混凝土拱坝坝肩抗滑稳定三维非线性有限元分析

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1、第41卷第2期人民长江V01．41．No．22010年1月YangtzeRiverJan．，2010文章编号：1001—4179(2010)02—0009—04混凝土拱坝坝肩抗滑稳定三维非线性有限元分析袁志刚，马连军，种秀灵2(1．江西省水利规划设计院规划设计分院，江西南昌330029；2．四川水利职业技术学院环境系，四川都江堰611830)摘要：拱坝坝肩的稳定是保障拱坝安全的关键因素之一。目前，拱坝坝肩稳定分析多采用刚体极限平衡法，该法不能考虑岩体的弹塑性变形，也不能模拟岩体构造的复杂性，所以就不能很好地反映坝肩

2、岩体的破坏机理以及坝体与基岩的整体作用效果。从材料的弹塑性理论出发，应用三维非线性有限元法对坝体和坝肩岩体抗滑稳定进行分析。通过对具体工程模型的计算分析，分别以荷载突变和材料强度逐渐降低两种方式对坝肩岩体抗滑安全稳定给予评价。工程分析成果表明：非线性有限元法是进行拱坝及坝肩稳定分析的一种有效方法．能充分反映大坝与坝基岩体的共同作用效应。关键词：三维非线性有限元；拱坝坝肩岩体；应力和位移；抗滑稳定安全系数；本构关系中图法分类号：TV642．4文献标志码：A随着我国水利水电建设的蓬勃发展，拱坝逐渐成裂面滑移失稳，以坝肩

3、整体滑移时，相应的超载倍数作为筑坝的首选坝型之一。由于拱坝的受力机制，坝肩为坝肩整体超载抗滑稳定安全系数。超载安全系数的岩体的稳定必然是评价拱坝整体安全性的重要因实际意义可以看作是突发洪水情况对拱坝结构的安全素⋯，这也是水利水电工程科学的重点研究课题。影响。目前，关于拱坝坝肩稳定性的评价方法，工程中通强度储备安全系数法考虑了坝肩岩体具有一定的常采用刚体极限平衡法，该方法计算原理简单，但强度储备能力，在荷载组合值不变的条件下按比例降要有长期的实践经验，要有一套相应的稳定判别标准。低坝肩岩体及滑裂面的抗剪强度，直到滑裂

4、面滑动，结因它没有考虑变形协调条件和材料的本构关系，所以构失稳，以坝肩整体滑动时，相应的强度储备系数作为也就不能真实反映坝基岩体渐进失稳的过程和破坏的坝肩岩体强度储备抗滑稳定安全系数。强度储备安全力学机理。而非线性有限元法能够克服刚体极限平衡系数的实际意义可以理解为坝肩岩体和软弱结构面由法的缺陷，模拟坝体混凝土和岩体的非线性本构关系，于受到库水的浸泡或渗漏的影响，其力学参数逐步降并进行材料分区，将坝体和基岩作为整体模型进行计低的程度，同时岩体强度的取值是在勘测阶段提出的，算分析，从而能真实地反映拱坝坝肩岩体的失稳机

5、理存在一定范围的偏差影响。和破坏过程，为评价拱坝坝肩的稳定性提供了保障。抗滑稳定安全系数一般是以滑裂面上的阻滑力与滑动力的比值来定义的。设抗滑稳定安全系数为，1计算方法则有如下定义：NeNe非线性有限元法充分考虑了岩体不同材料的力学=FR／F(1)特性和岩体构造的复杂性，能以超载和材料的强度储一。』一。。ⅣeⅣg备形式对坝肩岩体进行稳定分析，计算的安全系数成1，=÷∑∑(cVie～tan~p⋯V)(2)果能直观地反映滑裂面的失稳过程。l=lg1NeNg超载安全系数法建立在坝基岩体力学参数不变的，F=÷∑∑I嘶I(3

6、)情况下，将作用荷载按比例逐渐增加，直到坝肩岩体滑收稿日期：2009—7—26作者简介：袁志刚，男，助理工程师，主要从事水工结构设计工作。E—mail：yzg7llhohai@yahoo．com．en10人民长江2010生式中，K为滑裂面的抗滑稳定安全系数；F为滑裂面利用混凝土的强度确定。上的阻滑力；F为滑裂面上的滑动力；N为单元总岩石的本构关系常采用D—P屈服准则，如图2数；Ns为每个单元中高斯积分点数；iT啦、．r嘶分别为所示。第i个单元第g个高斯点的正应力和剪应力；V为第i个单元第g个高斯点的控制体积；t为滑

7、裂面上的单元计算厚度；为第i个单元的计算摩擦角；C为计算凝聚力，当iT≥0时，c取值为零。(1)当采用超载安全系数法计算时，其核心思想是将拱坝整体有限元计算模型中施加的外荷载按成倍比逐渐增加，从而计算出滑裂面上正应力iT与剪应力丁嘶所对应的阻滑力F和滑动力F，据此得出滑裂面的抗滑稳定安全系数。在本方法计算中，当计算收敛十分困难，滑裂面上的位移产生突变，下一次计算不收敛时，对应的K值即为超载安全系数。该方法的实质完全体现出抗滑稳定安全系数的定义。(2)如果利用强度储备安全系数法计算时，其核心思想是将拱坝整体有限元计算

8、模型中滑裂面的材料强度按1／K倍比例逐渐降低得到计算材料强度c和从而算出滑裂面上的计算材料强度所对应的阻滑力F和滑动力F，进而得出滑裂面的抗滑稳定安全系数。在该方法计算中，当计算收敛十分困难，滑裂面上的位移产生突变，下一次计算不收敛时，对应的K图1William—Warke模型值即为强度储备安全系数。此方法的实质也同样体现出抗滑稳定安全系数的定义。2本构模型