(刘世建)渗径长度对拱坝坝肩整体稳定的影响分析

《(刘世建)渗径长度对拱坝坝肩整体稳定的影响分析》由会员分享，可在线阅读，更多相关《(刘世建)渗径长度对拱坝坝肩整体稳定的影响分析（3页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、渗径长度对拱坝坝肩整体稳定的影响分析刘世建,陈建康,蒋德勇,吴震宇,文 斌 (四川大学水利水电学院,成都,610065)【摘 要】在拱坝坝肩稳定分析中,抗力体滑面渗径长度的取值为工程界长期关注的焦点问题。本文采用三维刚体极限平衡原理及自编程序,以云南省宝石水电站拱坝为例,对其陡裂面内、 外倾大块体滑移进行了深入分析。获知,对同一工程同一位置内倾块体较外倾块体安全系数更大,但其安全系数K值受渗径长度L影响亦更为明显;内、 外倾滑移体K值随L增加而减小,但当L增至约0. 85倍滑移体长度时,其K值趋于稳定,扬压力折减系数越大,L增加对K值的削弱越显著。同时,按滑移体长度与坝体最大厚度的比较关系,探

2、讨了滑移体渗径长度的取值方法等。【关键词】渗透压力 整体抗滑稳定 渗径长度 拱坝 安全系数 内外倾滑移体在拱坝坝肩整体稳定分析中,渗透压力对坝 肩稳定安全的影响尤为显著。坝肩抗力体岩性不 同,其渗透路径及长度亦不相同,尤其是当坝肩岩 体整体性较差时,这种差异将更为显著。同时,不同渗透路径及长度在滑移体陡裂面及底裂面上所 产生的渗透压力变化,亦可能引起滑移模式的改 变,这对评价拱坝坝肩的整体稳定安全十分重要。 关于拱坝坝肩稳定分析中抗力体的渗径问题,国 内外有关学者曾做过大量研究,获得了许多有益成果,至今仍是工程界致力研究的关键技术之一。 本文采用三维刚体极限平衡原理,以云南省宝石 电站拱坝为例

3、,探讨不同渗径长度对陡裂面外倾 及内倾两种滑移体形状抗滑稳定的影响程度。 1 拱坝坝肩整体稳定分析原理111 坝肩三维抗滑稳定分析模型 图1为坝肩大块体抗滑稳定分析简图,根据刚体极限平衡原理,可建立如下平衡方程:( N1+U1) sin1+( Nb+Ub) sinb=X(1)( N1+U1) cos1+( Nb+Ub) cosb=Z (2) 其中,陡裂面与底裂面的抗剪力S1、Sb在极限平 衡时应满足如下方程:S1+Sb=Y(3)S1=f1 KN1+c1A1 K(4)Sb=fb KNb+cbAb K(5)由式(1)和(2) ,可求得陡裂面与底裂面上的正交反力N1、Nb:N1=Xcosb-Zsin

4、b sin1cosb-sinbcos1-U1(6)Nb=Xcos1-Zsin1 sinbcos1-sin1cosb-Ub(7)将式(4)、(5)代入式(3) ,整理后可得大块体抗剪断安全系数K:K=f1N1+fbNb+c1A1+cbAb Y(8)式(8)中,c1= 0 ,cb= 0时,即有大块体抗剪安全系数计算公式:K=N1f1+Nbfb Y(9)图1 大块体三维力系示意图3320041No16四 川 水 利式中,X ,Y ,Z为滑移体自重、 拱推力、 上 游拉裂面渗压在图1所示三个方向上的矢量和;N1为作用在陡裂面上的正交反力;U1为作用在 陡裂面上的渗透压力;Nb为作用在底裂面上的正 交反

5、力;Ub为作用在底裂面上的渗透压力;S1为 陡裂面上的抗剪力;Sb为底裂面上的抗剪力;K 为滑移体抗剪摩擦安全系数;K 为当c1= 0、cb= 0时的滑移体抗剪摩擦安全系数;f1为陡裂面上 的抗剪断摩擦系数;fb为底裂面上的抗剪断摩擦 系数;c1为陡裂面凝聚力;A1为陡裂面面积;cb 为陡裂面凝聚力;Ab为陡裂面面积;f 为陡裂面 抗剪摩擦系数;fb为底裂面抗剪摩擦系数。112 滑面渗压计算方法 渗透压力作用在滑动面渗径范围的全部面积 上,并且垂直该面指向滑移体内部。渗透压力的 大小取决于渗径长度,渗径长度受防渗排水措施 及坝肩抗力体岩性的影响。如图2所示,对于侧 向滑移面过长或者排水措施较多

6、的情况,渗压水 到不了点D而由近坝地形临空面或排水措施处 逸出,渗径长度随之相应减少。图2 渗压作用示意图11211 渗压计算原理 (1)若滑移面长度较小,渗径长度即可取为交 线长度,通过几何法,求取各结构面上渗透压力U1及Ub。(2)若滑移体长度较大,则可拟定渗径长度 (不超过滑移体长度) ,求得渗透压力U1及Ub。 11212 渗压折减方法 在工程中,若考虑了防渗帷幕和排水,则渗透 压力U1及Ub乘以相应的折减系数,由图2可 见,的计算公式为: =SCDFE/ SCDE(10)式中,SCDFE为考虑了帷幕和排水后滑移面渗 压作用分布面积;SCDE为帷幕和排水失效后渗压 作用分布面积。 与扬

7、压力折减系数和帷幕排水的位置有直接关系,的取值可参照拱坝设计 规范。在坝肩地质条件比较复杂或坝的工程等别 比较高时,应通过三向渗流场分析确定。考虑 到陡裂面深入山体,其渗压作用将沿途衰减,根据 以往工程经验,陡裂面渗压折减系数可按底裂 面上的015倍来取。 2 案例分析211 工程概况 宝石水电站位于云南省金平县北东红河南岸 一级支流麻子河宝石村河段,属小(一)型工程,工 程等别为 级。首部枢纽拟建单曲混凝土拱坝, 坝顶高程710140m ,最大坝高42m ,坝顶长度 109m ,正常蓄水位707180m。图3 左坝肩地质横断面图工程区为中高山构造侵蚀深切峡谷地貌,谷 坡陡峻,坡度一般大于30

8、,河谷多切割为 “V” 字 形深谷,两岸基本对称。工程区的整体地质条件 比较完整,在大坝的左坝肩存在断层f1。断层f1 贯越左坝肩中下部高程,与坝轴线呈大角斜交,产 状N44 50E/ SE79 83 。断层属压扭性, 延伸长度约60m ,在进入微风化新鲜岩体后呈 闭合状。从地质上说,f1断层不会对坝肩稳定产 生影响,如图3所示,其所在位置推不出大块滑移 体。而两组节理对左坝肩的整体稳定极为不利, 其产状分别为N9E ,NW70,N42E ,SE67 。 前一组节理主要发育于两岸强弱风化岩体内, 局部张开,无充填,局部节理面有白色钙膜浸染, 压扭性,节理进入微风化新鲜岩体内呈闭合状, 不发育;

9、后一组节理主要发育分布于两岸强弱 风化岩体内,局部张开,无充填,压扭性,节理进入 微风化新鲜岩体内呈闭合状,不发育。宝石电 站坝址区岩体物理力学参数取值见表1。 表1 岩体物理力学参数天然容重(kN/ m3)岩体抗剪强度岩体抗剪断强度结构面抗剪强度结构面抗剪断强度fc(Mpa)fc(Mpa)fc(Mpa)fc(Mpa)26152715017670018851110140015501075212 滑移体模型建立43刘世建,陈建康等:渗径长度对拱坝坝肩整体稳定的影响分析20041No16本文主要讨论左坝肩稳定问题。如上所述, 左坝肩危险侧裂面主要由两组产状的内、 外倾节 理构成,与中下部坝基岩体近

10、水平层面构造可能 滑移体。由此构造的内、 外倾大块体三维滑移体 模型示意见图4及图5。图4 滑移体 (陡裂面内倾) 图5 滑移体 (陡裂面外倾)213 计算工况 本文分析采用的荷载组合为:正常蓄水位+ 自重+静水压力+设计正常温升+扬压力+泥沙 压力+浪压力。在此基础上,对防渗帷幕及排水 工作情况考虑了如下四种组合: 防渗帷幕和排水孔工作正常(= 0125) ; 防渗帷幕失效而排水孔工作正常(= 014) ; 防渗帷幕正常而排水孔失效(= 016) ; 防渗帷幕和排水孔均失效(= 1)。214 成果分析 本文采用多拱梁法分析获得作用于滑移体的 拱端推力,并采用Visual Basic 610语

11、言,编制拱 坝坝肩大块体稳定三维刚体极限平衡分析程序。 并对上述四种情况在不同渗径长度L组合的内、 外倾滑移体进行稳定安全系数K的计算分析,其 成果见图6及图7。图6 滑移体 安全系数与渗径长度关系曲线 图7 滑移体 安全系数与渗径长度关系曲线21411 由图6及图7 ,滑移体 的整体稳定 性明显好于滑移体 。究其原因,陡裂面内倾后, 滑移体自重大大增加,且陡裂面上的渗压铅直向 下的分量明显增加了滑移体的阻滑力,致使内倾 滑移体有更大的安全裕度。 21412 无论陡裂面内倾还是外倾,滑移体安 全系数K均随渗径长度L的增加而减小,但当L 增加到一定程度后,K值渐趋平稳。这是因为,渗 径增加到一定

12、量后,其渗透水面面积增加不大。 致使渗压增幅很小,对滑移体整体稳定性影响不 大。陡裂面内、 外倾时,K值趋于稳定的渗径长度为滑移体长度的0184及0182倍,两者十分接近, 主要与两滑移体地形条件有关,且这个位置随着 的增大略有靠后的趋势。 21413 在 四种情况下,无论滑移体陡 裂面内倾还是外倾,坝肩整体稳定性及随渗径长 度变化的关系存在较大差异。造成该差异的因素 较多,最直接的原因就是扬压力折减系数,越大,渗径长度对滑移体整体稳定性的影响越大。 即越大,K值随L的增加而降低得愈明显。 21414 在许多大型工程中,渗径长度取值根 据滑移体长度和坝体最大厚度的3倍比较而定: 若滑移体长度不

13、超过坝体最大厚度的3倍,则渗 径长度取滑移体的长度;反之,渗径长度取坝体最 大厚度的3倍。对宝石电站拱坝,最大坝体厚度 为14169m ,滑移体 的渗径长度取到滑移体长度 的1/ 2时,即4617m ,各种情况下的整体抗滑稳定 性均能满足规范要求。显然,如将渗径长度取为 坝体最大厚度的3倍(4318m) ,滑移体 、 的整 体抗滑稳定性仍能满足规范要求。 3 结论311 无论陡裂面内倾还是外倾,滑移体的整体 稳定性都随渗径的增加而降低。但当渗径长度增 加至0185倍滑移体长度时,其K值变化趋于平 稳,且滑移体的整体稳定性对扬压力折减系数 特别敏感。即取值越大,渗径的增加对整体稳 定性的削弱更为

14、明显。312 同一工程同一位置的陡裂面,内倾滑移体 较外倾滑移体安全裕度更大,但渗径长度对其整 体稳定性的影响也更为明显。313 拱坝坝肩稳定分析中,抗力体滑面渗径长 度的取值对安全系数的影响十分明显,且影响因 素较为复杂。在工程设计中,对中厚拱坝,当滑移 体长度小于坝体最大厚度3倍时,渗径长度可取 为滑移体长度;反之,则取为3倍坝体最大厚度。参 考 文 献1 李瓒.混凝土拱坝设计M.北京:中国电力出版 社. 2000. 3 ,333337 2 洪永文,王忠勇.小湾拱坝坝肩岩体稳定分析J . 云南水利发电,1996 ,4044 3 张建海,何江达.渗压对小湾坝肩岩体稳定性的 影响J .云南水利发电,第16卷第1期,3335 4 宋汉周,江晓文.湖南镇大坝右坝肩渗压异常及 渗控研究J .水文地质工程地质,1996(6) ,1721 5 马毅,姚仁,于文革.刘家峡大坝坝基渗压系数变 化及影响因素分析J .陕西水利发电,2000 ,16(2) ,1721. 5320041No16四 川 水 利