重力坝深层抗滑稳定研究
重力坝深层抗滑稳定设计初探
重力坝深层抗滑稳定设计初探发表时间：2018-10-09T16:48:14.830Z 来源：《防护工程》2018年第11期作者：勾红钧[导读] 结构面假设等因素影响。
故其计算历来受到设计人员的重视，文中针对某工程深层抗滑稳定计算的基本方法—刚体极限平衡法,通过选取不同滑动面的计算结果,进行了分析。
最终确定重力坝坝基采用坝趾处设置混凝土深齿墙措施，可同时提高坝基浅层及深层抗滑稳定安全系数。
勾红钧黔南布依族苗族自治州水利水电勘测设计研究院贵州都匀 558000摘要:重力坝是依靠自身重量来维持稳定的一种坝型，所以安全性高也就成为重力坝在设计过程中最基本、同时也是最重要的要求。
坝基深层抗滑设计是工程关键技术，在实际水利工程设计中，深层抗滑稳定一直是混凝土重力坝设计计算的关键性问题，该问题计算考虑中，往往受地质参数，抗力角选取，结构面假设等因素影响。
故其计算历来受到设计人员的重视，文中针对某工程深层抗滑稳定计算的基本方法—刚体极限平衡法,通过选取不同滑动面的计算结果,进行了分析。
最终确定重力坝坝基采用坝趾处设置混凝土深齿墙措施，可同时提高坝基浅层及深层抗滑稳定安全系数。
关键词:深层抗滑稳定; 薄层状结构; 刚体极限平衡; 坝趾深齿墙针对某水库重力坝坝基地层倾角平缓( 8° ～15°) ，基岩为薄层状结构，坝基深层抗滑设计是工程关键技术，在利用抗剪断强度理论进行坝基抗滑稳定计算的基础上，通过分析比较常见的坝基基础处理措施，最终确定重力坝坝基采用坝趾处设置混凝土深齿墙措施，可同时提高坝基浅层及深层抗滑稳定安全系数。
1、大坝布置及工程地质某水库工程大坝坝型为混凝土重力坝，坝轴线总长 164． 20 m，坝顶宽 6． 0 m，坝顶高程 547． 80 m，最大坝高 45． 8 m。
枢纽布置: 河床中间布置 1 个表孔及消能建筑物，两岸布置非溢流坝段，取水建筑物( 兼生态放水) 布置于右岸非溢流坝段。
亭子口重力坝深层抗滑稳定性分析
等 Ｋ法 中的 条 块 作 用 力 与 水 平 面 的夹 角 对 深 层 抗 滑 稳 定 性 作 了敏 感 性 分 析 。两 种 稳 定 性 计 算 方 法 的结 果 均表 明 亭 子 １重 力 坝 表 孑 坝 段 深 层 抗 滑 稳 定 性 基 本 能 满 足 规 范 要 求 ；广 义 等 Ｋ法 中 条 块 作 用 力 与 水 平 面 的 夹 角 取 值 对 ： ３ Ｌ
中假定 的是 每一 滑 面通 过 的 同一种 介 质 ，当穿 过 多种 岩层 时 强度 参 数需 要 做加 权 处理 ，这严 重 影 响 了该 方 法在 理论 上 的严 密性 。 陈祖煜 …基于 虚功 原理 的基础 上提 出了理论 体 系更 为严 格 、应用 范 围 更 为 广 泛 的广 义 等 Ｋ法 （ａｌａ ） Ｓ ｒｌ 法 ，并 证 明 了在 双 滑 面 时与 等 Ｋ法 的等 效 性 。 自２ Ｔ ０世 纪 ８ Ｏ年代 以 来 ，分 项 系 数极 限状 态 设计 方 法 得到 推 广应 用 ，由于 分项 系 数是 在 总结 了大量 实 例 的资 料 和可 靠度
深层 抗 滑稳 定 分 析 成 果 有 显著 的影 响 ，建 议 在 亭 子 口深 层抗 滑稳 定 分 析 中妒 ５ ０ 。 取 。 １ｏ
关 键 词 ：亭 子 １重 力 坝 ；深层 抗 滑 ；广 义 等 Ｋ法 ；分 项 系 数 极 限 状态 设 计 方 法 ： ３
中图分类号 ：ｒ ６ １ Ｉ ４ Ｔ ｖ
表 孔 坝段 的多种 滑 移模 式 在不 同的计 算 工况 下 的 深层 抗 滑稳 定性 作 了验算 ，并 与 分项 系数 极 限状 态
基于有限变形法(超载法)重力坝深层抗滑稳定分析
基于有限变形法（超载法）重力坝深层抗滑稳定分析发表时间：2019-12-26T09:27:44.273Z 来源：《建筑细部》2019年第15期作者：舒建国[导读] 本文利用ABAQUS有限元分析软件，建立考虑基岩岩体软弱夹层结构面力学特性的二维重力坝深层抗滑稳定弹塑性计算模型。
水利部珠江水利委员会技术咨询中心广东广州 510000摘要：目前，对于重力坝深层抗滑稳定分析，规范规定以刚体极限平衡法计算为主，必要时可辅以有限元法、地质力学模型试验等方法进行分析。
本文利用ABAQUS有限元分析软件，建立考虑基岩岩体软弱夹层结构面力学特性的二维重力坝深层抗滑稳定弹塑性计算模型。
关键词：有限元；重力坝；深层抗滑稳定；比较一、重力坝深层抗滑稳定问题重力坝深层滑动大致分为三种形式：（1）坝址下游由于长期流水冲刷作用，存在冲沟、冲坑等临空面，坝基岩体可能沿缓倾角软弱夹层向临空面方向滑移失稳；（2）坝址下游岩体为缓倾角软弱岩体，或存在横向软弱破碎带，在各荷载作用下易发生褶曲、压缩，甚至剪切破坏，导致坝基岩体沿软弱面滑动；（3）沿坝基岩体中存在两条（或多条）缓倾角软弱结构面，分别倾向上游和下游，即本文要讨论的双斜滑动面滑移。
二、稳定分析方法的研究现状1.刚体极限平衡法目前对于深层抗滑稳定的分析方法和深层抗滑稳定安全系数的计算，我国规范规定以刚体极限平衡法计算为主，必要时可辅以有限元法、地质力学模型试验等方法并进行综合评定，其成果可作为坝基处理方案选择的依据，有关重力坝深层抗滑稳定的规定见现行《混凝土重力坝设计规范》（SL319-2005）附录E 坝基深层抗滑稳定计算。
2.弹塑性力学有限单元法超载法属于弹塑性力学有限变形法的一种，计算坝体抗滑稳定安全系数时要先施加实际荷载，得到正常运行状态下坝体、地基的应力、应变等，然后加大作用荷载，直至大坝失稳破坏，得到此时坝体及地基的应力、应变及超载安全系数，并据此判断大坝安全度。
某重力坝溢流坝段深层抗滑稳定计算分析
【 关键 词】 重力坝 ； 深层抗滑 ； 刚体法 ； 稳定计算 ０ 引言
某水 电站枢纽工程 建筑 物由挡水 建筑物、 溢流表孔 、 冲沙底 孔、 电 站取水 口等组成 挡水 建筑 物为碾 压混凝 土重力坝 ． 溢流坝段最 大坝 高 ８ ０ ｍ 。依 据《 水 电枢 纽工程 等级 划分 及设 计 安全标 准》 （ Ｄ Ｌ ５ １ ８ ０ — ２ ０ ０ ３ ） 规定 ． 工程 等别为 Ⅲ等 ， 工程规 模为 中型 ； 枢 纽主要 建筑物 为 ３ 级． 大坝安全级别 为 Ｉ Ｉ 级。对于重力坝 的深层抗滑稳定 性 ． 目前 在 国 内外一般均按平 面刚体极 限平衡计算 ．其安 全系数多按定值法取值 ． 并与相应采用 的方法 、 参数相配套 ， 且根据工 程实践经验 ， 不断做相应 的 调 整
‘
强风化和微风化的交界线 ④第 四组 取双滑面 ， 由坝踵 滑入 向下 ． 至下 游护袒首端折 向冲坑 强风化层的顶端 ⑤第五组取 双滑面 ， 由坝踵 滑入 向下 ， 至下游 护袒末端折 向冲坑 强风化和微风化的交界线 ⑥第六组取 双滑面 ． 由坝踵 滑入垂直 向下 ． 再折 向冲坑强风化 和 微风化的交界线 ⑦第七组取双滑 面 ． 由坝踵滑人垂 直向下 ， 再折 向冲坑微风化和 弱风化的交界线
⑧第八 组取双滑 面 ， 由坝踵滑入 向下 ． 至下游坝体 和护袒接逢处 折向冲坑强风化和微风化 的交界线 ⑨第九组取双滑 面 ， 由坝踵滑人垂 直向下 ， 再折 向冲坑 强风化层 令抗力 为 Ｑ ． 其与 Ｂ Ｄ面法 线的夹 角为 ． Ｂ Ｄ面与水平 面的夹 角 顶端。 为９ ０ 。 ．令块体 Ａ Ｂ Ｄ和块体 Ｂ Ｃ Ｄ同时处 于极 限平衡状态 ．分别核算 在正常蓄水位工况下 ． 所取 ９ 个典型滑面在抗剪断指标参数下计 Ａ Ｂ、 Ｂ Ｃ面上的抗滑稳定安全系数 。 、 ， 考虑块 体 ＡＢ Ｄ的稳定 ： 算， 安全 系数均满足要求 ， 第 四组滑面 的安全 系数最小 ， Ｋ ＝ ５ ． ８ ８ ； 在抗 剪指标参数下 ． 只有第 四组 安全系数 ： １ ． １ ７ ＞ １ ． ０ ５ ． 其余 的滑 面组合 安全系数均大于 １ ． ３ 。 在抗剪指标参数下 ， 存在四组危 险滑 面， 即第 １ 、 考虑块体 Ｂ Ｃ Ｄ的稳定 ： ４ 、 ８ 、 ９ 组滑面 ， 安全 系数分别为 １ ． ６ ７ 、 １ ． １ ７ 、 １ ． ６ １ 和 １ ． ７ １ 。 第 四组组合滑 ｆ ｚ ＇ ［ （ Ｇ ￣ ｃ ｏ ｑ ３ ＋ Ｑ ｓ ｉ ｎ ＠ ＋ Ｏ ） ＋ Ｕ ３ ｓ ｉ ｎ ｌ ｆ － Ｕ ： ｜ ＋ ｃ ｚ ＇ Ａ ２ 一 ｒ ， 、 面的安全系数最小 ． 由于滑面通过下游 的强风化层 ． 并且两个 滑面的 … Ｑ ｃ ｏ ｓ ｑ ｓ ＋ ０ ） － Ｃ ２ ｓ ｉ ｎ ｌ ｆ ＋ ｃ ｏ 倾角都 比 较危 险， 导致安全系数明显降低。 式 中： ∑Ｐ 、 ∑ ——作用 于块体 ＡＢ Ｄ上的总水平 、 总垂直力 ： 在 校核洪水位工况下 ． 所取 ９个典 型滑面在抗剪断指标参数下计 Ｇ 、 Ｇ ｒ一 分别位岩体 ＡＢ Ｄ、 Ｂ Ｃ Ｄ重量的垂直作用 ； 算， 安全系数均 满足要求 ， 第 四组 滑面的安全 系数最 小 ， Ｋ ＝ ５ ． ５ ６ ； 在抗 分别为 Ａ Ｂ、 Ｂ Ｃ滑动面 的摩擦 系数 ； 剪指标参数下 ， 存在 四组危险滑面 ， 即第 １ 、 ４ 、 ８ 、 ９ 组滑面 ， 安全系数分 Ｃ １ 、 ｃ ： ——分别为 Ａ Ｂ、 Ｂ Ｃ滑动面 的凝聚力 ； 别为 １ ． ４ ６ 、 １ ． ４ ２ 、 ｌ ‘ ３ ８和 １ ． ４ ７ 。 Ｕ 、 、 （ — 分 别 为 ＡＢ、 Ｂ Ｃ 、 Ｂ Ｄ面上 的扬压力 ； ａ 、 分别为滑动 面 Ａ Ｂ 、 Ｂ ｃ与水平面 的夹角 ； ３ 结语 Ａ。 、 Ａｒ— 分 别为滑动面 ＡＢ 、 Ｂ Ｃ的长度 ； 采用 刚体法对表孔溢 流坝段的坝基深层抗 滑稳定安全 系数进 行 Ｑ、 一 分别 为 Ｂ Ｄ面上的抗力与水平面的夹角 。 结果表 明坝基深层抗滑稳定具有 足够 的安全度 。正常蓄水 位 然 后令 ＝ ， 解 出抗力 Ｑ， 再将其 回带 ， 即可求 出整个滑移 体 的 了计算 ． 和校核洪水位工况 ． 所选取的 ９ 个 滑面组合 的抗 剪断安 全系数 都大于 抗滑稳定 安全 系数 ， 通过迭代法求解。 规 范要 求值 ３ ． ０ ， 其 中滑面 ５ 的安全系数最大 ， 为９ ． ５ １ ， 第四组滑 面的 ２ 计算 结果分析 安全 系数最小 ． 为５ ． ５ ６ ： 抗剪 安全系数都大于规范值 １ ． ０ ５ 。 其 中滑 面 ６ 的安全 系数最大 ， 为２ ． ９ ４ ， 第 四组滑面 的安全 系数最小 ， 为 １ ． １ ７ ， 第 四 计算 工况 采用正 常蓄水 位的基本 组合 ． 上游 水位 ９ ０ ０ ． ０ ０ ｍ． 下 游 组滑面最危险 ● 水位 ８ ４ ５ ． ０ ０ ｍ。计算荷 载包括大坝及滑 动面 以上岩体 自重 、 上 下游水 压力 、 扬压 力 ， 排水幕处 渗透压力折减 系数 ＝ ０ ， ２ ５ 。参 数取抗剪 断和 【 参考文献】 抗剪指标参数 ． 采用 等安全 系数法分别取 ９ 个 典型危险组合 滑面进行 ［ １ ］ 林 继镛． 水工建筑物． ４ 版［ Ｍ］ ． 北京 ： 中国水利水 电出版社 ， ２ ０ ０ ９ ． 计算 ： ［ ２ ］ 中华人 民共 和国行业 标准编写组． Ｄ Ｌ ５ １ ０ ８ — １ ９ ９ ９ 混 凝土重力坝设计规范［ ｓ ］ ． ①第一组取 向下游倾斜 的单滑 面 ． 由坝踵 滑入 。 从 冲坑 底部 滑出 北京 ： 中国电力 出版社 ． ２ ０ ０ ０ ． ②第二组 取双滑 面 。 由坝踵 滑人 向下 ， 至下游护袒 中间折 向冲坑 强风化和微风化 的交界线 ［ 责任编辑： 汤静 ］ ③第三组 取双滑 面 。 由坝踵 滑入 向下 ． 至下游护袒 首端折 向冲坑
重力坝稳定分析方法及提高坝体抗滑稳定的工程措施样本
重力坝的稳定性汪祥胜 ( 46) 前言:重力坝是世界出现最早的一种坝型, 早在29 前在埃及就出现了最早的重力挡水坝。
随着中国重力坝建设的繁荣, 数量的增多和高度的不断提升, 使得对稳定分析有着重要的理论和实践意义。
大坝的稳定性直接关系到大坝安全性和人民群众的生命财产息息相关, 而此次实习的三峡和向家坝皆是重力坝的代表杰作, 经过实习定能从深层次上了解有关大坝稳定性的相关问题, 包括什么是重力坝, 重力坝稳定的意义, 其稳定性分析方法和提高坝体抗滑稳定性的工程措施及在实际中的应用情况和应注意的问题。
一．什么是重力坝1.重力坝是由砼或浆砌石修筑的大致积档水建筑物, 其基本剖面是直角三角形, 整体是由若干坝段组成。
重力坝在水压力及其它荷载作用下, 主要依靠坝体自重产生的抗滑力来满足稳定要求;同时依靠坝体自重产生的压力来抵消由于水压力所引起的拉应力以满足强度要求。
2.优缺点:重力坝优点: 重力坝之因此得到广泛应用,是由于有以下优点: ①相对安全可靠,耐久性好, 抵抗渗漏、洪水漫溢、地震和战争破坏能力都比较强; ②设计、施工技术简单, 易于机械化施工; ③对不同的地形和地质条件适应性强, 任何形状河谷都能修建重力坝, 对地基条件要求相对地说不太高; ④在坝体中可布置引水、泄水孔口, 解决发电、泄洪和施工导流等问题。
重力坝缺点: ①坝体应力较低, 材料强度不能充分发挥; ②坝体体积大, 耗用水泥多; ③施工期混凝土温度应力和收缩应力大, 对温度控制要求高。
3.工作原理; 重力坝在水压力及其它荷载作用下必须满足:A、稳定要求: 主要依靠坝体自重产生的抗滑力来满足。
B、强度要求: 依靠坝体自重产生的压应力来抵消由于水压力所引起的拉应力来满足。
4.重力坝类型:重力坝按筑坝材料的不同分为:混凝土重力坝和浆砌石重力坝。
重力坝按其结构形式分为:①实体重力坝;②宽缝重力坝; ③空腹重力坝。
重力坝按泄水条件可分为非溢流坝和溢流坝两种剖面。
重力坝抗滑稳定的研究方法概述
为工程的建设提供 了借鉴意义 。
是单一平面的情况下，可 以较准确的得到其稳定性 分析结果。
当 然 ， 本 方 法 也 存 在 着 一 些 不 足 之 处 。 诸 如 只 能 从 宏 观 角 度 探 讨 坝 基 的 抗 滑 稳 定 性 ，对 于 结 构 的
变位 以及相应的应力分布不能得到明晰的结果 ，对
于 结 构 的 破 坏 机 理 同样 如 此 ； 该 方 法 也 不 能 直 接 确 定 坝 基 最 危 险 的 滑 动 面 ，而 是 通 过 试 算 的 方 法 找 到 最 危 险 滑 动 面 ， 并 且 计 算 的结 果 会 因 为 抗 剪 断 试 验 参 数 的准 确 性 和 计 算 方 法 的合 理 性 而 产 生 较 大 的浮
本 文 通 过 总 结重 力坝 抗 滑 稳 定 的 分 析 方 法 ， 比对 各 种 方 法 的 优 缺 点 ， 从而 清 晰 地 得 出 重 力 坝 抗 滑 稳 定 分 析 的 趋 势 ，
方法 之所以得到了广泛的推广，与它本身具备的优 点 是 离不 开 的 。比如 相 关 概念 明确 ，过 程 简 单 易 懂 ，
【 关键词】重力坝 抗滑稳定 安全系数 可靠度
Ｉ Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ 】Ｇｒ ａ ｖ ｉ ｔ ｙ ｉ ｎ ｓ ｔ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｙ ｐ ｏｂ ｒ ｌ ｅ ｍｓ ａ ｌ ｍｏ ｓ ｔ ａ ｌ ｌ ｂ ｅ ｃ ａ ｕ ｓ ｅ ｏ ｆ
ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｉ ｓ ｎ ｏ ｔ ａ ｄ ｅ ｔ ａ ｉ ｌ ｅ ｄ ｕ ｎ ｄ ｅ ｒ ｓ ｔ ａ ｎ ｄ ｉ ｎ ｇ ｏ ｆ ｇ ｒ ｏ ｕ ｎ ｄ ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ｇ ｅ － ｏ ｌ ｏ ｇ ｉ ｃ ｌ ａ ｃ ｏ ｎ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｉ ｎ ｈｅ ｔ ｅ ａ ｒ ｌ ｙ ， ｗｈ ｉ ｃ ｈ ｏ ｖ ｅ ｒ ｌ ｏ ｏ ｋ ｅ ｄ ｔ ｈ ｅ ｗｅ ａ ｋ ｉ ｎ － ｔ ｅ ｒ ｌ ａ ｙ ｅ ｒ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｆ ｏ ｕ ｎ ｄ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｅ ｘ ｉ ｓ ｔ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ ｅ ｖ ｅ ｎ ｔ ｕ ｌ ａ ｌ ｙ ｌ ｅ ａ ｄ ｓ ｔ ｏ ｔ ｈ ｅ ｅ ｍｅ ｒ ｇ ｅ ｎ ｃ ｅ ｏ ｆ ｖ ａ ｒ ｉ ｏ ｓ ｕ ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｌｎ ｒ ｇ ｐ ｍｂ ｌ ｅ ｍｓ ． Ｔｈ ｉ ｓ ｐ ａ ｐ ｅ ｒ ｂ ｙ
基于时程法的重力坝动力深层抗滑稳定研究
基于时程法的重力坝动力深层抗滑稳定研究孙洪方;马刚;杨利福;郭华伟;王毅【期刊名称】《中国水运（下半月）》【年(卷),期】2016(016)001【摘要】应用有限差分法软件FLAC3D,基于Mohr-Coulomb本构模型,采用应力积分法,探究了混凝土重力坝在设计荷载下的抗震能力,得到了坝体的最大主拉应力分布云图、相对位移时程和沿软弱夹层的动力抗滑稳定安全系数时程,以其最小值1.256作为重力坝的动力抗滑稳定安全系数;采用超载法,分别以相对位移和安全系数作为判断标准,得到混凝土重力坝的极限抗震能力分别为0.44g和0.48g,并取两者的较小值0.44g作为混凝土重力坝的极限抗震能力.【总页数】4页(P286-289)【作者】孙洪方;马刚;杨利福;郭华伟;王毅【作者单位】武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室,湖北武汉430072;武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室,湖北武汉430072;武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室,湖北武汉430072;武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室,湖北武汉430072;武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室,湖北武汉430072【正文语种】中文【中图分类】TV223【相关文献】1.基于时程法的重力坝动力抗滑稳定研究 [J], 彭仁锋;巴超;尹鹏博2.重力坝静动力结构特性及深层抗滑稳定性非线性有限元分析 [J], 左林勇;何江达;肖明砾;张倚铭;苏向震3.重力坝动力深层抗滑稳定性研究 [J], 王家骐;张燎军;张冬;钱声源4.基于差分原理的重力坝深层抗滑稳定可靠度研究 [J], 李向鹏;王刚;李梦瑶;秦净净5.基于非线性规划的重力坝深层抗滑稳定优化算法研究 [J], 李泽;刘毅;胡政;周宇因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
重力坝坝基抗滑稳定性
7.3 重力坝坝基的抗滑稳定性
7.3.2 表层滑动稳定性计算 抗剪强度公式（摩擦公式）
a、滑动面水平面时：
K
阻滑力 滑动力
f W-U
P
b、滑动面倾向上时：
K f W cos α-U Psin α
P cos α W sin α
公式评价：丌考虑凝聚力，凝聚力作为安全储备，所 以觃定的安全系数较低。
2力）分析抗力体BCD
抗滑 力 滑动
f2p sin v2 cos u2 c2 A2 p cos v2 sin
Ks2
f2 p sin v2 cos u2 c2 A2 p cos v2 sin
力Ks1 Ks2 p 代入上面两式，可分别求得安全系
7.3 重力坝坝基的抗滑稳定性
A
V1
DC
B
H
H cos
H sin
A
C
V sin V V cos
U1
C1 A1
D
P B
D
P V2 Psin( )
Pcos( )
V2 cos
V2 sin U2
B
C C2 A2
破坏模式： 假定条件： 行 分析过程：
块体ABD沿AB面滑动→推块体BCD →剪断BC面 1）假定ABC中存在一个结构面BD；2）P不AB平
7.3 重力坝坝基的抗滑稳定性
7.3.4 岸坡坝段抗滑稳定性计算
靠近岸坡的一个坝段设岸坡倾角为 θ，坝块总重为W，坝基面上的扬压力 为U，上游坝面水压力为P，坝基面的 抗剪断强度参数为f′和c′，滑动面面积 为A。
坝 顶
W
N
T
U
PS
坝轴 线
T
7.3 重力坝坝基的抗滑稳定性
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水 利 学 报 2003年10月 SHUILI XUEBAO 第10期
1文章编号：0559-9350(2003)10-0096-05
重力坝深层抗滑稳定研究 涂劲１，周立本2，李德玉１，侯顺载１ (1.中国水利水电科学研究院 工程抗震研究中心，北京 100044；2.国家电力公司中南勘测设计研究院，湖南 长沙 410014)
摘要：对地质条件复杂的某重力坝工程挡水坝段，以非线性有限元法进行静力荷载作用下的深层抗滑稳定研究，揭示了由于基岩内部软弱结构面的存在和变形而使地基逐步破坏并导致坝体和地基最终失稳的机理。与刚体极限平衡法分析结果相比较，指出后者的局限性及其原因。同时建议对将发生大变形为滑裂体提供运动空间的软弱带直接进行加固，这一措施可有效防止重力坝的深层抗滑失稳。 关键词：重力坝；抗滑稳定；非线性有限元；软弱结构面 中图分类号：TV312 文献标识码：A
重力坝的深层抗滑稳定是保证大坝安全的一个重要条件，基岩内经常有各种形式的软弱面存在，当它们的产状有利于其上坝体的滑动时，便很容易成为安全的控制因素[1]。重力坝深层抗滑稳定的分析方法，现行重力坝设计规范规定按基于等K法的刚体极限平衡法为主要校核手段，必要时辅以其他方法。但极限平衡法在核算重力坝的深层抗滑稳定性时，不能给出地基内应力和变位的分布情况，更因求解时须采用诸多假定，对一些地质条件特殊复杂的工程可能忽略了某些控制因素，会得出不符合实际的结果[2]。在这种
情况下，就需要采用非线性有限元方法分析坝体及地基的应力及变位，才能使分析结果更加符合实际情况。
作者对地质条件较为复杂的实际重力坝工程挡水坝段，以非线性有限元法进行静力荷载作用下的深层抗滑稳定研究，揭示了由于基岩内部软弱结构面的存在而使地基逐步破坏并导致坝体和地基最终失稳的机理，指出刚体极限平衡法计算结果的不合理性，同时建议对地基进行加固以保证深层抗滑稳定的较为经济有效的处理方案。
1 工程实例 如图1所示，某重力坝工程挡水坝段，坝高161.0m，坝顶宽8.0m，坝底宽137.60m，坝顶高程383.0m。坝址区基岩地质条件复杂，基岩内分布有两条岩性较为软弱的层理结构面(T2-33和T2-53)和3条充填夹泥的平均宽度达2m的破碎断层带(f17、f21和f27)。分析中考虑的静力荷载包括上、下游静水压力、淤砂压力、渗流
压力和自重。上游正常蓄水位为380.0m，下游尾水位266.0m，上游淤砂高程310.0m。表1和表2则分别列出坝体和基岩各种材料性质参数。计算采用的有限元网格亦如图1所示。
2 分析方法 将静力荷载以阶跃函数的形式施加到坝体—地基系统上用逐步积分法进行静力计算[3]，在静力分析的过程中如果经过一定步数的时间积分，能够得到稳定的静力解，则说明整个坝体-地基系统是稳定是，反之如果不能得到稳定的静力解，静力位移向某个方向无限发展，则表明发生了失稳现象。
收稿日期：2002-11-15 基金项目：国家自然科学基金资助项目(50139010) 作者简介：涂劲(1973-)，女，福建长汀人，高级工程师，主要研究方向为水工结构抗震。 水 利 学 报 2003年10月 SHUILI XUEBAO 第10期
2 图1 挡水坝段及基础有限元网格 表1 坝体混凝土的物理力学参数 混凝土分区 混凝土强度等级 静态弹性模量/(N・mm-2) 静态抗压强度标准值/MPa 泊松比 重力密度/(kN・m-3)
Ⅴ Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ Ⅲ C15 C20 C25 2.20×104 2.55×104 2.80×104 14.3 18.5 22.4 0.167 24.0
表2 大坝基岩力学参数采用值 岩体抗剪断参数 岩体类别 静态变形模量/MPa 泊松比 密度/(kN・m-3)f C/MPa 备注
主体基岩 T2-33岩组 T2-53岩组 f17、f21、f27断层 20000.0 8000.0 4500.0 150.0
0.20 0.23 0.25 0.30
26.0 26.0 26.0 20.0
0.80 0.68 0.60 0.35
0.70 0.40 0.27 0.10
挡水坝段
平均宽度2m 采用非线性有限元方法进行重力坝深层抗滑稳定研究的关键在于对坝基软弱结构面力学性质的模拟，这些软弱结构面在荷载作用下，很可能超出弹性极限，进入塑性状态，对结构整体安全产生影响。采用如下弹塑性模型[4]来模拟基岩内的软弱带和断层破碎带内的材料非线性性质。
弹塑性应变εij可由弹性应变εeij和造成不可恢复永久变形的塑性应变εpij表示： 水 利 学 报 2003年10月 SHUILI XUEBAO 第10期
3εij=εeij+εpij （1）
弹性应变增量dεeij与弹性应力增量dσeij服从虎克定律： dσeij=Deijkldεekl （2）式中：Deijkl为材料弹性矩阵，为一四阶张量。 屈服准则、应变硬化规律、流动法则和塑性增量本构关系构成应用塑性应变增量理论计算塑性应变增量的基本内容。对于岩石材料，通常认为德鲁克-普拉格(Drucker-Prager)屈服准则可以较好描述其屈服性质，其屈服函数下式所示：
KJIF−+=21α
（3）
式中：I1为应力张量第一不变量；J2为应力偏张量第二不变量；α、K为由实验确定的材料参数。
塑性流动理论的数学形式为
ijpij
Fddσλξ∂∂= （4）
式中：F为塑性势函数，在此即为屈服函数；dλ是待定的塑性因子。 弹塑性材料的本构关系为 dσij=Depijkldεkl=(Deijkl-Dpijkl)dεkl （5）式中：Dpijkl为塑性矩阵，如下式所示：
uvemnuvmnersklrspq
eijpqpijklFDF
A
DFFDD
σσ
σσ
∂∂∂∂+
∂∂∂∂= （6）
dkkFdA∂∂−=λ
1
（7）
当为理想弹塑性材料时，A=0。 研究中暂未计入材料应变硬化的影响。 3 重力坝深层抗滑稳定分析 首先按各种材料的实际参数，考虑软弱结构面的非线性特征，在相应静力荷载作用下进行计算，结果发现无法得到稳定的静力解，这说明坝体和基础发生了失稳现象。图2为坝体及基础主要位置节点在虚拟时程上的位移曲线，在f21断层上游侧的坝体和基岩位移不断放大，直至失稳，而f21断层下游侧岩体的位移
却达到稳定，这也排除了程序本身发散的可能性。图3为基础中进入塑性的非线性单元分布图(阴影部分为软弱带中进入非线性的单元)。从剪切滑移的角度来说，所有进入塑性的单元并未形成使基岩和坝体可以水 利 学 报 2003年10月 SHUILI XUEBAO 第10期
4滑出的通道，但分析表明，由于f21断层平均宽度达2m，且弹模较低，可以发生较大压缩变形，因此坝体下游的f21断层与软弱结构面T2-53切割的岩体与坝体一起，发生了整体朝顺河向的滑动。由此可见，在原始的
基岩及软弱面材料参数下，这一重力坝挡水坝段的基岩抗滑稳定是不安全的。
图2 坝体及基础主要节点静力位移(基础处理前) 图3 基础软弱面进入塑性的单元分布 若按照传统的基于刚体极限平衡法的基本理论进行大坝基岩的深层抗滑稳定校核，同样研究由倾向下游的软弱结构面T2-53与f21断层切割成的滑裂体，经初步分析(图4)，由于f21断层属高倾角结构面，作用在第
二破裂面BD上的抗力Q与水平方向的夹角成为负值，按照两个滑裂体可能的相对错动方向看，这种情况是不可能出现的，也意味着大坝不会沿该组滑裂面产生滑动失稳。 水 利 学 报 2003年10月 SHUILI XUEBAO 第10期
5 图4 挡水坝段T2-53与f21构成的滑动体示意 传统的极限平衡法与有限元分析得出了相反的结果，原因在于对f21断层的不同模拟上，刚体极限平衡
法显然无法反映其较大的可压缩性，只是将其简化为可发生滑移的结构面，与实际情况有明显的差别，所以无法得出符合实际的结果。未能将坝体及基岩的受力变形与整体的稳定耦合考虑，正是刚体极限平衡法的一个主要缺陷，这使它对某些稳定问题的求解出现偏差，不能揭示某些特殊地质条件下的岩体滑动失稳问题。
图5 坝体及基础主要节点静力位移(基础处理后) 对于研究的重力坝挡水坝段，为保证荷载作用下的深层抗滑稳定，必须采取相应的加固措施。经比较本文建议对f21断层顶部30m(两层单元)的部分采用混凝土置换的方案，不仅工程量较小，而且效果也颇为
显著。图5为加固后坝体及基础主要位置节点在虚拟时程上的位移曲线，由于f21断层位置材料性能的较大
改善(其弹性模量提高170倍)，不再发生过大的压缩变形，使得软弱结构面T2-53与f21断层切割成的滑裂体及
大坝向下游的整体滑动受到限制，从而保证了大坝及基岩的深层抗滑稳定。
4 结论 通过对重力坝深层抗滑稳定问题的如上分析，得出结论：(1)当坝体及地基的最终破坏是因某些岩体强度不足而被压碎或拉裂而引起滑动时，需要采用非线性有限元分析方法进行分析，考虑岩体变形与滑动