CN102966078B - 拱坝坝肩稳定安全系数下极限的确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种拱坝坝肩稳定安全系数下极限的确定方法，该方法是利用计算机绘制出三维图形，该三维图形中包含滑动块体（8）、滑动面（7）、底滑面（4）和侧滑面（5），通过该三维图形中得到的滑动块体（8）的体积、滑动面（7）沿底滑面（4）垂直于棱线（6）的方向在侧滑面（5）上的垂直投影面积得到侧滑面投影（9）的面积以及滑动面（7）沿侧滑面（4）上垂直于棱线（6）的方向在底滑面（5）上的垂直投影面积得到底滑面投影（10）的面积，然后利用滑动块体三维极限平衡算法得到拱坝坝肩稳定安全系数的下极限值。本发明能够更加准确地反映出拱坝坝肩稳定的真实情况，也有利于工程设计的安全。
Description
技术领域
本发明涉及大坝技术领域，特别是涉及一种拱坝坝肩稳定安全系数下极限的确定方法。
背景技术
拱坝设计中，一般均需考察其坝肩稳定安全性，坝肩稳定是指坝肩山体由若干组软弱结构面相互切割，形成相对独立的滑动块体，在拱端力、水及自重等荷载作用下，滑动块体保持稳定，不向下游滑动所具备的安全余度。但在拱坝的前期设计过程中，由于勘探工作有限，无法准确掌握每一条软弱结构面的具体位置，从而给坝肩稳定计算带来不确定性。对于坝肩稳定安全系数的计算，传统的算法一般为假定结构面按一定的距离发育，进而求解相应的坝肩稳定安全系数，采用这样的方法所求得安全系数与真实情况往往存在差异，特别是在结构面密集发育处，用上述方法所求得的滑动块体体积及面积均会大于实际情况，据此所求得的安全系数往往会大于实际安全系数，给工程带来安全风险。因此，现有的算法还是不理想。
发明内容
本发明的目的在于为克服现有技术的不足，提出一种拱坝坝肩稳定安全系数下极限的确定方法，通过安全系数下极限值的确定使获得的安全系数能够更接近实际的安全系数，可以避免工程设计的安全风险。
为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：
本发明的拱坝坝肩稳定安全系数下极限的确定方法包括以下步骤：
1）收集拱坝坝肩的基础资料，所述拱坝坝肩的基础资料包括地形线、拱坝上游边界线、拱坝下游边界线、底滑面倾向及倾角、侧滑面倾向及倾角的资料，并利用计算机软件绘制出包含上述资料的三维图形。
2）根据底滑面和侧滑面的倾向及倾角求出二者交线即棱线的走向及倾角；
3）利用计算机软件将棱线沿拱坝上游边界线或拱坝下游边界线进行扫略形成滑动面，与开挖后的地形线所围成的结构体即为坝肩稳定滑动块体，从三维图形中测出稳定滑动块体的体积；
4）计算滑动面沿底滑面垂直于棱线的方向在侧滑面上的垂直投影面积得到侧滑面投影的面积；
5）计算滑动面沿侧滑面上垂直于棱线的方向在底滑面上的垂直投影面积得到底滑面投影的面积；
6）将稳定滑动块体体积、侧滑面投影和底滑面投影的面积作为坝肩稳定的已知参数按照三维块体极限平衡计算方法进行计算，即可得到坝肩稳定安全系数的下限值。
进一步的，拱坝上游边界线和拱坝下游边界线的取用取决于棱线的走向，当其与拱坝中心线交角小于当前拱圈的半中心角时，取用拱坝上游边界线，否则取用拱坝下游边界线。
由于采用了本发明的技术方案，在进行拱坝坝肩稳定安全系数确定前，可以先获得拱坝坝肩稳定安全系数的下极限值，这样使得安全系数的取值有了一个范围约束，能够更加准确地反映出拱坝坝肩稳定的真实情况，也有利于工程设计的安全。
附图说明
图1是本发明的三维透视示意图；
图2是本发明的立视图。
附图标记说明：1-地形线，2-拱坝上游边界线，3-拱坝下游边界线，4-底滑面，5-侧滑面，6-棱线，7-滑动面，8-滑动块体，9-侧滑面投影，10-底滑面投影。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
看图1和图2，本发明的拱坝坝肩稳定安全系数下极限的确定方法按照以下步骤实施：
首先应收集拱坝坝肩的基础资料，所述拱坝坝肩的基础资料包括地形线1、拱坝上游边界线2、拱坝下游边界线3、底滑面4倾向及倾角、侧滑面5倾向及倾角的参数资料，这些资料的收集主要是利用测绘仪器进行户外作业获得，将户外作业得到的数据资料输入计算机软件后，并利用计算机软件绘制出包含上述资料的三维图形。绘制出的三维图形如图1所示。
然后，通过上一步骤得到的三维图形，根据底滑面4和侧滑面5的倾向及倾角求出二者交线即棱线6的走向及倾角。
利用计算机软件将棱线6沿拱坝上游边界线2或拱坝下游边界线3进行扫略形成滑动面7，与开挖后的地形线1所围成的结构体即为坝肩稳定滑动块体8，从三维图形中测出稳定滑动块体8的体积。由于三维图形是通过户外作业的测绘资料绘制而成的，其图形尺寸可以真实反应实际尺寸。
计算滑动面7沿底滑面4垂直于棱线6的方向在侧滑面5上的垂直投影面积得到侧滑面投影9的面积；计算滑动面7沿侧滑面4上垂直于棱线6的方向在底滑面5上的垂直投影面积得到底滑面投影10的面积。这个步骤的计算公式如下：
A（9）=A（7）·sinθ（5）（7）/sinθ（4）（5）
A（10）=A（7）·sinθ（4）（7）/sinθ（4）（5）
式中： A（7）、A（9）、A（10）分别代表滑动面7、侧滑面投影9和底滑面投影10的面积；θ（4）（5）、θ（4）（7）、θ（5）（7）分别代表底滑面4与侧滑面5、底滑面4与滑动面7、侧滑面5与滑动面7之面与面之间的夹角。
将稳定滑动块体8体积、侧滑面投影9以及底滑面投影10的面积作为坝肩稳定的已知参数按照三维块体极限平衡计算方法进行计算，即可得到坝肩稳定安全系数的下限值。
需要注意的是，拱坝上游边界线2和拱坝下游边界线3的参数取用取决于棱线6的走向，当棱线6与拱坝中心线交角小于当前拱圈的半中心角时，取用拱坝上游边界线2，否则取用拱坝下游边界线3。如图2中取用的是拱坝上游边界线2。
下面通过一个例子来具体说明本发明的实施：
如图1所示结构，通过绘制三维图形，假设从图中量得：
V(8)=444.69m3、A（7）=481.47m2；
式中：V(8)代表滑动块体8的体积。
根据公式可以计算出：
θ（4）（5）=68.68°、θ（4）（7）=69.78°、θ（5）（7）=41.54°；
可以求得：A（9）=342.76m2、A（10）=484.98 m2。
根据工程力学计算出滑动块体的主要外荷载如下表所示：
| 质量 | 底面扬压力 | 侧面扬压力 | 拱端推力FX | 拱端推力FY | 拱端推力FZ |
| 107167.01 | 4001.37 | 331.49 | 29174.60 | 25095.59 | 750.54 |
注：表中单位KN，以下同。
根据三维块体极限平衡稳定计算原理计算得出三个未知荷载下表所示：
| 底滑面法向反力 | 侧滑面法向反力 | 顺棱线向滑动力 |
| 87482.48 | 32535.93 | 25898.76 |
各滑面的地质抗剪断参数为：
底滑面c’=650KPa，底滑面f’=0.75；侧滑面c’=430KPa，侧滑面f’=0.58。
从而最终求得安全系数K=34.91。
当然，以上只是本发明的具体应用范例，本发明还有其他的实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明所要求的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种拱坝坝肩稳定安全系数下极限的确定方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
1）收集拱坝坝肩的基础资料，所述拱坝坝肩的基础资料包括地形线（1）、拱坝上游边界线（2）、拱坝下游边界线（3）、底滑面（4）倾向及倾角、侧滑面（5）倾向及倾角的参数资料，并利用计算机软件绘制出包含上述资料的三维图形；
2）根据底滑面（4）和侧滑面（5）的倾向及倾角求出二者交线即棱线（6）的走向及倾角；
3）利用计算机软件将棱线（6）沿拱坝上游边界线（2）或拱坝下游边界线（3）进行扫略形成滑动面（7），与开挖后的地形线（1）所围成的结构体即为坝肩稳定滑动块体（8），从三维图形中测出稳定滑动块体（8）的体积；
4）计算滑动面（7）沿底滑面（4）垂直于棱线（6）的方向在侧滑面（5）上的垂直投影面积得到侧滑面投影（9）的面积；
5）计算滑动面（7）沿侧滑面（4）上垂直于棱线（6）的方向在底滑面（5）上的垂直投影面积得到底滑面投影（10）的面积；
6）将稳定滑动块体（8）体积、侧滑面投影（9）和底滑面投影（10）的面积作为坝肩稳定的已知参数按照三维块体极限平衡计算方法进行计算，即可得到坝肩稳定安全系数的下限值；所述拱坝上游边界线（2）和拱坝下游边界线（3）的参数取用取决于棱线（6）的走向，当棱线（6）与拱坝中心线交角小于当前拱圈的半中心角时，取用拱坝上游边界线（2），否则取用拱坝下游边界线（3）。
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