导航： >> 安全论文>> 建筑安全论文>>正文

碾压混凝土重力坝安全度评价方法研究

文档作者：苏培芳文档来源：长江勘测规划设计研究院		点击数：	更新时间： 2024年02月21日
下载地址：点击这里	文件大小： 338.90 KB 共5页	文档格式： PDF	下载点数： 1 点（VIP免费）

全屏查看

内容预览 [文件共5页]

本文件共5页，如需编辑使用，请下载。

注：预览效果可能会出现部分文字乱码（如口口口）、内容显示不全等问题，下载是正常的。

	文件大小：338.90 KB 共5页文件格式：PDF 下载点数：1 点（VIP会员免费）

下一篇：某混凝土高拱坝整体安全度评估

上一篇：农村混凝土路面施工安全及质量管理控制分析

文本预览

仅提取页面文字内容，供快速阅读使用。

第43卷第2期
2 0 1 2 年1月
人 民 长 江
Yangtze River
Vo1．43．No．2
Jan．， 2012
文章编号：1001—4179(2012)02—0078—05
碾压混凝土重力坝安全度评价方法研究
苏培芳
(长江勘测规划设计研究院工程技术研发中心，湖北武汉430010)
摘要：光照碾压混凝土坝是目前世界上最高的碾压混凝土重力坝之一，坝高库大，其安全稳定性是施工期和运
行期中至关重要的技术问题。运用有限单元法，对光照碾压混凝土重力坝施工期和运行期的温度场、渗流场、
应力应变场等进行仿真分析，采用超载法和强度折减法相结合的方法模拟坝体(坝基)系统的渐进破坏过程
和可能的失稳模式，并根据特征点位移突变、屈服区贯通等方法判断大坝的整体安全度，同时对坝基浅层面进
行抗滑稳定计算。研究结果表明，光照碾压混凝土重力坝的整体安全度大于3．O，且坝基浅层面等薄弱部位
的安全系数大于2．0，满足工程稳定的需要。
关键词：安全度；超载；强度折减法；碾压混凝土重力坝
中图法分类号：TV642 文献标志码：A
稳定安全度分析是碾压混凝土重力坝设计和运行
期的重要技术问题。光照碾压混凝土重力坝是目前在
建的世界上最高的碾压混凝土重力坝之一，大坝结构
的特殊性和工作条件的复杂性，决定了其稳定安全度
及应力应变的真实状态与地基、施工和运行期的多种
因素相关，因此对其进行整体承载能力和安全度的分
析评价是一项非常复杂、难度较高的研究工作。
目前大坝整体安全性评价的主要方法有地质力学
模型试验方法和数值分析方法等” 。通过模型试验
可以得到结构的破坏形态以及损伤破坏过程，确定整
体稳定安全度。但其结果与工程现场实际的地质条
件、荷载组合等差异较大 ，同时需消耗大量的人力
和物力资源。近年来数值模拟方法在大坝整体安全分
析中得到越来越广泛的应用，如有限单元法、离散单元
法、不连续变形分析方法、数值流形方法、块体单元法、
复合单元法等 ，而其中有限单元法的应用最为普
遍和深入，不仅考虑了大坝的各种荷载组合效应，真实
模拟大坝的具体施工过程和蓄水过程，而且可以模拟
基础的各种软弱结构面。但目前的研究工作尚存在以
下不足，如施工期仿真与运行期安全度评价联系不紧
密，地基基础与大坝作为结构体系进行整体研究的原
则贯彻不彻底，温度、渗流、应力应变、安全度的耦合研
究贯彻不彻底等等。
针对这种现状，本文结合以往相关研究成果 ，
开展了如下研究：① 建立三维整体仿真分析模型，对
坝基内断层和坝体(坝基)的接触面等软弱结构面进
行离散模拟；② 按照实际的施工过程和蓄水过程，模
拟施工期的温度场、渗流场、徐变应力场等；③ 在施工
期仿真的基础上，利用超载法和强度折减法对坝体
(坝基)系统进行渐近破坏计算，对光照碾压混凝土坝
坝体和坝基系统整体安全度作出评价。本文采用的一
系列仿真分析过程能更真实地反映大坝的稳定安全
度，对合理评价大坝的整体安全度具有重要意义。
1 计算原理与分析方法
1．1 超载法
超载法是用逐步增加上游水荷载来研究坝体(坝
基)系统从局部到整体破坏失稳过程的方法，由此得
到安全系数叫超载安全系数，在超载分析中，仅超载作
用于坝体上游面的水荷载，其他荷载都不超载，可分为
超水位和超水容重两种方法 ，如图l(a)、(b)所示，
图中 。为正常水容重。
收稿日期：2011一l】一15
基金项目：国家“十一五”科技支撑计划项目“水库大坝除险与溃坝规律研究课题”(2006BAC14B01)
作者简介：苏培芳，女，工程师，博士，主要从事水工结构数值模拟方面的工作。E—mail：pfsu@163．eom
第2期 苏培芳：碾压混凝土重力坝安全度评价方法研究 79
H＼ L !些．1． ．1
L ! -l ( )超水容重法
图1 超载方式示意
1．2 强度折减法 ’ 】
强度折减法是用逐步降低岩体的力学参数研究坝
体坝基系统从局部到整体破坏失稳过程的方法，可以
反映岩体工程在长期运行过程中，由于库水的浸泡或
渗漏使岩体中软弱结构面强度指标逐步弱化的影响。
在保持荷载组合值不变的条件下，将岩体强度参数凝
聚力C和内摩擦角妒值按一定的比例 和 折减：
c， 云 (1)
tp'=arctan( ) (2)
A 2
得到一组新的C ， 值，将其作为新的参数输入，得出
在该强度下的位移场、应力场和坝体(坝基)的屈服状
况。重复这一步骤，获得多级强度条件下的位移场、应
力场以及屈服区。在降低强度的过程中包括对C、妒
值采用等比例降强度和不等比例降强度两种方法。国
内外试验研究的结果证明， 值较稳定，波动较小，而
c值受外界因素影响较大，不够稳定，波动较大，因此
把c、 同等看待按等比例降强度，显然是不够合理
的，而采用不等比例降强度更符合实际，但存在着两者
以何比例降低的问题，这一问题仍值得商榷。因此，本
文对于材料的c、 值采用等比例降强度的方法，即取
K。：K ：K进行分析。
1．3 综合法
综合法是在分析时综合采用超载法和强度折减
法 ]，以便综合两种方法的优势，弥补单纯的超载和
降强的不足。这种方法既考虑到工程上可能遇到的突
发洪水，又考虑了工程长期运行中岩体及软弱结构面
力学参数在水的作用下逐步降低的可能性。
1．4 安全度判断
在进行安全度分析的过程中，需要一个判断标准，
即通过何种指标判断坝体(坝基)系统已经破坏或失
去承载能力，目前常用的有以下几种收敛判据。
(1)有限元解收敛性判据。在求解迭代中，当系
统的位移增量曲线或者荷载增量曲线达到极值后，在
计算上即反应出迭代过程不收敛。因此，若在弹黏塑
性分析过程中，排除其他原因之后，发现迭代计算不收
敛，即可以作为系统失稳的判据 1。
(2)塑性区贯通。在不断的加载和降低强度的条
件下，坝体(坝基)系统出现屈服区，并扩展直到形成
连通的屈服区，失去承载能力，作为一种失稳判据。该
判别方法比较简单直接。
(3)位移突变。将超载系数与坝体位移曲线中出
现明显拐点所对应的超载系数或强度折减系数作为失
稳判据，该判据可以表征整个结构的一种状态变化，比
较明确和方便地界定坝体坝基的稳定性。
1．5 建基面的抗剪安全度分析 加】
坝基浅层面是对坝体坝基系统进行稳定性评价需
要考虑的关键部位，由于其抗剪强度往往较低，必须对
其进行安全度评估分析，通过对这些结构面及其组合
的抗剪验算，是评价是否沿建基面发生滑移破坏的的
一个重要指标。通过有限元分析得出浅层面上的滑动
力和抗滑力，根据滑动面是否胶结面，可分为纯剪安全
度和抗剪断安全度两种。
： 堕 (3)
Σ7I A
： Σ A (4
式中， 为抗剪断安全度； 为纯剪安全度； 为浅
层面上的法向应力；7 为面上的剪应力，A 为第i个单
元面的面积， 为抗剪断摩擦系数； 为纯剪摩擦系
数；C 为内聚力。
1．6 点安全度
点安全度定义为抗力和荷载效应之比¨ ，如果采
用Drucker—Prager准则，点安全度可写为
K ： (5)
)
式中，Ot、k均为与内摩擦系数，和内聚力c有关的常
数。
80 人 民 长 江
2 计算模型与计算参数
2．1 计算模型
光照碾压混凝土重力坝，最大坝高200．5 m，所建
立的光照大坝和基础三维整体仿真模型的模拟范围：
左右岸方向分别取约408 m和401 ITI，上下游方向分
别取300 m和500 m，铅直向下取到高程180 m，模型
顶高程左岸取为870．5 m，右岸取为881．5 m。坐标系
的选取：顺河向为x轴，指向下游为正；河床方向为y
轴，指向左岸为正；铅直方向为z轴，向上为正，整个
坝体和坝基共有1 034 634个单元，1 012 042个节点，
其中坝体单元数为685 687，节点数为665 763，建基面
采用薄层单元。图2为三维整体有限元网格模型，图
3为坝体放大网格模型。
图2 光照整体网格模型
图3 坝体网格模型
2．2 计算参数
图4为典型坝段剖面示意图，坝基岩体和结构面
的力学参数取值见表1。
2．3 计算工况和荷载
安全度评价分析是在大坝全程综合仿真分析的基
础上进行的，整个分析过程如下。
(1)温度计算。针对大坝的实际浇筑过程，真实
地模拟各种温控措施包括通冷却水、仓面冷却等，以及
真实地模拟当时的气温、水温，考虑分期蓄水，得出坝
体真实温度分布情况。
(2)渗流计算。精确模拟排水孔、防渗帷幕等渗
控措施，对各个蓄水高程进行渗流计算。
图4 典型坝段剖面示意
表1 各类材料的力学参数
(3)应力应变计算。同温度计算一样，考虑到坝
的浇筑过程和分期蓄水情况，模拟整个施工期的应力
应变分布，考虑的荷载有：① 坝体自重；② 作用在坝
体上的静水压力；③ 温度荷载；④ 作用于坝基的渗透
荷载。
(4)超载分析。采用超水位法，在应力应变仿真
分析的基础上进行弹塑性分析，所选的屈服准则是
Drucker—Prager准则，超载的倍数分别为1．0(正常工
况)，1．25，1．5。
(5)强度折减法。分别在1．0，1．25，1．5倍超载
的基础上进行强度折减分析，所选的强度折减系数依
次为1．0，2．0，3．0，3．2，3．5，3．6，3．8，4．0，4．5，5．0
等。
3 计算成果与分析
3．1 位移曲线
碾压混凝土重力坝施工采用通仓碾压，是空间整
第2期 苏培芳：碾压混凝土重力坝安全度评价方法研究 81
体结构，特征点的位移突变可以表征大坝的工作状态
是否正常，图5是坝顶顺河向位移随降强系数的变化
曲线，图6是铅直向位移随降强系数的变化曲线，坝体
顺河向位移随着超载系数的增大而增大。正常工况
下，顺河向位移在降强系数为3．8时发生突变，在1．25
倍超载工况下，降强系数为3．2时位移发生突变，在
1．5倍超载工况下，降强系数为3．0时位移发生突变。
+ 正常工况+ 1．25倍超载+ 1．5倍超载
图5 坝顶顺河向位移变化曲线
图6 坝顶铅直向位移变化曲线
3．2 屈服区
图7所示为正常水荷载下，大坝屈服区随降强系
数的变化过程。
● ●
● ● (c)降强系数3．5 (d)降强系数3 8
图7 强度折减法坝基屈服区扩展过程
坝基屈服区随着降强系数的增加而慢慢扩展，从
图7中可以看出，强度参数降低时基础的破坏类型和
破坏过程为：首先在上游坝踵出现拉裂破坏和下游坝
趾处出现压屈服，然后是建基面和断层处出现屈服，到
降强系数为3．5时屈服范围超过帷幕中心线，降强系
数为3．8时屈服区基本贯通，在此过程中，下游坝基面
屈服区的扩展速度较快，最后达到坝基全面贯通屈服，
从而导致坝体坝基系统整体失稳。
3．3 浅层抗滑安全系数
表2给出坝基浅层抗滑安全系数，降强系数为3．0
时，抗剪断安全系数为1．97，纯剪安全系数为0．76，不
满足《混凝土重力坝设计规范》要求，建基面在降强系
数为3．0时开始屈服。
表2 坝基浅层抗滑安全系数
正常工况 1．25倍超载工况 1．5倍超载工况
4 结论
为了研究坝体及坝基系统的安全储备能力及可能
的破坏模式，本文在对光照碾压混凝土重力坝温度场、
渗流场、徐变应力场等进行三维仿真分析的基础上，采
用超载和强度折减法相结合的方法，将特征点位移随
超载降强的变化曲线，屈服区是否贯通以及建基面的
浅层抗滑安全系数等作为安全判据研究坝体(坝基)
系统的整体安全度，并得出如下结论：
(1)正常水荷载下，根据特征点位移曲线突变点
位置得出的安全系数为3．8，超1．25倍水荷载工况
下，降强系数为3．6时坝体(坝基)系统失去承载能
力，超1．5倍水荷载时，安全系数为3．2。
(2)正常水荷载下，坝体大部分区域D—P点安
全度均大于3．0，在坝基部位出现D—P点安全度为
2．0的区域，随着降强系数的增加，基础部位的屈服区
范围逐渐增加直至连通，降强系数为3．5时大坝处于
临界状态，安全系数为3．5～3．8。
(3)在正常水荷载下得出抗剪断安全系数较大，
都大于5．0，纯剪安全系数约为3．0，均满足设计规范
的要求，当降强系数为3．0时，抗剪断安全系数和纯剪
安全系数均不满足设计规范的要求。
(4)由于施工过程、方法以及施工期的变形、应
加鲫印蚰∞ 加加0 m 加
82 人 民 长 江 2O12年
力、渗流、温度的变化都可能对高碾压混凝土重力坝的
安全稳定性产生较大影响，因此开展综合仿真基础上
的安全性评估才更具研究价值。
参考文献：
[1] 董建华，谢和平，张林，等．大岗山双曲拱坝整体稳定三维地质力
学模型试验研究[J]．岩石力学与工程学报，2007，26(10)：2027～
2033．
[2] 李同春，王仁坤，游启升，等．高拱坝安全度评价方法研究[J]．水
利学报，2007，(增)：78—83．
[3] 石根华．数值流形方法与非连续变形分析[M]．北京：清华大学出
版社．1997．
[4] 陈胜宏．计算岩体力学与工程[M]．北京：中国水利水电出版社，
2006．
[5] 朱伯芳．混凝土坝安全评估的有限元全程仿真与强度递减法[J]．
水利水电技术，2007，(1)：1—6．
[6] 段庆伟，耿克勤，吴永平，等．小湾拱坝变形承载力及整体安全度
评价与分析[J]．岩土力学，2008，29(增)：15—20．
[7] 江权，冯夏庭，向天兵．基于强度折减原理的地下洞室群整体安全
系数计算方法探讨[J]．岩土力学，2009，30(8)：2483—2488．
[8] 熊垄，何蕴龙，肖伟．桑郎拱坝整体稳定安全度数值分析[J]．武汉
大学学报：工学版，2007，(8)：22—25．
[9] 余天堂，任青文．锦屏高拱坝整体安全度评估[J]，岩石力学与工
程学报，2007，26(4)：787—794．
[10] 陈胜宏．水工建筑物[M]．北京：中国水利水电出版社，2004．
[11] 宁宇，徐卫亚，郑文棠，等．白鹤滩水电站拱坝及坝肩加固效果分
析及整体安全度评价[J]．岩石力学与工程学报，2008，27(9)：
1890 —1898．
(编辑：喻伟)
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页)
， ⋯ ■ ■ ， ， ， ⋯ ， ⋯ ， 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

网友评论 more

建筑安全论文最新内容

03-05