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碾壓混凝土重力壩安全度評價方法研究

文檔作者：蘇培芳文檔來源：長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院		點擊數(shù)：	更新時間： 2024年02月21日
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第43卷第2期
2 0 1 2 年1月
人 民 長 江
Yangtze River
Vo1．43．No．2
Jan．， 2012
文章編號：1001—4179(2012)02—0078—05
碾壓混凝土重力壩安全度評價方法研究
蘇培芳
(長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院工程技術(shù)研發(fā)中心，湖北武漢430010)
摘要：光照碾壓混凝土壩是目前世界上最高的碾壓混凝土重力壩之一，壩高庫大，其安全穩(wěn)定性是施工期和運
行期中至關(guān)重要的技術(shù)問題。運用有限單元法，對光照碾壓混凝土重力壩施工期和運行期的溫度場、滲流場、
應(yīng)力應(yīng)變場等進行仿真分析，采用超載法和強度折減法相結(jié)合的方法模擬壩體(壩基)系統(tǒng)的漸進破壞過程
和可能的失穩(wěn)模式，并根據(jù)特征點位移突變、屈服區(qū)貫通等方法判斷大壩的整體安全度，同時對壩基淺層面進
行抗滑穩(wěn)定計算。研究結(jié)果表明，光照碾壓混凝土重力壩的整體安全度大于3．O，且壩基淺層面等薄弱部位
的安全系數(shù)大于2．0，滿足工程穩(wěn)定的需要。
關(guān)鍵詞：安全度；超載；強度折減法；碾壓混凝土重力壩
中圖法分類號：TV642 文獻標(biāo)志碼：A
穩(wěn)定安全度分析是碾壓混凝土重力壩設(shè)計和運行
期的重要技術(shù)問題。光照碾壓混凝土重力壩是目前在
建的世界上最高的碾壓混凝土重力壩之一，大壩結(jié)構(gòu)
的特殊性和工作條件的復(fù)雜性，決定了其穩(wěn)定安全度
及應(yīng)力應(yīng)變的真實狀態(tài)與地基、施工和運行期的多種
因素相關(guān)，因此對其進行整體承載能力和安全度的分
析評價是一項非常復(fù)雜、難度較高的研究工作。
目前大壩整體安全性評價的主要方法有地質(zhì)力學(xué)
模型試驗方法和數(shù)值分析方法等” 。通過模型試驗
可以得到結(jié)構(gòu)的破壞形態(tài)以及損傷破壞過程，確定整
體穩(wěn)定安全度。但其結(jié)果與工程現(xiàn)場實際的地質(zhì)條
件、荷載組合等差異較大 ，同時需消耗大量的人力
和物力資源。近年來數(shù)值模擬方法在大壩整體安全分
析中得到越來越廣泛的應(yīng)用，如有限單元法、離散單元
法、不連續(xù)變形分析方法、數(shù)值流形方法、塊體單元法、
復(fù)合單元法等 ，而其中有限單元法的應(yīng)用最為普
遍和深入，不僅考慮了大壩的各種荷載組合效應(yīng)，真實
模擬大壩的具體施工過程和蓄水過程，而且可以模擬
基礎(chǔ)的各種軟弱結(jié)構(gòu)面。但目前的研究工作尚存在以
下不足，如施工期仿真與運行期安全度評價聯(lián)系不緊
密，地基基礎(chǔ)與大壩作為結(jié)構(gòu)體系進行整體研究的原
則貫徹不徹底，溫度、滲流、應(yīng)力應(yīng)變、安全度的耦合研
究貫徹不徹底等等。
針對這種現(xiàn)狀，本文結(jié)合以往相關(guān)研究成果 ，
開展了如下研究：① 建立三維整體仿真分析模型，對
壩基內(nèi)斷層和壩體(壩基)的接觸面等軟弱結(jié)構(gòu)面進
行離散模擬；② 按照實際的施工過程和蓄水過程，模
擬施工期的溫度場、滲流場、徐變應(yīng)力場等；③ 在施工
期仿真的基礎(chǔ)上，利用超載法和強度折減法對壩體
(壩基)系統(tǒng)進行漸近破壞計算，對光照碾壓混凝土壩
壩體和壩基系統(tǒng)整體安全度作出評價。本文采用的一
系列仿真分析過程能更真實地反映大壩的穩(wěn)定安全
度，對合理評價大壩的整體安全度具有重要意義。
1 計算原理與分析方法
1．1 超載法
超載法是用逐步增加上游水荷載來研究壩體(壩
基)系統(tǒng)從局部到整體破壞失穩(wěn)過程的方法，由此得
到安全系數(shù)叫超載安全系數(shù)，在超載分析中，僅超載作
用于壩體上游面的水荷載，其他荷載都不超載，可分為
超水位和超水容重兩種方法 ，如圖l(a)、(b)所示，
圖中 。為正常水容重。
收稿日期：2011一l】一15
基金項目：國家“十一五”科技支撐計劃項目“水庫大壩除險與潰壩規(guī)律研究課題”(2006BAC14B01)
作者簡介：蘇培芳，女，工程師，博士，主要從事水工結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬方面的工作。E—mail：pfsu@163．eom
第2期 蘇培芳：碾壓混凝土重力壩安全度評價方法研究 79
H＼ L !些．1． ．1
L ! -l ( )超水容重法
圖1 超載方式示意
1．2 強度折減法 ’ 】
強度折減法是用逐步降低巖體的力學(xué)參數(shù)研究壩
體壩基系統(tǒng)從局部到整體破壞失穩(wěn)過程的方法，可以
反映巖體工程在長期運行過程中，由于庫水的浸泡或
滲漏使巖體中軟弱結(jié)構(gòu)面強度指標(biāo)逐步弱化的影響。
在保持荷載組合值不變的條件下，將巖體強度參數(shù)凝
聚力C和內(nèi)摩擦角妒值按一定的比例 和 折減：
c， 云 (1)
tp'=arctan( ) (2)
A 2
得到一組新的C ， 值，將其作為新的參數(shù)輸入，得出
在該強度下的位移場、應(yīng)力場和壩體(壩基)的屈服狀
況。重復(fù)這一步驟，獲得多級強度條件下的位移場、應(yīng)
力場以及屈服區(qū)。在降低強度的過程中包括對C、妒
值采用等比例降強度和不等比例降強度兩種方法。國
內(nèi)外試驗研究的結(jié)果證明， 值較穩(wěn)定，波動較小，而
c值受外界因素影響較大，不夠穩(wěn)定，波動較大，因此
把c、 同等看待按等比例降強度，顯然是不夠合理
的，而采用不等比例降強度更符合實際，但存在著兩者
以何比例降低的問題，這一問題仍值得商榷。因此，本
文對于材料的c、 值采用等比例降強度的方法，即取
K。：K ：K進行分析。
1．3 綜合法
綜合法是在分析時綜合采用超載法和強度折減
法 ]，以便綜合兩種方法的優(yōu)勢，彌補單純的超載和
降強的不足。這種方法既考慮到工程上可能遇到的突
發(fā)洪水，又考慮了工程長期運行中巖體及軟弱結(jié)構(gòu)面
力學(xué)參數(shù)在水的作用下逐步降低的可能性。
1．4 安全度判斷
在進行安全度分析的過程中，需要一個判斷標(biāo)準(zhǔn)，
即通過何種指標(biāo)判斷壩體(壩基)系統(tǒng)已經(jīng)破壞或失
去承載能力，目前常用的有以下幾種收斂判據(jù)。
(1)有限元解收斂性判據(jù)。在求解迭代中，當(dāng)系
統(tǒng)的位移增量曲線或者荷載增量曲線達(dá)到極值后，在
計算上即反應(yīng)出迭代過程不收斂。因此，若在彈黏塑
性分析過程中，排除其他原因之后，發(fā)現(xiàn)迭代計算不收
斂，即可以作為系統(tǒng)失穩(wěn)的判據(jù) 1。
(2)塑性區(qū)貫通。在不斷的加載和降低強度的條
件下，壩體(壩基)系統(tǒng)出現(xiàn)屈服區(qū)，并擴展直到形成
連通的屈服區(qū)，失去承載能力，作為一種失穩(wěn)判據(jù)。該
判別方法比較簡單直接。
(3)位移突變。將超載系數(shù)與壩體位移曲線中出
現(xiàn)明顯拐點所對應(yīng)的超載系數(shù)或強度折減系數(shù)作為失
穩(wěn)判據(jù)，該判據(jù)可以表征整個結(jié)構(gòu)的一種狀態(tài)變化，比
較明確和方便地界定壩體壩基的穩(wěn)定性。
1．5 建基面的抗剪安全度分析 加】
壩基淺層面是對壩體壩基系統(tǒng)進行穩(wěn)定性評價需
要考慮的關(guān)鍵部位，由于其抗剪強度往往較低，必須對
其進行安全度評估分析，通過對這些結(jié)構(gòu)面及其組合
的抗剪驗算，是評價是否沿建基面發(fā)生滑移破壞的的
一個重要指標(biāo)。通過有限元分析得出淺層面上的滑動
力和抗滑力，根據(jù)滑動面是否膠結(jié)面，可分為純剪安全
度和抗剪斷安全度兩種。
： 墮 (3)
Σ7I A
： Σ A (4
式中， 為抗剪斷安全度； 為純剪安全度； 為淺
層面上的法向應(yīng)力；7 為面上的剪應(yīng)力，A 為第i個單
元面的面積， 為抗剪斷摩擦系數(shù)； 為純剪摩擦系
數(shù)；C 為內(nèi)聚力。
1．6 點安全度
點安全度定義為抗力和荷載效應(yīng)之比¨ ，如果采
用Drucker—Prager準(zhǔn)則，點安全度可寫為
K ： (5)
)
式中，Ot、k均為與內(nèi)摩擦系數(shù)，和內(nèi)聚力c有關(guān)的常
數(shù)。
80 人 民 長 江
2 計算模型與計算參數(shù)
2．1 計算模型
光照碾壓混凝土重力壩，最大壩高200．5 m，所建
立的光照大壩和基礎(chǔ)三維整體仿真模型的模擬范圍：
左右岸方向分別取約408 m和401 ITI，上下游方向分
別取300 m和500 m，鉛直向下取到高程180 m，模型
頂高程左岸取為870．5 m，右岸取為881．5 m。坐標(biāo)系
的選?。喉樅酉驗閤軸，指向下游為正；河床方向為y
軸，指向左岸為正；鉛直方向為z軸，向上為正，整個
壩體和壩基共有1 034 634個單元，1 012 042個節(jié)點，
其中壩體單元數(shù)為685 687，節(jié)點數(shù)為665 763，建基面
采用薄層單元。圖2為三維整體有限元網(wǎng)格模型，圖
3為壩體放大網(wǎng)格模型。
圖2 光照整體網(wǎng)格模型
圖3 壩體網(wǎng)格模型
2．2 計算參數(shù)
圖4為典型壩段剖面示意圖，壩基巖體和結(jié)構(gòu)面
的力學(xué)參數(shù)取值見表1。
2．3 計算工況和荷載
安全度評價分析是在大壩全程綜合仿真分析的基
礎(chǔ)上進行的，整個分析過程如下。
(1)溫度計算。針對大壩的實際澆筑過程，真實
地模擬各種溫控措施包括通冷卻水、倉面冷卻等，以及
真實地模擬當(dāng)時的氣溫、水溫，考慮分期蓄水，得出壩
體真實溫度分布情況。
(2)滲流計算。精確模擬排水孔、防滲帷幕等滲
控措施，對各個蓄水高程進行滲流計算。
圖4 典型壩段剖面示意
表1 各類材料的力學(xué)參數(shù)
(3)應(yīng)力應(yīng)變計算。同溫度計算一樣，考慮到壩
的澆筑過程和分期蓄水情況，模擬整個施工期的應(yīng)力
應(yīng)變分布，考慮的荷載有：① 壩體自重；② 作用在壩
體上的靜水壓力；③ 溫度荷載；④ 作用于壩基的滲透
荷載。
(4)超載分析。采用超水位法，在應(yīng)力應(yīng)變仿真
分析的基礎(chǔ)上進行彈塑性分析，所選的屈服準(zhǔn)則是
Drucker—Prager準(zhǔn)則，超載的倍數(shù)分別為1．0(正常工
況)，1．25，1．5。
(5)強度折減法。分別在1．0，1．25，1．5倍超載
的基礎(chǔ)上進行強度折減分析，所選的強度折減系數(shù)依
次為1．0，2．0，3．0，3．2，3．5，3．6，3．8，4．0，4．5，5．0
等。
3 計算成果與分析
3．1 位移曲線
碾壓混凝土重力壩施工采用通倉碾壓，是空間整
第2期 蘇培芳：碾壓混凝土重力壩安全度評價方法研究 81
體結(jié)構(gòu)，特征點的位移突變可以表征大壩的工作狀態(tài)
是否正常，圖5是壩頂順河向位移隨降強系數(shù)的變化
曲線，圖6是鉛直向位移隨降強系數(shù)的變化曲線，壩體
順河向位移隨著超載系數(shù)的增大而增大。正常工況
下，順河向位移在降強系數(shù)為3．8時發(fā)生突變，在1．25
倍超載工況下，降強系數(shù)為3．2時位移發(fā)生突變，在
1．5倍超載工況下，降強系數(shù)為3．0時位移發(fā)生突變。
+ 正常工況+ 1．25倍超載+ 1．5倍超載
圖5 壩頂順河向位移變化曲線
圖6 壩頂鉛直向位移變化曲線
3．2 屈服區(qū)
圖7所示為正常水荷載下，大壩屈服區(qū)隨降強系
數(shù)的變化過程。
● ●
● ● (c)降強系數(shù)3．5 (d)降強系數(shù)3 8
圖7 強度折減法壩基屈服區(qū)擴展過程
壩基屈服區(qū)隨著降強系數(shù)的增加而慢慢擴展，從
圖7中可以看出，強度參數(shù)降低時基礎(chǔ)的破壞類型和
破壞過程為：首先在上游壩踵出現(xiàn)拉裂破壞和下游壩
趾處出現(xiàn)壓屈服，然后是建基面和斷層處出現(xiàn)屈服，到
降強系數(shù)為3．5時屈服范圍超過帷幕中心線，降強系
數(shù)為3．8時屈服區(qū)基本貫通，在此過程中，下游壩基面
屈服區(qū)的擴展速度較快，最后達(dá)到壩基全面貫通屈服，
從而導(dǎo)致壩體壩基系統(tǒng)整體失穩(wěn)。
3．3 淺層抗滑安全系數(shù)
表2給出壩基淺層抗滑安全系數(shù)，降強系數(shù)為3．0
時，抗剪斷安全系數(shù)為1．97，純剪安全系數(shù)為0．76，不
滿足《混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范》要求，建基面在降強系
數(shù)為3．0時開始屈服。
表2 壩基淺層抗滑安全系數(shù)
正常工況 1．25倍超載工況 1．5倍超載工況
4 結(jié)論
為了研究壩體及壩基系統(tǒng)的安全儲備能力及可能
的破壞模式，本文在對光照碾壓混凝土重力壩溫度場、
滲流場、徐變應(yīng)力場等進行三維仿真分析的基礎(chǔ)上，采
用超載和強度折減法相結(jié)合的方法，將特征點位移隨
超載降強的變化曲線，屈服區(qū)是否貫通以及建基面的
淺層抗滑安全系數(shù)等作為安全判據(jù)研究壩體(壩基)
系統(tǒng)的整體安全度，并得出如下結(jié)論：
(1)正常水荷載下，根據(jù)特征點位移曲線突變點
位置得出的安全系數(shù)為3．8，超1．25倍水荷載工況
下，降強系數(shù)為3．6時壩體(壩基)系統(tǒng)失去承載能
力，超1．5倍水荷載時，安全系數(shù)為3．2。
(2)正常水荷載下，壩體大部分區(qū)域D—P點安
全度均大于3．0，在壩基部位出現(xiàn)D—P點安全度為
2．0的區(qū)域，隨著降強系數(shù)的增加，基礎(chǔ)部位的屈服區(qū)
范圍逐漸增加直至連通，降強系數(shù)為3．5時大壩處于
臨界狀態(tài)，安全系數(shù)為3．5～3．8。
(3)在正常水荷載下得出抗剪斷安全系數(shù)較大，
都大于5．0，純剪安全系數(shù)約為3．0，均滿足設(shè)計規(guī)范
的要求，當(dāng)降強系數(shù)為3．0時，抗剪斷安全系數(shù)和純剪
安全系數(shù)均不滿足設(shè)計規(guī)范的要求。
(4)由于施工過程、方法以及施工期的變形、應(yīng)
加鯽印蚰∞ 加加0 m 加
82 人 民 長 江 2O12年
力、滲流、溫度的變化都可能對高碾壓混凝土重力壩的
安全穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響，因此開展綜合仿真基礎(chǔ)上
的安全性評估才更具研究價值。
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1890 —1898．
(編輯：喻偉)
Study on stability evaluation method for RCC gravity dam
SU Peifang
(Engineering Technology Research Center，Changjiang Institute of Survey，Planning，Design and Research，Wuhan 430010，China)
Abstract： The dam of Guangzhao Hydropower Station is one of the hi ghest RCC gravity dams in the world with large reservoir
capacity，the dam safety and stability is one of key issues in the construction and operation period．By finite element method，the
temperature filed，seepage field，stress—strain field of the dam are simulated and analyzed；by overloading and strength reduc·
tion methods，the progressive damage process and possible stability loss mode of the dam body and foundation are simulated and
the dam integral safety degree is identified according to sudden change of the displacement of feature points，yield zone penetrating
condition，and in the meantime，the anti—sliding analysis for the shallow stratum of the dam foundation is conducted．The
study result shows the general safety degree of the RCC gravity dam is higher than 3．0，and the safety degree of weak zones such
as the shallow stratum of dam foundation is higher than 2．0，which can meet the project stability requirement．
Key words： safety degree；overloading；strength reduction method；RCC gravity dam
】? 】 o●
(上接第77頁)
， ? ■ ■ ， ， ， ? ， ? ， 一
Structural safety analysis of a 100m level hardfill dam
XIONG Kun 一，HE Yunlong ，CHEN Tao
(1．Engineering Development Center，Changjiang Institute ofSurvey，Planning，Des n and Research，Wuhan 430010，China；2．
State Key Lab．ofHydraulics and Mountain River Engineering，Sichuan University，Chengdu 610065，China；3．State Key Lab．
of Water Resources and Hydropower Engineering Science，Wuhan University，Wuhan 430072，China；4．Xinglong Hydropower
Station Administrative Department of South—to—north Water Diversion in Hubei，Qianjiang 433 100，China)
Abstract： Hardfill dam is a new type of dam ，and Oyuk Dam is one of the only two Hardfill dams higher than lOOm in the
world．Based on elastoplastic FEM ．the failure modes and struetural safety of the dam under static and seismic conditions were
studied with overload method by water load and ea~hquake load．The results show that whole section of dam body is almost com·
pressed under the condition of normal operation and basis ea~hquake with high strength and anti—-sliding safety factors and is ba--
sically in an elastic state．Because of engineering measures such as concrete partition at dam bottom and dam heel，high strength
hardfill material filling at dam toe，the dam possesses high overload safety margin for water load and earthquake．
Key words： hardfill dam ；elastoplastic FEM ；structural safety；Oyuk Dam

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