CN102505712A - 坝基的抗滑稳定性检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种准确性高的坝基的抗滑稳定性检测方法。其步骤包括：第一步：根据坝基中的错动带和岩层分布，将坝基分为n(n≥3)个滑块，并假定第i(i＝1，2，…n)个滑块满足以下公式： 第二步：令K′＝K′₁＝K′₂＝L＝K′_n(3)、第三步：联合上述公式(1)～(4)，求解坝基抗滑稳定安全系数K′；第四步：根据设计规范对坝基抗滑稳定性进行评价。

Description

坝基的抗滑稳定性检测方法

技术领域

本发明涉及大坝基础的抗滑稳定性检测方法，该方法主要应用在重力坝的坝基抗滑稳定性检测，亦可推广运用至闸坝、拱坝等。

背景技术

深层抗滑稳定是重力坝最关注的问题之一。目前应用成熟的双滑面方法在现行规范《混凝土重力坝设计规范》(DL 5108-1999)和《混凝土重力坝设计规范》(SL 319-2005)中均进行了规定和说明，能有效解决一般工程的基础抗滑稳定问题。

结合图1所示，运用坝基双滑面滑移模式进行抗滑稳定性检测的步骤主要为：

(1)考虑ABD块的稳定，则有：

(2)考虑BCD块的稳定，则有：

式(1)、(2)中：

K′₁、K′₂——按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数；

∑W——作用在坝体上的全部荷载(不包括扬压力)的垂直分值，kN；

∑P——作用在坝体上的全部荷载的水平分值，kN；

G₁——岩体ABD重量及上部其它荷载(除∑W之外)的垂直作用力(如A在坝踵上游时岩体上部的水重等)，kN；

G₂——岩体BCD重量及上部其它荷载的垂直作用力(包括水重、山体压重等)，kN；

f′₁、f′₂——AB、BC滑动面的抗剪断摩擦系数；

C′₁、C′₂——AB、BC滑动面的抗剪断凝聚力，kPa

A_1、A₂——AB、BC面的面积，m2；

α、β——AB、BC面与水平面的夹角；

U₁、U₂、U₃——AB、BC、BD面上的扬压力，kN；

Q——BD面上的作用力，kN；

——BD面上的作用力Q与水平面的夹角。夹角

值需经论证后选用，从偏于安全考虑

可取0°；

(3)采用等安全系数法，即令K′＝K′₁＝K′₂，联合公式(1)、公式(2)可求解Q和K’。

由于该方法需假定两个滑移面，且滑块必须在坝址处断裂，对于基岩分布复杂、错动带较为发育的情况，上述假定容易与实际滑移模式不符，导致较大误差。

发明内容

本发明所解决的问题是提供一种准确性高的坝基的抗滑稳定性检测方法。

该方法包括以下步骤：

第一步：

根据坝基中的错动带和岩层分布，将坝基分为n(n≥3)个滑块，并假定第i(i＝1，2，…n)个滑块满足以下公式：

式中，

K′_i——滑块i按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数；

ΔW_i——坝体作用在滑块i的荷载垂直分值，单位kN；

ΔP_i——坝体作用在滑块i的荷载水平分值，单位kN；

G_i——滑块i重量及上部其它荷载(除ΔW_i之外)的垂直作用力，单位kN；

f′_i——滑块i滑动面的抗剪断摩擦系数；

C′_i——滑块i滑动面的抗剪断凝聚力，单位kPa；

A_i——滑块i底面的面积，单位m2；

β_i——滑块i底面倾角，以倾向下游为正；

N_i——基岩对滑块i底面的垂直作用力，单位kN；

U_i——滑块i底面上的扬压力，单位kN；

ΔU_vi——滑块i侧面水压合力，单位kN；

ΔQ_i—滑块i侧面岩体推力合力，以指向上游为正，单位kN；

——ΔQ_i与水平向夹角，夹角

值需经论证后选用，从偏于安全考虑

可取0°；

其中，除N_i、K′_i、ΔQ_i为未知数外，其余参数均通过现有技术手段确定；

第二步：

令

K′＝K′₁＝K′₂＝L＝K′_n    (3)

$\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ΔQ}}_i=0---\left(4\right)$

式中，

K′——坝基抗滑稳定安全系数；

第三步：

联合上述公式(1)～(4)，求解坝基抗滑稳定安全系数K′；

第四步：

根据设计规范对坝基抗滑稳定性进行评价。

上述第四步具体应根据《混凝土重力坝设计规范》(SL 319-2005)表6.4.1-1对多滑面滑移模式稳定性进行评价。

进一步的是，第三步中采用试算迭代法求解坝基抗滑稳定安全系数K，具体为：

步骤1)：假定K′＝K₀，并由第1个滑块求得Q₁后再依次递推求得Q_n-1；

步骤2)：同样假定K′＝K₀，并由第n个滑块求得Q′_n-1；

步骤3)：得到|Q_n-1-Q′_n-1|；

步骤4)：对K₀进行调整后重复上步骤1)～步骤3)，直至|Q_n-1-Q′_n-1|趋于0，此时选择的K₀为K的真解；

其中，

Q₁——第1个滑块和第2个滑块之间的推力，单位kN；

Q_n-1——第n-1个滑块和第n个滑块之间的推力，单位kN。

本发明的坝基抗滑稳定性检测方法采用了坝基多滑面滑移模式，能对复杂坝基深层抗滑稳定进行刚体极限平衡稳定性评价，与实际坝基失稳模式符合良好；利用所述的评价方法进行坝基稳定性评价过程简单易懂，评价标准与规范要求相适应。

附图说明

图1是双滑面稳定计算剖面示意图。

图2是坝基多滑面滑移模式示意图。

图3是坝基多滑面滑移模式中某单个滑块受力示意图。

图4是官地电站溢流坝段计算剖面图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

结合3-4所示，本发明的检测方法与原方法相比，滑移通道为多个滑移面，求解公式复杂很多，其具体步骤为：

第一步：

根据坝基中的错动带和岩层分布，将坝基分为n(n≥3)个滑块，并假定第i(i＝1，2，…n)个滑块满足以下公式：

式中，

K′_i——滑块i按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数；

ΔW_i——坝体作用在滑块i的荷载垂直分值，单位kN；

ΔP_i——坝体作用在滑块i的荷载水平分值，单位kN；

G_i——滑块i重量及上部其它荷载(除ΔW_i之外)的垂直作用力，单位kN；

f′_i——滑块i滑动面的抗剪断摩擦系数；

C′_i——滑块i滑动面的抗剪断凝聚力，单位kPa；

A_i——滑块i底面的面积，单位m2；

β_i——滑块i底面倾角，以倾向下游为正；

N_i——基岩对滑块i底面的垂直作用力，单位kN；

U_i——滑块i底面上的扬压力，单位kN；

ΔU_vi——滑块i侧面水压合力，单位kN；

ΔQ_i——滑块i侧面岩体推力合力，以指向上游为正，单位kN；

——ΔQ_i与水平向夹角，夹角

值需经论证后选用，从偏于安全考虑

可取0°；

其中，除N_i、K′_i、ΔQ_i为未知数外，其余参数均通过现有技术手段确定；

第二步：

令

K′＝K′₁＝K′₂＝L＝K′_n    (3)

$\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ΔQ}}_i=0---\left(4\right)$

式中，

K′——坝基抗滑稳定安全系数；

第三步：

联合上述公式(1)～(4)，求解坝基抗滑稳定安全系数K′；

第四步：

根据设计规范对坝基抗滑稳定性进行评价。

上述第四步具体应根据《混凝土重力坝设计规范》(SL 319-2005)表6.4.1-1对多滑面滑移模式稳定性进行评价。

实施例和对比例

图4为官地电站溢流坝段计算剖面图，建基面高程1166m，溢流坝基面长度153.2m；上下游水位分别为1330m和1203.7m，混凝土和基岩容重分别取2.52g/cm3和2.7g/cm3，坝址基岩地震水平加速度为0.284g。坝基错动带分布复杂，其中fxh01、fxh05、fxh07容易贯通形成深层滑动通道，错动带及新鲜岩石参数见表1。作为比较，下面分别采用多滑动面方法和《混凝土重力坝设计规范》(SL319-2005)的双滑面方法进行计算，并与有限元方法的动力分析进行比较。

(1)多滑动面方法

根据错动带分布特点，拟定计算通道为123456，其中错动带之间用岩桥连接。如图4所示。控制点坐标(以坝踵为坐标原点，水平向下游方向为x正向，竖向下为y正向)及滑裂面力学参数如表1所示。建基面应力用如下方程表达：正应力σ＝σ₀+ax，切应力τ＝τ₀+bx+cx²，其中σ₀和τ₀为坝踵应力，x轴(单位：m)以坝踵为原点，向下游为正。根据坝体竖向荷载(正常工况3.35×10⁵kN；地震工况3.25×10⁵kN)和水平荷载(正常工况1.29×10⁵kN；地震工况1.70×10⁵kN)，可求出应力参数(σ和τ单位：kPa)为：正常工况σ₀＝1940.67，a＝3.237，τ₀＝-15.129，b＝33.45，c＝-0.2177；地震工况σ₀＝1159.40，a＝12.576，τ0＝219.252，b＝37.786，c＝-0.256。滑裂面扬压力折减系数取0.25。

表1多滑移通道计算参数

表2多滑面计算结果

(2)水利规范双滑面方法

双滑面计算的滑移通道为ABC，其中点1和A、6和C重合，B点高程为1139.40m，见图4。从图4可知，抗滑面由fxh07和II类岩石组成(两者比例约0.65∶0.35)，滑动面力学参数按错动带和新鲜岩石所占比例取加权值^〕，综合参数为f’＝0.778，c’＝0.59MPa；溢流坝段基岩中错动带复杂，虽然主滑面以错动带fxh05为主，但不能忽略fxh01对滑移破坏的影响，因此在计算过程中需要假定各错动带对滑裂面的影响程度，表3中列出了fxh01、II类岩石和fxh05在主滑面中所占不同比例的计算结果(由于fxh05错动带长度约占主滑面总长度的一半，计算中固定fxh05的比例系数为一半)。计算中坝体竖向荷载和水平荷载见多滑动面方法中所述。

表3双滑面计算结果

可见，因基岩中错动带较为发育，采用常规的双滑面进行计算时，对主滑面中各错动带以及新鲜岩石所占的比例需要人为假定，而不同假定的计算结果差异很大。

(3)非线性有限元方法

有限元模型中模拟坝基交界面和岩体内部的构造面，并根据滑移通道各单元的应力值计算深层抗滑稳定安全系数，其安全系数按如下公式求解：

$F_{\mathrm{si}}=\frac{\mathrm{ci}+{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{Ni}}{f}_i}{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{Ni}}},$ $F_s=\frac{\mathrm{\Σ}{F}_{\mathrm{si}}{L}_i}{\mathrm{\Σ}{L}_i}$

式中，F_si，c_i，σ_Ni和τ_Ni，f_i，L_i分别为单元的安全系数、凝聚力、滑动面上的法向和切向应力、摩擦系数、单元的滑动面长度，Fs为滑动面安全系数。

表4有限元动力计算结果

对有限元模型分别采用线弹性和非线性两种方法计算地震工况下的安全系数，计算结果如表4所示。线弹性有限元动力分析安全系数为2.45；考虑破坏单元的应力重分布，非线性计算安全系数为2.30，表明该滑移通道仍然满足规范的要求。

(4)比较分析

有限元方法分析地震工况下官地溢流坝段深层抗滑稳定安全系数分别为2.45(线弹性)和2.30(非线性)，这与多滑面计算结果(地震工况安全系数2.34)是非常接近的。这也说明多滑动面计算方法的有效性。相比之下，有限元方法需要对计算剖面进行建模划分网格，计算过程复杂，运算工作量大，这在工程设计中是不经济实用的。

水利规范双滑面方法只能考虑两个滑裂面的情形，由于官地溢流坝段基岩中错动带复杂，用简单的双滑面进行抗滑稳定计算是不合适的。当不考虑fxh01对主滑面的贡献时(fxh01∶II类岩石∶fxh05为0∶5∶5)，正常和地震工况安全系数分别为3.32和2.56，计算结果明显偏高。当各结构面的比例取fxh01∶II类岩石∶fxh05为1∶4∶5时，正常工况和地震工况安全系数分别为3.05和2.35，与多滑动面以及有限元的计算结果非常接近(正常工况和地震工况安全系数分别为3.07和2.34)，这也说明fxh01对滑裂面的破坏影响是不能忽视的。

多滑动面计算方法能较为准确的反映真实的滑移通道，体现更大的适用性，通过比较可知计算结果是可信的，可为工程设计提供更好的依据。

Claims (2)

1.坝基的抗滑稳定性检测方法，包括以下步骤：

第一步：

根据坝基中的错动带和岩层分布，将坝基分为n(n≥3)个滑块，并假定第i(i＝1，2，…n)个滑块满足以下公式：

式中，

K′_i——滑块i按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数；

ΔW_i——坝体作用在滑块i的荷载垂直分值，单位kN；

ΔP_i——坝体作用在滑块i的荷载水平分值，单位kN；

G_i——滑块i重量及上部其它荷载(除ΔW_i之外)的垂直作用力，单位kN；

f′_i——滑块i滑动面的抗剪断摩擦系数；

C′_i——滑块i滑动面的抗剪断凝聚力，单位kPa；

A_i——滑块i底面的面积，单位m2；

β_i——滑块i底面倾角，以倾向下游为正；

N_i——基岩对滑块i底面的垂直作用力，单位kN；

U_i——滑块i底面上的扬压力，单位kN；

ΔU_vi——滑块i侧面水压合力，单位kN；

ΔQ_i——滑块i侧面岩体推力合力，以指向上游为正，单位kN；

——ΔQ_i与水平向夹角，夹角

值需经论证后选用，从偏于安全考虑

可取0°；

其中，除N_i、K′_i、ΔQ_i为未知数外，其余参数均通过现有技术手段确定；

第二步：

令

K′＝K′₁＝K′₂＝L＝K′_n    (3)

$\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ΔQ}}_i=0---\left(4\right)$

式中，

K′——坝基抗滑稳定安全系数；

第三步：

联合上述公式(1)～(4)，求解坝基抗滑稳定安全系数K′；

第四步：

根据设计规范对坝基抗滑稳定性进行评价。

2.如权利要求1所述的坝基的抗滑稳定性检测方法，其特征在于：采用试算迭代法求解坝基抗滑稳定安全系数K′，具体为：

步骤1)：假定K′＝K₀，并由第1个滑块求得Q₁后再依次递推求得Q_n-1；

步骤2)：同样假定K′＝K₀，并由第n个滑块求得Q′_n-1；

步骤3)：得到|Q_n-1-Q′_n-1|；

步骤4)：对K₀进行调整后重复上步骤1)～步骤3)，直至|Q_n-1-Q′_n-1|趋于0，此时选择的K₀为K′的真解；

其中，

Q₁——第1个滑块和第2个滑块之间的推力，单位kN；

Q_n-1——第n-1个滑块和第n个滑块之间的推力，单位kN。

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