（岩土工程专业论文）武都重力坝结构特性及坝基稳定性研究.pdf

武都重力坝结构特性及坝基稳定性研究 岩土工程专业 研究生肖明砾指导老师何江达教授 坝体结构特性和坝基稳定性是重力坝设计中的重要内容。作为本文研究对 象的武都r c c 重力坝1 2 4 、1 7 。及1 9 。坝段，分别为大坝左岸最高非溢流坝段、 河床最高溢流坝段和右岸最高非溢流坝段。由于坝基内软弱结构面十分发育， 且相互交错，坝基不均匀变形和深层抗滑稳定问题非常突出，成为制约本工程 投资和安全的关键技术问题。本文采用三维非线性有限元法对此进行了系统研 究，主要内容包括： 1 坝体结构特性问题：采用三维非线性有限单元法，首先计算分析各工况 加固前后坝体及坝基变位的分布规律，并与均质地基假设条件下的变位，以及 同类型坝体的变位对比分析，结果表明，天然地基条件下1 7 ”坝段坝顶水平位移 极值约为坝高的0 3 4 3 ，1 9 4 坝段坝顶水平位移极值约为坝高的0 4 9 3 o ，在地 基加固处理之后，坝体变位值减小，不均匀程度明显改善；其次分析了各工况 下坝体及坝基应力的分布规律，并重点对比了采取工程措施前后坝踵区域应力 特性的变化情况，结果表明，坝踵垂直应力未出现拉应力，符合应力控制标准。 最后分析了天然地基并n j j n 固地基方案坝基的工作性态，评价了工程措施的针对 性和有效性。 2 坝基变形稳定性问题：首先根据坝基岩体各类结构面的位置和产状，确 定坝基潜在的滑移面组合形式，采用基于有限元法的应力计算成果，计算各组 滑移面的抗滑安全系数，结果表明：多组滑移面组合未能满足抗滑安全系数 k = 3 0 0 的规范要求，采取工程加固措施后仍有1 0 f 2 f 1 1 4 组合面不能满足要求， 建议针对1 0 f 2 断层进步处理；其次采用超载法和综合法研究坝基破坏的渐进 过程，揭示了坝基的破坏机理。计算结果表明，天然地基条件下，1 7 “坝段正常 蓄水工况和校核洪水工况超载安全系数为k 。= 45 ，1 9 ”坝段正常蓄水工况超载 安全系数为k 。= 5 0 ；加固地基条件下，1 7 8 坝段正常蓄水工况超载安全系数为 k = 5 0 ，1 9 4 坝段正常蓄水工况超载安全系数为k 。= 6 o ；1 7 “坝段天然地基条件 正常蓄水工况综合安全系数k ，= 3 5 7 5 。 3 坝基岩溶分布对坝体结构特性影响问题：以岩溶最为发育的左岸的最高 坝段1 2 。坝段为研究对象，拟定坝基内多组不同直径和不同深度的水平溶洞及 落水洞方案，通过三维有限元计算，定量分析各方案对坝体应力应变的影响程 度。计算结果表明，当溶洞埋深大于溶洞直径3 倍时，可不进行专门处理。 关键词：有限元法，重力坝，应力应变状态，深层抗滑稳定，超载安全系数 综合安全系数，溶洞 s t u d yo ns t r u c t r u a lc h a r a c t e r i s t i c sa n ds t a b i l i t y o fw u d u g r a v i t yd a m m a j o r ：g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g g r a d u a t es t u d e n t ：x i a om i n g - l i t u t o r ：h e j m n g - d a s t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so fd a ma n ds t a b i l i t yo fb a s ea r et h em a i nc o n t e n t si n t h ed e s i g no f g r a v i t yd a ma st h er e s e a r c ho b j e c t so f t h i sp a p e r , 1 2 # ，1 7 # a n d1 9 # d a m b l o c k so fw u d ur c cg r a v i t yd a ma r et h eh i g h e s tn o n o v e r f l o wd a mb l o c ka tt h el e f t b a n k ，t h eh i g h e s td a mb l o c ka tt h er i v e r b e da n dt h eh i g h e s tn o n o v e r f l o wd a mb l o c k a tt h er i g h tb a n k b e c a u s eo f t h ew e a ks t r u c t u r a lp l a n e si nb a s et h a ta r ee x t r a o r d i n a r y d e v e l o p e da n di n t e r l a c e d ，u n e v e ns e t t l e m e n ta n ds t a b i l i t ya g a i n s td e e ps l i d i n gh a s b e c o m et h ek e yt e c h n i c a lp r o b l e m s ，w h i c hr e s t r i c t e dt h ei n v e s t m e n ta n ds a f e t y t h e 3 dn o n l i n e a rf e mi sa d o p t e dt os y s t e m i c a l l yr e s e a r c ht h e s ep r o b l e m si nt h i sp a p e r 1d a ms t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c s f i r s t l y , t h ed i s t r i b u t i o nr e g u l a t i o n s o f d i s p l a c e m e n to fd a ma n db a s ea r o u n dr e i n f o r c e m e n ta r ec o m p u t e da n da n a l y z e db y 3 dn o n l i n e a rf e m ，a n dc o m p a r ew i t ht h a to ft h eh o m o g e n e o u sb a s ea n dt h es i m i l a r d a m t h er e s u l t ss h o w , i nt h en a t u r a lb a s es c h e m e ，t h eh o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n t e x t r e n m mo ft o po f1 7 # b l o c ki sa b o u to3 4 3 o fd a mh e i g h t a n dt h a to f19 拌b l o c k i sa b o u to4 9 3 o fd a mh e i g h ta f t e rr e i n f o r c e m e n t s ，t h ed i s p l a c e m e n tv a l u e s d e c r e a s ea n dt h eu n e v e nd e g r e ea m e l i o r a t e sa p p a r e n t l y s e c o n d l y , t h ed i s t r i b u t e d r e g u l a t i o n so fs t r e s s o fd a ma n db a s ea r e a n a l y z e d ，a n dt h ec h a n g eo fs t r e s s d i s t r i b u t i n ga td a mh e e lz o n ea r o u n de n g i n e e r i n gm e a s u r e se m p h a t i c a l l yc o n s t r a t e d 1 1 h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h e r ei s n tv e r t i c a lt e n s i l es t r e s si nh e e lz o n e ，a n di s u pt ot h e s t r e s sc o n t r o ls t a n d a r d a tl a s t ，t h ew o r kf o r mo fn a t u r eb a s ea n dr e i n f o r c eb a s ei s a n a l y z e di no r d e rt oa p p r a i s et h ew o r kp e a i n e n c ea n dv a l i d i t y 2 s t a b i l i t yo fb a s e ，f i r s t l y , l o o k i n gf o rt h ep o t e n t i a lc o m b i n a t i o n so fs l i d i n g s u r f a c ea c c o r e d i n gt ot h eo c c u r r e n c ea n dp o s i t i o no fc o n s t r u c t i o n a ls u r f a c e ，w h i c h t h e i rs a f ec o e f f i c i e n t so fs t a b i l i t ya g a i n s td e e ps l i d i n ga r ec o m p u t e db a s e do nt h e s t r e s sd a t eo ff i n i t ee l e m e n tm e t h o d t h er e s u l t ss h o wt h a tm a n yc o m b i n a t i o no f s l i d i n gs u r f a c ec a l l ts a t i s f yt h ec r i t e r i o n ( k - 3 o o ) ，a n da f t e rr e i n f o r c e m e n tm e a s u r e t h a ts u r f a c ec o m b i n a t i o n ( 1 0 f 2 - f l1 4 ) c a n ts t i l ls a r i s f yt h ec r i t e r i o n s u g g e s tf u r t h e r r e i n f o r c i n g t h ef a u l t ( 1 0 1 2 ) s e c o n d l y , a d o p t e do v e r l o a dm e t h o da n ds y n t h e t i c m e t h o dt oa n a l y z et h eg r a d u a lp r o c e s so fb r e a k a g e ，r e v e a lt h eb r e a km e c h a n i s mo f d a mb a s e a c c o r d i n gt ot h ec o m p u t e dr e s u l t s ，u n d e rn a t u r eb a s ec o n d i t i o n ，t h es a f e t y c o e i f f i e n to fo v e r l o a do f1 7b l o c ki nn o r m a lr e s e r v o i rl e v e lc a s ea n di nm a x i m u m f l o o dl e v e lc a s ei st h ek p 2 4 5 ，t h es a f e t yc o e i f f i e n to fo v e r l o a do f1 9b l o c ki nn o r m a l r e s e r v o i rl e v e lc a s ei sk p 2 5 0 ，t h es a f e t yc o e i f f i e n to fs y n t h e s i so f1 7b l o c ki n n o r m a lr e s e r v o i rl e v e lc a s ei sk p = 3 5 7 5 ；u n d e rr e i n f o r c e db a s ec o n d i t i o n ，t h es a f e t y c o e i f f i e n to fo v e r l o a do f1 7b l o c ki nn o r m a lr e s e r v o i rl e v e lc a s ei st h ek p = 50 ，t h e s a f e t yc o e i f f i e n to fo v e r l o a do f19b l o c ki nn o r m a lr e s e r v o i rl e v e lc a s ei st h ek p = 6 0 3 k a r s ti n f l u e n c eo ns t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so fd a m ：a st h er e s e a r c ho b j e c t ，1 2 # d a mb l o c ki st h eh i g h e s td a mb l o c ko nt h el e f tb a n kw h i c hd e v e l o p sk a r s t s t u d yo n s e v e r a ls c h e m e so fa c l i n i cs o l u t i o nc a v ea n da v e no fd i f f e r e n td e p t ha n dd i f f e r e n t d i a m e t e r b a s e do nt h e3 df e m q u a n t i f i c a t i o n a l l ya n a l y z e st h ei n f l u e n c eo ns t r e s s s t r a i no fd a m t h ec o m p u t e dr e s u l t si n d i c a t et h a tt h es p e c i a lt r e a t m e n tf o rt h ec a v e i su n n e c e s s a r y , w h e nc o v e rd e p t ho fc a v ei sg r e a t e rt h a n3t i m e so fi t sd i a m e t e r k e y w o r d s ：f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，g r a v i t yd a m ，s t r e s s s t r a i nb e h a v i o r ，s t a b i l i t y a g a i n s td e e ps l i d i n g ，s a f e t yc o e i f f i e n to fo v e r l o a d ，s a f e t yc o e i f f i e n to f s y n t h e s i s ，k a r s tc a v e 四川大学硕士学位论文 1 概论 11 论文选题依据及意义 我国是个水能资源非常丰富的国家，据我国第五次水力资源普查结果， 全国水力资源蕴藏量为6 7 6 亿千瓦，年发电量5 9 2 万亿千瓦时，其中可开发量 为3 7 8 亿千瓦，年发电量1 9 2 万亿千瓦时，居世界首位。规模巨大、数量众多 的水利水电工程的建设，促进了中国水库和大坝建设的发展。5 0 年来，我国共 建成水库8 3 6 0 0 多座，形成水库的大坝在数量上居世界之首【l 】。目前，三峡( 坝 高1 8 l m ) 、小湾( 坝高2 9 2 m ) 、紫坪铺( 坝高1 5 8 m ) 、龙滩( 坝高1 9 2 m ) 等一 大批大坝正在建没之中，锦屏一级( 坝高3 1 5 m ) 、溪洛渡( 坝高2 7 5 m ) 、拉瓦 西( 坝高2 5 0 m ) 等一批高坝也正在拟建，并将有越来越多的大坝陆续兴建。我 国水利水电建设的辉煌时期正在到来【2 l 【3 】。 大坝在防洪、发电、灌溉、城镇供水、航运、养殖和旅游等方面发挥了巨 大的作用，取得了显著的经济效益和社会效益【4 】。但由于坝工建设的复杂性， 不能排除大坝失事的可能性。一旦溃坝失事，不仅工程毁坏，而且会对下游地 区经济建设和人民生命财产造成毁灭性的灾害。如1 9 7 5 年，河南板桥水库溃坝， 造成1 1 9 0 万人口受灾，2 6 万人死亡，1 7 0 0 万亩农田被淹pj ，京广铁路中断5 0 多天；1 9 8 6 年，丰满重力坝泄洪时，1 2 1 4 坝段溢流面1 9 2 0 m 3 混凝土被冲走， 溢流面破坏严重，破坏面积约1 0 9 0 m 2 【“。坝体事故及失事造成的巨大灾难使我 们认识到保证坝体及坝基安全的重要性，世界各国对此都给予了高度重视，并 制定了一系列安全规则。 重力坝是我国高坝建设中的主要坝型，我国己建和在建的坝高9 0 m 以上的 重力坝就有2 7 座。众所周知，重力坝主要依靠其自身的重力来维持稳定，其 坝体体积大，稳定性好。但由于各种原因，仍有可能失事。因此，重力坝的应 力应变状态和坝基的稳定性一直都是设计和工程十分关注和重视的一个问题， 尤其是当坝体结构复杂，坝基岩体中存在有断层、节理、裂隙、软弱夹层、高 地应力以及地下水发育等地质缺陷时，如何科学、准确地对坝体的稳定性作出 评价，并提出合理的处理措施对工程具有十分重要的技术经济意义。 武都水库是武都引水工程的水源工程，是一座以防洪、灌溉为主，结合发 1 概论 电，兼顾城乡工业生活及环境供水等综合利用的水利工程。坝址区地质条件复 杂，存在溶蚀带、溶洞、断层、层问错动带及缓倾裂隙等诸多不利地质构造， 坝基不均匀变形和深层抗滑稳定问题非常突出，成为工程投资与安全的主要控 制因素之一。本文选择1 2 4 、1 7 “及1 9 “坝段作为研究对象。其中1 2 。坝段为左 岸最高非溢流坝段，1 7 。坝段为河床溢流坝段，且为大坝最高坝段，1 9 4 坝段为 右岸最高非溢流坝段。本文将采用三维非线性有限元系统研究上述坝段坝体结 构特性、坝基变形稳定性、破坏机理及岩溶分布对坝体结构特性的影响。 1 ，2 国内外研究现状 近代重力坝在进行了长达半个多世纪的探索之后，人们对它的工作性态的 认识日益深刻，到2 0 世纪之后重力坝无论在坝高还是在数量上都以前所未有的 速度发展，其设计理论亦日臻完善。主要表现在应力和稳定性分析两个方面m ： 12 1 重力坝结构应力分析方法评述 对重力坝进行应力分析，是为了判定坝在施工期及运行期是否满足强度及 稳定性的要求，同时也为其它设计工作( 如确定坝体混凝土分区标号设计、廊 道孔洞配筋等) 提供依据。3 。 在应力分析方面，现代重力坝主要采用材料力学法( 亦称重力分析法) 和 弹性理沦法两种计算方法。 1 21 1 材料力学法” 材料力学法是重力坝应力分析的基本方法之一，使用材料力学分析坝体应 力已经有t 0 0 多年的历史，是应用最广、最简单、也是重力坝设计规范中规定 采用的计算方法。材料力学方法假定坝体水平断面上的垂直正应力呈直线分布， 给计算带来了许多方便，求得的应力成果，对上部2 3 坝体是比较准确的。多 年的工程实践证明，对于中等高度的坝，应用材料力学法，并按规定的指标进 行设计，是可以保证工程安全的。因此我国d l5 1 0 8 1 9 9 9 混凝土重力坝设计 规范中规定：混凝土重力坝一般以材料力学法计算坝的应力。但由于材料力 学法中没有反映地基对坝体应力的影n 向，使得其计算结果在地基附近约1 3 坝 高范围内，与实际情况不符。因此我国d l5 1 0 8 1 9 9 9 混凝土重力坝设计规范 ( 试行) 中规定：对7 0 m 以上的高坝除按材料力学法计算外，宜同时采用有限 四川大学硕士学位论文 元法进行计算分析。 i 2 i 2 弹性理论法【8 1 【9 l 利用弹性理论分析重力坝的应力始于1 9 世纪末，是重力坝应力分析中较为 精确的一种方法，该方法经历了弹性理论的解析法、弹性理论的差分法和弹性 理论的有限元法三个发展阶段。 ( 1 ) 弹性力学的解析法 该方法在力学模型和数学解法上都是严格的，但目前只有少数边界条件简 单的典型结构才有解答，且对实际的坝体和荷载情况寻求理论解，是十分繁冗 复杂的，电是不实用的，所以在工程设计中较少采用。由于通过对典型构件的 计算，可以检验其他方法的精确性。因此，弹性理论的解析法仍是一种很有价 值的分析方法。 ( 2 ) 弹性力学的差分法 差分法在力学模型上是严格的，在数学解法上采用差分格式，是近似的。 由于差分法要求方形网格，对复杂边界的适应性差，且需要大量的人工计算， 所以也不易推广应用。 ( 3 ) 弹性力学的有限元法 有限元法在力学模型上是近似的，在数学解法上是严格的。有限单元法可 考虑复杂的边界条件和荷载情况，使应力分析能了解坝体不同部位的应力大小 及其分布。加上计算机技术和软件工程的发展，使大坝的设计更精确和快捷。 不过有限元计算结果的可信性还有赖于所用参数能否反映实际，而且世界各国 迄今尚未制定出与之相适应的应力控制标准。同时，人们在大量的实践和研究 中认识到：混凝土坝和岩石地基并非是纯弹性体，实际的坝体和坝基岩石也不 是完整的各向同性体。一般坝体均因各部位工作条件不同而采用不同的混凝土 标号和配合比，坝基岩石因地质构造所致，岩性一般不是均匀的，坝基岩体多 存在断层、节理、裂隙甚至软弱夹层等构造缺陷。另外，混凝土和岩石具有软 化或硬化特性，实际是弹塑性体。这些使得弹性理论不能反映真实的应力情况。 近年来工程界广泛采用弹塑性理论对重力坝进行应力分析。国内外己研制 出许多实用的计算程序。虽然如此，还有一个最重要的问题没能解决，即应力 分析中的设计判据问题。1 。我国混凝土重力坝设计规范d l 5 1 0 8 1 9 9 9 规定：坝内 孔洞配筋可根据有限元应力计算成果，按d l t 5 0 5 7 执行。 1 概论 122 重力坝坝基稳定性问题研究进展【3 0 】 抗滑稳定性分析是重力坝设计中的一项重要内容，其目的是核算坝体沿坝 基面或沿地基深层软弱结构面抗滑稳定的安全度。重力坝坝基稳定性问题的 研究方法归纳起来主要有以下几种： 12 2 1 刚体极限平衡法 刚体极限平衡法是坝基岩体抗滑稳定分析中应用最广泛且为规范所推荐的 一种方法。它计算工作量小，有许多成功的工程实例，还具有与该方法相配套 的安全判定标准“。虽然此法在计算过程中作了许多简化，但由于具有丰富的 工程经验，因此仍不失为一种行之有效的方法。 刚体极限平衡法假定坝基岩体可能滑动块为不发生变形的剐体，以抗滑力 ( 矩) 与滑动力( 矩) 之比作为稳定安全系数，以此安全系数判断可能滑动块是否 失稳“。当破坏面为单一滑裂面时，该法能较合理地确定稳定安全度，而对于 复杂的破坏面，则必须引入若干假定才能建立刚体极限平衡模型。在此过程中 可能忽略某些控制性因素而得出不符合实际的结果。因此刚体极限平衡法只适 用于完全由剪切滑动引起的失稳问题，当结构面本身产状不利于滑动，但某些 位置的岩体较大的变形能力使得坝体和基岩的滑动失稳成为可能时，凡4 体极限 平衡法可能给出过于乐观的结果“”。此外，在地震动力分析过程中，刚体极限 平衡法很难计入坝一库水一地基的动力相互作用、无限地基对动力反应的影响 等因素的作用。 目前工程中采用将有限元分析与刚体极限平衡相结合的分析方法，充分发 挥这两者的优点，既考虑了刚体极限平衡法难以计入的影响因素，又使安全系 数的定义符合现行规范，易为设计人员所接受“。 l2 22 数值分析法 目前坝基稳定性分析常用的数值分析方法有有限元法和边界元法。 ( 1 ) 有限元法 有限元法是随着电子计算机的出现而产生的一种计算方法，它把求解区域 划分成许多小的在节点处互相连接的子域( 单元) ，在单元交界面上位移协调； 在单元节点处插值，以节点处位移为基本未知量，用节点位移去逼近实际整体 位移场。由于其单元( 子域) 可以被分割成各种形状和大小不同的尺寸，所以 四川大学硕士学位论文 它能很好地适应复杂的几何形状、复杂的材料特性和复杂的边界条件“”。 在重力坝的稳定性计算方面，由于有限单元法可以方便地处理坝体、地基 各种复杂的几何形状和构造、材料分区、模拟施工过程和加载顺序，也能方便 地解决各种场问题，能进行弹塑性、静动力分析，因此近几年来有限元法在工 程中的应用越来越广泛“”。目前国内外工程界大力研究的方向是对包括基岩在 内的大坝整体分析，即整体三维非线性有限元分析，成为综合了结构、材料、 工程地质、岩石力学、现代计算技术等多学科的最新科技成果而形成的新的坝 工设计理论。目前对大坝连同地基一起进行整体三维非线性有限元分析已有了 成熟的发展并已运用到了实际工程设计之中”3 。 但是有限元方法在应用中受到诸如结构简化、单元剖分、材料本构关系、 物理力学参数、单元位移模式等因素的控制，因此，在实用过程中尚有一些需 要解决的问题，且迄今为止也未能制定出与有限元法相适应的设计规范“”。但 鉴于材料力学法的不精确性，我国混凝土重力坝设计规范d l 5 1 0 8 1 9 9 9 规定： 高坝除用材料力学法计算外，尚宜采用有限元法进行数值分析。同时还规定： 有限元法分析坝基深层抗滑稳定的成果，可作为坝基加固处理方案的评价和选 择的依据u ”。 ( 2 ) 边界元法 边界元法是继有限差分法、有限元法之后发展起来的又一数值计算方法“。 该方法仅对边晃进行离散化，在计算域内部并不离散化，之后利用无限介质中 点荷载的解答，对所有边界上的单元求和，得到代数方程组。这样减少了采用 单元的维数，二维问题可采用一维单元，三维问题可采用二维单元，不仅大大 减少了单元的数目，方便了单元的剖分，而且数据的处理工作与代数方程组的 阶数均将显著减小；此外，由于利用了无限介质中的点荷载理论的解答，因此 可直接将此法用之于无限及半无限介质1 。总之，边界元法具有输入数据少， 降低问题的维数，计算精度高以及适应于无限域和半无限域的特点，使得其在 处理坝基面渗透压力等无限及半无限域问题和库水中的动水压力等动力学问题 时较有限元法具有明显的优势，在岩土工程( 如地下洞室) 和水工结构的应用 方面将具有广阔的前景。”o “。 但是边界元自身的缺点也不容忽视，由于各种边界积分都要用到叠加原理， 因此只适用于完全线性或增量( 近乎) 线性的系统，而对于非连续多介质、非 1 概论 线性和优化等问题，边界元法则不比有限元法灵活、有效。此外，边界元所用 基本解和分析途径不仅因问题而异，即使对同一结构的静力和动力分析也是大 相径庭，因此不利于编写通用程序，加上它要用到较多较深的数学工具，因而 大大限制了它的工程应用o ”。因此，近年来提出了边界元一有限元耦合法，既 充分发挥了边界元的优势，同时又能利用有限元法的长处，在工程应用中取得 了满意的结果n ”。 1 2 2 3 模型试验法 模型试验研究的目的，一是研究建筑物基础，在上部结构及外荷载作用下 的变形破坏机制及其演变过程，以确定应采取提高基岩稳定性的措施，或对加 固工程方案进行验证与优选；二是研究在设计荷载或超载条件下，基岩变形对 上部建筑物应力分布的影响。为了解决以上的两个问题，目前采用的方法，前 者用地质力学模型试验来解决，后者用应力模型( a s 膏模型等) 来解决1 2 “。 地质力学模型主要研究模拟岩体的断层、破碎带、软弱夹层、裂隙节理等 不连续构造对结构的应力分布和变形状态的影响及岩体稳定和工程安全问题。 目前已广泛应用于水利水电工程建设之中，如复杂岩基上重力坝的抗滑稳定问 题、拱坝坝肩应力状态问题等。据统计，建在复杂地基上的高l o o m 以上的重力 坝或拱坝，无一例外的在坝工设计阶段要进行地质力学模型试验“”。 在实验方案上，传统的地质力学模型方法一般采用超载法进行。超载法是 假定坝基岩体及断、夹层力学参数不变的条件下，逐步增大坝上游面的水荷载， 直至坝基失稳为止，从而分析得出超载稳定安全度，以此评价工程的安全性。 此方法与重力坝的超载思路一致，且试验方法简单易行，考虑了突发性洪水等 导致水平荷载超标的因素。然而却没有考虑水库长期运行中，坝基渗流场改变 等因素形成的对岩体或断、夹层的侵蚀，导致其强度逐渐降低，从而导致基岩 失稳破坏的可能性。 近几年来提出了强度储备安全系数法，在物理模型上作强度储备安全系数， 在理论上虽然是成熟的，但在试验技术工艺上，目前还存在一定的困难。如果 按保持外荷不变逐步降低建筑物和基岩的强度来作，需要作若干个模型才能达 到目的，这不仅在人力物力上是不允许的，而且也很难保证各个模型在制作和 加载过程中保持同一精度，从而影响成果的质量啡1 。 四川大学硕士学位论文 此外，模型试验周期长、工作量大，费用高。在对原型的简化中，一些次 要的( 实为重要的) 因素被人为简化了，这对于模型试验来说是必须的，但是 对于反映原型实际是有差异的。还有一些因素，如渗流水对坝体应力的作用等 在目前的技术条件下还无法模拟。 1 3 本文研究的技术路线 由于1 2 “、1 7 “、1 9 4 坝段为武都r c c 重力坝代表性高坝段，且坝基内断层、 层间错动带、缓倾结构面、溶蚀带、溶洞等不利地质构造相互交错、贯穿坝体 上下游和在建基面出露，受力状态复杂，本文采用三维非线性有限元法系统研 究上述两个坝段开展坝体结构特性及坝基稳定性。 主要研究内容主要包括： ( 1 ) 根据坝基天然地质情况和设计提供的加固方案，建立天然地基和加固 地基的三维有限元模型，准确模拟坝体、坝基内软弱结构面和加固措施， ( 2 ) 研究坝体变位及应力分布规律和特征值； ( 3 ) 研究坝基的应力分布特征，校核大坝基础的承载特性，论证加固方案 对坝基变形和应力的改善效果： ( 4 ) 对比天然地基、加固地基和均匀地基条件下，坝体变位和应力分布的 不同特点，分析地基条件对坝体应力应变的影响； ( 5 ) 根据坝基内软弱结构面的分布和方向，拟定可能的滑移面组合，根据 非线性有限元应力计算成果，求得各滑移面组合抗滑安全系数，分析大坝天然 地基和加固地基抗滑稳定性，评价工程加固措施效果。 ( 6 ) 分别采用超载法和综合法，分析坝基的变形破坏过程和破坏机理，确 定坝基的整体抗滑稳定安全度，评价工程的安全性。 ( 7 ) 研究坝基内不同洞径不同埋深的水平溶洞及落水洞的影响范围和程 度，评估溶洞的处理范围。 2 三维非线性有限元基本理论 2 三维非线性有限元基本理论 2 1 岩体强度与本构模型3 1 1 1 3 2 1 2 1 1 岩体的本构模型 ( 1 ) 弹性本构模型 坝址区岩体弹性矩阵为 f d e l ：_ 旦l ( 1 + “i ) p n 0 一u i t l )n ( u i + u 2 n )n u z ( 1 + u 1 ) 0 n ( 屿+ u 2 n ) n 0 一m , bn u 2 ( 1 + u 1 ) 0 i 1 , 1 1 2 ( 1 + u i ) n ( 1 + u 【)l 。u ；0 o o 0 0 0 o o o 0 n p ，一 2 0 o 0 o 0 m 0 + u 1 ) p oo 式中：n = e l e 2 ，m = g f f e 2 ，p = 1 一u i 一2 n u ； ( 2 ) 弹塾 生本构模型 弹塑性问题的增量型本构关系为： d c r = d 品 出 o o 0 o o m ( 1 + u 1 ) p ( 21 ) ( 2 2 ) 应用塑性流动法则，可导出弹塑性矩阵 d 。】的表达式为： d 。p 】2 d 。卜 d ， ( 2 3 ) d 。】= 式中：( d 。】弹性矩阵 ( 2 4 ) j一v吖 陵强磊 1l、j一k训型眈 “儿汀， 葩丽一却磊 0 一卜吟一a 四川大学硕士学位论文 d 胡塑性矩阵： g ，p 塑性势及屈服函数； a - 一应变硬化参数( 爿= 一 宴) ( 娶) ，当a 0 应变硬化，a 0 0 t0 1 ，硬 1 变软化) ； 塑性矩阵的具体形式是： 式中 【d p 】 s i = d i l a x + d i 2 g y + d i 3 6 z ， ( i = 1 , 2 ，3 ) s j = g c k j ，( k j = x y ，y z ，z x ) ，( i = 4 , 5 ，6 ) s o = a + s 1 0 x + s 2 d y + s 3 g z + s 4 t x y + s 2 z y z + s 3 c t x ( 25 ) 2 ，12 含节理裂隙岩体强度计算模型 岩石在长期的演变过程中，形成了各种各样复杂的软弱结构面( 断层、夹 层、节理、裂隙等) ，破坏了岩体的连续性，改变了岩体的应力应变状态。从 工程观点出发，往往十分强调这些软弱面的影响，并且认为工程中的岩体稳定 问题主要受软弱面控制。对于含有节理、裂隙等结构面的岩体，其破坏形式包 含沿弱面的定向破坏和岩石自身的破坏两种形式，一般来讲，弱面是控制因素。 本工程坝基缓倾裂隙发育，这种含断续节理裂隙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，根据左右岸边坡不同部位主应 力张量与节理裂隙面产状的相对方位关系，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 茂戎魏概& s s s s正巧罐跗蹦s溉嗡嗡岛淞嘁瞩擎毋驴擎蜂踽$ $ 郾$ $田牮印举郎印 2 三维非线性有限元基本理论 型模拟岩体材料，该强度模型由以下两个方面构成： ( 1 ) 沿优势裂隙面方向定向破坏条件 由有限元计算得到的坝基岩体应力场6 i j ，根据不同部位每组节理裂隙的产 状，分别计算各组裂隙的方向余弦，由应力转轴可以得到不同方向裂隙面上法 向正应力6 n 和切向剪应力1 n ，其破坏模式可能呈两种情况： 若6 t ， r t( i - 1 , 2 ，3 ) ( 2 9 ) 式中a 。j 表征应力特征点三个主应力，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。 若式( 2 9 ) 不成立，进而判断是否进入塑性状态。工程上常用d r u c k e r p r a g e r 准则，其屈服函数为： 叩( i l ，习= i 一( z i l k + h 。= 0 ( 2 1 0 ) 式中：i t 一应力张量的第一不变量，i l = g 。十g y + o ：= a 。6 0 ： 四川大学硕士学位论文 g 。一平均应力； j 2 一偏应力张量的第二不变量， ，：= l ( t j x - - ( y y p + g ，一6 ；) 2 + ( 6 ：一g 。) 2 = 圭s n s 。 & 一偏应力张量，s u = 6 u a 。6u ； f l 一硬化材料的硬化参量； 归赢旺 卜丽3 c 21 3 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 t s 障cj + 6 。t 9 9j ( 2 1 2 ) 式中c j 和t g ( p 。分别为软弱结构面抗剪强度参数a 对于破碎带宽度较大的断层，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d r u c k e r p a r g e r 准则，只是材料磨擦系数和凝结力改用结 构面参数，本构阵仍沿用( 23 ) 式。 2 2 坝基岩体稳定安全系数计算方法【3 5 1 1 3 7 1 在坝基岩体稳定性分析评价中，采用以下三种稳定安全系数评价方法 1 ) 坝基滑移面安全系数 2 ) 坝基整体超载安全系数 3 ) 坝基综合安全系数 2 三维非线性有限元基本理论 2 2 1 坝基滑移面安全系数 在有限元分析中可以直接给出坝基滑动面( 带，上) 若干单元高斯点上正 应力蚧剪应力b 。沿接触面某一单元( 微段) a c 积分( 见图2 2 ) ，可以方便 地得到该单元( 微段) 的阻滑力与滑动力。其中， 阻滑力： f z2 。( c - o f ) d a( 2 1 2 ) 滑动力可写为： = i _ | tid a( 2 1 3 ) 式中：，= t a n p 为滑动面的摩擦系数；c 为滑动面的内聚力。 图2 1二维滑动面示意图 沿滑动面所有单元积分，可方便地求得滑动面上的总下滑力及总阻滑力。 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t e ，即 抗滑安全系数可表为： 7 式中：n 为滑移面上单元总数，参见图2 2 。 若沿主滑动方向投影，可定义矢量抗滑稳定安全系数 ( 2 1 4 ) 。 巴 。h = k 四川大学硕：e 学位论文 f c 一吒c a n 如 k ，2 芏 = = f 一 ( 2 15)n 5 乳再蕊，高吲 牛 式中：石为块体滑动方向，f 为交界面上剪力向量。 22 2 坝基整体超载安全系数 坝肩( 基) 整体抗滑安全系数可用超载系数表征。作用于坝上的外荷载强 度由于特殊原因可能超过设计荷载，因此使混凝土坝失稳或遭到破坏。建筑物 失稳或遭到破坏时的外荷载强度与设计正常荷载强度之比，称为结构超载系数。 超载法计算的基本方法是假定坝基岩体强度参数不变，通过逐级超载上游水荷 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，即作为坝基的整体超载抗滑稳定安全系数。 2 2 3 坝基综合安全系数 坝基综合安全系数反映上游水载超载k 。和岩体强度参数下降k ，两种因素 组合作用下坝基稳定的整体综合安全度。坝基综合安全系数为k ：= k 。k 。 2 3 三维非线性有限元分析程序 本课题坝体结构应力及坝基稳定分析采用由国外引进，并经我院多年扩充 完善的三维静动力非线性有限元分析程序，近二十年己先后成功应用于国家 “七五”、“八五”、“九五”、“十五”科技攻关课题及二滩、锦 屏一级、溪洛渡、沙牌、紫坪铺、官地、小湾、瓦屋山、硗碛、狮子滩、天生 桥一级、天生桥二级、洪家渡、思林、百色、引子渡、马沙沟、天龙湖等三十 多个大中型工程研究，取得了良好的效果，并在工程实践中不断丰富完善，现 已具备很强的分析功能，主要包括： ( 1 ) 能针对各种不同水工建筑物、地下洞室群、库岸边坡及其复杂地基条 件，进行多种弹性、弹塑性、渗流场、温度场及脆性断裂力学问题的静力和动 力数值模拟分析。 ( 2 ) 可选择多种强度及本构模型，非线性计算方法采用变k p 迭代法。 2 三维非线性有限元基本理论 ( 3 ) 具有多种类型单元库、便于模拟各种地质界面和几何边界。 ( 4 ) 可模拟旋工开挖、分期填筑等施工过程，还可进行加固、卸载及各种 应力路径的模拟计算。 ( 5 ) 具备较完善的前后处理和友好界面，便于成果的分析整理。 四川大学硕士学位论文 3 有限元计算模型及参数 3 1 工程概况 武都重力坝位于嘉陵江支流涪江上，系碾压混凝二匕重力坝，大坝坝项高程 6 6 1 3 4 m ，坝顶长度7 2 7 0 m ，建基面最低高程5 4 1 0 m ，最大坝高1 2 0 3 4 m 。坝 区地面高程5 7 2 7 7 5 m ，相对高差1 5 3 2 0 3 m 屑低山地貌单元，山体走向与岩层 走向基本一致，呈北东向，坝区内主要为构造剥蚀溶蚀地貌。 坝区涪江河道较顺直，流向s 1 0 2 0 。e 。两岸谷坡较陡峻，坡高1 5 3 2 0 2 m 。涪江水位5 7 2 5 0 m 高程时河面宽度1 3 0 1 8 0 m ，发计正常蓄水位6 5 8 m 时，相对应的谷宽5 5 0 6 0 0 m 。河谷断面较对称，河床平均坡降2 。岩层走 向与河流呈大角度相交，属横向谷。坝区左岸山体较浑厚，6 6 0 m 高程一线的地 形宽度为14 25 k i n ；右岸山体较单薄，发育低邻谷。 坝区为泥盆系地层( d 2 印) ，按岩性分为九个层位，即d 2 1 结核灰岩，d 2 2 微层泥灰岩，d 2 3 介壳灰岩，d 2 4 、d 2 6 、d 2 8 为灰岩；d 2 5 、d 2 7 、d 2 9 为白云岩。 同时部分层位中夹有透镜体状岩层，其岩性分别为d 2 4 一l 泥质介壳灰岩，d 2 5 2 灰岩，d 2 5 5 白云质灰岩、d 2 5 6 微层泥灰岩、d 2 7 。2 结核灰岩；d 2 3 1 白云岩，d 2 7 1 和d 2 。3 为结核白云岩类，d 2 1 为沥青质白云岩。 坝址区位于龙门山褶断带前山构造带的北段，处于f 5 与f 7 断层之问，区 内主要构造线呈n e s w 向展布，岩层总体产状n 4 l 。6 8 。e n w 么6 6 。