基于向家坝水电站坝基深层抗滑稳定性的流固耦合分析

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1、第8卷第1期中国水利水电科学研究院学报Vo1．8No．12010~3．HJourea]ofChinaInsfitute0fWa￡erResourcesamdHydropowerResearchMarch,2010————文章编号：1672—3031(2010)01—0011-07向家坝水电站坝基深层抗滑稳定性的流固耦合分析于沭，陈祖煜，贾志欣，段庆伟(中国水利水电科学研究院岩土工程研究所，北京100048)摘要：采用流固耦合结合强度折减方法分析重力坝深层抗滑稳定性，可以准确考虑坝基渗流场的分布以及孔隙水压力对坝基抗滑稳定性的影响，且不需假设滑动面，可以自动搜索滑动面位置。向家坝水电站的泄

2、12坝段坝基岩体质量较差，且发育有多条倾向下游的软弱岩层和软弱夹层，对坝基的深层抗滑稳定不利。本文应用FLAC软件对该坝段坝基的深层抗滑稳定性进行了流固耦合分析。通过强度折减方法研究了坝基的渐进破坏过程，并得到坝基的深层抗滑稳定安全系数。关键词：向家坝；深层抗滑稳定；流固耦合；强度折减；FLAC中图分类号：Tv642．4’5文献标识码：A1研究背景目前我国正处于水利水电建设的高速发展时期，众多大型水利水电工程都已进入了研究、建设阶段，很多工程都采用重力坝作为拦水建筑物。由于很难保证重力坝的所有坝段都处于坚硬完整的岩基上，有些坝段可能修建在岩体质量较差的岩基上，因此有必要对这些坝段沿坝基破

3、坏的深层抗滑稳定性加以验算。重力坝坝基深层抗滑稳定问题在规范中推荐的研究方法是使用极限平衡方法，该方法对滑面形状、水荷载的分布作了一定的假设，这些假设对深层抗滑稳定安全系数的准确性带来了较大的不确定性。有限元以及有限差分方法因其具有可以考虑岩土体的非线性本构关系，考虑变形协调等优势，近年来也被众多专家学者应用于分析重力坝深层抗滑稳定性。文献[3]针对不同地质条件，讨论了FLAC结合强度折减方法对分析重力坝深层抗滑稳定性的适用性，其结论表明基于FLAC的强度折减方法对于分析重力坝深层抗滑稳定问题具有普遍的适用性。已有许多学者将基于有限元或者FLAC的强度折减方法应用于多个工程的重力坝深层抗

4、滑稳定分析中。由于库水对坝体及坝基的作用力对重力坝的深层抗滑稳定性有至关重要的影响，在各种分析方法中，通常都会把库水对坝体及坝基的作用力做一定的简化，以一种外荷载的方式施加于坝体和坝基的假设滑动面两侧，这种方法虽然简单易行，但对于坝基内的渗透力的考虑往往过于简单、甚至不予考虑，这对重力坝深层抗滑稳定分析的准确性有重要的影响。快速拉格朗日显式有限差分法程序FLAC在模拟岩土材料的流固耦合方面的可靠性已被岩石力学界认可，该程序为模拟岩体内渗流状态提供了有效的分析工具。基于FLAC软件的流固耦合计算功能，结合强度折减方法在分析重力坝深层抗滑稳定性方面具有以下优势：不需对渗流场及渗透力进行假设，

5、可以准确计算渗流场在坝基的分布状态以及充分考虑坝基内孔隙水压力对力学计算的影响；不需假设滑动面的位置，可以自动搜索滑动面的位置；可以研究坝基的在大坝及库水共同作用下的渐进破坏过程。本文在对重力坝坝体坝基进行流固耦合分析的基础上，应用FLAC软件，结合强度折减方法对向家坝水电站泄12坝段的深层抗滑稳定性进行了分析。收稿日期：2009—12—07作者简介：于沭(1983-)，男，辽宁葫芦岛人，博士生，主要从事岩土工程数值模拟等方面的研究。E-mail：yushu1983@163．tom向家坝水电站坝基深层抗滑稳定性的流固耦合分析于沭陈祖煜贾志欣段庆伟2计算原理2．1流固耦合分析原理FLAC软

6、件在计算流体(如水)在多孔固体介质(如土)中流动时，遵循Darcy，定律，流固耦合过程遵循Biot理论。FLAC中渗流计算可以独立于或平行于力学计算，本文采用渗流计算平行于力学计算的方式，并满足以下方程：运动方程g一4fi()(尸一户)(1)式中：g为渗透流量；七为介质的绝对机动系数(FLAC中代表渗透张量)；P为孔隙压力；为介质关于饱和度()的相对机动系数；p为流体密度；gk(=1，2)是重力的2个分量。平衡方程Oqi一Ot=一+qv(2)式中：为单位体积孔隙介质的流体体积的变化量；g为被测体积的流体源密度。本构方程警=(蔷一鲁](3)其中：—————～(4)+(⋯)(1一)式中：M为

7、Biot模量；仅为Biot系数；s为体积应变；n为孔隙率；为排水后固体的体积模量；K为水的体积模量。相容方程+㈣2．2坝基深层抗滑稳定分析原理强度折减方法是Zienkiewicz等在1975年首次在土工弹塑性有限元数值分析中提出的。其基本原理是：用一个折减系数厂分别除以岩土体抗剪强度指标c和tan，通过式(6)、式(7)得到一组新的抗剪强度参数c和tanq~。将折减后的强度参数c和代人数值计算软件后再次试算，并判断岩土体各个单元弹塑