高面板堆石壩壩坡穩定動力有限元分析

隨著計算機技術的快速發展和有限元法在水庫工程計算中的廣泛應用，基于該方法的板堆壩動態反應計算的理論和方法已取得了很大進展。《水工建筑物抗震設計規范》規定,高面板堆石壩一般均應進行壩坡穩定的靜、動力分析,但截止目前,面板堆石壩的動力穩定分析大多仍采用以剛體極限平衡理論為基礎的擬靜力法。研究表明,壩體在地震動力作用下的破壞程度不僅與地震動力的強度有關,而且與地震動力作用的歷時過程有關;擬靜力法雖然簡單實用,但卻不能反映壩坡動力穩定安全系數在地震作用下的歷時變化過程,計算所得的壩坡穩定安全系數也不能完全反映壩坡動力穩定的真實狀況。因此,如何根據高面板堆石壩的結構、材料及其動力反應特點,建立一種行之有效且準確合理的壩坡穩定動力分析方法,仍是一個需要進一步深入探討的問題。為此,本研究提出了一種將ADINA軟件的應力計算功能與GEO-SLOPE軟件的壩坡穩定計算功能相結合的高面板堆石壩壩坡穩定動力分析方法,將其應用于紫坪鋪面板堆石壩在“5·12”地震后的位移及穩定分析中進行實例計算,并將計算結果與實際觀測結果進行比較,以期為實際工程設計提供一種新的計算方法。1直接積分分析功能ADINA軟件中的動力分析包括頻域分析、直接積分和隨機振動3大部分,其中直接積分包括隱式直接積分瞬態動力分析和顯式直接積分瞬態動力分析。經驗表明,基于三維模型的直接積分分析功能對于面板堆石壩的地震動力反應分析具有較好的適用性,但該軟件不能直接進行壩坡穩定分析。GEO-SLOPE軟件是目前在巖土工程領域已經得到廣泛應用的一個有限元軟件,在進行穩定分析時,該軟件先用QUAKE/W模塊進行應力變形分析,然后將其計算結果調入SLOPE/W模塊進行邊坡穩定分析,經驗表明,其穩定計算功能十分強大,計算結果可靠,但是該軟件的QUAKE/W和SLOPE/W模塊目前均只限于二維分析,在進行邊坡穩定分析時只能基于人為選取的計算斷面來進行。2面積層邊坡穩定變量開采分析的建立2.1壩坡穩定分析的應力水平場計算在巖土邊坡及土石壩(包括面板堆石壩)壩坡穩定分析方法研究方面,前人已經進行了大量的探索,也提出了不少有價值的邊坡(壩坡)穩定分析方法。但是,這些分析方法都或多或少地存在一些不足,尤其在實用性方面還不能完全滿足實際工程的需要。因此,筆者結合長期使用ADINA和GEO-SLOPE2個有限元軟件的經驗,提出以下面板堆石壩壩坡穩定的有限元分析方法。(1)根據應力變形的三維有限元計算結果,選擇較不利的潛在滑動失穩壩體斷面,確定潛在滑動面的搜索范圍。即利用ADINA軟件強大的三維動力有限元分析功能,首先獲得大壩三維動力反應計算結果;然后再利用該軟件獨特的后處理功能,獲得大壩應力水平場的分布結果;最后以應力水平作為橋梁,采用“應力水平較高的區域即為易于滑動的區域”的判斷原則,選擇較不利的潛在滑動失穩的壩體斷面,并確定上述各個斷面內潛在滑動面的搜索范圍。具體來說,在進行大壩三維動力有限元分析計算的基礎上,沿壩軸線方向利用ADINA后處理中的切片顯示功能(Cutsurface)顯示一系列大壩橫斷面內部的應力水平場,比較各個橫斷面的應力水平最大值。根據抗剪安全系數與應力水平的倒數關系,為了將可能產生剪切破壞的壩體斷面盡可能多地涵蓋在壩坡穩定分析的范圍內,本研究擬定的較不利的潛在滑動失穩壩體斷面的條件為:單元應力水平最大值大于0.5(相應的抗剪安全系數小于2.0,意味著單元接近于抗剪破壞),且應力水平最大值出現在靠近上、下游壩坡處的斷面。然后,針對所選擇的各個潛在滑動失穩斷面,以應力水平最大值所在位置為中心,確定其潛在滑動面的搜索范圍。顯然,經過上述步驟選擇的用于穩定計算的潛在滑動失穩壩體斷面以及斷面內潛在滑動面的搜索范圍是有充分依據的,對大壩整體而言也是全面的。(2)進行壩坡穩定有限元分析計算。利用GEO-SLOPE軟件中的QUAKE/W模塊對上述潛在滑動失穩的壩體斷面重新進行二維應力變形計算,然后將其應力計算結果導入SLOPE/W模塊進行壩坡穩定有限元分析。具體來說,首先利用QUAKE/W模塊對上述潛在滑動失穩的壩體斷面逐一進行二維應力變形計算,然后在各個斷面上結合上述確定的潛在滑動面的搜索范圍,擬定若干可能的滑移面,在各個滑移面上采用條分法進行穩定分析。此時,滑移面處的內力全部由其上各個單元的應力轉化而成。為考慮面板堆石壩壩體材料的非線性抗剪強度特性,穩定分析時抗剪強度指標均采用非線性指標。雖然對于潛在滑動失穩壩體斷面而言,QUAKE/W模塊的二維應力計算結果可能與ADINA的三維應力計算結果不盡一致,但按照一般計算經驗,二者應力計算結果在斷面上所揭示的分布規律應是基本一致的,其數值差異也不會太大,基本可以適應目前工程設計中關于壩坡穩定分析精度的要求。2.2堆磨料非線性強度曲線本研究在進行高面板堆石壩壩坡穩定動力有限元分析方法研究時,考慮堆石料非線性強度特性,根據堆石料常規三軸壓縮試驗結果,推導出堆石料的非線性強度曲線表達式為:τf=c+σntan[φ0-Δφlg(σn/pa)]。(1)式中:τf為堆石料抗剪強度,c為黏聚力,σn為法向應力,φ0為一個大氣壓力下的摩擦角,Δφ為圍壓增加一個對數周期時摩擦角φ的減小值,pa為大氣壓力。2.3動剪切模量和動應變的動力計算本研究采用等效線性方法分析面板堆石壩動力反應,通過試驗測得動剪切模量比G/Gmax和動阻尼比λ與動剪應變γ的關系曲線,引入參考剪應變γr進行歸一化處理,得到較為單一的(G/Gmax)-(γ/γr)關系曲線和λ-(γ/γr)關系曲線。動力計算時,先按公式(2)計算單元的初始動剪切模量Gmax,初始動阻尼比λ取為0.05,迭代解出各時段的動剪切模量和動應變用于動力有限元分析。具體步驟參見文獻。Gmax=Kmpa(σ0/pa)m。(2)式中:Km表示動剪切模量系數,m表示動剪切模量指數,σ0表示單元平均有效應力。3使用示例3.1壩體壩坡一級馬道以上計算紫坪鋪水利樞紐工程面板堆石壩的最大壩高為156m,壩頂長為663.8m,上游壩坡為1∶1.4,下游壩坡一級馬道以上為1∶1.5,一級馬道以下為1∶1.4。筑壩材料主要是開采的石灰巖料,大壩標準斷面見圖1,大壩設計地震烈度為Ⅷ度,設計加速度為0.26×g,其中g為重力加速度。3.2參數、模型和工作流的計算3.2.1大壩壩體基巖加速度隨工程序的變化混凝土和基巖采用線彈性材料,主堆石、次堆石、墊層及過渡層材料在有限元動力分析中采用Hardin-Drnevich雙曲線本構模型。壩體土石料的參數部分通過室內大型三軸試驗獲得,部分通過工程類比方法獲得,具體取值見表1～3。鑒于汶川地震時,未能測得大壩壩址基巖峰值加速度的準確實時值,根據安裝在大壩壩頂地震加速度儀測得的峰值加速度推算得到,壩體基巖地震加速度峰值超過500cm/s2,烈度大于Ⅹ度,遠超過了大壩的設防烈度。結合時程分析方法中地震波的選取原則,本研究采用的基巖水平加速度峰值為0.4×g,計算時同時輸入水平順河向和豎向地震,豎向地震輸入加速度值取為水平向的2/3,地震加速度時程曲線見圖2,計算時間步長取為0.02s。3.2.2接觸單元的確定計算中壩基取到基巖面,上下游取1倍的覆蓋層深度,左右岸取至壩肩基巖。壩體采用8結點等參單元進行剖分,整個模型共剖分為4432個單元,5057個節點。混凝土與墊層之間按面-面接觸處理,接觸單元設置摩擦系數,定義接觸單元的生死時間以模擬面板與墊層在施工期間的接觸行為。壩體有限元網格見圖3。3.2.3計算噪聲取水庫正常蓄水+地震作用為計算工況,壩上游水位取826m(“5·12”汶川地震時該水庫水位),下游無水;地震參數如上所述。3.3計算示例3.3.1潛在滑動失穩壩體斷面選擇根據ADINA軟件三維應力變形計算結果,按照上述基于應力水平選擇較不利的潛在滑動失穩壩體斷面的原則,選擇的潛在滑動失穩壩體斷面及其應力水平最大值見表4。表4中3個斷面上應力水平的分布,以及按本研究所述方法確定的潛在滑動面搜索范圍見圖4～6。3.3.2抗滑穩定驗算對上述3個斷面,利用GEO-SLOPE軟件中的QUAKE/W模塊重新進行二維應力變形計算,然后將其應力計算結果導入SLOPE/W模塊進行壩坡穩定有限元分析。3個斷面最危險滑動面及其抗滑穩定安全系數的計算結果見圖7～9。根據動力穩定計算結果,0+150、0+278和0+4503個斷面抗震穩定安全系數時程曲線的最小值在上游壩坡依次為1.28,1.31和1.26,在下游壩坡依次為1.23,1.21和1.22(圖7～9);最小抗震穩定安全系數出現的時間為8～9s。各斷面上、下游壩坡抗震穩定安全系數均大于規范規定值1.20。因此可以斷定,在地震過程中,紫坪鋪水利樞紐工程面板堆石壩上、下游壩坡是穩定的。3.4減刑結果的比較將采用本研究建立的壩坡穩定動力有限元分析法計算結果與采用強度折減法的相應計算結果進行比較,結果見表5。從表5可以看出,利用本研究建立的動力有限元分析法所得計算結果與強度折減法的計算結果十分接近,因此采用本研究方法進行面板堆石壩的動力穩定分析是合理可行的。3.5上、下游壩坡整體穩定性差“5·12”汶川地震后有關部門曾對紫坪鋪水利樞紐工程大壩進行了全面的安全調查分析,結論是除下游壩坡表面局部堆石發生松動、滑落現象外,該壩的上、下游壩坡整體處于穩定狀態。為說明本研究提出的壩坡穩定動力有限元分析法實例應力變形計算結果的合理性,將其對0+278斷面的位移計算結果與震后紫坪鋪水利樞紐工程大壩位移觀測結果進行對比,結果見表6。從表6可以看出,本研究關于大壩位移的動力有限元計算結果與震后位移實際觀測結果基本吻合,表明本研究提出的壩坡動力穩定有限元分析方法是基本合理的。4高面板堆石壩壩坡穩定動力有限元分析本研究根據高面板堆石壩的結構、材料及其動力反應等特點,提出了一種基于應力水平動力有限元計算方法,其將大型有限元軟件ADINA的應力變形計算功能與GEO-SLOPE軟件的邊坡穩定分析功能相結合,建立了定性分析與定量分析相結合的高面板堆石壩壩坡穩定動力有限元分析方法。通過對紫坪鋪水利樞紐工程大壩在“5·12”汶川大地震期間,大壩動力反應及壩坡