阳江上水库碾压混凝土重力坝深层抗滑稳定分析.pdf

第 3 5卷第 3期 华 北 水 利 水 电 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 ) V o 1 3 5 N o 3 2 0 1 4年 6月 J o u rna l o f N o a h C h i n a U n i v e r s i t y o f Wa t e r R e s o u r c e s a n d E l e c t r i c P o w e r( N a t u r a l S c i e n c e E d i t i o n ) J u n 2 0 1 4 DOI ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 25 6 3 4 2 0 1 4 0 3 0 0 7 阳江上水库碾压 混凝 土重 力坝深层抗滑 稳定分析 汪 凌 ，郭博文 ， 赵 海涛 ( 河海大学， 江苏 南 京 2 1 0 0 9 8 ) 摘要 ： 通过建立 最高坝段 溢流坝段 和最高坝段非溢流坝段模型 ， 对 阳江上水库碾 压混凝土重力 坝进行静 、 动力作 用下 的深层抗 滑稳定分 析 。 模型考虑 了坝后 白水 瀑布 陡崖 的影 响 静 力计算是 基于有 限元强度 折减法 ， 无 需假 定滑动面 ， 根据特征点位移突变 以及塑性 区贯通等判断准则来确定大 坝的整体稳定性 ； 动力分 析采用 振 型分解 反应谱法 ， 由其导 出水平地震剪力 ， 并将该 剪力作 用在建基 面上 ， 在此基 础上进行 动力作 用下的 抗滑稳定分析 计算结果表 明， 各种工况下抗 滑稳定 安全 系数 均满足 要求 ， 失稳破 坏时产 生的可能 滑移路 径未通过下游 白水 瀑布陡崖 ， 坝后 白水瀑布 陡崖不影响大坝安全 关键词 ： 碾压混凝 土重力坝 ； 陡崖 ； 深层抗 滑 ； 稳定分析 ； 反应谱法 中图分 类号 ： T V 3 1 2 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 5 6 3 4 ( 2 0 1 4 ) o 3 0 0 2 8 0 4 阳江抽 水蓄 能 电站上水 库挡 水建 筑物 为碾 压混 凝土重力坝 ， 坝顶总长 4 7 6 5 m， 最大坝高 1 0 4 6 m， 坝顶宽 7 0 m， 共分 1 6个坝段 坝址位于上水库库 盆 北 面 白水 河河 谷 ， 河 谷 呈 南 北 向 ， 长 约 3 0 0 i n 坝 轴线往北约 1 6 0 i n为 白水瀑 布陡崖 ， 瀑布顶 高程 6 7 7 n l ， 瀑布底高程 3 8 8 m， 落差 2 8 9 m， 陡崖 平均坡 度 4 0 。 4 5 。 根据地质报告 ， 坝址断层、 裂隙以陡倾 角为主， 多与坝线呈大角度或近于垂直相交， 河床部 位岩体 较 完整 ， 岩体 抗 滑 、 抗 变 形 能 力强 ， 坝 基 未发 现严重影响坝基抗滑稳定的倾向下游 的缓倾角软弱 结构 面， 缓倾 角节 理面发 育较少 ， 延伸 短 ， 多数 闭 合 由于 坝后 存 在 白 水 瀑 布 陡 崖 ， 因 此 为 了大 坝 整体稳定性 ， 有必要对其进行静、 动力作用下的深层 抗滑稳定分析 ， 以此来观察 白水瀑布陡崖是否对其 整体稳 定性 有影 响 笔者针对阳江抽水蓄能电站上水库碾压混凝土 重力坝 ， 考 虑下游 白水 瀑布 陡崖 的影 响 ， 分别 建立 最 高坝段溢流坝段和最高坝段非溢流坝段的有限元模 型， 对其 整 体稳 定性 进 行 安全 评价 ， 研 究 其破 坏 机理 1 有 限元模 型及相关参数 建立的最高坝段溢流坝段和最高坝段非溢流坝 段的有限元模型如图 1 所示 ( a )溢 流坝段 ( b )非 溢流坝段 图 1 最 高坝段 三维有限元模 型 收稿 日期 ： 2 0 1 4 0 4 2 1 基金项 目： 国家 自然科学基金面上项 目( 5 1 2 7 9 0 5 0 ) 作者简介 ： 汪凌 ( 1 9 7 8 一 ) ， 女 ， 安徽合肥人 ， 工程 师 ， 硕士 ， 主要从事水工结构数值分析 、 工程建设管理方面的研究 郭博文( 1 9 8 8 一 ) ， 男 ， 河南周口人， 博士研究生， 主要从事高耸结构抗震和抗风方面的研究 赵海涛 ( 1 9 7 8 一 ) ， 男 ， 河南周 口人 ， 讲师 ， 博士 ， 主要从 事水 利 、 土木工程数值仿真方面的研究 第 3 5卷第 3期 汪 凌 ， 等 ： 阳江上水 库碾 压混凝土重力坝深层抗滑稳定分析 2 9 溢流坝段模型共计 1 8 7 3 5个节点， 6 5 3 4 8个单 元 非溢流坝段模 型共计 l 8 8 1 1个节点 ， 6 2 7 3 8个 单元 两个模型 中坝体主要采用 8节点六面体单元 ， 部分采用 6节点五面体金字塔单元及 4节点四面体 单元 ； 地基与断层均采用 4节点四面体单元 计算时对地基部分 的 4个侧 边界进行法 向约 束 ， 地基底部边界进行 3项固定约束 ， 坝体部分不进 行约束 地基 中的岩石采用 D P屈服准则， 断层及软 弱 结构 面采 用 ME屈 服准 则 模 型 的材 料 参 数 见 表 1 各计算工况的荷载组合见表 2 表 1 材料 静态参数表 2 结果分析 2 1静力 深层 抗滑 稳定 分析 采用有限元 强度折减法 ， 分别对最 高坝段 溢流坝段和非溢流坝段的两种静力工况下深层抗滑 稳定进行计算分析 选取上游坝顶 中心点作为典 型 点 ， 绘制出其位移 一安全系数 曲线图 一 由于篇幅 有限 ， 仅给出最高坝段溢流坝段模型正常蓄水位下 典型点的位移 一安全系数 曲线 ， 如图 2所示 从总位 移突变来判断 ， 在正常蓄水位工况下 ， 最高坝段溢流 坝段 深 层抗 滑 的安全 系数 为 2 5左 右 0 48 0 4 0 0 3 2 登 。 0 1 6 0 O8 0 0 0 O 圈 2 典型点位移 一安全 系数 曲线图 最 高 坝 段 溢流 坝 段 在 正 常 蓄水 位 工 况 下 ， 安全 系数为 3 2时的塑性破坏区如图 3所示 ， 此时塑性 区 已贯 通 图 3安 全 系 数 为 3 2时 塑性 破 坏 区 图 由图 2和图 3可知 ， 塑性区贯通时对应 的安全 系数大于位移发生突变 时所对应的安全系数 综合 二者 ， 得到最高坝段溢流坝段正常蓄水位 的安全系 数为 3 0 可用此法得到其他工况的安全系数 ， 具体 见表 3 表 3 静力工况下深层抗滑稳定安全 系数 3 0 华 北 水 利 水 电 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 ) 2 0 1 4年 6月 由表 3可知 ， 最高坝段溢流坝段和最高坝段非 溢 流 坝段 ， 在 正 常蓄 水 位 工况 下 得 到 的深 层 抗 滑 稳 定 安 全 系数 均 大 于 或 等 于 3 0 ， 在 校核 水 位 工 况 下 得 到 的安全 系数 均大 于 2 5， 满 足规 范要求 采用有限元强度折减法进行深层抗滑计算时 ， 地 基 的屈服 破坏 是 一个 渐 进 的 过程 ， 随着 材 料 强 度 的不断折减 ， 坝体位移和地基 中的塑性区在不断发 展 ， 直到地基破坏和计算不再收敛 。 因此， 可 由 其 不 同安全 系数 下塑性 破坏 区 图得到地 基渐 进破 坏 发 展过 程和 坝基失 稳 的可 能滑移模 式 由图 3可 知 ， 断层发 生塑 性破 坏后 ， 塑性 破坏 区 向坝基 中部延 伸 ， 最 终在 建基 面 以下一 定埋深 处 塑性 屈 服破坏 区发 生 贯 通 ， 产 生可 能 的滑移 路径 ， 但 该 滑移路 径未 通过 下 游 自水 瀑布 陡崖 2 2动力深 层抗 滑稳 定分 析 采用无质量地基模型求解坝体的自振特性及建 基 面振 型剪 力 计 算 中对地基 侧边 界施 加法 向约束 ， 底边界施加固定约束 以附加质量的形式来考虑坝 前动水压力 坝体弹性模量在静弹性模量 的基础上 提高 3 0 采用抗震规范中的规范谱 ， 取 2 0 ， 阻尼 比取 0 0 5 ， 反应谱特征周期为 0 2 0 s 地面峰值 加 速度 对应 于设计 地震 和校 核地震 分别 取 0 1 8 9 O g 和 0 2 3 5 9 g 计 算时 只 考 虑横 河 向和 顺河 向地 震 作 用 ， 导出水平 地震剪力 ， 并将 该剪力作用在建 基面 上 ， 在此 基础 上进 行 动 力作 用 下 的 深层 抗 滑 稳 定 分 析 最高 坝段 溢 流坝 段 模 型在 设 计 地 震下 典 型 点 的 位移 一安全系数曲线如图 4所示 O 0 0 鉴 。 O 0 O 0 6 1 2 1 8 2 4 3 0 3 6 4 2 安全系数 图 4最高坝段溢流坝段设计地震下典型 点位移 一安全 系数 曲线 图 蹬 遥 安全系数 ( a ) 最高坝段溢流坝段 从总位移突变来判断， 在设计地震工况下 ， 最高 坝 段溢 流坝段 深层 抗滑 安全 系数为 2 3左 右 最 高坝段 溢流 坝段设 计地 震下 塑性 区贯通 时地 基 的破 坏情 况如 图 5所 示 ， 此 时 对应 的安 全 系 数 为 2 7 综合 二 者 可 得 ， 最 高坝 段溢 流 坝 段在 设 计 地震 +正 常蓄 水 位 工况 下 的安 全 系数 为 2 4 其 他 工 况 的安全 系数见 表 4 图 5 最高坝段溢流坝段设计地震下安全 系 数 为 2 7时 塑性 破 坏 区 图 表 4动力工况下深层抗滑稳定安全系数 动力工况 安全系数 溢流坝段 非溢 流坝段 由表 4可知 ， 对于最高坝段溢流坝段和最高坝 段 非溢 流坝段 ， 在设 计地 震 和 校 核地 震 下 得 到 深层 抗滑稳定安全系数均大于或等于 2 3 ， 满足规范要 求 由图 5可知 ， 塑性破 坏 区情况 与静 力工况 下类 似 ， 在建基面以下一定埋深处塑性屈服破坏区发生 贯 通 ， 产 生可 能 的滑移路 径 ， 但产 生的 可能滑 移路 径 未 通过下 游 白水瀑 布 陡崖 最 高坝段 溢流 坝段 和最 高坝段 非溢 流坝段 有 限 元模型在静力和动力工况下典型点位移 一安全系数 曲线如 图 6所 示 0 1 8 鑫 ： 。静 方 正 常 蓄 水 萋 ： 彩 0 0 6 ， 0。 安全系数 ( b ) 最高坝段非溢流坝段 图 6典 型 点位 移 一安全 系 数 曲线 静 、 动 力 工 况 对 比 第 3 5卷第 3期 汪凌 ， 等 ： 阳江上水库碾压混凝 土重力坝深层抗滑稳定分析 3 1 由图 6对 比发 现 ， 静 力 工 况 下 位 移 突 变 点要 滞 后 于动力 工 况 ， 且 相 同材 料折 减 系数下 ， 动力 工况 的 总位 移 比静力 工况 的大 ， 符 合 一般 规律 3 结 语 1 ) 对 阳江 上 水 库 碾 压 混 凝 土 重 力 坝 最 高 坝 段 溢 流坝段 和 最高 坝段 非 溢流 坝段 有 限元模 型 分别 进 行 了静 、 动 力作 用下 的抗 滑稳 定 分析 ， 得 到 的安全 系 数 都满 足规 范 要求 2 ) 揭示 了阳江上水库碾压 混凝土重力 坝在超 载 情况 下 的破 坏机 理 ， 即在 断层 发 生塑性 破 坏后 ， 塑 性破坏 区逐渐 向坝基 中部延伸 ， 最终在建基 面以下 一 定 埋深 处 塑性 屈 服破 坏 区发 生 贯 通 ， 产 生可 能 的 滑移路径 ， 但该滑移路径未通过下游白水瀑布陡崖 3 ) 由于建立三维最 高坝段溢流坝段 和非溢流 坝段 有 限元模 型 时 考 虑 了 陡崖 的实 际地 形 ， 因此 坝 段 的计算 结 果都 考 虑 了 陡 崖 实 际地 形 的影 响 结果 表 明 ， 坝后 白水瀑 布 陡崖 不影 响 大坝 安全 参 考 文 献 1 颜 晓梅 ， 戴跃 华 阳江抽水 蓄 能电站上 水库碾 压混 凝土 重力坝坝基深层抗滑稳定分析 J 广东水利水 电， 2 01 0， 5( 5) ： 4 24 4 2 李同春 ， 卢智灵 边坡抗滑稳 定安全 系数 的有限元 迭代 解法 J 岩 石 力 学 与 工 程 学 报 ， 2 0 0 3 ， 2 2( 3 ) ： 4 4 6 45 0 3 郭利娜 ， 李同春 ， 赵 兰浩 ， 等 重力 坝深层抗 滑稳定 分析 J 人民黄河 ， 2 0 1 1 ， 3 3 ( 1 ) ： 1 0 1 1 0 2 ， 1 0 5 4 赵 尚毅 ， 郑颖 人 ， 时卫 民 ， 等 用有 限元 强度折减法 求边 坡稳定安全 系数 J 岩 土工 程学 报 ， 2 0 0 2 ， 2 4 ( 3 ) ： 3 4 3 3 46 5 栾茂 田 ， 武亚军 ， 年廷凯 ， 等 强度折减 有限元 法 中边坡 失稳 的塑性 区判据 及其 应用 J 防灾减 灾 工程 学报 ， 2 0 0 3， 2 3 ( 3) ： 18 6 周桂 云 ， 李 同春 饱和 非饱 和非稳定 渗流作 用下 岩质 边坡稳定性分 析 J 水 电能 源科 学 ， 2 0 0 6 ， 2 4 ( 5 ) ： 7 9 82 7 曹泽 伟 重力坝深层抗 滑稳 定性 研究 D 南京 ： 河 海大 学 ， 2 0 1 1 8 水利部长 江水利 委员会 长 江勘测 规划 设计 研究 院 s L 3 1 9 2 0 0 5混凝 土重力坝设计规范 s 北京 ： 中国水利 水电 出版社 ， 2 0 0 5 9 中国水利水 电科学研 究 院 D L 5 0 7 3 -2 0 0 0水工建 筑物 抗震设计规范 s 北京 ： 中国电力出版社 ， 2 0 0 1 De e p An t i - s l i d i n g S t a b i l i t y An a l y s i s f o r RC C Gr a v i t y Da m o f t h e Up p e r R e s e r v o i r o f Ya n g J i a n g W ANG Li n g，GUO Bo - we n，ZHAO Ha i - t a o ( Ho h a i Un i v e r s i t y，Na n j i n g 2 1 0 0 9 8 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ：I n t h i s p a p e r ，t h e d e e p a n t i s l i d i n g s t a b i l i t y a n a l y s i s f o r t h e r o l l e r c o mp a c t e d c o n c r e t e( RC C)g r a v i t y d a m o f t h e u p p e r r e s e r v o i r o f Ya n g j i a n g u n d e r t h e s t a t i c a n d d y n a mi c a c t i o n i s d o n e I n t h e mo d e l ，t h e B a i s h u i wa t e rf a l l c l i ff b e h i n d t h e d a m i s c o n s i d e r e d Th e s t a t i c c a l c u l a t i o n i s b a s e d o n t he f i n i t e e l e men t i n t e ns i t y d i s c o u n t me t ho dW i t h o ut t he a s s u mp t i o n o f t he s l i d i ng s urfa c e，i t s o v e r a l l s t a b i l i t y i s d e t e r mi n e d b y t h e j u d g i n g c r i t e ria o f t h e f e a t u r e p o i n t d i s p l a c e me n t mu t a t i o n a n d t h e r u n - t h r o u g h o f p l a s t i c z o n e Th e mo d e de c o mp o s i t i o n r e s p o ns e s pe c t r um me t h o d i s us e d i n t h e d y na mi c an a l y s i s，f ur t he r de r i v e t he ho r i z o n t a l s e i s mi c s he a r ，a n d t h e n p u t t h e h o riz o n t a l s e i s mi c s h e a r f o r c e o n t he fou nd a t i o n pl a n e t o a na l y z e t he s t a bi l i t y o f t h e foun d a t i o n pl a n e a n d de e p s l i d eCa l c u l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t t he s t a b i l i t y s a f e t y c o e f f i c i e n t o f d a m f o u nd a t i o n u nd e r v a r i o us c o n d i t i o n s c a n me e t t he r e qu i r e me nt s，a n d t h e p o s s i b l e s l i di n g pa t h i s n o t t h r o ug h Bai s hu i wa t e rfa l l c l i ff whi c h i s i n t h e do wns t r e a m ，S O t he Ba i s h ui wa t e rfa l l c l i ff h a s n o e f f e c t o n t he s a f e t y o f t h e da m Ke y wo r ds：RCC g r a v i t y da m ；wa t e rfa l l c l i ff；d e e p a n t i s l i di ng；t h e s t a bi l i t y a na l y s i s；t he r e s p o ns e s pe c t r u m me t ho d ( 责任编辑 ： 陈海 涛)