i g h RCC d a m NI U J i n g - t a i ( N a n c h a n g I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ， N a n c h a n g 3 3 0 0 9 9 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：R CC d a m h a s d i s t i n c t l a y e r s t r u c t u r e T h e h o r i z o n t a l l a y e r s u r f a c e s a r e t h e k e y p o s i t i 0 n s wh i c hh a v e i n i 1 u e n c e 0 n t h e s t r e n g t h，s t a b i l i t y a n d s e e p a g e o f RCC d a m Mo r e a n d mo r e a t t e n t i o n h a s t o b e p a i d t 0 t h e s t a b i l i t y a g a 1 n s t s l d n g 0 n t h e l a y e r s u r f a c e wi t h t h e RC C d a m h e i g h t i n c r e a s i n g I n v i e w o f t h e f e a t u r e s o f RC C d a m s t I 1 J c t u r e a n d c 0 n s t mc t o n，t h e a u t h o r a n a l y z e d i n d e t a i l s t h e f a c t o r s w h i c h ma y c a u s e l a y e r i n s t a b i l i t y a n d f a i l u r e ： s t u d e d t h e c n t e nO i l o f v a r i o u s f o r ms o f i n s t a b i l i t y a n d f a i l u r e ； d i s c u s s e d t h e p r 0 g r e s s i v e f a i l u r e p r 0 c e s s ，f a i l ur e me c ha n s m a n d u l t i ma t e b e a r i n g c a p a c i t y o f RC C g r a v i t y d a m wi t h t h e me t h o d c o mb i n i n g p r o p o r t i o n a l r e d u c t i o n 0 f s t r e n g t h r e s e r v e p a r a me t e r w i t h n o n l i n e ar f i n i t e e l e me n t a n a l y s i s Ke y wo r d s ： RCC d a m； l a y e r ； s t a b i l i t y ； s t r e n gth r e s e r v e c o e 硒c i e n t me t h o d ( 上接 第 1 1 页) Re s e a r c h r e po r t o n ba s i c l e v e l wa t e r c o ns e r v a nc y s e r v i c e s y s t e m c o n s t r u c t i o n o f Gu a n g x i Re s e a r c h g r o u p Ab s t r a c t ： B a s e d o n a n a l y s i s o f t h e c u I r e n t s t a t u s a n d p r o b l e ms。 f t h e b a s i c l e v e l wa t e r c 。 n s e wa n c y s e n ， i c e s y s t e m 。 f Gu a n g x i ，c o r r e s p 。 n d i n g c 。 u n t e r me a s u r e s w e r e p u t f o r w a r d，a n d s u g g e s t i o n s we r e pr e s e n t e d f o r t h e c o ns t r u c t i o n o f Gu a n g x i b a s i c l e v e l wa t e r c o n s e r v a n c y s e rvi c e s y s t e m i n t h e f u t u r e Ke y wo r d s ： T o wn s h i p ； wa t e r c o n s e r v a n c y s e r v i c e s y s t e m； r e f o rm ； r e s e a r c h o n p o l i c y i ! 骨 骨 仓 、 ! ， ! ! 仓! ； 、 ! ! ! ! 督! ! ： 1 1 1 ! ； 欢 迎 投 稿 欢 迎 订 阅