基于砌砌石护坡的坝坡散粒体稳定性评价

基于砌砌石护坡的坝坡散粒体稳定性评价

1在坝体结构参数和坝坡面滑弧稳定性之间的关系分析水库地震反应时的加速度放大系数i是计算和分析的重要内容。加速度放大系数αi又称动力分布系数,是坝体某点的水平向(或竖向)最大加速度反应值与输入水平地震动的峰值之比的最大值,即式中:αn∆t为某点的水平向(或竖向)最大加速度反应值;αmax0为输入水平地震动的峰值;nmax为离散时间点的总数。水平向(或竖向)最大反应加速度为αi或αmax的计算分析一般运用在两个方面:一是拟静力法计算滑弧稳定时,研究坝内不同高程处αi值对滑弧稳定的影响;二是用最大反应加速度αmax可定性评价堆石或砌块等散粒体沿表层滑动或滚动的可能性。堆石或彻块的粒径可达1.0m,在这约1.0m厚的表层不适宜作滑弧抗滑稳定计算,因为滑弧稳定计算的土体是作为一个整体滑动而不是其中一、二颗大的散粒的滚动或滑动。散粒处由于其临空周边广,地震惯性力在散粒所受的力中占主导,散粒处的αmax越大,其所受的地震惯性力越大,滚动或滑动的可能性越大,可见由αmax来判定坝坡稳定是假设坝体整体上是连续均匀的,而坝坡表面是散粒体,它只适用于判定坝坡表面散粒体的稳定。实际上用αmax很难定量判定出坝坡的稳定,因为一般散粒体的约束条件比较复杂,而且其稳定性还受坝坡坡度的影响。散粒体稳定性受加速度的影响不应只单独考虑水平向或竖向最大反应加速度,而应考虑水平向或竖向反应加速度的共同作用。在四川刚完建或即将完建的土石坝工程中,许多土石坝坝面采用规则的正六边形混凝土砌块护坡,如冶勒沥青心墙坝和水牛家砾石土心墙坝的上下游坡面。由于其护坡彻块形状规则,受力条件简单,则为定量分析彻块散粒体的稳定性提供了有利的实体模型。仿照评价潜在滑弧的稳定性用抗滑安全系数K的作法,引入逸出安全系数Ks来评价砌块散粒体在地震作用下的稳定性。2斑块的逸出安全如图1所示,大坝的下游面砌块受力平衡方程为式中:G为砌块所受重力,G=mg;F为砌块所受地震惯性力,与该点的反应加速度方向相反,F=-mα;N为下层土体对砌块的作用力;T为相邻砌块对该砌块的作用力。沿砌块的法向即图1中局部坐标系的y向砌块受力的平衡方程为其中Ty=-(Txtanφ1+C)(5)式中:1φ为砌块与砌块之间的摩擦角;C为凝聚力。式(5)是假设砌块与砌块的摩擦力发挥到最大,被研究砌块处于临界逸出状态,Tx是一未知数,须由下式x向砌块受力的平衡方程求解。式中:φ2、C2为砌块与下层土体之间摩擦角和凝聚力;K为砌块与下层土体之间摩擦力的发挥系数;φ2′为代换后砌块与下层土体之间摩擦角。由式(6)、(7)得综合式(4)、(5)和式(8)得到Ny的表达式:式(9)中,当Tx>0时,±取“+”号,否则取“-”号。当由式(9)求出的Ny≤0,则可以认为砌块失稳。定义逸出安全系数:砌块的逸出方向为砌块所在坡面的向上的法向,如图1的y方向。按照通常定义安全系数的方法,Ks应为抵制砌块逸出的诸力之和除以促使砌块逸出的诸力之和,但式(10)不符合这一原则,式(10)以Ny与mg的相对大小来表征安全系数,当Ny=0时砌块处于极限平衡状态,Ks应等于1.0,所以式(10)中含有1.0这个数字。在式(9)中,因当砌块有向上逸出趋势时周围砌块总是起限制其逸出作用,故式(9)右边的±只取“+”号。另,tanφtanφ2的值远小于1.0,可忽略,于是式(9)变为简化后的式(11)在砌块处于脱离坝坡但仍受相邻砌块约束的情况下是精确的表达式,在砌块没脱离坝坡即Ny>0的情况下是近似的表达式,则由式(10)和式(11)得式中:c=C/mg。定义最小逸出安全系数为3平向地震动和ksmin的计算方法金川水电站位于四川省阿坝藏族羌族自治州金川县境内大渡河干流上,电站坝址距下游金川县城约13km。面板坝建基面最低高程为2147.00m,最大坝高111.50m,坝顶宽10.00m,上下游坝坡坡比均为1:1.5,坝体结构图见图2。坝址区属于低烈度区,50年超越概率10%的基岩地震动峰值加速度为0.097g,相应地震基本烈度为Ⅶ度。输入的水平向地震动见图3(图中数据为节点号),输入的竖向地震动图4,竖向地震动峰值为0.064g。土的动本构采用Hardin等效线性化模型,动剪切模量G和阻尼比λ为式中:P为静平均围压,P=(σ1+σ2+σ3)/3;γd为动应变幅值;λmax为最大阻尼比;为归一化动动剪应变,;Pa为标准大气压;k2、n、k1为试验参数;σ3为围压。各材料的动力试验参数为根据其他工程同一材料的试验参数类比而得,见表1。按式(12)计算下游坡面各节点在不同时刻的Ks,取θ=34°(坡角)。Ks的计算结果分2组,对应2组计算方案,方案1取φ1=5°、c=0.01。方案2取φ1=0°、c=0.0,计算出各节点的最小Ks见表2,坝体的αi反应值见图5。由表2可见,即使不考虑相邻砌块对被研究砌块的约束作用,下游边坡的稳定性也是有保障的,在保守的计算方案2情况下,Ksmin最小值发生在坝顶,为1,64,Ksmin最大值发生在近坝脚处,为1.692。从表2亦见,水平向αmax在多数情况下比竖向αmax小,由水平和竖向的反应加速度共同影响Ksmin值,显然仅由水平向αmax来判定坝坡散粒体的稳定性是不太合理的。坝坡αmax的变化幅度比Ksmin大得多,Ksmin的值相对稳定。4斑块的稳定验算与比较使斑块成为一种约束条件,主要表现为块(4)材料动参数对αmax反应有较大影响,式(14)中的k2、n越大,式(15)中的λmax越小,于是αmax越大,最小逸出安全系数Ksmin势必越小,因此测试出可靠的材料的动参数对判定坝坡砌块的稳定性十分重要。(5)水对砌块稳定性影响作用较复杂,以上分析砌块稳定时没有考虑水的作用,研究对象暂限于下游坝坡的砌块。(6)砌块的抗震稳定性应为两种情况考虑,一种是本文所分析的逸出问题,另一种是砌块沿坝坡的滑动问题。但砌块在切向上受相邻砌块(主要是下部的相邻砌块)的约束作用明显,大幅滑动的可能性小,且其滑动后还较大可能保持稳定。式中:φ1为砌块与砌块之间的摩擦角;C为凝聚力。(1)砌块的约束条件是影响砌块稳定的一个主要因素。砌块与砌块之间以键槽连接,除非连接键被折断,砌块不会在地震作用下逸出,但即使不考虑相邻砌块的约束,砌块在绝大多数情况下也是稳定的。因此,为了考虑诸如材料动参数对砌块稳定的影响,为简化分析,可令式(12)中φ1=0和c=0,即不考虑相邻砌块的约束作用。(2)当Ny≤0时,砌块脱离其下土层,但砌块并不一定会失稳,因为在砌块未与相邻砌块脱离之前,砌块又可能再与其下土层相接触。砌块脱离土层后受相邻砌块的作用,受力及运动过程极其复杂,为简化和保守起见,不必考虑砌块脱离后又接触土层的情况。值得一提