有限元法在分析拱坝坝肩稳定中的应用

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2、gshi(河海大学.南京),qJ,‘HohaiUniversity,Nanjing)mn【摘要】在评述估计拱坝埂肩稳定安奎度方法基础上,结合某重力拱坝的左坝肩的稳定问题,重点对有限元法作了详细分析,并与刚体极限平衡的等法和地质力学模型试验的成果作了对比,-结果表明,用有限元法估计坝肩的稳定安奎度比其它方法更能反映实际情况.【关键词】有限元法稳定安奎度刚体极限平衡等法1前言目前,国内外评价拱坝坝肩稳定安全度的方法,以刚体极限平衡法为主,这和地质勘探技术,岩石力学的发展水平有关.最近几年发展起来的可靠度理论分析大坝安全度方法,给坝工技术带

3、来了更光明的前景,但在应用方面尚缺少经验.还需逐步完善有限元理论的不断发展,为评价坝的安全度开辟了新的途径.此法力学概念明确,模拟坝体及地基力学参数较接近实际.近年来不断用于大型工程及重要水工建筑物的设计之中.取得了较好的效果象一些地质条件复杂,资料不全的工程以及蓄水初期的大坝,用有限元分析安全度,是一种比较切合实际的有效方法.因此.随着有限元理论的不断深化,计算机技术的发展,用有限元分析工程安全度.将会得到更广泛的应用.下面简要评述拱坝稳定安全度的分析方法.2评述拱坝稳定安全度的分析方法拱坝坝肩是一个复杂的天然岩体,限于*到稿时问:

4、lg95一l2一O3目前的测试技术,还难以准确地获得岩体的物理力学参数(,,c).因此,拱坝坝肩稳定评估方法有待不断补充完善.下面介绍几种目前坝工上常用的评估安全度的方法:安全系数法,可靠度理论和物理模型试验法.2.1安全系数法安全系数法是目前国内外工程设计中最常用的方法,按计算原理可分为:刚体平衡理论和有限元法等.(1)刚体极限平衡理论众所周知,该理论假定滑移体为刚体,作用在滑移面上的力系只计法向力和剪力.而不考虑弯矩作用.因此,计算简单,且比较成熟.已被广泛应用于估计拱坝稳定安全度.然而此法比较粗略,忽略因素较多.但就目前勘测和试

5、验所得的原始数据的精度来看,还是相当的.该理论的计算方法众多,但归纳起来,主要是计算下式的安全系数;∑Ⅳ+∑c.A.…—■_¨式中的.v,,C.,T.,A.分别是滑动面上的法向力,摩擦系数,凝聚力,剪力和滑动面面积.顾冲时有限元法在分析拱埂坝肩稳定中的应用37若计算简图为图1,那末,可通过力系平衡方程:∑X=0]∑:0}∑Z一0J(2)求得M,,代入(1)式,求出滑动面上(图1,～中的ACB面)的安全系数K.图1计算筒图(2)有限元法有限元法原则上可以模拟岩体的地质构造和物理力学特性,采用线性和非线性有限元分析,可以得到滑移面上的应力

6、,然后用(3)式计算整体或各块稳定安全系数从而初步掌握滑移面上的各块的稳定安全度,至于其应用将在下面实例中详细讨论,?I.ds+IC?ds—d∞Jr.式中当c一0时.为纯摩擦公式;当c≠0时,为抗剪断公式;,r,f,C分别为某滑动单元滑动面上的正应力和剪应力,摩擦系数,凝聚力;为滑动面面积.2.2可靠度理论分析坝肩稳定结构可靠度理论分析复杂地基上拱坝坝肩稳定,目前国内外还属研究阶段,其主要特点是:将作用的荷载,荷载效应以及抗力和物理力学参数都当做随机变量,通过统计特性的分析和检验,确定分布类型,然后用结构分析法建立大坝的极限状态方程,

7、从中求得坝肩的失效概率Pf和可靠度指标它通常分下列三步进行:1)统计分析;2)建立大坝失事模式及其极限状态方程;3)计算失效概率Pt或可靠度指标卢.可靠度理论应用于拱坝坝肩安全度评估中,将一些主要参数作为随机变量处理.因此,该法比安全系数法更能反映实际.但是该法要求有完整的观测资料和试验资料.这对尚未竣工或蓄水初期的工程来说,往往无法达到从而用此法评价安全度时,精度不高,甚至无法使用2.3模型试验法上述介绍的两种安全度评估方法是数学力学分析法,而对于某些重要工程来说,除此以外,往往还需用模型试验进行分析论证.本世纪7O年代末,8O年代

8、初发展起来的地质力学模型试验技术,可以做到原型的重力相似,地质构造的产状和物理力学参数等相似.从而,可以在模型中找出破坏机理和工程的薄弱部位.并根据荷载与变形关系曲线扔步估计大坝和坝基的稳定安全度.由于试验中的一些技术问