万家寨水利枢纽大坝抗滑稳定可靠度分析

万家寨水利枢纽大坝抗滑稳定可靠度分析

万家寨水库位于河流支流托克托克河口至龙口之间的河段。混凝土重力坝最大坝高105m，全长443m。河床左岸为溢流水库，右岸为电灯车间水库。主坝坝基主要为寒武系张夏组第五层(⋲3c5),岩性由中厚层灰岩夹薄层灰岩、泥灰岩组成,厚度22.5～25.1m。在河床坝段建基面以下有3条层间剪切带,编号分别为SCJ07、SCJ08和SCJ10。其中SCJ07仅出露于右岸厂房坝段,SCJ08和SCJ10分布于整个坝基,产状与上、下岩层产状总体相同。在坝基范围内贯通率较高,约70%左右,一般厚度在3～5cm,薄者仅1cm,厚者可达8cm,一般起伏差在0.5～2.0cm。层间剪切带内结构紧密,表现为劈理带、层面、层面裂隙带以及节理带。剪切带内物质主要由泥灰岩和薄层灰岩岩块、岩片以及岩屑泥组成。万家寨坝基薄层岩石曾进行了多种抗剪试验,由于不同试验条件及试件和岩体相差程度不同,试验所得到的内摩擦系数(f)和粘聚力(C)(尤其是C值)表现出很大的离散性。部分试验成果能体现试验的真值。快速试验测得的C=2.0MPa,可以近似为薄层岩体的真值,而常规试验测得的C=0.5MPa,可以代表试件的真值,而不是薄层岩体的真值。这说明将坝基薄层岩体经人工制备成试件按常规试验测得的C值,将比薄层岩体的C降低了75%。在施工阶段,对坝基夹层进行试验,测得C=0.12MPa和C=0.16MPa,可以认为它代表了试件(夹层试件)的真值,但它并不代表坝基夹层中C的真值。作者通过分析认为,用内插法取C=0.30MP、f=0.70作为坝基夹层抗剪断强度参数是适当的。由于C和f的离散性,显然在对重力坝深层抗滑稳定评价时,计算其可靠度,并进行灵敏度分析是十分必要的。1计算模型和可靠性的方法1.1坝体滑动对可靠性影响分析计算选择了整个坝段,部分孔洞进行了简化,范围包括坝体、护坦和一部分基础。按大坝与基础联合作用下深层滑动考虑,上游基础存在一个拉裂面,裂缝顶部为上游库底,底部到剪切带SCJ10层底,下游为护坦的尾部处(图1)。计算荷载为3种工况下(工况1:上游水位980m;工况2:上游水位970m;工况3:上游水位965m)的上下游水压力、坝体自重、水重、上游泥沙压力和坝基扬压力,其中扬压力折减系数α在帷幕灌浆处均值为0.25;变异系数为0.30。现以坝体沿SCJ08、SCJ10滑动为例,对其抗滑稳定可靠度指标进行计算。由于影响抗滑稳定可靠度因素很多,除f和C值外,还有上游坝踵处裂隙发育深度和软弱夹层倾角变化等。软弱夹层产状也是稳定计算中重要参数之一,在计算中假设软弱夹层是一个平面,实际上它具有一定的起伏差,直接影响到夹层在下游的出露位置和各种荷载在滑动面上的分量,由于万家寨大坝地基软弱夹层倾角较小,不会对其可靠性指标产生显著影响。上游坝踵裂隙深度H对可靠性指标影响也不明显,主要由于SCJ08、SCJ10埋深较浅,仅为建基面以下2m、4m,坝基自重、渗透水压力和上游裂隙面的水压力增加不大。根据多次大中型抗剪试验成果,f值的离散性并不大,而C值离散性很大。因此,本文分析时主要研究C值对可靠性指标的影响。1.2滑动面极限状态方程结构完成各项功能的标志是由极限状态来描述的,结构整体和其某一部分超过某一状态时,它就不能满足设计规定的某一功能的要求,即达到结构的极限状态,可用结构功能函数来描述,万家寨水利枢纽大坝抗滑稳定可靠度功能函数表示为:Z=R−S(1)R=f(∑W−U)+CT,S=∑PΖ=R-S(1)R=f(∑W-U)+CΤ,S=∑Ρ式中:W——坝体和滑动岩体的重量总和;U——扬压力;T——滑动面长度;P——滑动力;f——滑动面摩擦系数;C——滑动面粘聚力。极限状态方程表示为:Z=R-S=0。当R和S都是按正态分布的随机变量时,式中:mR、mS——抗力和荷载效应的均值;σ2RR2、σ2SS2——抗力和荷载效应均值的方差。2各因素对可靠性的影响从试验成果数理统计结果(表1)可以看出:随机变量多呈现出正态分布,抗剪断摩擦系数为对数正态分布,也不排斥正态分布,且按正态分布考虑时,计算结果偏于安全。在以下可靠性计算时,抗剪断摩擦系数均按正态分布形式考虑。利用可靠性功能函数公式(1)和可靠度指标计算公式(2),对大坝各种工况和不同的试验方法得到的参数指标进行自由组合,计算成果见表2。从表2可以看出:①剪切带SCJ08在上游水位980.00m工况时和快速简易试验条件下计算所得的可靠性指标较低,部分指标低于大型水利工程所要求的标准,由此可得到万家寨大坝深层抗滑稳定与试验方法和工况有着显著影响。②试验方法对可靠度有着明显的影响,5种试验方法相比而言,简易试验计算成果最小,而常规大型试验和现场大中型试验所得计算指标较高,这主要与简易快速试验指标的离散程度有着紧密联系。③不同剪切带对可靠度指标也有一定影响,SCJ08比SCJ10可靠度指标约减小了10%,主要与剪切带的埋深导致的荷载分配比有关。④3种工况对剪切带的下滑剪应力大小有着重要影响,致使可靠度指标也产生了小幅度变化。3上游水位高值判断为了进一步分析C值对可靠度指标的影响,根据该工程多次试验成果,分别取C为0.18、0.22、0.26、0.30、0.32、0.35、0.40、0.44MPa共8个等级,求出剪切带SCJ08在上游水位980.00m工况条件下各指标的安全系数,根据安全系数与可靠度指标换算关系,计算综合可靠度指标,并分析C与Δβ之间的关系(图2)。(1)弱线性关系与弱线性关系C逐渐增大,可靠性指标增量Δβ逐渐减小。C<0.3MPa时,呈现的相关关系可近似理解为弱线性关系;C>0.3MPa时,Δβ显著地减小,C=0.44MPa时的可靠性指标增量比C=0.4MPa时增加0.10,比C=0.35MPa增加0.25。(2)c将0.18mpa可加入0.32mpa时,可靠性指标增量随c为了便于分析比较,粘聚力C取与f=0.55相同等级。它反映了Δβ随粘聚力的变化趋势与f=0.55时一致,但可靠性指标增量减小,正如图2所示,曲线①总是位于曲线②之下,即当C由0.18MPa增至0.30MPa时,f=0.60可靠性指标增量为0.45,f=0.55可靠性指标增量为0.52。4参数c取值不易出现间的关系(1)万家寨大坝深层抗滑稳定可靠度与工况、试验方法以及剪切带的位置有密切关系,剪切带SCJ08在上游水位980.00m工况时和快速简易试验条件