土石坝坝坡稳定性分析

土石坝坝坡稳定性分析

1高土石坝地震模型试验研究随着我国经济的快速发展和西部大发展战略的实施，西部水利工程的建设也迅速发展，高坝水库的建设也越来越多。据统计，这些高坝中的石板占相当大的比例。大多数高坝位于高山地区。这些高坝的稳定性已成为一个不容忽视的重要问题。其中，在地震作用下高土石坝的残余变形、坝坡乃至坝体的动力稳定性等是高土石坝地震安全性评价的重要内容。在缺乏实际高坝地震破坏资料的情况下，室内动力模型试验成为了解高土石坝动力响应特性和地震破坏性态的重要途径。在国家“七五”、“八五”科技攻关时期，韩国城等进行了一系列面板坝模型振动台试验，以多种材料(砂浆、石膏、有机玻璃等)模拟混凝土面板，通过类比方法研究强震时面板坝的破坏性态、发生部位，并探讨了加盖护面板、加宽坝顶及适当放缓坝坡等提高抗震能力的工程措施；同时，X.J.Kong等曾通过大比尺面板坝模型振动台试验研究了加筋及钉结土技术提高面板坝抗震能力的效果；此外，李永胜针对加筋坝坡进行了大型振动台模型试验研究，主要分析了坝坡坡度、加筋长度、间距等因素对坝坡的动力响应、破坏形式以及破坏面位置的影响。由于模型试验费用高、试验工况有限等原因，为了更全面、深入地了解坝坡的地震破坏特征和稳定性，有必要进行数值分析验证。本文采用动力弹塑性分析方法，对振动台试验模型进行数值模拟，通过类比计算工况，比较、分析了坝坡的破坏过程及其破坏性态，同时采用拟静力方法对坝坡的稳定性进行分析，比较了滑裂面位置，分析了加筋对坝坡稳定性的影响。2flac数值分析方法土工建筑物地震反应分析主要采用基于等价黏弹性模型的等效线性分析方法，等价黏弹性模型概念明确，使用方便，在参数的确定和应用方面积累了较丰富的试验资料和工程经验。然而，该方法的缺陷是：在加荷和卸荷时模量相同，不能直接计算土体在周期荷载作用下的残余变形，塑性屈服模拟不合理以及不能考虑大变形。近年来，拉格朗日法由于能解决大变形问题和弹塑性动力分析而倍受青睐。FLAC是一种基于显式有限差分法的快速拉格朗日数值分析方法，它可以模拟岩土或其他材料的力学行为。采用了显式有限差分格式来求解场的控制微分方程，并应用了混合单元离散模型，可以准确地模拟材料的屈服、塑性流动、软化直至大变形，尤其在材料的弹塑性分析、大变形分析以及模拟施工过程等领域有其独到的优点。FLAC动力分析中，考虑到结构材料的力学性质和大变形影响，采用非线性振动分析方法，能够真实地模拟土体的应力–应变关系；由于采用Mohr-Coulomb模型，可以直接分析地震作用下坝体的永久位移。FLAC程序中的fos求解模块是根据抗剪强度折减法建立的土工稳定分析模块，它通过程序对土体的强度参数自动进行折减，并由程序内设的标准对结构状况进行判断，控制整个计算过程。强度折减法中，边坡稳定的安全系数定义为岩土体的实际抗剪强度与临界破坏时的折减后剪切强度的比值。3计算模型3.1试验模型与模型模型试验用的土料采用天然海砂，为细砂。砂土模型含水率为4%，c=2.2kPa，ϕ=37°；加筋材料选用铝箔，银白色，为了使筋材、土料接触良好，把铝箔切割成条带状，而后黏结成格栅，极限抗拉强度为14.4MPa，试验模型如图1所示。试验时，输入正弦增幅波对模型进行激励破坏试验，当模型出现明显的滑裂面破坏时，立即停止激励，振动台输入波形如图2所示。各模型工况控制参数如表1所示。3.2坝坡材料模型采用FLAC商用软件对模型坝进行弹塑性动力响应分析，模型坝网格如图3所示，计算工况同试验工况，增加工况1和3。计算中以振动台实际输入波作为输入地震动，只考虑水平单向输入，频率为10Hz，加速度幅值表达式为y=0.035gtsin(20πt)，地震持续时间为30s。坝坡假定为理想的均质坝坡，采用Mohr-Coulomb弹塑性模型，表2给出了坝坡材料的物理力学参数。筋材采用土工格栅(geogrid)单元进行模拟，该单元一般用来模拟与土发生相互剪切作用的柔性薄膜，土工格栅和实体单元之间发生直接的剪切摩擦作用，土工格栅和土界面特性由耦合弹性参数控制，其中ϕ，k分别为耦合弹簧的摩擦角和单位面积上刚度，具体计算参数见表2。4数值计算结果的分析4.1．振动台试验情况通过动力计算分析，主要考虑坝坡的永久变形，包括水平和竖向位移，比较了各组工况永久变形的变化规律和大小。为了便于分析，本文采用如图3所示特征线的结果进行评价。(1)坝坡坡度变化的影响不同坝坡坡度的永久位移变化如图4所示，具体数值大小见表3。由图4可知，特征线的水平和竖向位移沿高度方向呈规律变化，中上部增长趋势比较明显；随着坡度的变缓，水平和竖向位移均变小，坡度越缓，位移越小；水平位移的最大值发生在坝顶，竖向位移的最大值发生在坝顶附近。由表3可知，随着坡度变缓，最大水平位移和竖向位移均呈递减趋势，竖向位移降幅较水平位移降幅大，当坡比降幅为42.8%时，水平和竖向位移降幅分别为57.6%和66.2%。由此可见，放缓边坡可以提高坝坡的稳定性，限制坝坡的永久变形，但是放缓边坡势必增加土石方，提高工程造价，应在综合可行性分析后合理放缓坝坡。振动台试验(工况2和4)的结果显示，随着激励加速度的增大，坝坡模型初始破坏的形式是发生不均匀沉降，越靠近坝坡的坡顶沉降越大；在加速度达到某一幅值时，坡顶区土体先达到塑性屈服，导致坝坡模型的不均匀沉降；随着振动的进一步加强，在坡顶附近会出现坍塌沉陷，并沿坡面滑落的现象；坡度越缓沉陷越小，坝坡滑动也越小(见图5)。可见，数值计算结果和试验结果基本吻合，进一步验证了数值模拟的合理性。(2)加筋长度的变化不同加筋长度的永久位移变化如图6所示，具体数值大小见表4。由图6可知，特征线的水平和竖向位移沿高度方向呈递增变化，中上部增长趋势比较明显；随着加筋长度的增长，水平和竖向位移均变小，长度越长，永久位移越小；水平和竖向位移的最大值均发生在坝坡的坝顶附近，加筋长度变化对竖向位移影响明显，能有效控制坝坡的变形。振动台试验结果显示，由于筋材的作用约束了坝体的永久变形，坝顶坡面相对较完好，随着加筋长度的增加，坝坡发生滑动破坏的加速度随之提高，且滑裂面向深层发展，坝坡稳定安全系数也越大。从图7的模型破坏也可以清楚看出，随着筋材增长，能有效控制坝坡顶面的沉陷，同数值计算结果相吻合。从表4可以看出，由于加筋能改善坝体的整体抗剪强度和变形特性，从而限制了坝坡的变形。坝坡上部布置筋材对控制坝坡的永久变形作用明显，特别当筋材长度达到1m左右时，水平位移降幅达到10.8%，竖向位移降幅达到了28.5%，加筋能明显降低坝坡的永久位移，振动台试验结果也给予证明。因此在高土石坝抗震设计过程中，可考虑在坝体上部铺设加筋材料，增强坝顶区土体整体性，进而提高坝坡及坝体稳定性。4.2不同坡度模型坝坝滑裂面参数为了进一步分析坝坡坡度和筋材长度变化对坝坡稳定的影响，采用FLAC程序中自带的安全系数求解模块，对坝坡进行稳定性分析。通过强度折减法得到的折减系数即为稳定安全系数，折减后的强度参数为式中：CF为折减后的黏聚力，ϕF为折减后的内摩擦角，Ftrial为折减系数。基本原理是通过折减公式(1)，(2)不断调整岩土体的c和ϕ，进行坝坡稳定性数值分析，不断增加折减系数，反复计算，直至达到临界破坏，即得到安全系数。其破坏失稳准则是以力的不平衡比率小于10-3作为终止条件。为了清楚表达塑性贯通区域以及潜在滑动面的分布，特设定滑裂面的参数(表征滑动体大小)为H,V1,V2(见图8)。(1)坝坡坡度的变化不同坡度模型坝的滑裂面位置如图9所示，其具体参数见表5。由图9可知，不同坡度变化情况下，形成的潜在滑裂面形状相似，坡度变化对滑裂面的深度有一定的影响，随着坡度变缓，稳定安全系数变大，滑裂面变深，滑出点越向坡底靠近。由表5可知，坡比从1∶1.6(工况1)变缓到1∶2.0(工况4)时，安全系数由1.13增大到1.5,H由15.0cm增大到40.5cm,V1由16.9cm增大到40.6cm,V2由98.0cm增大到110.0cm，分别增大了1.33,2.7,2.4,1.12倍。也即坡度越缓，滑动体越大，潜在滑裂面越深，坝坡稳定性越强。模型坝坡试验破坏滑裂面位置如图10所示。由此可知，数值计算的结果和试验结果的变化发展规律一致，随着坡度变缓，滑动体变大，滑裂面变深，工况2的滑裂面较工况4要浅一些，滑动体也小一些，结论较为一致。综上可知，减缓坝坡可以提高坝体的稳定性，但势必增加工程量，所以从经济角度考虑，采取加筋措施效果更佳。(2)加筋长度的变化不同加筋长度模型坝的滑裂面位置如图11所示，具体数值见表6。由图11和表6可知，加筋由于筋材的作用，能提高坝体整体强度，明显加深滑裂面的深度，有效控制坝坡的浅层滑动(工况5和6)；随着筋材的增长，滑裂面越深，稳定安全系数越大，坝坡稳定性越强(工况7和8)。由表6可知，随着筋材增长，稳定安全系数变大，滑裂面参数变大；比较工况4和8可以看出，加筋模型的滑裂面参数远远大于缓坡的滑裂面参数，加筋的效果要明显好于缓坡。但当长度接近1m时，滑裂面参数变化已不很明显，滑出点V2已不变化，所以合理控制筋材长度是必要的。坝坡模型振动台试验的滑裂面位置如图12所示，具体数值见表6括号内的数值。可见，数值计算的结果和试验结果的变化发展趋势一致，都是随着加筋长度增加滑裂面变深，滑动体变大，当然加筋的长度也不是越大越好，设置长度只要超出潜在滑裂面1倍就可以了。结果表明，土中加筋不仅可以提高坝坡及坝体的强度，也可增强其整体性，从而提高稳定性，能有效控制坝坡的浅层滑动，与缓坡相比有较强的优势。5坝坡加筋对坝坡稳定性的影响从本文计算分析可得到以下结论