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有限元法在坝坡稳定可靠度分析中的应用 　　摘要：土石坝坝坡稳定是影响土石坝安全的重要因素，有限元法对土石坝坝坡稳定进行分析是比较准确的一种方法，本文以某土石坝坝坡稳定有限元分析为例，详细说明了有限元分析的步骤为以后相近工作提供了借鉴和指导意义。 　　关键词：土石坝；有限元；坝坡稳定； 　　0 概述 　　某水电站系大渡河干流“三库22级”的第5级电站，是大渡河干流上游的控制性水库工程。电站位于四川省阿坝州马尔康县、金川县境内的大渡河上源足木足河与绰斯甲河汇口以下约2km河段，沿317国道经马尔康至成都的公路距离约392km。坝址控制流域面积39000km2，约占全流域的51%，坝址处多年平均流量524m3/s。 　　某水电站是实现大渡河水电基地整体开发的关键工程，其开发任务主要为发电。电站采用坝式开发，水库正常蓄水位2500m，水库总库容为28.97亿m3，调节库容19.17亿m3，具年调节能力。电站装机容量2000MW，多年平均年发电量80.97亿kW?h。水库可增加大渡河流域下游各梯级电站保证出力约1758MW，梯级补偿效益显著。枢纽工程由拦河大坝、泄水建筑物、引水发电系统等组成。拦河土质心墙堆石坝，最大坝高314m；泄水建筑物包括洞式溢洪道、直坡泄洪洞、利用施工后期导流洞改建的竖井泄洪洞和利用施工中期导流洞改建水库放空隧洞。发电厂房采用地下式，厂内安装4台容量500MW的立轴混流式水轮发电机组。 　　坝体基本剖面为直心墙形式，坝顶高程2510.00m，河床部位心墙底高程2198.00m，底部设2m厚混凝土基座，混凝土基座横河向宽46.10m，顺河向宽128.00m。基座内设置基岩帷幕灌浆廊道（3m×3.5m），最大坝高314m；综合考虑坝顶构造、交通及抗震要求，初拟坝顶宽度16.00m。上游坝坡为1：2.0，2430.00m高程处设5m宽的马道；下游坝坡1：1.90，坝坡上设置上坝公路。 　　1有限元模型与基本随机变量 　　1.1有限元模拟范围与结构离散 　　某土质心墙堆石坝二维有限元模拟【1-2】范围：顺河向以坝脚为起点向上、下游各延伸约1倍坝高；铅直向从心墙底座开始向下延伸约1.5倍坝高。结构离散中坝体、坝基覆盖层及岩体均采用四边形等参元（含少量退化单元），整个计算域共剖分为1630个单元，1626个结点，其中坝体共剖分为451个单元，546个结点。 　　有限元计算模型的位移边界条件：上、下游侧为法向约束，底部边界为固端约束，上部边界为自由边界。 　　计算坐标系的x轴以上游指向下游为正，y轴以铅直向上为正，整个坐标系符合右手螺旋规则。 　　二维有限元计算模型网格如图1所示。 　　1.2基本随机变量 　　堆石坝剖面的几何尺寸、上游库水位以及筑坝材料的容重等变异性较小，可不作为随机变量。另外，由于缺乏坝料变形参数的试验资料，因此，也不作为随机变量。所以，坝坡稳定体系可靠度分析的随机变量主要考虑坝料的抗剪强度指标。弹塑性有限元计算采用的坝料变形和强度参数见表1。 　　2坝坡渐进破坏过程与失效模式 　　通过强度折减法获得某高堆石坝典型断面坝坡渐进破坏过程如下： 　　（1）强度折减系数K=1时，坝体和坝基材料均处于弹性范围内，仅强度参数较低的覆盖层的局部部位出现了少量的破坏单元。 　　（2）强度折减系数K=1.2时，坝基覆盖层的破坏范围扩大，并向上、下游方向扩展，心墙上游侧与反滤层交界部位也出现了零星破坏单元。 　　（3）强度折减系数K=1.4时，坝基覆盖层、心墙上游侧与反滤层交界部位的破坏单元有所增加，下游坝壳中主堆石区和次堆石区接触面附近单元发生破坏。 　　（4）强度折减系数K=1.6时，坝基覆盖层和心墙上游侧与反滤层交界部位的破坏单元继续增加，下游坝壳的破坏单元沿主堆石区和次堆石区的接触面向下进一步扩展，同时，上游坝壳开始出现破坏。 　　（5）强度折减系数K=1.8时，上、下游覆盖层的破坏已经非常明显，上游坝壳靠坡面部位的单元破坏加剧，而内部的破坏单元已基本连通，下游坝壳沿主、次堆石区的接触面以及坝基覆盖层的滑移通道已现雏形。 　　（6）强度折减系数K=2.0时，坝体和坝基的破坏严重，上游坝壳中形成自坝顶开始，穿过堆石区，最后在上游压重顶部出露的失稳通道，上游坝壳内部的也出现了从心墙顶部开始，穿过堆石区，最后与上游覆盖层连通的失稳通道，见图2中蓝线标识部分；同时，下游坝壳沿主、次堆石区接触面以及坝基覆盖层的失稳通道也已形成，见图2中红线标识部分。此时，有限元计算不收敛，坝体整体失去承载能力。 　　3坝坡稳定体系可靠度计算与分析 　　采用SELM和RSISM计算获得上述某堆石坝坝坡各失效模式可靠指标见图3，其中，上游坝坡失效模式可靠指标为6.82（RSISM）和6.94