有限元强度折减法在导流隧洞堵头稳定性分析中的应用.pdf

1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/水利水电技术 第39卷 2008年第1期W aterResources and Hydropo wer EngineeringVol139 N o11有限元强度折减法在导流隧洞堵头稳定性分析中的应用苏 凯1,伍鹤皋1,向功兴1,杨静安2,李 杰3(11武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室,湖北 武汉 430072;21中国水电顾问集团 西北勘测设计研究院,陕西 西安 710065;31新疆维吾尔自治区地震局,新疆 乌鲁木齐 830011)摘 要:在总结国内外导流隧洞封堵设计一般原则的基础上,对堵头稳定性校核的两种常用数值计算方法进行了探讨分析,引入了材料强度折减法概念,根据弹塑性有限元数值分析结果,建议采用等效塑性应变作为潜在滑动面破坏的判断标准,并根据塑性区的范围和连通情况对堵头的稳定性进行综合评价。关键词:导流隧洞堵头;稳定;安全系数;有限元强度折减法中图分类号:TV551112 文献标识码:A 文章编号:100020860(2008)0120043204Application of strength reduction FEM to stability analysis of diversion tunnel plugSU Kai1,WU He2gao1,XI ANG Gong2xing1,YANG Jing2an2,L IJie3(11State KeyLaboratory ofWater Resources and Hydropower Engineering Science,Wuhan University,Wuhan430072,Hubei,China;21Northwest Investigation Design&Research Institute,Chinese Hydroelectric Engineering Consultant Company,Xian710065,Shaanxi,China;31Earthquake Administration of XinjiangUygurAutonomous Region,rmchi830011,Xinjiang,China)Abstract:On the basis of the summarization of the basic principles for design the tunnel plug at home and abroad,two nor malnumeric analysismethods for check of the plug stability are analyzed and discussed herein,and then the strength reduction FEMis introduced to suggest that the equivalent plastic strain can be taken as the criteria to esti mate the failure of the potential slidingsurface on the basis of the numerical analysis of elastoplastic finite element,furthermore,a comprehensive evaluation ismade onthe plug stability in accordance with the area of plastic zone and the connectivity aswell1Key words:diversion tunnel plug;stability;safety factor;strength reduction FEM收稿日期:2007206227作者简介:苏 凯(1977),男,讲师,博士。1 引 言水电工程的施工导流洞在履行完施工导流的功能后,需要在水库蓄水前用混凝土堵头进行永久性封堵。导流隧洞堵头作为永久建筑物,与大坝具有同样的安全等级,因此要求堵头安全可靠,稳定性和防渗性好,条件允许时应与大坝防渗帷幕形成整体13。与大坝相比,虽然封堵堵头的工程量一般不大,但作为水库蓄水的主要控制条件之一,其工期要求比较紧迫。封堵工作是否能够顺利、及时的完成,对整个工程的后期进度有着极其重要的意义。但是,封堵堵头作为永久性建筑物,在以往的设计规范中都没有明确的规定,国内外已建工程也没有统一的设计标准可循,通常解析计算过程中假定水压力是作用在堵头上的惟一荷载,实际存在的地应力、灌浆残余应力以及围岩高低不平形成的嵌固抗剪力均作为额外的安全储备,不参与计算。本文基于以上基本设计原则,对堵头的稳定性计算方法进行了总结分析,着重讨论了基于有限元数值分析的稳定性校核分析方法,并在此基础上引入了材料强度折减法概念,与弹塑性有限元数值分析及结果34 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/苏 凯,等 有限元强度折减法在导流隧洞堵头稳定性分析中的应用水利水电技术 第39卷 2008年第1期的计算机实时显示技术相结合,建议采用潜在滑动面上的等效塑性应变作为堵头失稳的评判标准,根据塑性区的范围和连通情况对堵头的稳定性进行综合评价。2 堵头稳定性计算方法堵头设计的最重要内容是确定堵头的体型和长度。通常在确定堵头长度时,有以下几种方法:按照导流洞直径倍数确定堵头长度;按照封堵水头大小确定堵头长度;按照封堵水头与堵头直径的乘积大小确定堵头长度;按照圆柱面抗冲剪理论或修正的圆柱面抗冲剪理论,根据允许剪应力的大小确定堵头长度等。在确定了堵头的初设长度之后,需要根据堵头的实际体型对堵头稳定性进行校核,通常分为两类:传统解析计算和有限元数值分析。传统的解析计算方法主要有抗滑稳定安全系数法和圆柱面抗冲剪理论法;在有限元数值分析过程中,根据安全系数评价区域的范围大小,可以分为总体安全系数法和点安全系数法,本文引用文献5 中整体和局部安全系数计算公式,分别介绍如下。211 整体安全系数法该方法是建立在有限元数值分析结果之上,反映了有限元数值计算的特点,在计算过程中考虑堵头与围岩之间的变形协调和应力分配,较客观地反映围岩应力和渗透压力等环境因素的作用与影响。根据有限元计算结果得到接触面上法向应力 n与沿滑动面剪应力,通过对所有接触面单元积分,进而可计算堵头的整体安全系数Kf=nifAi+CAiiAi Kf(1)式中,Kf为潜在滑动面抗剪断安全系数;f为抗剪断摩擦系数;C为粘聚力(MPa);ni为潜在滑动面某单元法向应力(MPa);i为潜在滑动面某单元剪应力(MPa);Ai为潜在滑动面某单元面积(m2)。212 点安全系数法点安全系数与整体安全系数法都是基于有限元计算结果,只是评价的区域从整体转为局部,其实际上不是某个节点或关键点的安全系数,而是局部区域的安全系数。总的设计思路是:如果所有的局部区域都处于安全稳定状态,那么结构的整体也一定是安全的Kc=nifi+Cii Kc(2)式中,Kc为点抗剪断安全系数;fi为抗剪断摩擦系数;Ci为 粘聚力(MPa);ni为滑动面法向应力(MPa);i为滑动面剪应力(MPa)。213 堵头稳定性计算方法评价以上两种设计方法都是建立在有限元数值计算的基础上,计算过程中分别从堵头的整体稳定性和局部稳定性出发,对堵头的稳定进行评价。由于点安全系数法强调的是任何局部区域的安全系数都要满足设计要求,因此从设计原则上讲,点安全系数法比整体安全系数法更为保守。同时,由于有限单元法自身的特点,在计算过程中考虑了混凝土与围岩间的变形协调和相应的应力应变关系,还可以综合考虑围岩压力、渗透水压力等因素的影响,在很大程度上是对传统解析计算方法的改进。但是两者仍然是以整体或局部的稳定性系数作为永久结构的安全评价标准,并没有根据有限元计算方法的特征提出相应的控制标准,只是比以前规范中安全系数法在整体或者局部更为准确的再现,完全没有体现出现代数值计算方法的优势。因此本文根据有限单元法计算结果的特征,引入材料强度折减系数法,建议采用潜在滑动面上的等效塑性应变作为堵头失稳的评判标准,根据塑性区的范围和连通情况对堵头的稳定性进行综合评价。3 有限元强度折减系数法近年来,随着计算机技术的长足发展,有限元强度折减系数备受关注,并在工程领域中得到了广泛的应用,如重力坝的深层抗滑问题,土质边坡的稳定问题6,7 等。有限元强度折减法的基本原理是将岩土参数C、同时除以某个折减系数F,得到一组新的C、值,作为新的材料参数入到有限元中进行试算,详见式(3)C=C/F;=arctan(tan/F)(3)材料强度折减系数法常用于岩土边坡的稳定性分析中。在计算过程中,必将出现对应的某个折减系数Fs时计算正好收敛,再稍大一些时,计算便不收敛,此时的Fs即为结构的最小安全系数,此时潜在滑动面应达到临界状态,即将发生破坏。但是由于本方法无法直接使用公式计算安全系数,因此需要根据某种破坏判据来判断潜在滑动面处于临界状态。在确定临界安全系数时,通常选取计算的不收敛性或者基于塑性区贯通与否作为失稳时的破坏判断准则6,7。由于堵头潜在滑动面一般为堵头混凝土与围岩接触面或者新旧混凝土的交界面,形状通常为圆柱面或倒圆锥面,有别于一般的岩土边坡或重力坝抗滑稳定44 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/苏 凯,等 有限元强度折减法在导流隧洞堵头稳定性分析中的应用水利水电技术 第39卷 2008年第1期图1 堵头结构设计详图(长度单位:mm)问题。在上游端面水压力作用下,由于靠上游段的堵头混凝土的三维泊松效应,上游水压力的作用在堵头下游段混凝土中的应力反映不明显,因而很难在堵头潜在滑动面上形成全断面贯通。因此本文根据有限元的计算结果,基于等效塑性应变的临界状态判别方法,根据塑性区的范围和贯通情况对堵头的稳定性进行评价,提出塑性区在潜在滑动面圆周方向贯通是堵头失稳的必要条件。同时,对于堵头的长度设计提出如下结论:当材料强度折减系数满足设计要求条件下,保证潜在滑动面上塑性区范围不继续扩展的最小长度即为堵头的最小设计长度。4 工程实例411 基本资料某工程采用一次性拦断河床的隧洞导流方式,导流洞堵头最大挡水水头为189189 m,堵头结构设计详见图1。根据堵头的结构设计要求,本文建立有限元数值计算模型,详见图2。由于隧洞过水期间,衬砌与围岩之间设置了加强连接锚杆,在堵头混凝土浇筑施工前,堵头段原有衬砌混凝土不进行拆除,将衬砌内表面凿毛处理后浇筑堵头内部混凝土,因此本文选取了新旧混凝土接触面为潜在的滑动面进行数值计算分析。412 堵头稳定性分析堵头的初始设计长度为45 m,因此本文根据不同的材料强度折减系数F=215、310、315、410进行了计算分析,并对潜在滑动面上塑性区的范围进行了比较分析,详见图3。从图3可以看出,在材料强度折减系数等于215时,潜在滑动面上的塑性区仅仅出现在堵头上游端顶拱位置的小部分单元处,而在材料强度折减系数等于310时,潜在滑动面上的塑性区有了较大幅度的增加,在堵头上游端部圆周方向接近贯通,具备了发生滑动的可能。同时,从图3可以看出,随着材料强度折减系数的增加,堵头潜在滑动面的塑性区范围逐渐增加,计算规律性合理。413 堵头长度对塑性区的影响由于堵头体潜在滑动面可能为一封闭面,常常54 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/苏 凯,等 有限元强度折减法在导流隧洞堵头稳定性分析中的应用水利水电技术 第39卷 2008年第1期图2 有限元数值计算模型图3 不同强度折减系数时的围岩塑性区分布呈圆柱面或倒圆锥面,由于周边围岩的三维嵌套、挤压作用,因此上游水压力的影响在下游端混凝土反应不明显,不能按照潜在滑动面全断面连通的判别条件对堵头的长度进行设计。同时,本文在计算过程中发现,当材料强度折减系数一定时,潜在滑动面上的塑性区随着堵头长度的变化而变化,并在堵头达到一定长度后,不再发生变化。本文选取了材料强度折减系数为F=310的情况对此现象进行分析,详见图4。从图4可以看出,随着堵头长度的增加,从25 m增加至35 m、45 m时,塑性区的范围逐渐减小,并在堵头长度达到35 m之后,塑性区范围基本不再发生明显变化,可认为基本处于稳定。因此本文在计算图4 强度折减系数F=310时堵头不同长度时潜在滑动面塑性区分布分析的基础上,提出在材料强度折减系数满足要求时,即F=310时,保证堵头潜在滑动面上塑性区不继续扩展的最小长度,即35 m为堵头的最小设计长度。5 结 语本文基于导流隧洞堵头设计的一般原则,对采用基于有限单元法的整体安全系数法和点安全系数法进行了分析比较,并在此基础上引入有限元材料强度折减系数法,对某水电站导流隧洞堵头的稳定性进行了计算分析,得出以下结论。(1)堵头稳定不同于边坡稳定或大坝稳定问题,不可能在潜在滑动面上形成贯通的塑性区。(2)堵头潜在滑动面上的塑性区在圆周方向贯通是堵头失稳的必要条件。(3)在材料强度折减系数满足要求时,保证堵头潜在滑动面上塑性区不继续扩展的长度,即为堵头的最小设计长度。参考文献:1 侯 君 1二滩工程导流隧洞堵头设计准则探讨J 1水力发电,1998,(7):3223512 甘文喜 1水工隧洞堵头设计探讨J 1人民长江,2001,32(5):3423613 林正伟,何江达,等 1水工隧洞堵头用常规方法与有限元计算的差异J 1四川水力发电,2003,22(2):8028314DL 51081999,混凝土重力坝设计规范 S15SL 2822003,混凝土拱坝设计规范 S16 郑颖人,赵尚毅,邓卫东 1岩质边坡破坏机制有限元数值模拟分析J 1岩石力学与工程学报,2003,22(12):19432195217 栾茂田,武亚军,年廷凯 1强度折减有限元法中边坡失稳塑性区判据及其应用J 1防灾减灾工程学报,2003,23(3):12818 伍鹤皋,苏 凯,春光魁,等 1导流隧洞堵头稳定性分析J 1武汉大学学报(工学版),2006,39(3):621019 杨静安,伍鹤皋,苏 凯,等 1大型水电站导流隧洞堵头结构与稳定分析J 1水电能源科学,2007,25(1):942971(责任编辑 欧阳越)64