混凝土重力坝深层抗滑稳定分析.pdf

第 2期 ( 总第 3 9 3期) 吉 林水利 2 0 1 5年 2月 文章编号 1 0 0 9 2 8 4 6 ( 2 0 1 5 )0 2 0 0 0 1 0 3 混凝土重力坝深层抗滑稳定分析 姜云龙 张立勇 ( 四川大学水利水电学院，四川 成都6 1 0 0 6 5 ) 摘要 】重力坝的深层 抗滑稳定性 问题是影响坝体安全 的关键 。本文 以某工程典型坝段 深层抗 滑稳定为研 究对 象 采 用多滑面抗滑稳定分析方法和强度储 备法分析 典型坝段 坝基各滑移通道的深层抗 滑稳定性 。并对 比两种 方法在计算结果上的相 同点和差异性。计算结果显示 ，多滑面抗滑稳定分析方法在结构复 杂、错动 带比较发 育 的坝基 中的成果更为合理和真 实 【 关键词】重力坝 ；深层抗滑稳 定；多滑动 面方 法；双滑面方法 中图分类号 rr V 3 3 1 文献标识码 B 1 工程概况 官地水电站是雅砻江水 电规划五级开发的第 3座 电站 为碾压混凝土重力坝。最大坝高 1 6 8 m。 坝址区地质条件复杂 缓倾角错 动带和裂隙较发 育 分布 比较 普遍 ， 坝基深层抗滑稳定 问题 突出。 本文以官地水电站重力坝为背景 选取较有代表 性 的 1 3 #坝段作为分析对象 采用多滑面深层抗 滑稳定的方法分析其深层抗滑稳定性 并与现行 规范规定的双滑面方法计算成果作对 比。 2 多滑面模式下深层抗 滑稳定分析 方法 2 1 多滑 面抗 滑稳 定方 程 图 1 为多滑面模式下的深层抗滑稳定计算示 意 图， 根据坝基岩层 、 错动带和结构面分布 ， 把滑 裂面分为 n块 滑裂体表面作用有竖 向应力 o r 和 水平向切应力 r 其中竖 向应力 o r 由建基面以上竖 向荷 载( 主要是坝体 自重 ) 产生 ， 水 平应力 r由建 基面以上水平荷载( 主要是水推力 ) 产生。 对 于第 i ( i = 2 ， 3 ， ， n 一 1 ) 个滑块 ， 根据刚体 平衡原则 忽略滑块间的剪力 ， 由垂直于滑裂 面方 向的平衡方程可求出 。 = ( 尺 i + i ) c o s B , - a P i 崛 一 一 U c o s ( + ) 一 o s ( 1 崛 ) - Q ,c o s ( o t 椎 ) 一 Q 1 c o s ( o t i_ l 镌 ) ( 1 ) 采用等安全系数法 列 出滑块 i 的安全 系数 K 的求解公式如下： ， 一 N A + c A 一一一一 ，、 一 ( + f _ 1 ) s i n ( a _ 1 ) 一 ( Q + ) s i n ( c 镌 ) + ( 尺 + ) s i + c o 考虑各滑块安全系数相等 即 2 2 多滑面抗滑稳定方程的求解 K， = ， = = = ( 3 ) ( 1 ) 线性化求解方法 那么 1, 个滑裂体可 以列 出 2 n个方程 ， 其 中未 上述推导 的多滑面抗滑稳定求解方程组为非 知数 K 、 N、 Q，共 2 个 ，未知数个数等于方程个 线性方程 ， 把式 ( 1 ) 带人式( 2 ) 可得 ： 数， 方程可以求解。 ， ! 竺 ! ! 望 ，二 ! ! 堡 ： f 4 ) 作为一般情况 上述公式推导中各滑块之间 一 Q s in ( o q 一 。 ) 一 Q f s i n ( a 蝎 ) + q 的错动面。根据研究 ， 当错动面垂直时 ， 所求安全 当 i = 1 ( 或 = n ) 时 ， 式( 4 ) 中令 Q 产 0 ( 或 Q 。 = 0 ) 。 系数最 b 1 ， 因为当错动面不垂直时 。 滑块 之间的 通过上述变换 ， 可将方程组简化成 t 2 个方程 ， 摩擦力明显增大 。 将严重影 响滑块体系相对 位移 ， 未知数 只剩 K 和 Q，共 n个 ，恰好可以求解方程 整体安全系数将增大。 组 。由于式 ( 4 ) 为非线性方程组 ， 以每个滑块为单 收稿 日期 2 0 1 4 1 2 - 0 3 作者简介】 &( 1 9 9 0 一 ) 男， 四川大学水利水电学院 ， 硕士， 现从 事水工结构工作 。 吉林水利 混凝土重力坝深层抗滑稳定分析 姜云龙等 2 0 1 5年 2月 体 其中 K， 为所有方程 的共同未知量 ， 最适合的求 解方法为迭代法 。 令 K = K o ， 由块体 1 可求 Q ， 依次 递推 由块体 i ( i = 2 ， 3 ， ， n 一 1 ) g求解 Q l ( = 2 ， 3 ， ， 一1 ) ； 同时 ， 当 K = K o 时 ， 由块体 n可 以求 出 Q 。 如果 是方程真解 ， 则有 Q 。 = Q ，卜 ； 相反 ， 如 果 不是方程的真解 时， Q 。 Q 。 。因此 ， 计算时 可对 K 进行试算搜索 ， 反复求解 Q ， 卜 。 和 Q 。 ， 直到 获得近似解 ， 使得l Q - q 一 。 I ( 小量占 为收 敛控制标准) 。 ( 2 ) 迭代方法的收敛性 由于用 Q 和 Q 是否相等来判断 是不是 3 算例求解 方程的真解 ， 所以式 ( 4 ) n-6 I 看成 K与 Q ， 卜 。 之间的函 数 ： f Q n- 1 ( )( ， 2 ， ， ) ( 5 ) I 1 = F 2 ( K) ( i = n ) 一 根据实际工程和文献网 分析 ， ( K) 和 F 2 ( K) 都 为 K 的单调 函数 ， 而且通常有 ( O F , ) a K( a F 2 ) 0 K。 F 1 ( K) 和 ( K) 的曲线如图 1 所示 ， 图中 为方 程组的真解 从图 1可知 ， 随着 K逼近真解 ， 一( K) 和 ( K) 之间的差值逐渐变小 ， 从而说 明线性化迭代求 解方法是收敛的。 图 1 F 1 、F 2 一K曲线 由于坝基错动带分布复杂 ，其 中 、 容易贯通并形成深 层滑动通道 本文根据 1 3 坝 段错动带分布 ，将 1 3 坝段在 、 ， ： 三条错 动 带 组 合 下 的 滑 移 通 道 拟 定 为 多 滑 面 模 式 ( 1 2 3 4 5 6 ) 及双滑面模式( a b e ) 。计算简图见 图 2所 示 。 图 2 计算简图 3 1 主要荷载 ( 1 ) 自重 。 常态混凝土容重为 2 5 0 0 k g m3 , 碾压 混凝土容重为 2 5 2 0 k g m 3 。 ( 2 ) 水荷载。 正 常蓄水位 ： 上游水位 l 3 3 0 0 0 m， 相 应下游 水位 1 2 0 3 7 0 m： 一 2 一 设计 洪水位 ： 上游 水位 1 3 3 0 1 8 m。 相应 下游 水位 1 2 2 3 6 2 m： 校核洪水位 ： 上游 水位 1 3 3 0 4 4 m 相应下 游 水位 1 2 2 5 2 9 m。 ( 3 ) 泥沙荷载。坝前泥沙淤积高程 1 2 1 2 9 0 m。 淤沙浮容重 6 0 k N m 3 。 其 内摩擦角为 1 2 。 ( 4 ) 扬压力 。 河床坝段坝基扬压力强度系数 = 0 2 5 在考虑抽排措施后 ， 扬压力的计算依据规范 水工建筑物荷载设计规范 ( D L 5 0 7 7 1 9 9 7 ) 规定计 算 ， 主排水孔前的扬压力强度系数 l = 0 2 0 ， 残余扬 压力强度系数 2 = 0 5 0 。 ( 5 )浪压力 。计算风速为 2 1 7 n d s ，有效吹程 l k m。 c ( 6 ) 地震 。地震基本烈度为度 ， 相应基岩水 平动峰值加速度为 0 2 8 4 g 。 3 2 计算工况 正常蓄水位工况 ：自重+ 上游正常蓄水位+ 泄 放最小流量的下游水位+ 淤沙压力+ 扬 压力+ 浪压 力 ： 设计洪水位工况 ：自重+ 上游设计洪水位+ 相 应下 游水位+ 淤沙压力+ 扬压力+ 浪压力+ 动水压 力 ： 校核洪水位工况 ：自重+ 上游校核洪水位+ 相 应 下游水位+ 淤沙压力+ 扬压力+ 浪压力+ 动水压 吉林水利 混凝土重力坝深层抗滑稳定分析 姜云龙等 2 0 1 5年 2月 力 ： 地震工况 ：自重+ 上游正常蓄水位+ 泄放最小 流量 的下游水位+ 淤沙压力+ 扬压 力+ 浪压力+ 地 震 。 3 - 3 计算结果 ( 1 ) 多 滑面模 式 方法 多滑面模式下 ， 其滑移通道拟定为 ( 1 2 3 4 5 6 ) ， 错动带之间采用岩桥连接( 见 图 3 ) ， 错动带和岩桥 的抗剪断参数采用表 1中的值 ： 计算过程 中。 考虑 了正常蓄水位工况、 设计洪 表 1 多滑移通道抗剪断参数 水位工况 、校核洪水位工况和地震工况下的深层 抗滑稳定性 多滑面模式下深层抗 滑稳定计算成 果见下表。 表 2 多滑面模式下计算成果 ( 2 ) g 2 滑面模式方法 国内水利规范和电力规范中 均规定在大坝基 础的抗滑稳定 中使用该方法 。 双滑面模式下 。 主 滑面( a b ) 为 类岩体 ， 但需考虑 。山 错 动带对 其强度参数的影 响， 滑出面( b e ) 为 类岩体 和 厂 棚 错动带( 二者 比例为 0 6 8 ： 0 3 2 ) ， 主滑面和滑出面抗 剪 断参数按 类岩体和错动带所 占的比例取加权 值网 双滑面模式下滑移通道的抗剪断参数见下表。 表 3 双滑面模式下抗剪断参数表 计算过程中 ， 考虑T I E _ 常蓄水位工况 、 设计洪 抗滑稳定性 ，双滑面模式下深层抗滑稳定计算成 水位工况 、校核洪水位工况和地震工况下的深层 果见下表。 表 4 双滑面模式计算成果 4 结论 1 ) 由计算结果可知 ， 在各种不 同滑移模式组合 下 ， 正常工况的深层抗滑稳定安全系数最大 ， 设计 工 况 、 校 核 工况 的安 全 系数 次 之 ， 地 震 工 况 的安 全 系数最小 。 2 ) 双滑 面模式下 ， 当主滑 面的 厂 枷 ： 类岩体 ： 厂 姗 的 比值不 同时 ， 各工况的深层抗滑稳定安全系 数相差较大。随着 类岩体所 占的比例增大 ， 主滑 面的抗剪断参数逐渐增大 相应的深层抗滑稳定 ( 下转第 1 1页) 一 3 一 吉林水利 包气带介质颗粒分形特征的研究 张薇等 2 0 1 5年 2月 l s e a r c h o f v a d o s e z o n e m e d i a p a r t i c l e s f r a c t a l c h a r a c t e r i s ti c s Zha n g W e i ， Ch e n W e i bo Ab s t r a c t ： T h r o u g h l i t e r a t u r e r e s e a r c h a n d d a t a c o l l e c t i o n， T h i s s t u d y u n d e r s t o o d t h e r e l e v a n t c i r c u ms t a n c e s a n d r e g i o n a l g e o l o g i c a l a n d h y d r o g e o l o g i c a l c o n d i t i o n s i n t h e s t u d y a r e a i n - d e p t h， a n d d e t e r mi n e t h e s a mp l i n g l o c a t i o n a n d s a mp l i n g d e p t h； t h e mo i s t u r e c o n t e n t o f s o i l s a mp l e s w e r e t e s t e d a n d a n a l y z e d； t h e p a r t i c l e s c o l l e c t e d s e p a r a t e l y a n d Vo l u me F r a c t al d i me n s i o n o f s o i l p a r t i c l e s we r e c alc u l a t e d； t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n s o i l mo i s t u r e c o n t e n t a n d p a r t i c l e s i z e w a s a n aly z e d， a n d t h e h y d r o g e o l o g i c a l s i g n i fi c a n c e o f t h e f r a c t a l d i me n s i o n wa s e x p l o r e d Ke y wo r d s ： v a d o s e z o n e ； p a r t i c l e s ； v o l u me f r a c t a l d i me n s i o n； s o i l mo i s t u r e c h a r a c t e ris t i c c u r v e ( 上接第 6页) Ge n e r a t i o n a n d c o n t r o l a n a l y s i s o f c o n c r e t e t e mp e r a t u r e s t r e s s i n fl o o d g a t e p r o j e c t Abs t r a c t： Du rin g Z h a n g Z h a o - h u i ma i n c o n s t r u c t i o n o f h y d r o p o w e r p r o j e c t s ， t h e c o n c r e t e t e m p e r a t u r e i s v e r y i mp o rt a n t i n fl u e n c i n g f a c t o r s ； i t mu s t b e c o n t r o l l e d r e a s o n a b l y d u rin g t h e c o n s t ruc t i o n of t h e c o n c r e t e ， t o p r e v e n t t e mp e r a t u r e s t r e s s g e n e r a t e d t o d e s t r o y i n t e r n a l f o r c e s o f t h e b u i l d i n g I n t h i s p a p e r ， t a k i n g a flo o d g a t e of c o n c r e t e p o u ri n g c h a mb e r s e g me n t a s a n e x a mp l e， b a s e d o n c h a n g e s o f t h e t e mp e r a t u r e a c t i o n p ri n c i p l e a n d c o n c r e t e t e mp e r a - t u r e s t r e s s a s t h e t h e o ry ， t h e c o n c r e t e p l a c e me n t c o n s t ruc t i o n i n fl o o d c o n t r o l g a t e c h a mb e r wa s c o n t r o l l e d t o e n s u r e p o u ri n g q u a l i t y I t s e x p e ri e n c e C an b e r e f e r e n c e f o r s i mi l a r p r o j e c t s Ke y wo r d s： Te mp e r a t u r e e ffe c t ； t e mp e r a t u r e s t r e s s； Te mpe r a t u r e Co n t r o l ( 上接 第 3页) 安全系数也逐渐增大 。当 ：类岩体 ； 的 比 值 为 1 ： 6 ： 3时 。正常工 况下 的安全 系数最 大 为 3 5 9 ， 当厂 瑚l ： 类岩体 的 比值 为3 5 ： 3 5 ： 3时 ， 正常工况下的安全 系数最小 为 2 9 9 两者相差较 大。对于同一工况而言 滑块 间的抗力随着 类岩 体所占比例的增大而逐渐减小 3 ) 对 比计算结果可以看 出 ， 对 于结构复杂 错 动带 比较发育 的坝基深层抗滑稳定性 问题 而言 多滑 面方法 可 以较 真实地 反映滑移 通道 中错动 带 、 岩桥 、 裂隙等对滑动面的抗剪断强度参数的影 响 ， 因而能得到更接近工程实际的计算结果 ： 常规 的双滑动面方法在进行简化的过程 中采用不同 的简化方法将得到差异较大的计算结果 导致计 算结果可能不够准确。相比较而言 多滑面方法具 有更大的适应性 可以为工程设计提供更好的依 据。口 参考文献 ： 【 1 】 梅 明荣， 任 青文 基 于优化理论的刚体极 限平衡模 型 J 长江科 学 院院报 ， 1 9 9 9， 1 6 ( 3 ) ： 1 7 2 0 【 2 】 任 青文 拱 坝坝肩稳定分析 中非线性方 程组的线性 化解 法叨 河 海大学学报 ， 1 9 9 1 ， 1 9 ( 3 ) ： 1 2 0 1 2 4 【 3 】 李培基 重 力坝深 层抗滑稳 定 问题 浅析 J 】 水利水 电工程设 计 ， 2 0 0 0 1 9 ( 1 ) ：4 9 5 1 An a l y s i s o f t h e s t a b i l i t y of Gr a v i t y Co n c r e t e Da m Ag a i n s t d e e p S l i d i n g J i a n g Yu n - L o n g， Z h a n g L i - y o n g Ab s t r a c t ： T h e d e e p s l i d i n g s t a b i l i t y i s t h e k e y t o i n fl u e n t g r a v i t y d a m s a f e t y T a k i n g a t y p i c al d e e p s l i d e d a m s e g me n t for t h e s t u d y， t h i s p a p e r a n a l y z e d t h e t y p i c al d e e p s l i d i n g s t ab i l i t y o f the d a m f o u n d a t i o n s l i p e a c h c h a n n e l u s i n g mu h i s l i p s u r f a c e s t a b i l i t y a n a l y s i s me t h o d a n d t h e s t r e n g t h r e s e r v e me t h o d， a n d c o mp a r e t h e t wo me t h o d s s i mi l a rit i e s a n d d i f f e r e n c e s i n t h e r e s u l t s Th e r e s u l t s s h o w t h a t mu l t i - s l i p s u r f a c e s t a b i l i t y a n a l y s i s me t h o d i n c o mp l e x s t r u c t u r e d i o e a t i o n d a m d e v e l o p me n t i n c o mp a r i s o n t h the r e s u l t s o f a mo r e r e a s o n abl e a nd r e a l i s t i c Ke y wo r d s ： gra v i t y ； d e e p s l i d e； mo r e s l i d i n g s u r f a c e me t h o d； d o u b l e s l i d i n g s u rf a c e me t h o d 一 1 1