重力坝均质坝基的失稳机理研究

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1、重力坝均质坝基的失稳机理研究重力坝均质坝基的失稳机理研究重力坝均质坝基的失稳机理研究重力坝均质坝基的失稳机理研究重力坝均质坝基的失稳机理研究重力坝均质坝基的失稳机理研究重力坝均质坝基的失稳机理研究重力坝均质坝基的失稳机理研究重力坝均质坝基的失稳机理研究重力坝均质坝基的失稳机理研究重力坝均质坝基的失稳机理研究重力坝均质坝基的失稳机理研究重力坝均质坝基的失稳机理研究重力坝均质坝基的失稳机理研究重力坝均质坝基的失稳机理研究第22卷第1期1989年2月武汉水利电力学院J.ofWuhanUnlvofHydr.&Elec

2、Eng.Vo1.22No.1Feb.1989重力坝均质坝基的失稳机理研究常晓林陆进远(水力发电工程系)提要事文通过数值模拟重力坝均质坝基的破坏过程,对其失稳机理进行了分析研究.结果表明,坝基的破坏主要表现为坝踵裂缝的延伸和坝趾附近基岩剪切屈服区的扩展.当屈服区在坝基浅层形戒上下游贯通时,坝基承载能力达到极限值,大坝措塑性屈服层滑移,从而导致整体失稳.关蕾词:坝基}裂缝}屈服I破坏分析}失稳机理引言坝基岩体的稳定分析是坝工设计中一个十分重要的问题.混凝土坝的一切荷载最终都是由坝基承担的,作为坝基的岩体是否具有足够的强度

3、或其强度是否被合理地利用,必然影响到大坝的安全与经济.因此,要合理地进行夫坝的设计和施工,必须首先了解结构的受荷特征和应力与变形状态,弄清坝基的破坏机制和失稳形态,在此基础上才能确定合适的安全准则.正确地评价大坝的稳定性,相应提出有效的加固处理措施.几十年来,人们致力于研究探讨坝基岩体的破坏机理和变形特性,取得了不少成果,也积累了许多经验.”但是,这些初步探讨还远远不能满足工程实践的需要,到目前为止,对破坏机理的认识仍是比较肤浅的.基于这种现状,本文采用非线性有限元对重力坝均质岩石坝基的破坏过程和变形形态进行了分析,

4、试图在失稳机理方面得出一些规律性的认识.这里所提的均质岩石坝基’是为了便于数值计算分析而采用的一种在力学上等效的理想化模型.自然界中的岩体由于其自身存在节理裂隙和受断裂构造面的切割,实际上是不连续,不均匀和各向异性的,工程实践中要搞清其复杂的结构构造情况也是很难的.对于坝基岩休节理裂隙比较发育,分布的随机性强,总体上是无规律的且无主要缓倾角软弱结构面的情况,我们往往可以通过采用一定代表性体积上的力学参数的等效,近似地简化为.均质岩石坝基.情况来考虑.因此,这种.均质岩石坝基模型对于工程实际具有一般性的研究意义.I计算

5、分析方法本文主要采用非线性有限元对坝基破坏过程进行计算模拟,并依据以下条件编制了计算奉文1988年7月5日收到程序t1.1荷藏情况只考虑了坝体混凝土自重,上游坝面水压力,坝基渗透体积力和坝基岩体初始应力等几个主要荷载.逐步提高库水位来近似模拟水库蓄水的过程,从而探求坝基状态的变化情况租破坏的发展过程.1.2破坏判据采用了如图1中曲线ABC所示的复合破坏判据,BC段为Mohr—Coulomb准则曲线,AB段为近似于Hoek—Brown准则曲线的一段抛物线,其方程可表示为.建1一B.}./-,蚰段t(量)-+昔oBC段I

6、ai;Fa+R盯3≥0一式中,a1.a——最犬,最小主应力(压为正)J月,月.——岩体单轴抗压.抗拉强度JF———强度线的斜率.显然,F相月与岩体抗剪强度参数/.c的关系为F一(,+了r)1R=2c(f+1+,.)/又由AB与BC在B点光拊莲接(相切)可得图1复合破坏判据(2);c(1可.一,)一耳,2F(3)在双向压缩状奄下(≥0)岩俸遵循Mohr—Coulomb准则,并假定是脆性破j={:型,印当岩体剪应力超过其峰值强度时,即应力状悉点落在BC线上方,抗剪强度将降至残余强度(13C线),本文提到的剪切屈服即指这种

7、情况.当出现拉应力时(口s<0),岩体服从抛物线判据,若拉应力达到或超过其极限抗拉强度,岩体发生破裂,产生拉裂缝,方向与主拉应力(a.)正交,缝端周围剐伴随有数裂缝隙扩张医.宏观裂缝的出现将使坝基结构的接体性受到不同程度的削弱,同;,也引起坝基渗流状态的变化.当某单元出现裂缝对,我们在裂缝界面上反向施加拉应力,作为对该局啬l;应力和变形的调整,程序自动对单元和节点重新编号.这里假定裂缝妊张开的,不传递法向和切向应力,且作为坝基渗流场韵一个等水头边界.对于均质坝基,裂缝的初始起点一般在坝踵角点.上述复台型判据仍然

8、只包含岩休的f,c这两个抗剪强度参致.实际上脆性破坏时峰值与残余值的关系是随应力状态而变的,但为了便于成果的分析整理,根据试验资料的统计分析,本文取抗剪断强度参数的残余值与峰值的关系为f,一0.8,,c一0.5c艘行计算,这一关系与文献的结果是吻合的.1.3坝基渗流与应力状态的耦台在许多情况下,实验室以及现场试验的结果都表明,无论是岩石材料或是