（岩土工程专业论文）溪洛渡高拱坝坝肩静动力稳定性分析.pdf

摘要 溪洛渡高拱坝坝肩静动力稳定性分析 岩土工程专业 研究生周明军指导教师张建海教授 拱坝坝基和坝肩的稳定性问题历来都是设计和地质专家十分关注和重视的 问题。溪洛渡高拱坝坝区构造为一套发育于岩流层层间和层内的错动带如c 。、 c 。、c 。、c 。、c ，、c 。，c 。，c 。c 。c ，。和p 。b 。、l 。等及4 组比较发育的节理裂隙 系统，其物理力学性质参数低，抗变形能力弱，从而对坝肩( 基) 岩体整体稳 定性产生显著影响。本文在细致模拟坝址区层间层内错动带空间展布和连通特 征基础上，采用三维非线性有限元及刚体弹簧元法，对溪洛渡高拱坝坝肩静动 力稳定性进行研究：定量分析了层问层内错动带的变形和超载破坏规律；确定 了坝肩岩体的超载及综合安全系数、破坏形态和破坏机理；计算了坝肩典型滑 动块体在地震作用下的动力抗滑安全系数并分析了坝肩岩体整体抗滑稳定性， 从而总体评价工程安全性。主要研究内容如下： 1 根据溪洛渡坝址区的地形地质条件，充分模拟了坝肩岩体层间层内错动 带及岩体裂隙分布，较为真实地建立了坝体、坝基及坝肩整体计算模型。 2 采用非线性有限元方法，分析了层间层内错动带变形及破坏规律和坝基 岩体可能破坏区域及破坏机理，确定了岩体点安全度、超载系数和综合安全系 数，综合评价了静力荷载作用条件下的坝肩稳定性。 3 采用刚体弹簧元法，结合溪洛渡坝址条件选择三种地震波输入，计算坝 肩典型滑移块体的地震惯性力和动力抗滑安全系数，分析评价了坝肩动力抗滑 稳定性。 4 基于水荷载与坝高的关系推求得到拱端推力理论求解公式，并得到：拱 端推力顺河向分量与坝高成三次方关系；横河向分量与坝高成四次方关系。 关键词：拱坝、三维非线性有限元、刚体弹簧元、层间层内错动带、坝肩稳定 性、滑移路径、安全系数、拱端推力 四川大学硕士学位论文 s t a t i ea n d 1 ) y n a m i es t a b i l i t ya n a l y s i so f x il u o d u h i g h a r c hd a ma b u t m e n t g r a d u a t e s t u d e n t z h o u m i n 留u nl k t o t ：p r o f 2 h a n g j i a n - h a i t h es t a b i l i t yo fa r c hd a mf o u n d a t i o na n da b u t m e n ti sa l w a y so fg r e a tc o n c e r l l t od e s i g n e ra n dg e o l o g i c a le x p e r t s t h es i t ef o r m a t i o no f l u o d uh i 曲a r c hd a m a f eas e r i a lo fl a y e r e da n di n n e rd i s l o c a t i o nb a n d sa n df o u rg r o u p sj o i n tf i s s l 】r e s s u c h 勰e lc 2c 3c 5c 7c sc 9c l oc nc 1 2a n dp 2 1 3nke r e ，w h i c ht h ep h y s i e a l m e c h a n i cp a r a m e t e r sa r es m a l la n dt h ed e f o r m a b i l i t yi sw e a k s ot h e y 黜t h em o s t n o t i c e a b l et ot h ew h o l er o c km a s ss t a b i l i t yo f t h ed a ma b u t m e n t i nt h i st h e s i s ，t h e s t a t i ca n d d y n a m i c s t a b i l i t y o f d a m a b u t m e n ta r es t u d i e d u s i n 9 3 d n o n - l i n e a r f i n i t e e l e m e n tm e t h o da n d3 dr b s m ( r i g i db o d y - s p r i n gm o d e l ) ，b a s e d0 1 3 d e l i c a t ea n d c a r e f u ls i m u l a t i o no fl a y e r e da n di n n e rd i s l o c a t i o nb a n d so ft h ed a ma r e a ：s t u d i e d t h ed e f o r m a t i o na n do v e r - l o a df a i l u r em e c h a n i s mq u a n t i t i v e l y ；e o n f m n e dt h e o v e r - l o a da n ds y n t l a e t i es a f e t ye o e t t i e i e n ta n dt h ef a i l u r ec o n f o r m a t i o na n d m e c h a n i s m ；c a l c u l a t e dt h ed y n a m i cs a f e t ye o e 伍c i e n to ft h eg t i c i i n g b o d ya n d a n a l y s e dt h ew h o l es t a b i l i t yo ft h ea b u t m e n tu n d e rt h ee a r t h q u a k ec o n d i t i o n s ； e v a l u a t e dt h es e c u r i t yo f t h ep r o j e c t t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa 船船f o l l o w s ： 1 a c c o r d i n gt ot h eg e o l o g i c a le o n d i t i o n g so fx il u o d up r o j e c t , l a y e r e da n d i n n e rd i s l o c a t i o nb a n d sa n dj o i n tf i s s u r e sa 托f u l l ys i m u l a t e dt oe s t a b l i s h3 d n u m e r i c a lm o d a lo f t h ea r c hd a m , f o u n d a t i o na n da b u t m e n t 2 u s i n g3 dn o n - l i n e a rf i n i t ee l e m e n tm e t h o d , s t u d i e dt h ed e f o r m a t i o na n d o v e r - l o a df a i l u r em e c h a n i s m o f l a y e r e da n di n n e rd i s l o e a 虹0 1 3 b a n d sa n dt h ef a i l u r e a r e aa n dm e c h a n i s mo f r o e kn l r s s ，a n dc o n f i r m e dt h ed e g r e eo f s p o ts a f e t ya n dt h e o v e r - l o a dc o e f f i c i e n ta n dt h es y n t h e t i ce o e f f i e i e n t ，a n de v a l u a t e dt h es t a b i l i t yo f d a ma b u t m e n tu n d e rt h es t a t i c1 0 a dc o n d i t i o n s 3 u s i n g3 dr b s ma n dc o m b i n e dw i t ht h r e es e i s m i cw a v i o si nt h el o c a t i o no f 婴! ! ! 查兰堕主竺篁望壅 x il u o d u ，c a l c u l a t e dt h es e i s m i ci n e r t i a lf o r c ea n dt h ed y n a m i cs a f e t yc o e 伍c i e n t o ft h et y p i c a lg l i d i n g b o d ya n de v a l u a t e dt h es t a b i l i t yo fd a m a b u t m e n tu n d e rt h e d y n a m i cl o a dc o n d i t i o n s 4 b a s e do nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ew a t e rl o a da n dt h eh e i g h to f d o u b l e a r c hd a m t h ee x p r e s s i o n so ft h et h r u s ta ta b u t m e n ti sd e d u c e da n ds o m ev a l u a b l e r u l e so f t h ea b u t m e n ts t a b i l i t ya n a l y f i sa r eo b t a i n e d ：t h ec o u c u r r e n th e r o f t h r u s ta t s p r i n g e rg e n e r a l l yo b e y sc u b i cl a w w i t ht h eh c i i g h to fd a ma n dt h e 仃舭l 熟懈a lh e r o b e y sq u a r t i cl a w k e y w o r d s ：a r c hd a m ；3 dn o n - l i n e a rf m i t ee l e m e n tm e t h o d ；r b s m ；d i s l o c a t i o n b a n d ；s t a b i l i t yo f d a ma b u t m e n t ；s l i p i n gr o u m ；s a f e t yc o e f f i c i e n t ；t h r u s ta ta b u t m e n t 四川大学硕士学位论文 第一章概述 1 1 论文选题依据及意义 人类在御水与用水活动中，远在公元前就已经知道修筑堤坝，但利用拱形 坝挡水直到古罗马统治时期才出现，至本世纪8 0 年代末，世界上建成的高于 1 5 m 的拱坝1 5 9 2 座，我国建成高1 5 m 以上的拱坝据1 9 9 2 年统计为7 5 3 座“ 随着我国特别是西南地区水利水电建设事业的飞速发展，拱坝技术得到了更广 泛的应用，陆续出现了一批高度、规模、泄洪量以及装机容量都很大的拱坝枢 纽，如：小湾、溪洛渡、锦屏等。 拱坝是一种比较复杂的挡水结构，回顾拱坝实际发生过的各种问题，有助 于工程师正确把握设计环节和评估其安全性。已发生过的拱坝破坏和事故性问 题，按其危害和严重程度分为拱坝失事和拱坝病害。所谓拱坝失事，是指拱坝 全部或部分崩跨或虽未崩跨但却酿成了巨大灾难，如法国的玛尔巴塞拱坝由于 坝体垮塌，灾难性洪水历时4 5 r a i n ，5 1 0 0 万m 3 水体横扫下游河谷后，留下4 2 1 具尸体，并造成1 0 0 余入失踪，约2 0 0 0 户居民受到不同程度的损害“1 让1 。拱坝 病害是指坝和水库难于正常工作或影响使用年限，需加处理，或者不加处理作 病态运行，已使有关责任单位或个人有某种顾虑或担心的情况，如美国的巴柯 依玛拱坝由于强震致使坝体开裂，坝肩岩体产生滑移破坏。儿玎。据上述情况可见， 确定拱坝坝体及坝肩稳定及安全性至关重要。 大坝、基岩及坝肩岩体并不是独立结构，而应看作一个整体。且坝基( 肩) 岩体往往比较复杂，存在有断层、节理裂隙、地下水发育、大的喀斯特溶洞和 高她应力等地质缺陷，是不均质的各向异性体。因此坝基( 肩) 岩体稳定性研 究应充分考虑上述不良地质条件以及相关工程的结构特征，才能得出合乎实际 的评价并提出合理的工程措施n 埘 溪洛渡双曲拱坝坝高2 7 8 m ，属一级建筑物。坝区地质情况较复杂，存在诸 多层间层内错动带，节理、裂隙较发育。因此研究溪洛渡高拱坝坝肩岩体稳定 性具有重要的技术经济意义 1 2 国内外研究现状 坝肩岩体稳定是拱坝安全的根本保证倜，目前国内外评价坝肩岩体稳定的 方法，归纳起来主要有以下四种： 第一章概述 1 2 1 刚体极限平衡法n 心 实际工程中，刚体极限平衡法是判断坝肩岩体稳定性常用方法之一，其基 本假定是：( t ) 将滑移体视为刚体，不考虑其各部分问的相对位移；( 2 ) 只考 虑滑移体上力的平衡，不考虑力矩平衡，认为后者可由力的分布自行调整满足， 因此，在拱端作用力系中不考虑弯矩影响；( 3 ) 忽略拱坝的内力重分布作用， 认为作用在岩体上的力系为定值；( 4 ) 达到极限平衡状态时，滑裂面上的剪力 方向与滑移方向平行，指向相反，数值达到极限值 刚体极限平衡法是半经验性的计算方法，具有长期的工程实践经验，采用 的抗剪强度指标和安全系数是配套的，与目前勘探试验所得到的原始数据的精 度相匹配，其局限性在于不能反映岩土材料的各向异性、非线性及不均匀性。 近年来，一些学者分析了塑性理论中的m i s e s 、t r e s c a 及m o h r - - c o u l o m b 、d r u c k e r p r a g e r 准则的各自的优点和不足，提出了各向异性准则，对这一传统方法进 行了改进和发展。 四川大学和国家电力公司成都勘测设计研究院开发完成了阶梯状滑块的自 动切块及相应滑块的安全系数分析，并将渗流场计算成果直接计算渗压荷载， 改变过去渗压荷载折减的随意性，但不能考虑岩体变形和失稳过程。 1 2 2 有限元法“瑚 有限元法最初被用来研究复杂的飞机结构应力，它将弹性理论、计算数学 和计算机软件有机地结合在一起。由于这一方法的灵活、快速和有效性，使其 迅速成为求解各领域数理方程的一种通用的近似计算方法 7 0 年代以来，有限元法的研究和应用在我国受到普遍关注，迄今，结合岩 体力学新的研究成果进行相应研究和改进，非线性弹塑性有限元法日趋成熟和 完善，使用有限元法探讨岩土工程问题已相当普遍。其中包括用有限元法来研 究岩质高边坡的稳定、地下洞室的稳定以及坝体、坝基岩体的应力和变形分析， 进而分析坝肩岩体和坝体结构的稳定性 实际上，岩体并非刚体，其应力应变关系有着显著的非线性特性。岩体的 破坏过程十分复杂，一般要经过硬化、软化、剪胀阶段，并伴随有裂隙的扩展 过程。这样复杂的本构关系，刚体极限平衡滑移破坏的假定并不能真实反映坝 肩岩体的失稳机理。有限元法，特别是三维非线性有限元分析，为复核和论证 四川大学硕士学位论文 坝肩岩体稳定条件提供了较为合理的途径。 有限元法可用于进行平面或空间坝肩岩体稳定分析。对单元的物理力学特 性，可以采用线弹性模型，也可以采用非线性模型。与其它方法相比，有限元 法可以分析形状十分复杂、非均质的各种实际工程，可以在计算中模拟各种复 杂的材料本构关系、荷载和条件，可以进行结构动力分析，由于前处后处理技 术的发展，有利于对工程方案进行优化。虽然有限元法的分析能力强，但实际 工程有时是非常复杂的，计算分析之前仍需要进行一定的概化和假定，另外， 有关的设计参数和设计荷载也有一定的近似性，这些对计算精度有一定的影响， 因此，在分析工程时，应设法使计算中采用的概化假定、计算参数和设计荷载 尽量符合实际情况，在选取计算网格和分析计算结果时应注意到这些因素的不 确定性所产生的影响。 1 2 3 刚体弹簧元法嘲 刚体弹簧元模型( r b s m ：r i g i db o d y s p r i n gm o d e l ) 最早由日本东京大学 k a w a i 教授在1 9 7 6 年提出。由于传统有限元加强了几何协调性，常常不易用于 模拟断裂等失效过程跟踪，将岩石，混凝土等材料视为可动界面连接的刚性单 元的组合，则使断裂极限分析更为方便。故而近年来刚体弹簧元的理论研究和 工程应用有了很大的发展。 该模型基本思想是：把结构划分为一些由分布在接触面上的弹簧系统连接 一起的刚性单元的集合，刚体元本身不发生弹性变形，因此结构的变形能完全 储存在接触面的弹簧系统中，结构的变形通过单元问的相对变形来体现。 刚体元的优势在于可用于模拟不连续变形，且计算相对简洁。传统有限元 强调几何协调性，这种模型常常不宜用于模拟错动等岩石变形特点。为此，必 须在有限元计算中加入g o o d m a n 夹层元。刚体元放松了单元间界面位移协调性， 可方便地用于模拟岩层错动。 由于刚体元中可直接求出交界面上的面力，故可以方便地求得总下滑力及 总阻滑力，进而求得任意给定的可能滑动面抗滑安全系数，而有限元不得不在 滑动面上布置g o o d m a n 夹层元，这使直接推求安全系数变得十分麻烦 在实际计算中，首先根据经验判断滑动面可能出现位置和方位，而后在划 分刚体元网格时将滑动面作为网格线求得各交界面面力后，即可求得滑动体 第一章概述 抗滑安全系数。刚体元的这个优点使得最危险滑动块体的搜索成为可能。 1 2 4 地质力学模型试验悯m ，伽 2 0 世纪7 0 年代发展起来的地质力学模型试验是研究坝肩岩体稳定的有效 途径。这种方法能模拟不连续岩体的自然条件：岩体结构( 软弱结构面、断层 破碎带等) 及其物理力学特性( 岩体自重、变形模量、抗剪强度指标等) 。国内 多采用石膏加重晶石粉、甘油、淀粉等做为模型材料，其特性是容重高，强度 和变形模量低。采用小块体叠砌或用大模块拼装成型。量测系统主要是位移量 测和应变量测。通过实验可以了解复杂地基上拱坝和坝肩岩体相互作用下的变 形特性、超载能力、破坏过程和破坏机理、拱推力在坝肩岩体内的影响范围、 裂缝的分布规律、各部位的相对位移和需要加固的薄弱部位以及地基处理后的 效果等，是一种很有发展前途的研究方法。但由于地质构造复杂，模型不易作 到与实际一致，一些参数难以准确测定，温度作用和渗透压力难以模拟，因而 实验成果也带有一定的近似性；另外，试验工作量大，费用高。就试验本身讲， 还需要进一步研究模型材料，改进测试手段和加载方法等，以提高试验精度。 1 3 本文研究思路 l ，采用非线性有限元法，定量分析层间层内错动带相对变形发展规律及点 安全度；采用超载法和综合法对坝肩( 基) 整体稳定性进行分析，模拟坝肩渐 进性破坏过程，得到坝肩岩体可能破坏模式，确定坝基超载系数和综合安全系 数，从而综合评价静力荷载作用条件下的坝肩稳定性。 2 采用剐体弹簧元法分析静力基本荷载组合作用下，坝肩各个可能滑动块 体及可能滑移形式的抗滑稳定安全系数。并结合溪洛渡坝址条件选择三种地震 波输入，计算坝肩典型滑移块体的地震惯性力和动力抗滑安全系数，分析评价 地震作用情况下的坝基抗滑稳定性 4 四川大学硕士学位论文 第二章三维非线性有限元及刚体弹簧元基本理论 本次坝基稳定性非线性有限元分析所采用的强度与本构模型包括： 2 1 岩体强度与本构模型 溪洛渡双曲拱坝坝基岩体含有四组节理裂隙。这种含断续节理岩 体的强度呈现出明显的方向性，即沿裂隙面方向的强度参数低于其它方向强 度参数。根据坝基不同部位主应力张量与节理裂隙面产状的相对方位差异， 岩体可能呈现沿某组节理裂隙方向定向破坏，也可能沿非裂隙面方向破坏， 为此，本文采用遍在节理包络强度模型模拟岩体材料。该强度模型由以下两 个方面构成： 2 1 1 沿断续节理裂隙面方向定向破坏条件 首先由整体有限元计算坝基岩体应力场o r ，然盾限据不同部位每组节理裂 隙产状，分别计算各组裂隙的方向余弦，再由应力转轴可以得到不同方向裂 隙面上法向正应力吼和切向剪应力k 断续节理裂隙面破坏模式可能呈现两 种情况： 若吒 0 ( 以拉为正) ，沿法向开裂条件可描述为： o n ( 2 1 ) 式中为沿断续节理裂隙面法向综合抗拉强度，假设岩桥( 块) 的抗拉 强喜为& ：裂隙面抗拉强度为零，近似用裂隙连通率，7 对r 折减推求如，即 如= ( 1 一) 足 ( 2 2 ) 若以 q 一乃 ( 2 3 ) 式中弓，乃为沿裂隙面方向综合抗剪强度参数。 2 1 2 沿非裂隙面方向破坏准则 若岩体不发生沿节理裂隙方向破坏时，则复核岩体沿非裂隙面方向强度。 按低抗拉弹塑性模型分析，坝基岩体材料开裂条件用宏观强度描述； r t ( i = 1 ，2 ，3 ) ( 2 4 ) 5 第二章三维非线性有限元及刚体弹簧元基本理论 式中o 。表征应力张量三个主应力，分析中可能呈单向、双向及三向开裂 情况，由程序自行校核并进行刚度修正。 岩体是否进入塑性状态，按d r u k e r p r a g e r 准贝判别； f = o d i + 万一七 ( 2 5 ) 式中i 。和j 2 分别为应力张量的第一不变量和应力偏张量的第二不变量， 盯，膏是与岩体材料摩擦系数留q 和凝聚力f 有关的常数，由下式计算： 口= 辔万两1 k = 3 c f 丽 弹塑性矩阵为：= d “一r ) d p d z = 2 ，等，等，7 斫4 + f 筹，72 ，筹办 式中：r = 1 0 弹性区单元或卸载单元 塑性区单元 - f 7 加载前f o ，即过渡区单元 ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 2 2 软弱结构面非线性分析模型 按层面法向不抗拉材料分析，剪切滑移按m o h r - c o u l o m b 条件校核： l f i i c ，一吒培妒， ( 2 9 ) 式中历和留q ，分别为软弱夹层抗剪强度参数。对于破碎带宽度较大断层， 按不抗拉弹塑性材料分析，是否进入塑性状态的判别条件仍采用o - p 准则， 只是材料摩擦系数和凝聚力改用断层相应值，本构矩阵仍沿用( 2 7 ) 式。 2 3 坝基岩体稳定安全系数计算方法 坝基岩体稳定性分析评价中，常常采用以下几种稳定安全系数评价方法： 2 3 1 点强度储备安全系数 假定外荷作用下，坝基岩体某点应力状态为( 口”a ，) ，相应材料抗剪 6 四川大学硕士学位论文 强度参数g 留q 下降觅倍，使该点应力m o h r 圆与强度包络线相切，如图2 1 。 由上述概念 氍 一o l f li o 。! 。 一 图2 1 点强度储备安全系数物理意义 坐竺+ 旦 坠 垒；1 式中吒，为某方向剪切面上的正应力和剪应力，由下式计算： ；丁c y l + 0 3 一i 1 瓴一电) c 勉 = 半s i n 2 a 将以上两式代入( 2 1 0 ) 得： ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 疋：! ：进2 1 生竺：兰竺翌 亿m 似- c r s ) s i n 2 a 由l ( c 取极值条件筌；0 口口 导出娜撕：! ! ! 二垒丝竺 2 c + ( o - , + c r 3 j 留妒 7 ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 第二章三维非线性有限元及刚体弹簧元基本理论 对于坝基中软弱夹层、断层或裂隙结构面，由各应力特征点的o 。和t 。代 入式( 2 1 0 ) ，可直接推导出相应的点强度储备安全系数表达式： 疋= 产 ( 2 1 6 ) 2 3 2 整体抗滑安全系数 坝基整体抗滑安全系数可用超载安全系数及综合安全系数两种方式表 征。超载法计算的基本方法是假定岩体强度参数不变，通过逐级超载上游水 载，分析坝基变形破坏演变发展过程与超载倍数的关系，寻求坝基整体滑移 时相应的超载倍数k ，即作为坝基整体抗滑稳定超载安全系数。 综合安全系数反映上游水载超载彤和岩体强度参数下降成两种因素组合 作用下坝基稳定的整体综合安全度。综合安全系数为丘瑙x 厄。 2 3 3 滑动面抗滑稳定安全系数 刚体元分析可以直接给出交界面上面力，故可方便求得总下滑力及总的 阻滑力。滑动体的整体抗滑安全系数定义为总阻滑力和总滑动力之比，即： 阻滑力： 兄= ( c 一吒力砌 ( 2 1 7 ) 二维情况下，滑动力可写为： = l l t i 如 ( 2 1 8 ) 三维情况下，滑动力可写为： = c + 砰砌 ( 2 t 9 ) 其中；c 为凝聚力；f = t g 巾为摩擦系数； 以为处于滑动面上的单元交界面若以被拉坏，则不计入积分。 抗滑安全系数可表为： 兄 k ，= j - ( 2 2 0 ) 四川大学颐士学位论文 上式中i 1 为滑移面上交界面总数，参见图2 2 。 囤2 2 二维滑动面示意图 2 3 4 动力抗滑安全系数 目前地震动力分析尚存在许多问题，如岩土材料动力参数确定，地震波 在岩层中的传播逸散及衰减定量分析，结构物与地基耦合作用等。限于岩土 材料动力参数的缺乏，在动安全系数推求中往往仍采用静强度h 幻 刚体元法地震动力分析中，可以求得任意时刻交界面上的正应力和剪应 力，因而可以积分得到任意时刻滑动体上的总下滑力和总阻滑力，从而求得 该时刻的瞬时安全系数。从时间维上来看，随着地震波的传播及逸散，岩体 内各点应力随之变化，故滑动体瞬时安全系数亦随时间发生变化。用刚体元 法求得的动安全系数将是一条曲线，而不再是一个定值。这与传统刚体极限 平衡法计入地震作用的方法相比更为合理嘲下面简述刚体元推求安全系数的 基本思想：首先求得研究域的初始静应力场g ，在动荷载作用下，各点应力 将因地震作用而产生附加动应力场盯由此各时刻总应力场盯，即： - df 盯= 盯+ 盯 ( 2 2 1 ) 一l一，一d 刚体元单元交界面上正应力o 及剪应力t 。t 。均为时间t 的函数。故 在动力情况下，安全系数将不再是一个定值，其量值可由下式求得： e j l r c o + o a t t t 酌) 如 巧= 等_ ：= = = ? ( 2 2 2 ) 扛一，7 + ( f ) 2 如 9 第三章溪洛渡坝肩静动力计算模型 第三章溪洛渡坝肩静动力计算模型 3 1 工程地质条件 溪洛渡水电站位于四川雷波县和云南永善县接壤的溪洛渡峡谷，是金沙江 下游河段开发规划的第三个梯级。该工程坝高2 7 8 m ，正常蓄水位6 0 0 0 呱坝 顶高程6 1 0 0 m ，建基面高程3 3 2 0 m 。坝区两岸山体浑厚，谷坡陡峻，地形完整， 无沟谷切割。河谷断面星较对称的“u ”型，左岸坡度4 0 7 5 。，右岸5 5 7 5 。 坝区岩性单一，谷坡及河床基岩均为峨嵋山玄武岩( p 21 3 ) ，系间歇性多期 喷溢的陆相基性火山岩流。 坝区地层为总体倾向南东的似层状玄武岩组成的单斜构造，缓倾下游偏左 岸坝肩左岸地层产状总体为n 2 0 3 0 。w n e 么4 7 。，坝肩右岸地层产状总 体为n 1 5 3 0 。e ，s e 么3 5 。 坝区构造破坏较弱，未发育较大规模断层，主要构造形迹为一套发育于岩 流层层间层内的构造错动带和节理裂隙系统，见表3 1 及表3 2 。 坝区玄武岩裂隙较发育，但都短小，主要受层间层内错动带限制，走向较 分散，分布与岩性和构造有关。裂隙面多平直粗糙，部分波状光滑。卸荷带内 嵌合紧密，无充填，隙壁较新鲜，强度高。区内裂隙优势方面有下列4 组： ( d e w s ( n ) z t 0 s 5 。，面较平直光滑，部分粗糙，般阿距3 5 m ，发 育段间距l m 左右，延伸长度2 5 m 。坝区左岸较右岸发育，中、高高程较低 高程发育。在右岸中高高程可能构成坝肩及抗力体部位的侧向滑移面。 n 4 0 6 0 。w s w ( n e ) 7 0 8 0 。，顺坡分布，面较平直粗糙，部分起伏。 一般间距3 6 m ，发育段间距0 5 2 m ，浅表受卸荷影响多有不同程度的张开 松驰，微新岩体内嵌合紧密，延伸长5 1 0 m 左右，左右岸均有分布。 n 2 0 3 0 。w s w ( n e ) z 7 0 8 5 。，面多粗糙，部分起伏，一般间距l 3 m ，发育段间距一般o 5 l m ，延伸长2 3 m 。左右岸均有分布，以右岸相对 发育，在左岸坝肩及抗力体部位，可能构成拱坝坝肩的侧向滑移面。 n 6 0 8 0 。e s e ( n w ) z 6 5 8 5 。，该组裂面较平直光滑，发育段间距 0 3 l m ，延伸长2 4 m ，主要集中分布在坝区右岸低高程部位，是构成右岸低 拱圈坝肩及抗力体的主要侧向滑移面。 四川大学硕士学位论文 表3 1 拱坝稳定分析时需要考虑的左岸层内错动带特征表 迹长 层别名称产状 位置 ( m ) 总体n 2 0 3 0 。w n e 么4 7 。 与1 9 线地表交点高程 为3 7 3 5 5 m 5 层内 与1 9 线地表交点高程 l 庙一3 4n t 0 。吖n e 么1 0 。6 5 为3 7 3 5 5 n 与1 8 线地表交点高程 总体n 2 0 4 0 。w n e 么8 1 1 。 为4 1 5 0 3 m 6 层内 与1 8 线地表交点高程 l c 6 - 1 4 n 4 0 。w n e 么2 0 。1 6 0 为4 1 5 0 3 m 总体n 2 0 4 0 。w n e 么7 1 0 。 与x 线地表交点高程为 5 0 2 0 3 b 8 层内 与1 2 线地表交点高程 k 8 4 0n 3 0 。w n e 么1 0 1 5 。9 2 为4 9 1 7 表3 2 拱坝稳定分析时需要考虑的右岸层内错动带特征表 迹长 层别名称产状位置 ( m ) 与1 9 线地表交点高程为 5 层内总体 n 3 0 4 0 。e ，s e 么8 1 0 。 3 7 9 5 m 与x 线地表交点高程为 总体n 3 0 4 0 。聃e 7 1 0 。 4 2 6 5 m 6 层内 与1 8 线地表交点高程为 州9n 2 0 3 0 。w n w 么8 1 2 。 1 0 3 4 1 5 2 5 m 与1 8 线地表交点高程为 总体n 2 5 3 5 。e ，s e 么7 9 。 5 1 1 2 m 8 层内 与1 8 线地表交点高程为 【c 8 - 3 7 n 2 5 。e 量r w 么2 0 。9 4 5 1 1 2 m 第三章溪洛渡坝肩静动力计算模型 3 2 岩体及结构面力学参数 表3 3 坝区各类材料力学指标计算采用值 容重变模( 0 p a )泊松比 抗剪断 纯摩 刚体元模拟厚度 材料 t h t r l水平 垂直pfc ，( 舰p a 】 f ( m ) 大坝混凝土 2 4 02 4 o2 4 0n 1 6 71 o o2 5 01 类岩体 2 8 52 l _ 51 4 0o 2 0l - 3 52 o 9 9 - 类岩体 2 8 51 3 51 0 o o 2 51 2 2 2 2 0 0 9 2 1 2 类岩体 2 7 56 o5 oo 勰1 2 0i 4 00 8 4 t 类岩体 2 6 03 5 03 0 3 0 i 0 2 i 0 00 7 0 2 类岩体 2 6 01 4 50 7 5o 3 0o 7 0o 5 0o 5 6 v 类岩体 2 2 00 6 50 ，3 5o 3 50 3 50 0 5o 3 0 错动带c - ，岛，c 4 2 5 01 7 51 7 5o 3 20 5 5o 2 50 4 7o 5 错动带q 、c l o c i l 、c i ： 2 5 0 0 9 00 9 0o 3 2o 5 0 o 1 7o 4 2o 5 错动带c 5 、c 7 2 5 01 7 51 7 50 3 2o 5 5o 2 50 4 7o 6 错动带c 2 5 0o 0 9 0o 3 20 4 3o 0 80 3 7o 6 错动带岛 2 5 0 0 7 0 0 7 0 o 3 2o 加0 7 5 o 3 3o 5 错动带g 2 5 0o 4 50 4 50 3 2o t 3 8n 0 6n 3 2o 5 层内错动带l o2 5 0o 9 0 o 9 0 o 3 20 4 4 o 1 00 3 70 1 0 4 本次计算所采用的坝址区各类岩体及结构面变形与强度参数如表3 3 所示。 3 3 计算范围及结构离散 溪洛渡高拱坝三维非线性有限元计算范围横河向以拱坝中心线为界，左右 岸分别向山里延伸9 5 0 m ，共计1 9 0 0 m ；顺河向以拱坝轴线为界，上游取4 4 5 0 m ， 下游取9 5 5 0 m ，共计1 4 0 0 0 m ；铅直向底面取至0 0 m 高程，顶部延伸至岸坡自 四川大学硕士学位论文 由面其中建基面下基岩厚度3 3 2 0 m ，约1 2 0 倍坝高，顺河向上游侧约1 6 0 倍坝高，下游侧约3 4 3 倍坝高，左右坝肩横河向宽度约3 4 2 倍坝高，如图3 - 1 。 计算域各边界切开面均取法向位移约束，有限元计算坐标系定义为： x 轴：横河向，由右岸山里水平指向左岸，轴线方位n 4 1 8 。e ； y 轴：顺河向，由下游水平指向上游，轴线方位n 4 8 2 。w ； z 轴：铅直向上，由底面指向山顶 为准确模拟层间层内错动带沿空间的连通、起伏和厚度变化，本次有限元 建模采用了横剖面和平切面相结合的办法。对坝肩岩体建模时，采用地质提供 的横剖面图，特别是与坝肩密切相关的1 7 、1 3 、x 、i s 、1 9 、1 2 、i l o 、i i l 、1 1 2 l 、2 ，如图3 2 所示横剖面x 层间层内错动带位置图。采用横剖面图对 岩体结构建模的优点在于不必对密集的层间层内错动带进行过度的简化，准确 模拟了层间层内错动带的空间结构和连通状态。离散中坝体及坝肩( 基) 岩体 采用空间8 节点等参数实体单元，左右坝肩各类层间、层内错动带采用空间8 节点夹层单元模拟，整体计算域共离散为1 3 7 2 2 个节点和1 3 1 6 8 个单元，三维 非线性有限元计算网格如图3 3 所示 刚体弹簧元计算范围及坐标选取同上。计算区域共划分8 7 1 1 个节点，7 5 5 8 个单元，共生成单元交界面2 0 6 9 6 个，其三维网格图如附图3 4 所示。 3 ，4 滑移块体及滑移路径定义 为进行危险滑动块体搜索，对左右岸划分了3 4 个可能滑动块体，其中左岸 1 7 个，右岸1 7 个，滑块可参见图3 - 6 ，图3 7 右岸坝肩滑块侧滑面产状取为 n 8 0 。e n w z 8 5 。左坝肩滑块侧滑面产状取为n 2 0 。w s w 么7 0 。，如图3 5 所示。底滑面产状按表3 4 所示确定。 3 5 荷载组合 温度荷载由成勘院提供，坝区坝基( 肩) 三维渗流场资料由河海大学提供 ( 1 ) 按不同荷载组合，分析坝基( 肩) 岩体变位与应力分布特性，评估坝 基( 肩) 岩体工作状态 荷载组合( 工况1 ) ：正常蓄水+ 游缈+ 坝体自重+ 设计温降 渗压体力 荷载组合( 工况2 ) ：校核洪水墙蛇p + 坝体自重+ 设计温升+ 渗压体力 ( 2 ) 超载条件下，超载系数：k i - 1 0 ，2 0 ，3 0 ，4 0 ，5 0 ，5 5 ，6 0 坝 基岩体变形破坏规律，以及整体超载稳定安全储备 第三章溪洛渡坝肩静动力计算模型 荷载组合( 工况1 ) ：正常蓄水+ 淤沙+ 坝体自重+ 设计温降+ 渗压体力 荷载组合( 工况2 ) ：校核洪水+ 珏沙+ 坝体自重+ 设计温升+ 渗压体力 ( 3 ) 将坝肩岩体强度参数下浮k c = 1 5 倍后，逐级超载上游水推力，k - _ 1 0 ， 1 5 ，2 0 ， 2 5 ，2 8 ，3 2 。确定坝肩综合稳定安全系数( p k i ( c ) 。 荷载组合( 工况i ) 正常蓄水+ 珏沙+ 坝体自重十设计温降f 渗压体力 荷载组合( 工况2 ) ：校核洪水 淤沙+ 坝体自重十设计温升惕压体力 ( 4 ) 刚体元静力分析，搜索滑移路径，确定最危险滑移路径及安全系数。 荷载组合( 工况1 ) ：正常蓄水+ 淤沙+ 坝体自重+ 设计温降 渗压体力( 采 用剪摩参数) 荷载组合( 工况2 ) ：校核洪水+ 淤沙+ 坝体自重十设计温升+ 渗压体力 荷载组合( 工况3 ) ：正常蓄水+ 淤沙+ 坝体自重+ 设计温降( 不计渗压作用) 荷载组合( 工况4 ) ：正常蓄水+ 谈沙+ 坝体自重+ 设计温降 渗压体力( 采 用纯摩参数) ( 5 ) 刚体元动力分析，搜索滑移路径，确定动力状态下的动安全系数及最危 险滑移路径。研究地震动力作用下的最不利动拱推力，以及可能滑移块体的惯 性力。本次计算，采用了北京水科院抗震所提供的人工波、k o y n a 波，及溪洛 渡场地波，见图3 8 ，3 - 9 ，3 - 1 0 荷载组合( 工况1 ) ：正常蓄水+ 淤沙+ 坝体自重十设计温降崂压体力( 采 用剪摩参数) 表3 4 坝肩滑移块体组合 块体组合右岸底滑面产状左岸底滑面产状 c 3n 2 2 0 e ，s e 么4 0n 3 0 啊n e 么s 。 c 4n 2 2 电，s e 么4 口n 3 0 0 w m e z 5 。 c 5n 删s b 么4 n ”咱憎e 么5 c 6 n 2 2 哪s e 么4 0l q 3 0 w i ，n b 么矿 l n 2 5 0 e 0 玛f 么l 旷n 4 0 0 w ，n e z 2 矿 an 2 2 叼观么4 0n 3 0 * w i 惦么5 。 c 8n 2 糊e z 4 0l q 3 w l q e 么5 0 c 9n 2 2 0 e ，s e 么l o n 3 0 * w n e 么5 1 4 四川大学硕士学位论文 图3 _ 1 计算范围及横剖面位置示意图 图3 2 横剖面x 层问层内错动带示意图 苎三兰垦塑婆堡旦登垫垄盐苎堡至一 图3 - 3 三维非线性有限元计算模型 图3 4 刚体弹簧元计算模型 1 6 四川大学硕士学位论文 图3 - 5 左右岸滑块切分线示意图 图3 - 6 滑块1 示意图 1 7 图3 - 7 滑块2 0 示意图 x - d i r e c t i o n a la c c e l e r a t i o n ( m s “2 ) o f a r t i f i c i a lw a v e y d i r e c t i o n a la c c e l e r a t i o n 【m s s ) o fa r t i f i c i a lw a v e z - d i r e c t i o n a la c c e l e r a t i o n ( m s s ) o fa r t i f i c i a lw a v e 图3 - 8 人工地震波 1 8 堕业查兰塑主兰竺丝壅 x d i r e c t i o n a la c c e l e r a t i o n ( m s 2 1o fk o y n aw a v e r m y - d i r e c t i o n a l a c c e l e r a t i o n ( m s s ) o fk o y n aw a v e z - d i r e c t i o n a la c c e l e r a t i o n ( m s s ) o fk o y n aw a v e 图3 - 9k o y n a 地震波 f 毫 x d i r e c t i o na c c e l e r a t i o no fx l d t 埘 y d i r e c t i o na c c e l e f 认t i o no fx l d t 懈 2 i d i r e c t i o na c c e l e f i a t i o n0 fx l d i 曼：曼一：+ ；三j ：兰? ”一i ：0 图3 - 1 0 溪洛渡场地地震波 ，o，od，舢4舢 ，、od口拈4舢 产誊 四川大学硕士学位论文 第四章坝肩稳定性非线性有限元分析 无特别指明，本文约定位移( c m ) 指向坐标正向时为正，指向坐标负向时为 负。应力( m p a ) 以压为正，以拉为负。破坏类型标记如下： ( 1 )a岩体剪坏 ( 2 ) 卜岩体拉坏 ( 3 )错动带夹层元破坏 4 1坝肩( 基) 层间错动带点安全系数 正常工况和校核工况下左右坝肩各层问错动带的点安全系数相差微小。如 下表4 1 ( 正常工况) 所示： 表4 1层间错动带拱端点安全系数表 正常蓄水( 工况1 ) 右拱蛸左拱端 层间错动带 上游下游上游下游 c 91 o1 02 o2 0 c 8 2 o2 ，54 05 o c 72 o2 03 o3 0 c 51