心墙坝坝坡稳定的模型参数敏感性分析

心墙坝坝坡稳定的模型参数敏感性分析

目前，土石水库坝稳定分析主要有传统的方法和有限的方法，与第一个相比，没有必要假设。计算模型不仅能够满足力平衡条件，还能够满足土壤的应力适应性关系，并对边坡进行非线性弹性塑料分析。理论上是合理的，计算过程是准确的，可靠性是可靠的。在引入土石水库坝稳定分析的有限源法方面，已经取得了一些研究成果。然而，关于水库稳定因素的敏感性研究还没有得到发展。目前国内关于这方面的研究主要是针对上下游水位、地震荷载、降雨、材料内摩擦角及凝聚力等因素的综合研究,也有针对个别因素的深入讨论,而国外则更趋向于后者.由此可以看出影响因素的研究范围存在很大的局限性,这在一定程度上是由于稳定分析方法多采用刚体极限平衡法所致.大量工程经验及研究成果表明,心墙坝的坝坡稳定性与坝体的应力变形状态密切相关,应力变形状态恶化的坝坡及其附近部分坝体,往往是最易导致坝坡失稳的部分.因此,不难推论,影响坝体应力变形状态的坝体材料参数对于坝坡稳定性必然存在一定的内在影响.基于在目前国内外土石坝应力变形有限元分析中最为常用的E-B本构模型,文章拟着重研究心墙坝坝坡稳定性对于E-B材料模型参数的敏感性,为工程设计及施工合理选用坝体材料及其填筑标准提供理论参考.1心墙水库适应性分析的研究理念1.1大坝坝料敏感性分析前模型参数的确定该研究工作是基于邓肯E-B模型开展,每一种坝体材料都有8个模型参数.由于不可能事先预知各模型参数对应力变形和稳定的敏感程度,为了保证分析结果的可靠性,不能忽略对任何模型参数的考虑.这样一来,如果大坝的坝料种类过于繁多,问题的研究就会变得复杂和困难.因此,在敏感性分析之前,根据工程的实际情况对问题作适当的简化是十分必要的.此外,模型参数变化范围的确定是敏感性分析的一个关键内容.一般来说,可以根据权威资料中提供的工程经验范围确定.1.2各因素so2的测定尽管已经对坝料情况作了适当简化,但仅按两种坝料考虑也有近16个模型参数.因此,建议采用单因素分析法.敏感性系数的定义如下⎧⎩⎨⎪⎪S=ξ1/ξ2ξ1=|ΔFs|/Fsoξ2=|ΔX|/(Xmax−Xmin)(1)式中,|ΔX|为因素X的变化量;Xmax,Xmin分别为因素X所取得的最大值和最小值;Fso为各因素的基准值计算出的指标基准值;|ΔFs|为某一因素变化所引起的指标值变化量;S为敏感性系数.将因素敏感性系数进行敏感性排序,即可找出敏感因素.这里应明确应力变形敏感性分析的指标一共有4个:即水平位移、竖向位移、大主应力和小主应力.最后按照敏感系数S的大小,建议从这些模型参数中选出4～5个对上述4个指标均较为敏感的模型参数,作为稳定敏感性分析的因素.1.3坝坡稳定敏感性分析相应的稳定安全系数的定义为K=∑(σiLitanφi+ciLi)∑τiLi(2)式中,Li为第i个相交单元内滑弧底弧长;φi,ci分别为底弧处的内摩擦角及凝聚力;σi,τi分别为弧面中点的法向应力及切向剪应力.由稳定安全系数的定义式(2)可以看出,内摩擦角φ和凝聚力c对稳定的影响是不可忽略的,故应结合应力变形敏感性分析得出的因素一起进行坝坡稳定的敏感性分析.坝坡稳定的敏感性分析包括对最小稳定安全系数的分析和最危险滑弧位置的分析.相应地,各敏感性分析的指标分别为最小稳定安全系数和最危险滑弧位置.前者属于以最小稳定安全系数为考察对象的单指标多因素的显著性分析.这时,稳定敏感性分析所考虑的因子数量已较少,建议采用目前应用广泛且计算较为可靠、简单的正交设计方法.对结果的处理有极差分析法和方差分析法两种.极差分析法简单方便却过于粗糙,所以建议首选方差分析法.后者属于考察模型参数对滑弧位置变化规律的影响.通常最危险滑弧的位置是由最小稳定安全系数确定的,即最小稳定安全系数所对应的滑弧为最危险滑弧.因此,可将前面分析得出的对最小稳定安全系数影响高度显著的几个因子作为该敏感性研究的因素.一般来说,只能够获得一些定性的结论.2黑河心墙水库的敏感性分析2.1桩号面临的地质条件西安市黑河心墙坝为砂砾坝壳粘土心墙坝,计算断面选择大坝设计桩号为0+226m代表性断面.坝高127.5m,坝底高程472.5m,坝顶高程600m,坝顶宽11m,上游坝坡1∶2.2,下游坝坡为1∶1.8,心墙坡比为1∶0.3.(1)坝体荷载计算模型该坝由砂卵石、心墙土料和反滤料3种坝料填筑而成,其中心墙两侧的反滤层上、下游水平宽分别仅为3m和5m,可见坝体填筑的反滤料非常少.因此,在实例分析中为研究方便,以砂卵石料代替此坝料.计算时按逐级加载的方法,实际模拟坝体分期加载过程,共划分为15个荷载步,其中坝体填筑分11级,水库蓄水分4级,蓄水至正常高水位594m.共划分单元数为218个,结点数为262个.0+226m断面有限元计算模型如图1所示.这里仅以正常蓄水期为例,分析黑河心墙坝应力变形及坝坡稳定的敏感性.(2)砂卵石料模型参数围值坝料模型参数的变化范围按照文献中给出的经验范围取值,各参数的变化范围列于表1.为区分两种土料的模型参数,规定:心墙土料的模型参数以数字1下标表示,砂卵石的模型参数以数字2下标表示.2.2各影响因素敏感性分析由表1可以看出,Δφ1、c2、Δφ23个因素的取值是定值,可以不计入影响因素之列.此外,一般认为Kur的取值可以按照关系Kur=2K确定.最后只需采用单因素分析法对剩下的13个因素进行敏感性分析.根据敏感性系数的定义,各个不确定因素均采用增大25%的变幅进行敏感性分析,包括基准值共安排14组试验方案,按照式(1)计算各因素对位移和应力指标的敏感性系数S,计算结果见表2.通过表2的计算结果可以得出下述结论:各因素对水平位移的敏感性排序依次为Kb2、K2、Rf2、Kb1、φ2、n2、m2等,对竖向位移的敏感性排序依次为Kb2、Kb1、Rf2、K2、m2、φ1、Rf1等,对大主应力的敏感性排序依次为Kb1、Kb2、K2、Rf2、n2、φ2、φ1等,对小主应力的敏感性排序依次为Kb2、Kb1、K2、Rf2、φ2、n2、m1等.因此,选择对各指标均较为敏感的因素Kb1、Kb2、K2、Rf2作为坝坡稳定分析考虑的因子.2.3水库边坡稳定特性分析2.3.1关于最低稳定系数的敏感性分析(1)配准因子敏感性分析结合前面得出的4个因子Kb1、Kb2、K2、Rf2,最终选取c1、φ1、Kb1、φ2、Kb2、K2、Rf2这7个因子进行最小稳定安全系数的敏感性分析,且认为它们各自独立、不依赖于其他因子即不考虑它们之间的交互作用.在以后的表述中,分别称它们为A、B、C、D、E、F、G.同时确定因子水平数为3,分别选取其各自的上、下限及中间值.(2)确定因子水平表和正交表由正交设计的思想,选取L18(37)正交表,因素水平表如表3所列.根据正交表设计计算方案如表4前8列所示.(3)稳定计算(4)f0.972,2时,称因素高度显著,见表1极差分析:K1j、K2j、K3j的数值大体上可以反映第j个因子的3个水平对指标的影响情况.相应的极差Rj的大小代表了该因子对指标的影响程度.极差越大说明该因子的水平变化对试验结果影响也越大.方差分析:选取显著性水平α=0.01、0.05,查F分布分位表可知F0.99(2,2)=99.01,F0.95(2,2)=19.00.当Fj>F0.99(2,2)时,称因素高度显著,记为**;当F0.95(2,2)<Fj<F0.99(2,2)时,称因素显著,记为*;当Fj<F0.95(2,2)时,称因素不显著.根据方差分析可以得出结论:φ2、Kb2、K2对坝坡稳定的影响很显著,而Kb1对其稳定性的影响很小.对这7个因素进行敏感性排序如下:φ2、Kb2、K2、c1、φ1、Rf2、Kb1.结合工程经验和大量相关的敏感性研究结果可以看出,尽管它们所借助的敏感性分析方法不同,采用的分析算例及其所考虑的影响因素也有所不同,但都没有忽略内摩擦角和粘聚力的影响,并且分析结果均表明:这两者的取值在滑坡稳定计算中是非常重要的.而从分析获得的敏感性排序来看,内摩擦角和粘聚力是排在前面的.表4中的最优方案为A2、B2、C2、D3、E3、F1、G1,对应的安全系数为1.784.而从极差分析的结果可知稳定安全系数为最大值时的最优方案为A1、B3、C2、D3、E3、F1、G3,安全系数值为1.848,大于1.784,故最优方案为c1(1)、φ1(30)、Kb1(300)、φ2(40)、Kb2(2000)、K2(500)、Rf2(0.85).2.3.2滑弧的心功能敏感性参数选取对最小稳定安全系数影响高度显著的3个因子φ2、Kb2、K2.分析结果分别见表6～8及图2.通过前面的分析可以得到以下结论:(1)随着内摩擦角φ2的增大,滑弧的圆心有逐渐朝坝外斜上方移动的趋势.但半径也随之增大,所以滑弧的位置基本上不发生改变.(2)随着体积模量数Kb2的增大,滑弧的圆心有朝坝外斜上方陡然移动的现象,滑弧的位置也由坡面圆陡然变为坡底圆.(3)随着切线模量数K2的增大,滑弧的圆心有逐渐朝坝内斜下方移动的趋势.但当K2增大到某一临界值时,滑弧的圆心又有逐渐朝坝外斜上方移动的趋势,其轨迹在这一临界点附近来回摆动.但滑弧的位置基本上不发生变化.2.4模型参数的影响关于黑河心墙坝的应力变形和坝坡稳定的敏感性分析可得出以下结论:(1)模型参数Kb1、Kb2、K2、Rf2对应力变形较为敏感.(2)模型参数φ2、Kb2、K2对最小稳定安全系数的影响是高度显著的,c1、φ1的影响则是显著的.(3)模型参数φ2、Kb2、K2除Kb2外,其余参数对最危险滑弧的位置影响均较小.(4)为使应力变形状态达到较优,设计上应注意以下模型参数的选择:Kb1、Kb2、K2、Rf2;要确保坝坡稳定,设计上应注意以下模型参数的选择:φ2、Kb2、K2、c1、φ1、Rf2、Kb1.3坝体应力应变与坝坡稳定影响的敏感性分析(1)突破了以往心墙坝坝坡稳定的敏感性分析存在的局限性,将稳定和变形联系起来,把对坝体变形较为敏感的模型参数考虑到稳定分析当中去,提出了一种新的研究思路.(2)获得的敏感性分析结果是在分析一个工程实例的基础上获得的,不同的具体工程可能会有所不同,但是仍然具有一定的普遍性,即对坝体应力应变较为敏感的模型参数对坝坡稳定同样具有较显著的敏感性,不同部位、不同的模型参数对于坝体应力应变与坝坡稳定的敏感程度是不同的.不难看出,影响坝体应力变形状态的E-B材料模型参数Kb、K,对于坝坡稳定性也存在一定的内在影响.较心墙土料来说,坝体应力应变和坝坡稳定对砂卵石的E-B材料模型参数更为敏感一些.内摩擦角和粘聚力对坝坡稳定,尤其是最小稳定安全系数的影响显著,符合目前工程界在这方面的认识.除个别参数外,最危险滑弧的位置对大部分E-B材料模型参数的敏感性较差.材料参数c、φ往往随坝体土石料的填筑质量、大坝运