基于有限元法的古偿河水库大坝1#～3#坝块坝基抗滑稳定分析

吴 健，张小飞，田 羽，覃 培，肖天培

(广西大学土木建筑工程学院，广西 南宁 530000)

1 工程概况

古偿河水库位于柳州市鹿寨县黄冕乡古偿村上游3 km的古偿河上，是以供水为主，兼顾灌溉的综合性利用工程。工程由大坝、输水系统等建筑物组成，属中型工程。大坝为碾压混凝土重力坝，最大坝高77.5 m，坝顶总长为192.375 m，采用诱导缝分为8个坝块，其中1#～3#为右岸非溢流重力坝段，长72.625 m；4#～5#为溢流重力坝段，长46.0 m；6#～8#为左岸非溢流重力坝段，长73.75 m。根据施工阶段揭露情况，坝址区右岸岩性以弱风化泥质粉砂岩为主，岩层呈互层状～中厚层状，岩层产状NW72°～85°，倾向南西或南东，倾角12°～14°；岩石节理裂隙发育，完整性差，层面倾向河床偏下游，局部夹0.1 cm～0.2 cm岩屑，对坝基抗滑稳定不利。受开挖卸荷及开挖爆破影响，边坡存在卸荷拉裂现象，开挖过程裂隙张开度明显增大，可见局部崩塌、掉块现象，坝基处理进行了固结灌浆。

根据分析，坝址区的地质条件对右岸坝段抗滑稳定不利，大坝建成后存在坝体连同部分坝基沿缓倾岩层接触面滑动的可能，同时1#和2#坝块右岸坝基的开挖边坡为1∶0.5，开挖边坡较陡，也存在坝体沿坝基面侧向滑动的可能。为对右岸坝段的稳定性作出分析判断，本文选取1#～3#坝块进行有限元计算分析。

2 有限元模型构建与参数选择

2.1 模型构建

本文采用三维有限元法对古偿河水库大坝右岸1#～3#坝块的稳定性进行分析，具体分析采用ANSYS软件实现。模型左侧以3#非溢流坝块左侧截面作为模型的左边界，右侧从右坝头向右方向取70 m作为模型右侧边界，上游方向取至坝踵上游80 m处，下游方向取至3#坝块左侧坝趾下游80 m处。由于右岸坝基内的13、14和15号软弱夹层在工程上已进行了处理，本次三维有限元计算不考虑13、14和15号软弱夹层的影响，而且由于右岸坝基内岩层较多，如果每个层面均进行模拟工作量太大，所以，本次三维有限元计算从可能滑动和代表性两方面考虑选择5个层面进行模拟分析，选择的5个层面见图1(图截自古偿河水库坝轴线工程地质纵剖面图)。大坝为碾压混凝土重力坝，1#～3#非溢流坝块之间的横缝采用的是诱导缝，计算中横缝也按诱导缝模拟(按连通率降低缝间混凝土的弹性模量，考虑缝间传力)。

图1 计算模拟的5个岩层面位置图

计算模型采用笛卡尔坐标系，X向右岸为正，Y向下游为正，Z向上为正的右手坐标系，应力符号与弹性力学规定一致，即拉为正，压为负。坝基模型底部为固端约束，其他侧面为单向连杆约束，考虑到3#坝块左侧并不临空，正常情况下会受到来自4#坝块的侧向(X向)约束，因此将3#坝块左侧也进行单向连杆约束。模型整体采用的实体单元类型为SOLID185单元，在坝体与坝基的接触面及坝基的5个岩层面间分别设置接触单元。整个模型剖分为64432个单元、83284个节点，其中，实体单元50166个，接触单元14266个。单元划分见图2。

图2 1#～3#非溢流坝块整体单元图

2.2 计算工况与荷载组合

根据水库的运行情况，计算分析正常蓄水位、设计洪水位和校核洪水位三种工况，各工况的特征水位与荷载组合见表1。

表1 计算工况与荷载组合

2.3 材料的物理力学参数

模型主要包括坝体和坝基两大部分，坝体采用C15混凝土，坝体材料物理力学参数见表2，坝基、坝基面和岩层层面物理力学参数见表3。

表2 C15混凝土物理力学参数表

表3 各坝块岩体工程地质参数表

3 稳定分析

目前，重力坝深层抗滑稳定问题的计算分析方法主要包括刚体极限平衡法、有限元法和模型试验法等，为解决传统的刚体极限平衡法在确定滑动体的边界和滑动面上的作用力时遇到的困难，常将有限元法和刚体极限平衡法结合[1-2]，核算的安全系数以整体安全度为主，辅以局部安全度的检查[2-3]，本文将有限元法与刚体极限平衡方法结合，采用应力代数和法对古偿河水库大坝右岸1#～3#坝块进行整体稳定分析，分析中，对坝体-坝基接触面及岩层间接触面采用抗剪断强度公式进行计算，为保证计算精度，在应力代数和法中引入了单元面积作权重，计算公式如下：

(1)

式中：f′为抗剪断摩擦系数；c′为抗剪断凝聚力；σi为单元面上的法向压应力；τi为单元面上的切向剪应力；ΔAi为接触面单元的面积。

岩层间滑动面的考虑范围为：上游从坝踵铅垂面开始；由于在下游坝趾附近没有发现明显的抬起和拉裂，层间滑动面下游取至坝趾下游10 m；右侧取至右岸坝头外5 m；左侧取至3#坝块左侧，具体由各岩层层面的出露位置决定。各岩层层间滑动面的考虑范围见图3。

(a)第一层滑动面考虑范围

3.1 坝基面抗滑稳定分析

三种工况的荷载组合下，根据有限元计算结果，采用加权应力代数和法对各坝块坝基面的抗滑稳定安全系数进行计算，计算结果见表4。

表4 三种工况坝基面抗滑稳定安全系数值

由表4得知，正常蓄水位工况和设计洪水位工况荷载组合下，1、2、3号面的抗滑稳定安全系数均大于3.0，但1号面的富余度很小，校核洪水位工况1、2、3号面的抗滑稳定安全系数均大于2.5，三种工况下整个坝基面的抗滑稳定安全系数均大于3.0或2.5，且有一定富余。

3.2 岩层层面抗滑稳定分析

各岩层层面的抗滑稳定安全系数计算结果见表5。由计算结果可得，沿本计算所分析的坝基1～5可能滑动面的抗滑稳定安全系数KS′值正常蓄水位工况和设计洪水位工况均大于3.0，校核洪水位工况大于2.5，且均有一定富余。

表5 三种工况岩层层面可能滑动区域抗滑稳定安全系数

4 结论

本文将有限元法与刚体极限平衡方法结合，采用应力代数和法对古偿河水库大坝右岸1#～3#坝块进行整体稳定分析。分析结果表明：

1)在计算分析的3种工况下，当考虑各坝块单独沿坝基面的抗滑稳定时，1#～3#坝块的抗滑稳定安全系数正常蓄水位和设计洪水位工况均大于3.0，校核洪水位工况大于2.5，满足规范要求，但1#坝块富余很小，3#坝块富余较大。当把3个坝块作为整体计算其沿坝基面的抗滑稳定安全系数时，3种工况的抗滑稳定安全系数均满足规范要求，且有一定富余。坝体分块采用透导缝增加坝体整体性，对提高坝体的稳定有利。

2)在计算分析的3种工况下，所分析的5个岩层层面的抗滑稳定安全系数正常蓄水位和设计洪水位工况均大于3.0，校核洪水位工况均大于2.5，满足规范的要求。