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基于三维有限元的锦屏高拱坝三维稳定性分析 1 地质条件分析 高架公路系混凝土直线水库，最大水库高度为305m。大坝坝址两岸谷坡高近1 000 m,基岩裸露,岩壁耸立,为典型的深切V形谷(见图1)。坝址区虽然岩体坚硬,比较完整,但两岸山体中发育有f5,f8,f13,f14等小断层和绿片岩及煌斑岩等软岩,左岸山体存在深部裂隙等不良地质构造。坝址地质条件存在明显的不对称(见图2),且左拱端地基刚度小于右岸,上部刚度小于下部。为了提高左拱端上部的刚度,左拱端1 710 m高程以上坝基开挖深度比较大,导致拱坝体形的不对称,将进一步恶化坝体的应力变形特性。 锦屏高拱坝是目前世界上拟建的最高双曲薄拱坝,水压力巨大,其设计和分析都是超出现行规范的。坝址区工程地质条件复杂。这些都使锦屏高拱坝的安全性,包括坝身的强度和稳定、坝肩岩体的稳定性,成为人们极为关注的问题,也是锦屏拱坝建设中最重要的关键技术问题之一。 本文主要包括3个内容:(1)运用三维非线性有限元分析,模拟施工加载过程,研究锦屏拱坝在多种工况下的应力场和位移场以及左右岸不利地质构造对拱坝工作性态的影响;(2)确定锦屏拱坝地基系统在不同破坏模式下的整体安全度;(3)对加固区域提出一些建议。 2 计算模型和完成过程 2.1 拱坝上向下游延伸 计算范围的底面高程为1 450 m,平面上横河向近1 200 m,顺河向大于900 m。其中包括拱坝中心面以左654 m、中心面以右522 m的范围,且从拱冠梁向上游延伸294 m,向下游延伸673 m。 整体坐标系oxyz的原点o落在高程0 m处,在平面上则是顶拱上游面与拱坝中心面的交点。x轴正向沿拱坝中心面指向下游,y轴正向指向左岸,z轴正向朝上。 2.2 双曲拱坝织物双曲拱坝 本次研究采用锦屏高拱坝体型为国家电力公司成都勘测设计研究院于2000年9月修改的抛物线双曲拱坝。坝顶高程为1 885 m,坝底高程为1 580 m,最大坝高为305 m,坝顶厚13 m,拱冠底部厚度为60 m,坝顶中心线弧长为929.74 m。 2.3 高拱坝坝体单元的设计 拱坝坝体沿高程方向共有16层单元,沿厚度方向布置8层单元。整个拱坝和地基共有25 435个单元,28 008个节点,其中坝体的单元数为1 760,节点数为2 133。绝大部分实体单元是六面体八节点线性单元,建基面和断层采用薄层单元。锦屏高拱坝三维有限元网格见图3。 计算网格基本模拟了大坝的体型和结构特征、建基面形状、地形地貌、岩体构造,包括右岸的f13,f14断层,左岸的f2,f5断层,深部裂缝,煌斑岩脉及两侧的IV2类岩体等(图4)。 2.4 力偏张量的确定 对岩体采用带抗拉强度Drucker-Prager准则: 式中:σ1为第一主应力;σt为抗拉强度;I1,J2分别为应力张量的第一不变量和应力偏张量的第二不变量;α,K均为和材料的黏聚力c与内摩擦角?有关的参数,且有 对结构面(接触面、节理和断层)采用带抗拉强度的Mohr-Coulomb准则: 式中:σz′和τx′z′,τy′z′分别为局部坐标系下的正应力和剪应力;c,f分别为材料的黏聚力和摩擦因数。局部坐标系的z′轴沿结构面法线方向,x′和y′轴沿结构面切线方向。 对混凝土采用四参数准则: 式中:A,B,C,D均为参数;fc为混凝土抗压强度。 2.5 加权平均公式 计算工况和荷载组合见表1。 由于反演的地应力场不够合理,考虑到本项目主要研究坝体和浅部地基的变形和安全度,构造应力不是主要的,因此采用自重应力作为坝址区的地应力场。 按拟静力方法计算作用在拱坝上的地震力。国家电力公司成都勘测设计研究院提供了每个点的水头,但没有渗流场的计算网格资料。为了将该渗流场成果应用到本结构分析的网格中,本文采用加权平均的方法得到结构分析网格中每个节点的水头,然后计算渗流荷载。 对于结构分析网格中的某个节点(x0,y0,z0),首先找出渗流计算网格中与该节点空间距离最近的N个点,根据这N个点的水头ih,利用下面的加权平均公式计算该节点的渗压水头H: 式中:ri为距(x0,y0,z0)第i近的距离。本研究中N取6。 通过上述加权平均的方法得到结构分析网格中每个节点的水头后,再采用下式计算渗流压力: 根据渗流压力,通过积分就可以得到各节点的等效渗流荷载。 2.6 材料参数 坝体、坝基岩体和结构面的力学参数取值见表2。 3 强度储备法和《超声法》确定整体安全度的方法存在的问题 目前一般采用超载法和强度储备法确定拱坝和基础系统的整体安全度。超载系数实际上是拱坝相对于水荷载的极限承载力,严格说来应有若干个针对不同的荷载的极限承载力才能全面说明问题。客观地说,强度储备系数的前提也是先要假定不同材料的降强比例。单独采用强度储备法和超载法得到的整体安全度都与实际不符,因此有人提出采