地震作用下格栅加筋堆石坝坝坡稳定性分析

地震作用下格栅加筋堆石坝坝坡稳定性分析

0堆石坝坝坡稳定性计算土木工程网格是一种常见的土木工程合成材料，在实际工程中得到了越来越多的应用。国内外学者对土工格栅的加筋机理和变形特性作了大量的理论分析和试验研究。心墙堆石坝坝壳一般为堆石或砂砾石料,在地震等外荷载作用下有发生颗粒错移、滚动的趋势,坝顶等部位堆石较其它部位更加危险,对大坝安全运行构成威胁。提高堆石坝坝顶等部位的坝坡稳定性很有必要,铺设土工格栅进行加筋应该是一种有效的方法。本文运用数值方法对堆石坝加筋后的坝坡稳定性进行了计算分析。计算结果表明,格栅加筋有利于提高坝顶堆石部位的抗震性能和坝坡稳定性。1堆石坝坡稳定性分析对于地震荷载作用下的坝坡稳定性分析,可采用相关方法模拟地震动荷载,运用相应的边坡稳定计算方法进行计算。目前地震边坡稳定性分析主要有动力法和拟静力法。拟静力法较动力法简单,而且用这两种方法分析堆石坝坡的抗震稳定性所得到的安全系数比较接近。因此,本文采用拟静力法来考虑地震力的作用。1.1内拉格朗日乘子法fh的地震响应折减系数fv拟静力法是假定地震作用如同静力,用地震系数乘以建筑物重量而求得作用于建筑物上的静力的方法。计算时,先估计地震时各单元的地震惯性力,然后将它施加到各结点进行计算。地震惯性力计算公式如下:Fh=σhξGEiai/g(1)Fv=σvξGEiai/g(2)Fh=σhξGEiai/g(1)Fv=σvξGEiai/g(2)其中σh=32σv=⎧⎩⎨⎪⎪0.1g0.2g0.4ge=7e=8e=9(3)σh=32σv={0.1ge=70.2ge=80.4ge=9(3)式中Fh和Fv分别为作用在质点i的水平向和竖向地震惯性力代表值;σh和σv分别为水平向和竖向设计地震加速度代表值;e为地震设计烈度;ξ为地震作用的效应折减系数,除另有规定外,取0.25;GEi为集中在质点i的重力作用标准值;g为重力加速度;ai为质点i的动态分布系数,可由下面两式确定:当H<40m时ai=hH(am−1)+1(4)ai=hΗ(am-1)+1(4)当H≥40m时ai={5h9H(am−1)+15h−2H3H(am−1)+1h≤0.6Hh>0.6H(5)ai={5h9Η(am-1)+1h≤0.6Η5h-2Η3Η(am-1)+1h>0.6Η(5)式中H为坝高;h为质点i距坝底的距离;αm为系数,依据相关规范,am在e为7、8、9度时,分别取3.0、2.5和2.0。1.2fvcoaub1cosafhsica的参数本文运用考虑地震荷载的瑞典圆弧滑动法进行坝坡稳定性分析,其稳定安全系数由下式给出:Fs=A+∑clB(6)Fs=A+∑clB(6)其中A=∑[W±Fvcosa−ub1cosa−Fhsina]tanφB=∑[(W±Fv)sinα+McR]A=∑[W±Fvcosa-ub1cosa-Fhsina]tanφB=∑[(W±Fv)sinα+ΜcR]式中W为土条的自重;b为土条宽度;u为作用于土条底面的孔隙压力;a为条块重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角;c、φ分别为粘聚力和内摩擦角;Mc为Fv引起的滑动力矩;R为滑弧的半径。限于篇幅,瑞典圆弧滑动法的具体计算方法及步骤不再赘述,可参见文献。2工程实例2.1大坝横剖面的分区西南地区某大坝坝顶高程2143m,最大坝高123m,坝址位于地震基本烈度为7度的地震区。大坝最大横剖面见图1。为增加坝顶堆石部位的坝坡稳定性,考虑在坝顶以下28m范围的心墙两侧上下游坝壳内设置13层土工格栅(层数编号由下至上)。其中,第13层格栅距坝顶4m,第一层格栅与第二层格栅间距3m,其它格栅间距2m,两侧格栅加筋层水平最大宽度为30m。2.2高围压下小主应力35和535555555555555555555555555555计算中主要材料有13种,主要参数见表1。其中,γ为容重,Δφ为反映在高围压下土体摩擦角随小主应力σ3而降低的一个参数,其值可由下式确定φ=φ0−Δφlgσ3Pa(7)φ=φ0-Δφlgσ3Ρa(7)式中φ0为σ3/Pa=1时的φ值。参照文献,土工格栅抗拉强度取120kN/m。2.3坝体坝坡稳定性基本方案的确定采用上述数值模型,计算了坝体整体和坝顶局部区域在大坝蓄水后的坝坡稳定性。考虑到格栅仅在坝顶以下28m范围内加筋,其影响范围有限,文中计算的坝顶局部区域仅涉及坝顶以下43.5m的范围。依据相关规范(文献),拦河大坝的抗震设防类别为甲类,挡水建筑物抗震设防烈度提高1度,故计算中采用的地震烈度为8度。为研究格栅加筋对坝坡稳定性的影响,对表2中的8种基本方案进行了计算,并假设格栅加筋层厚度为5mm。在上述8种基本方案的基础上,考虑不同的加筋层数和不同的格栅抗拉强度,对坝坡稳定性进行计算,并与基本方案结果进行了对比分析。计算中,加筋层数取0、4和7层,格栅抗拉强度取60、80kN和100kN。3土体与格栅网眼的弯合作用对于土工织物的加筋机理,冯志刚等认为它源于格栅良好的抗拉性能和格栅与加筋土之间三种作用力(摩擦作用、嵌琐作用和被动阻抗作用)的共同作用。摩擦加筋原理认为:加筋材料是土体中的受拉构件,填土和加筋材料的摩擦力既可将加筋材料的拉力传递到土体中,又可阻止土体侧向变形发展。张文慧等在室内对双向土工格栅进行了拉拔试验,发现加筋土工格栅受到拉力作用时,其与土体界面间除了摩擦阻力外,还有土体对横肋的支撑阻力。汤飞等对单向土工格栅进行了拉拔试验,结果表明,土与格栅之间的作用主要是横肋及节点与土颗粒间的咬合。这种咬合力在细颗粒土中很弱,而在砂砾料中成为主要阻力。笔者认为,土工格栅为网状材料,格栅网肋之间为占格栅表面绝大部分面积的网眼。由于堆石材料有一定的棱角,会部分嵌入格栅网眼中。在地震作用下,当部分堆石体有发生颗粒错移、滚动的趋势时,首先要挣脱格栅网眼对其的“束缚”。大量计算表明,格栅具有较大的抗拉强度,土工格栅在土中受到的拉力较其抗拉强度要小得多,堆石体在其网肋上产生的拉力不足以摆脱网眼对其的“束缚作用”,一般不会发生堆石体颗粒错移、滚动的现象,从而使坝顶堆石部位稳定性得到提高。4水库边坡稳定性模拟结果对大坝蓄水后,坝体整体和坝顶局部区域在有地震和无地震情况下的坝坡稳定性进行了计算分析,结果如下。4.1坝体整体及坝局部区域安全系数坝坡稳定性计算结果如表3所示。由计算结果可以看出,无地震情况下的稳定安全系数均大于有地震情况。无论有无地震,加筋情况下,坝体整体和坝顶局部区域安全系数均大于未加筋时的相应结果,且在坝顶局部区域更加明显。这是因为格栅加筋仅限于坝顶以下28m区域,其加筋效果限于坝顶以下部分区域。4.2格栅加筋对坝体滑动面位置的影响图2为基本方案4和基本方案8的坝顶局部区域最危险滑动面位置对比。图中,横坐标表示顺河向距离,纵坐标表示高程。由图2可以看出,地震作用下,较之无格栅加筋情况,13层格栅加筋时,坝顶局部区域最危险滑动面位置发生了一定的变化,滑动面向上游格栅部位有所偏移,即滑动面更多的切过格栅加筋部位。这说明格栅加筋对增加坝顶区域坝坡稳定性起到了一定的作用。对于坝体整体,计算结果表明,有格栅加筋和无格栅加筋两种情况下,滑动面的位置基本没有变化。如上文所述,格栅加筋区域限于坝顶堆石部分区域,其对坝体整体稳定性的影响不大。4.3坝体稳定安全系数土工格栅主要靠其优越的抗拉性能来发挥加筋作用,其抗拉强度对加筋效果无疑有重要影响。在上述8种基本方案的基础上,通过调整格栅抗拉强度来分析抗拉强度对坝坡稳定性的影响。计算中,抗拉强度分别取为120、100、80kN和60kN4种情况,并假设格栅加筋层数为13层,计算结果如图3所示。由图3可知,无地震情况下,稳定安全系数均大于有地震情况,说明地震对坝体稳定有较大的影响。随格栅抗拉强度的增加,坝体整体和坝顶局部区域坝坡稳定安全系数均有所增加,且稳定安全系数与格栅抗拉强度之间呈良好的线性关系。稳定安全系数随抗拉强度增大而增加的趋势在坝顶局部区域更加显著。例如,有地震情况下,13层格栅加筋,格栅抗拉强度为120kN时,采用瑞典圆弧滑动法计算得出的坝顶局部区域稳定安全系数为60kN时相应数值的158%。同样条件下,坝体整体在抗拉强度120kN下的稳定安全系数仅为60kN下相应数值的102%,基本上没有变化。由计算结果可知,通过增加格栅抗拉强度来提高坝顶堆石部位的坝坡稳定性是可行的。4.4加筋层数对坝体稳定安全系数的影响对13层、7层、4层格栅加筋和无格栅加筋4种情况进行了坝坡稳定性计算,并对结果进行了分析,以评估加筋层数对坝坡稳定性的影响。其中,7层格栅是只保留第1、3、5、7、9、11、13层格栅加筋,4层格栅是只保留第1、5、9、13层格栅加筋。计算中假设土工格栅抗拉强度为120kN,图4为计算结果。由图4可以看出,无论有无地震发生,随格栅加筋层数的增加,坝体整体和坝顶局部区域稳定安全系数均有所增加,且稳定安全系数与格栅加筋层数之间呈良好的线性关系。对于坝体整体坝坡稳定性分析,不同加筋层数情况下,稳定安全系数变化不大,如有地震情况下,13层格栅加筋时的稳定安全系数为无格栅加筋时的104%;而对于坝顶局部区域,格栅层数对其影响相对较大,如在有地震情况下,13层格栅加筋时坝顶局部区域的稳定安全系数为无格栅加筋时的252%。可见,通过增加加筋层数来提高堆石坝坝顶堆石抗震稳定性是可行的。5格栅加筋对坝坡稳定性的影响采用拟静力法模拟地震动荷载,运用瑞典圆弧滑动法对土工格栅加筋对堆石坝坝坡稳定性的影响进行了数值模拟研究,得出了以下结论:(1)在其它外部条件相同的情况下,土工格栅对坝体整体坝坡稳定性影响不大。这是因为土工格栅加筋仅限于坝顶以下28m的范围内,它对坝坡稳定性的影响主要体现在坝顶堆石附近区域。(2)土工格栅具有较大的抗拉强度,通过其网眼对堆石散粒体材料的“束缚作用”,格栅可以对坝顶堆石体起到很好的加筋作用。(3)格栅加筋后,坝体整体和坝顶局部区域坝坡稳定性均有所增加,