重力坝均质坝基的失稳机理研究

1、重力坝均质坝基的失稳机理研究第22卷第1期1989年2月武汉水利电力学院j.ofwuhanunlvofhydr.&eleceng.vo1.22no.1feb.1989重力坝均质坝基的失稳机理研究常晓林陆进远(水力发电工程系)提要事文通过数值模拟重力坝均质坝基的破坏过程,对其失稳机理进行了分析研究.结果表明,坝基的破坏主要表现为坝踵裂缝的延伸和坝趾附近基岩剪切屈服区的扩展.当屈服区在坝基浅层形戒上下游贯通时,坝基承载能力达到极限值,大坝措塑性屈服层滑移,从而导致整体失稳.关蕾词:坝基裂缝屈服i破坏分析失稳机理引言坝基岩体的稳定分析是坝工设计中一个十分重要的问题.混凝土坝的一切荷载最终都是

2、由坝基承担的,作为坝基的岩体是否具有足够的强度或其强度是否被合理地利用,必然影响到大坝的安全与经济.因此,要合理地进行夫坝的设计和施工,必须首先了解结构的受荷特征和应力与变形状态,弄清坝基的破坏机制和失稳形态,在此基础上才能确定合适的安全准则.正确地评价大坝的稳定性,相应提出有效的加固处理措施.几十年来,人们致力于研究探讨坝基岩体的破坏机理和变形特性,取得了不少成果,也积累了许多经验.”但是,这些初步探讨还远远不能满足工程实践的需要,到目前为止,对破坏机理的认识仍是比较肤浅的.基于这种现状,本文采用非线性有限元对重力坝均质岩石坝基的破坏过程和变形形态进行了分析,试图在失稳机理方面得出一些规律性

3、的认识.这里所提的均质岩石坝基是为了便于数值计算分析而采用的一种在力学上等效的理想化模型.自然界中的岩体由于其自身存在节理裂隙和受断裂构造面的切割,实际上是不连续,不均匀和各向异性的,工程实践中要搞清其复杂的结构构造情况也是很难的.对于坝基岩休节理裂隙比较发育,分布的随机性强,总体上是无规律的且无主要缓倾角软弱结构面的情况,我们往往可以通过采用一定代表性体积上的力学参数的等效,近似地简化为.均质岩石坝基.情况来考虑.因此,这种.均质岩石坝基模型对于工程实际具有一般性的研究意义.i计算分析方法本文主要采用非线性有限元对坝基破坏过程进行计算模拟,并依据以下条件编制了计算奉文1988年7月5日收到程

4、序t1.1荷藏情况只考虑了坝体混凝土自重,上游坝面水压力,坝基渗透体积力和坝基岩体初始应力等几个主要荷载.逐步提高库水位来近似模拟水库蓄水的过程,从而探求坝基状态的变化情况租破坏的发展过程.1.2破坏判据采用了如图1中曲线abc所示的复合破坏判据,bc段为mohrcoulomb准则曲线,ab段为近似于hoekbrown准则曲线的一段抛物线,其方程可表示为.建1一b./-,蚰段t(量)-+昔obc段iai;fa+r盯30一式中,a1.a最犬,最小主应力(压为正)j月,月.岩体单轴抗压.抗拉强度jf强度线的斜率.显然,f相月与岩体抗剪强度参数/.c的关系为f一(,+了r)1r=2c(f+1+,.)

5、/又由ab与bc在b点光拊莲接(相切)可得图1复合破坏判据(2);c(1可.一,)一耳,2f(3)在双向压缩状奄下(0)岩俸遵循mohrcoulomb准则,并假定是脆性破j=:型,印当岩体剪应力超过其峰值强度时,即应力状悉点落在bc线上方,抗剪强度将降至残余强度(13c线),本文提到的剪切屈服即指这种情况.当出现拉应力时(口s<0),岩体服从抛物线判据,若拉应力达到或超过其极限抗拉强度,岩体发生破裂,产生拉裂缝,方向与主拉应力(a.)正交,缝端周围剐伴随有数裂缝隙扩张医.宏观裂缝的出现将使坝基结构的接体性受到不同程度的削弱,同;,也引起坝基渗流状态的变化.当某单元出现裂缝对,我们在裂缝界

6、面上反向施加拉应力,作为对该局啬l;应力和变形的调整,程序自动对单元和节点重新编号.这里假定裂缝妊张开的,不传递法向和切向应力,且作为坝基渗流场韵一个等水头边界.对于均质坝基,裂缝的初始起点一般在坝踵角点.上述复台型判据仍然只包含岩休的f,c这两个抗剪强度参致.实际上脆性破坏时峰值与残余值的关系是随应力状态而变的,但为了便于成果的分析整理,根据试验资料的统计分析,本文取抗剪断强度参数的残余值与峰值的关系为f,一0.8,c一0.5c艘行计算,这一关系与文献的结果是吻合的.1.3坝基渗流与应力状态的耦台在许多情况下,实验室以及现场试验的结果都表明,无论是岩石材料或是岩休,其渗透系数都常会随着应力状

7、态和内部液压的变化而表现出大幅度的变化,尤其是发生局部破啄后,渗流与应力状态之间存在着明显的耦台效应.文献57通挝对裂隙岩俸渗透机理和褐台实质的分析,导;了等效渗透系数与庄变状卷的实用关系式,lk.p一日(,+=),一.expep(:+)l(4)i一.expe日(l+)j式中,.主轴,y.却向岩俸变形后购等效渗透系数(cm/s)j.最初状态(参考状态)一0时岩体静向同性等效渗透系数(cm/s),e,主轴,y,=方向岩体中某点的主应变,b反映岩休渗透系数对应变变化敏感性的无量纲参数,本文中的计算根据loui等人的试验誓取b一5100.利用式(4)缭制廊子程序将应力应变计算与渗流计算联系起来,反复

8、计算调整几次,即可近似计入=者的辆台效应.当坝踵和坝趾处发生破坏时,产生的集中变形对渗流的影响也可由式(1)计入,此时认为b不变.1.4埙基受蠢的报方式通常采用超载法或降低材料强度指标的方法来模拟结构的失稳.一般讲重力坝所型荷载可以比较准确地计算出来,对坝上游面的水平推力,即使在结构物运转过程中难免会因为稀遇洪水或地震烈度提高以及库区滑坡涌浪等原因造成短期超载,其超载值也是很有限的.潘家锋认为超载系数值一般采用1.1o1.15已经够了,这远远小于要求的结构安全系数.l而坝基岩体因节理裂豫和不均一性等因索的影响,试验所得的强度参数值变幅较大,表征性很难得到保证.鉴于以上考虑,本文在计算中不考虑超

9、载情况,而采用越来越小的抗剪强度参数值输入计算,直至大坝整体失去稳定.坝体剖面取基本三角形,上游面沿直,下游坝坡m=o-75,坝高h,采用无量纲分析,相对坝高为l,惟幕深达二分之一坝高,厚度为1/20坝高,其中心线距上游坝面距离为/1”坝底宽,坝基排水孔澜达二分之一帷幕深度,此处扬压力折减系数a=0.3.坝基计算范围均取5倍坝高,假定霸高库水位与坝顶齐平,下游无水.如图2a所示.采用三角形单元进行剖分,整个计算区域划分为422个单元,233个节点,中心部分见图2b.计算采用的材料薹本参数列于表1,其中y为水的容重,e为坝怍混凝士弹模,.獗基岩体初始渗透系翻.因采用无量钢分析,故衷中参数只以相对

10、值形式给出.裹l材辩基本参数参数:容重比比弹捌泊松比相对渗透耦台材.iy/ywe/ec;k/k.1日【系数1系数-.0.17o蝇基岩障12.651o.55;o.25151o帷幕i2.650.550.251/50l0对于工程中常用的坝休剖面尺寸和荷载情况,坝体一般不会出现破坏,因此,这里图2a有限元计算简图45在计算中对坝体部分不进行破坏条件的核查,而把注意力集中放在坝基部分,从而简化计算,节省机时.坝基岩体的力学强度指标将以,p(,),s(s,)的形式给出,其中,s=c/y.hd口图26坝一基有限元厢格剖舟2坝基破坏过程及失稳机理分析根据计算得出库水位z与大坝特征点(坝顶a,坝踵b,坝趾c)位

11、移关系如图3所示.表2给出了不同水位对坝基破坏单元的数目和裂缝尖端的位置.这里恻举了四组参数(a),(b),(c),(d)的计算结果.(a)对应于坝趾处基岩刚刚开始出现剪切屈服的情况;(bj对应于坝基屈服区能出现上下游贯通的情况,在最高库水位时大坝将整体失稳i(c),(d)对应于坝基屈服区有一定发展但最终大坝不会整体失稳的情况.后三组参数时坝基破坏的发展过程如图4所示.图表中的成果记录均以如下xoy坐标系为基础,其中坐标原点0取在坝踵b点,轴以水平向下游为正,y轴以铅直向上为正,水平位移以向下游为正,铅直位移以向下(沉降)为正.为了反映不同的坝高情况,这里位移均以无量纲当量位移一.?一的形y】

12、dd式给出.图4中各标示线所围的区域代表当前级荷载下应力状态达到或超过破坏极限状态的部分基岩,某一标示范围内与前级荷载下所标示范围不重叠的部分,表示当前级荷载下新增的破坏区,其中重叠的部分则代表先期破坏后的继续加载区,而已破坏区与该范围不重叠的部分代表卸载区.另外需要说明的是,这里假定大坝建成时库水位z,hao.3,这就成为坝顶位移计算的初始条件.分析以上计算成果,可以得出以下几点认识.n0.三0i一010i一阿.hxi.赫艄鲥悄z/tid)与大规位移(6)关系曲线2.1当坝基岩体抗剪断强度参数,与(以s广义表示)以及弹性模量f,(以坝体与坝基弹模比e=f/f引入)不同时,所得库水位与坝一基结

13、构特征点的位移(以6广义表示)关系曲线的性状就总的趋势来讲都是一致的.这些血线反映了太坝在蓄水过程中坝身,坝基位移的一般规律.一一王一f”lr.h:7一“tfd图4埙基破坏的发展过程2.2由计算所得的所有的库水位与a,b,cz点的铅直位移关系可知,在水j乍未蓄水状态或建成时的低水位状态,规体自重引起的地基沉降,在坝踵b点大于坝趾c点,坝基面(指b,c两点连直线所成的视平面)是倾向上游的.坝基面在坝体自重作用下完成向下的不均匀“沉降之后,随着库水位的运渐上升,三特征点的铅直位移均逐渐向与自重【起的变位相反的方向变化.坝顶a和坝踵b始终是上抬的,而坝趾c的沉降变化则不很明显.这主要是因为,坝面水压

14、力增量对坝基面的弯矩作用使坝踵上抬而使坝趾下沉,而坝基渗透体积力的增量的作用将使原已压缩的坝下地基松驰回弹,在相同的水位上升速率情况下,前者的作用随库水位升高越来越犬而后者则无明显变化,两者的作用在坝踵处是相互叠加,而在坝趾处则是相互抵消一部分.另外,坝趾处基岩可能出现局部屈服,从而产生塑性变形.因此,坝趾处的铅直位移呈现出小的时增时减现象.总的讲,坝趾c的这种沉降变化的幅度很小,在工程意义上可以认为其基本不变.这样,可以说大坝在库水作用下发生向下游的水平位移的同时,还有犬致绕坝l趾点向下游转动的越势.在满库状态,坝壁视平面一般是倾向下游的.2.3由计算得出的库水位与各点水平位移的变化关系可以

15、看出,随着库水位的上升,各点向下游水平位移的增长逐渐加快,尤其是坝顶点a的水平位移,由于坝踵上抬【起坝体向下游的转动以及坝体本身的弹性变形,其增长的速率最大.通过对b,c两点水平位移曲线的比较还可发现,对于最终坝趾区不发生屈服或很小范围屈服的情况,b点和c点的水平位移差有随库水位升高逐渐增大的趋势,这个位移差平均反映了坝下浅部基岩水平向压缩的情况(如圈3(a)所示).而随着坝趾基岩屈服区的发展,坝趾c的水平位移增长将会加快,此时上述位移差随库水位升高逐渐增犬的趋势有所减弱.对于最终基岩屈服区在坝下范围接近1/2坝底宽的情况,b,c两点的水平位移曲线几乎保持平行状态(如图3(c),(d)所示),

16、这说明坝基面的横向压缩由于坝趾部位支撑岩体的屈服已不能再增加,主要只是其下部基岩剪切屈服后错动滑移导致的坝基面的平移和转动.当最终坝基屈服区上下游贯通n(如图3(b)所示),b,c两点的水平位移几乎相等,这是因为坝趾下游基岩被挤出造成.临空面效应,使得坝基面原来的横向压缩被释放.此时坝体水平位移呈现持续增长的不稳定趋势,表明大坝已平行滑动,结构整体失稳.2.4计算结果表明,随着库水位的升高,首先在紧靠坝踵上游的地基表层出现微裂隙扩张区,然后开始出现坝踵裂缝和伴随在其尖端周围的微裂松驰区,并逐渐向地基深部发展.坝踵裂缝的发展比较稳定,在没有大的超载的情况下,其延伸深度有限,一般没有超过坝高的l/

17、5,且倾角较陡.尚未深入到防渗帷幕中去,只是微裂区最后有所波及.微裂区的扩展一开始比较快,而后逐渐变缓慢.当基岩较软弱,力学强度较低时,则滞后一些或同时将出现坝趾处的基岩剪切屈服,这个屈服区的扩展开始是很缓慢的,然后逐渐加快并主要向上游发展,当屈服区在坝下的范围超过坝底宽的1/2左右后,其扩展速度迅速增大,很小的库水升高或基岩强度降低都会导致其贯穿整个坝下浅层基岩,从而使大坝整体失稳.如图4(b)所示.2.5对不同弹模比和抗剪断强度参数组台情况的计算结果的比较表明,这些参数的变化不改变坝基破坏发展的总体特征.差别主要在于:弹模比越小,即地基越硬,坝踵裂缝出现的越早,微裂区范围越大,坝趾处基岩越

18、不易屈服,反之,弹摸比越犬,即地基越软,坝踵裂缝出现的越迟,微裂区相对越小,坝趾处基岩却越易屈服.弹模比一定时,抗剪断强度参数的不同主要引起坝趾附进屈服医的不同,而对于坝踵破裂没有明显影响.综合以上分析,可以认为比较软弱的重力坝均质岩基的破坏失稳主要取决于由坝趾处开始的基岩剪切屈服区的发展过程.其中坝趾处刚刚开始出现屉服和届服区在坝下范围达到1/2坝底宽这两种状态对于审核大坝的稳定性有着重要的意义.对于比较坚硬的均质坝基,将不会出现坝趾处基岩达到屈服而后逐渐扩展的破坏形态,其破坏可能有两种形式t(i)当发生过大超载时,坝可能按fishman所指出的倾倒方式破坏,(2)当无过大超载时,若坝基胶锆

19、面是一明显相对弱面,则大坝可能沿此面水平滑动破坏.3结语3.i本文所用的分析坝基稳定的非线性有限元程序髓够跟踪坝踵裂缝的扩展,模拟大坝的整个破坏过程,并考虑了埂基渗流与应力状态的耦台效应.3.2比较软弱的重力坝坶质坝基的破坏主要表现为坝踵区裂缝的扩展和坝趾附近岩体的剪切屈服.其失稳机理妊:当塑性届服区在坝基浅层形成上下游贯通时,大坝承载能力达到极限值,沿剪切屈限层滑移导致整体失稳.3.3当坝基岩体强度较低时,大坝稳定与否主要取决于由坝趾处开始的剪切屈服医的扩展情况.此时,对应于瓤趾处开始出鞠毒橱哥服和坝基屈服妊在坝下范圈达到坝底宽的i/2这两种特征状态对于寻求合理的安全准则核算大坝的稳定性将具

20、有重要意义.关于这方面的探讨将另文详述.参考文献1fishmanyua.investigati0nsintothemechanismofthefaihtreofconeretedamsrockfoundationsandtheirstabilltyanalysis.proc4thicrm,1979i2:1491522周群力等.混凝土重力坝与基岩胶结面用断裂力学方法进行计算的探讨.水文地质工程地质,19791(6)3baslavskyia,fridsa.anewapproaehtothecontactstrer.gthoftheconcretegravitydamwithrockyfonndation.hydrotechnca1construction,1977,(8)4长办岩基室.论混凝土坝基剪切破坏准则的确定和抗剪强度计算参数的选择.水利水电科技情报(2),19785常晓林.岩体