某工程溢洪道侧墙抗滑稳定分析

李 萌，李守义，刘 斌，程 帅，郝晓飞，王 懿，黎康平

（1.西安理工大学水利水电学院，陕西西安710048；2.陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西西安710001）

某工程溢洪道侧墙抗滑稳定分析

李 萌1，李守义1，刘 斌2，程 帅1，郝晓飞1，王 懿1，黎康平1

（1.西安理工大学水利水电学院，陕西西安710048；2.陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西西安710001）

溢洪道侧墙的抗滑稳定性关乎溢洪道结构运行安全。为了研究溢洪道侧墙的稳定性，结合某工程采用ANSYS有限元软件建立复杂台阶状地基面上溢洪道侧墙的三维有限元计算模型，计算分析复杂台阶状地基面的正应力和剪应力，并积分得出总作用效应和总抗力，利用分项系数极限状态表达法来判别溢洪道侧墙的抗滑稳定性。计算结果表明：溢洪道侧墙地基面最大压应力不超过3.9 MPa，最大拉应力不超过0.5 MPa，满足地基允许承载能力；侧墙从上游到下游各断面稳定安全富裕度呈现先增大再减小，再增大再减小的类正弦曲线变化趋势，运行期内各断面抗滑稳定满足要求，可为实际工程设计和安全评估提供重要参考。

溢洪道侧墙；复杂地基面；侧向抗滑稳定；三维有限元分析

随着水电事业的发展，高坝的迅速建设，近年来国内外在高水头，大流量泄洪技术方面进展很快，但是由于溢洪道设计而造成大坝失事的案例仍相对较多［1-2］。针对溢洪道侧墙稳定性，国内外学者已进行了大量研究，李征等［3］采用超载法三维地质力学模型试验对水电枢纽天然地基方案的典型坝段进行破坏试验，研究了复杂地基上重力坝整体稳定及破坏过程，得到坝基的破坏过程及变形变位特点，更准确地表现出地质构造与工程结构之间的空间、时间关系。程帅等［4］将简单滑动面上的抗滑稳定有限元分析方法加以改进，并推广应用到各种复杂的地基面，利用ANSYS对高导墙进行二维有限元计算，为锚索加固方案的选择和结构安全评估提供依据。廖海梅等［5］推导出带水平加固措施的溢洪道底板静力抗滑稳定安全系数计算式，分析泄槽底板的局部稳定性和溢洪道与坝体的整体稳定性，然后运用正交设计直观分析方法，分析了底板抗滑稳定敏感性，结果表明增大加固措施长度、减小溢流平均流速及底板长度有利于泄槽局部稳定，而底板厚度和宽度对稳定性的影响较弱。目前，我国对于可能滑动块体的稳定分析方法通常采用刚体极限平衡法，对于复杂地基和重要工程常采用有限元法和地质力学模型实验［6-7］。溢洪道侧墙一般受地基开挖条件限制，建基面高程与相邻建筑物的建基面高程不同，导致溢洪道侧墙地基为台阶状，这种复杂地基［8-9］条件对溢洪道侧墙的侧向稳定很不利。因而对于这种复杂台阶状地形上结构的稳定性还需进一步研究。为了研究溢洪道侧墙在复杂地基条件下的应力及其侧向抗滑稳定性，本文采用ANSYS有限元法，建立复杂地基溢洪道侧墙三维有限元模型进行应力计算分析，根据地基面上的应力计算作用效应和抗力，分析溢洪道侧墙的侧向抗滑稳定性。

1 侧向抗滑稳定分析原理

根据现行规范对于基本组合，结构的承载能力应采用分项系数极限状态表达式［10］，

式中：γ0为结构重要性系数，ψ为设计状况系数，S（・）为作用效应函数；R（・）为结构及抗力函数，GK为永久作用标准值，γG为永久作用分项系数，QK为可变作用标准值，γQ为可变作用分项系数，aK为几何参数的标准值，fK为材料性能的标准值，γm为材料性能分项系数，γdl为基本组合结构系数。

建立复杂地基溢洪道侧墙有限元模型，施加对应的荷载组合及边界条件，计算得出滑动面上的正应力和剪应力，通过积分得出总作用效应和总抗力。对于工程中复杂地基面示意图见图（1），其滑动面上的总作用效应S和总抗力R按以下方法计算：

图1 复杂台阶状地基面示意图

式（2）中第一部分和第二部分为水平面①和③上的剪力，第三部分为斜面②上的剪力在水平方向的投影，第四部分为斜面②上的法向拉力（仅计拉应力区）在水平方向的投影；式（3）中第一部分为水平面①和③上的抗滑力，第二部分为斜面②上的抗滑力（仅计压应力区）在水平方向的投影。其中τ为滑动面上的剪应力，σ为滑动面上的正应力为抗剪断摩擦系数标准值为抗剪断黏聚力标准值，γm1为摩擦系数分项系数，γm2为黏聚力分项系数，θ为斜面角度，A为地基滑动面面积。

2 工程实例

2.1 工程概况

某水电站枢纽由溢洪道、泄洪底孔、排沙孔、河床式厂房和副坝组成。校核洪水位1 818.9 m，正常蓄水1 818.0 m，校核尾水位1 792.26 m，正常尾水位1 779.43 m。溢洪道布置于电站厂房左侧，溢洪道右侧墙坝段宽18 m，运行期坝段顶高程为1 820.5 m。由于受地形和地质条件的限制，电站厂房建基面高程比相邻的左侧溢洪道建基面高程低24 m，所以对溢洪道侧墙的稳定非常不利。

2.2 数值模拟

计算模型及边界条件：结构计算范围为坝左0+85.80 m—坝左0+112.80 m，坝轴线0+00.00 m—坝下0+78.00 m，其中坝轴线0+00.00 m—坝下0+52.00 m为溢洪道侧墙，坝下0+52.00 m—坝下0+78.00 m为溢洪道侧墙下游接消力池K1块挡墙段。基础深度取3.0倍高度，为240.0 m，上游基础长度取100 m，下游基础长度取150 m，左右两侧基础长度按超出建筑物边界100 m建模。原点在侧墙上游处右侧面底部高程为1 748.0 m，水流方向为X轴方向，向下游为正；铅直方向为Y轴方向，向上为正；垂直水流方向为Z轴方向，向右岸为正。结构整体模型及地基模型如图2所示，地基的四个侧面全为法向约束，底面为全约束。溢洪道侧墙上下游面和左、右面均为自由面。地质资料基岩和混凝土材料的参数见表1。结构单元划分：计算域内单元划分绝大部分采用八节点六面体实体单元Solid 45，溢洪道侧墙网格尺寸不大于1 m，地基网格尺寸不大于10 m，部分通过四面体实体单元进行过渡。模型总共有302 716个节点和467 352个单元。

图2 结构整体模型及地基模型

表1 材料参数

2.3 计算工况和荷载

工况1：正常蓄水位工况，弧门挡水，荷载包括自重+上下游静水压力+扬压力+弧门上游侧向水压力+溢洪道侧墙右侧面水压力。根据止水布置，坝下0+00.00 m—0+19.00 m按上游水位计算，坝下0+68.5 m—0+78.00 m按下游水位计算，水平止水1 764.0 m以下按下游的侧向水压力计算弧门支铰传递给闸墩的荷载。

工况2：弧门开启泄放校核洪水工况，荷载包括自重+上下游静水压力+扬压力+溢洪道侧墙左侧面水压力+水体自重+溢洪道侧墙右侧面水压力，计算方法同工况1。

3 计算结果及分析

3.1 溢洪道侧墙地基面上应力分析

根据规范最大地基应力不应超过地基允许承载力，在地震情况下地基允许承载力可适当提高。地基和结构相互约束，相互牵制，两者的变形协调一致。地基的应力分布情况，与外荷载及约束条件等因素有关，所以对侧墙地基面上的应力进行分析是十分有必要的。工况1和工况2地基面上法向应力和剪应力云图见图3～图6。

图3 工况1地基面Y向（法向）应力（单位：MPa）

图4 工况1地基面τYZ向剪应力（单位：MPa）

图5 工况2地基面Y向（法向）应力（单位：MPa）

图6 工况2地基面τYZ向剪应力（单位：MPa）

由图3～图6可知，工况1地基面上绝大部分区域法向应力均为压应力，其值在-1.3 MPa～0.0 MPa之间变化，局部最大压应力为3.6 MPa，出现在溢洪道侧墙下游面与消力池挡墙交界面底部。地基面上绝大部分区域Z向剪应力为-0.5 MPa～0.2 MPa，局部最大剪应力为1.5 MPa。工况2地基面上绝大部分区域法向应力均为压应力，其值在-1.5 MPa～0.0 MPa之间变化，边缘极小部分出现拉应力（小于0.5 MPa），局部最大压应力为3.9 MPa，出现在溢洪道侧墙下游面与消力池挡墙交界面底部。地基面上绝大部分区域Z向剪应力为-0.6 MPa～0.3 MPa，局部最大剪应力为1.1 MPa。由于在溢洪道侧墙下游面与消力池挡墙交界面是结构分缝面，该缝面到地基面结束，故有限元计算结果在该缝面底部产生应力集中现象，该部位的应力不能作为评价安全的依据。根据地质资料，地基为Ⅲ类岩体其承载力为4.0 MPa，两种工况地基面上应力均小于基岩允许承载力。

3.2 抗滑稳定分析

溢洪道侧墙侧向（Z向）抗滑稳定性可用抗力与作用效应的比值M来衡量［11］

若计算得M≥1，则溢洪道侧墙满足侧向抗滑稳定［12-13］。通过式（2）和式（3）对坝基面进行整体抗滑稳定分析，需要选取多个断面以增加其精度，但是这样会消耗过量的计算资源和时间。在实际计算中可选取M值最小的断面作为控制性断面（即最危险断面），若该断面满足稳定要求，则可判断溢洪道侧墙整体满足抗滑稳定要求。现由坝下0+00.00 m—0+78.00 m断面每隔5 m选取一个断面，分析各断面在工况1正常挡水情况下的抗滑稳定M值，并将各断面M值绘制成上游至下游稳定系数曲线图见图7。

图7 稳定系数曲线图

从图7可知坝下0+00.00 m—0+10.00 m断面和0+35.00 m—0+55.00 m断面侧墙的Z向M值是呈现增大趋势，0+10.00 m—0+35.00 m断面侧墙的Z向M值是呈现减小趋势，类似与正弦曲线变化趋势。坝下0+35.00断面的M值最小为2.3，则选其作为抗滑稳定分析的控制性断面。在抗滑稳定计算过程中抗剪断参数的取值直接影响溢洪道侧墙的安全和效益［14-16］。根据抗剪断试验资料，其中抗剪断摩擦系数标准值分别取其最大最小值0.9和0.85，抗剪断凝聚力标准值分别取边界值700 kPa和600 kPa，材料分项系数γm1和γm2分别为1.3和3.0。根据上述参数取值进行稳定安全性对地基面抗剪断参数变化的敏感性分析，见表2。

由表2可知，溢洪道侧墙地基面的稳定安全度M均大于1，因此侧向抗滑稳定满足要求。坝下0+ 35.00断面工况2的侧向抗滑稳定安全余量大于工况1，是因为工况2下游水位为1 792.26 m，工况1下游水位为1 779.43 m，虽然工况2溢洪道泄洪，溢洪道侧墙左侧有水压力，但下游水位高，溢洪道侧墙右侧水压力也增大，且增大值大于左侧的水压力。

表2 坝下0+35.00断面抗滑稳定分析结果

4 结 语

本文采用ANSYS软件，建立三维复杂地基面上溢洪道侧墙模型，计算分析了正常蓄水位工况和校核洪水工况下侧墙的抗滑稳定性。通过计算分析复杂地基面的正应力和剪应力，并积分得出总作用效应和总抗力，利用分项系数极限状态表达法来判别溢洪道侧墙的抗滑稳定性。计算结果表明：溢洪道侧墙地基面最大应力均小于地基允许承载能力4.0

MPa，控制性断面0+35.00 m抗滑稳定M值最小为

2.3满足稳定要求。文中没有考虑地基和结构的非弹性变形和非线性接触，未研究应力重新分布对结构应力及稳定的影响，这些问题还有待于在今后的实践中做进一步研究。但文中所考虑的因素可满足实际工程的分析需要，可为实际工程设计和安全评价提供重要依据。

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Engineering Analysis of Anti－sliding Stability in Spillway Sidewall

LI Meng1，LI Shouyi1，LIU Bin2，CHENG Shuai1，HAO Xiaofei1，WANG Yi1，LI Kangping1
（1.Institute of Hydroelectric Engineering，Xi’an University of Technology，Xi’an，Shaanxi 710048，China；2.Shaanxi Province Institute of Water Resources and Electric Power Investigation and Design，Xi’an，Shaanxi 710001，China）

The operation safety of spillway structure can be influenced by anti－sliding stability of spillway sidewall.To study the stability of spillway sidewall，the three－dimensional finite element calculation model of the spillway sidewall in complex stepped foundation surface was established by using ANSYS software，which based on one project，the normal stress and shear stress of the complex stepped foundation surface was calculated in this paper.It obtained the total effect and total resistance by integral，and the stability against sliding of the spillway sidewall was discriminated by partial coefficient under limit state.The calculation results show that the maximum compressive stress of spillway sidewall surface is less than 3.9 MPa while the maximum tensile stress is less than 0.5 MPa，and the results meet the foundation bearing capacity.The trends of safety margin of sidewall section from upstream to downstream are similar to sine curve and the anti－sliding stability of each section during operation period meets the requirement.It provides important reference for practical engineering design and safety assessment.

spillway sidewall；complex foundation surface；lateral stability against sliding；three－dimensional finite element analysis

TV651.1

A

1672—1144（2016）05—0100—05

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.05.019

2016－06－17

2016－07－14

国家自然科学基金项目（51409207，51309190，51579208）；中央财政支持地方高校发展专项（106-5X1205）；陕西省重点学科建设专项（106-00X903）

李 萌（1990—），男，陕西大荔人，硕士研究生，研究方向为水工结构应力分析。E－mail：273768382@qq.com。

李守义（1955—），男，甘肃庄浪人，教授，主要从事水工结构方面的研究工作。E－mail：lishouyi@126.com