阳江上水库碾压混凝土重力坝深层抗滑稳定分析

汪 凌，郭博文，赵海涛

(河海大学，江苏 南京210098)

阳江抽水蓄能电站上水库挡水建筑物为碾压混凝土重力坝，坝顶总长476.5 m，最大坝高104.6 m，坝顶宽7.0 m，共分16 个坝段. 坝址位于上水库库盆北面白水河河谷，河谷呈南北向，长约300 m. 坝轴线往北约160 m 为白水瀑布陡崖，瀑布顶高程677 m，瀑布底高程388 m，落差289 m，陡崖平均坡度40° ～45°.根据地质报告，坝址断层、裂隙以陡倾角为主，多与坝线呈大角度或近于垂直相交，河床部位岩体较完整，岩体抗滑、抗变形能力强，坝基未发现严重影响坝基抗滑稳定的倾向下游的缓倾角软弱结构面，缓倾角节理面发育较少，延伸短，多数闭合［1］.由于坝后存在白水瀑布陡崖，因此为了大坝整体稳定性，有必要对其进行静、动力作用下的深层抗滑稳定分析，以此来观察白水瀑布陡崖是否对其整体稳定性有影响.

笔者针对阳江抽水蓄能电站上水库碾压混凝土重力坝，考虑下游白水瀑布陡崖的影响，分别建立最高坝段溢流坝段和最高坝段非溢流坝段的有限元模型，对其整体稳定性进行安全评价，研究其破坏机理.

1 有限元模型及相关参数

建立的最高坝段溢流坝段和最高坝段非溢流坝段的有限元模型如图1所示.

图1 最高坝段三维有限元模型

溢流坝段模型共计18 735 个节点，65 348 个单元.非溢流坝段模型共计18 811 个节点，62 738 个单元.两个模型中坝体主要采用8 节点六面体单元，部分采用6 节点五面体金字塔单元及4 节点四面体单元;地基与断层均采用4 节点四面体单元.

计算时对地基部分的4 个侧边界进行法向约束，地基底部边界进行3 项固定约束，坝体部分不进行约束.地基中的岩石采用DP 屈服准则，断层及软弱结构面采用MC 屈服准则. 模型的材料参数见表1.各计算工况的荷载组合见表2.

表1 材料静态参数表

表2 各计算工况荷载组合

2 结果分析

2.1 静力深层抗滑稳定分析

采用有限元强度折减法［2－5］，分别对最高坝段溢流坝段和非溢流坝段的两种静力工况下深层抗滑稳定进行计算分析. 选取上游坝顶中心点作为典型点，绘制出其位移－安全系数曲线图［6－7］.由于篇幅有限，仅给出最高坝段溢流坝段模型正常蓄水位下典型点的位移－安全系数曲线，如图2所示.从总位移突变来判断，在正常蓄水位工况下，最高坝段溢流坝段深层抗滑的安全系数为2.5 左右.

图2 典型点位移－安全系数曲线图

最高坝段溢流坝段在正常蓄水位工况下，安全系数为3.2 时的塑性破坏区如图3所示，此时塑性区已贯通.

图3 安全系数为3.2 时塑性破坏区图

由图2和图3可知，塑性区贯通时对应的安全系数大于位移发生突变时所对应的安全系数. 综合二者，得到最高坝段溢流坝段正常蓄水位的安全系数为3.0.可用此法得到其他工况的安全系数，具体见表3.

表3 静力工况下深层抗滑稳定安全系数

由表3可知，最高坝段溢流坝段和最高坝段非溢流坝段，在正常蓄水位工况下得到的深层抗滑稳定安全系数均大于或等于3.0，在校核水位工况下得到的安全系数均大于2.5，满足规范要求［8］.

采用有限元强度折减法进行深层抗滑计算时，地基的屈服破坏是一个渐进的过程，随着材料强度的不断折减，坝体位移和地基中的塑性区在不断发展，直到地基破坏和计算不再收敛［3－5］. 因此，可由其不同安全系数下塑性破坏区图得到地基渐进破坏发展过程和坝基失稳的可能滑移模式.由图3可知，断层发生塑性破坏后，塑性破坏区向坝基中部延伸，最终在建基面以下一定埋深处塑性屈服破坏区发生贯通，产生可能的滑移路径，但该滑移路径未通过下游白水瀑布陡崖.

2.2 动力深层抗滑稳定分析

采用无质量地基模型求解坝体的自振特性及建基面振型剪力.计算中对地基侧边界施加法向约束，底边界施加固定约束. 以附加质量的形式来考虑坝前动水压力.坝体弹性模量在静弹性模量的基础上提高30%.采用抗震规范中的规范谱，取2.0，阻尼比取0.05，反应谱特征周期为0.20 s［9］. 地面峰值加速度对应于设计地震和校核地震分别取0.189 0g和0.235 9g.计算时只考虑横河向和顺河向地震作用，导出水平地震剪力，并将该剪力作用在建基面上，在此基础上进行动力作用下的深层抗滑稳定分析.最高坝段溢流坝段模型在设计地震下典型点的位移－安全系数曲线如图4所示.

图4 最高坝段溢流坝段设计地震下典型点位移－安全系数曲线图

从总位移突变来判断，在设计地震工况下，最高坝段溢流坝段深层抗滑安全系数为2.3 左右.

最高坝段溢流坝段设计地震下塑性区贯通时地基的破坏情况如图5所示，此时对应的安全系数为2.7.

综合二者可得，最高坝段溢流坝段在设计地震+正常蓄水位工况下的安全系数为2.4. 其他工况的安全系数见表4.

图5 最高坝段溢流坝段设计地震下安全系数为2.7 时塑性破坏区图

表4 动力工况下深层抗滑稳定安全系数

由表4可知，对于最高坝段溢流坝段和最高坝段非溢流坝段，在设计地震和校核地震下得到深层抗滑稳定安全系数均大于或等于2.3，满足规范要求［8］.由图5可知，塑性破坏区情况与静力工况下类似，在建基面以下一定埋深处塑性屈服破坏区发生贯通，产生可能的滑移路径，但产生的可能滑移路径未通过下游白水瀑布陡崖.

最高坝段溢流坝段和最高坝段非溢流坝段有限元模型在静力和动力工况下典型点位移－安全系数曲线如图6所示.

图6 典型点位移－安全系数曲线静、动力工况对比

由图6对比发现，静力工况下位移突变点要滞后于动力工况，且相同材料折减系数下，动力工况的总位移比静力工况的大，符合一般规律.

3 结 语

1)对阳江上水库碾压混凝土重力坝最高坝段溢流坝段和最高坝段非溢流坝段有限元模型分别进行了静、动力作用下的抗滑稳定分析，得到的安全系数都满足规范要求［8］.

2)揭示了阳江上水库碾压混凝土重力坝在超载情况下的破坏机理，即在断层发生塑性破坏后，塑性破坏区逐渐向坝基中部延伸，最终在建基面以下一定埋深处塑性屈服破坏区发生贯通，产生可能的滑移路径，但该滑移路径未通过下游白水瀑布陡崖.

3)由于建立三维最高坝段溢流坝段和非溢流坝段有限元模型时考虑了陡崖的实际地形，因此坝段的计算结果都考虑了陡崖实际地形的影响. 结果表明，坝后白水瀑布陡崖不影响大坝安全.

［1］颜晓梅，戴跃华.阳江抽水蓄能电站上水库碾压混凝土重力坝坝基深层抗滑稳定分析［J］. 广东水利水电，2010，5(5):42－44.

［2］李同春，卢智灵.边坡抗滑稳定安全系数的有限元迭代解法［J］. 岩石力学与工程学报，2003，22(3):446－450.

［3］郭利娜，李同春，赵兰浩，等.重力坝深层抗滑稳定分析［J］.人民黄河，2011，33(1):101－102，105.

［4］赵尚毅，郑颖人，时卫民，等.用有限元强度折减法求边坡稳定安全系数［J］. 岩土工程学报，2002，24(3):343－346.

［5］栾茂田，武亚军，年廷凯，等.强度折减有限元法中边坡失稳的塑性区判据及其应用［J］. 防灾减灾工程学报，2003，23(3):1－8.

［6］周桂云，李同春.饱和－非饱和非稳定渗流作用下岩质边坡稳定性分析［J］. 水电能源科学，2006，24(5):79－82.

［7］曹泽伟.重力坝深层抗滑稳定性研究［D］.南京:河海大学，2011.

［8］水利部长江水利委员会长江勘测规划设计研究院. SL 319—2005 混凝土重力坝设计规范［S］.北京:中国水利水电出版社，2005.

［9］中国水利水电科学研究院.DL 5073—2000 水工建筑物抗震设计规范［S］.北京:中国电力出版社，2001.