水工工程實(shí)例

1、拱壩整體穩(wěn)定分析方法拱壩整體穩(wěn)定性的關(guān)鍵就在于壩肩的穩(wěn)定性，壩肩穩(wěn)定分析特別簡(jiǎn)單，一方 面是由于拱壩的是一個(gè)空間超靜定體系，另一方面壩肩的巖體較為簡(jiǎn)單，和往往 含有各類(lèi)不連續(xù)的結(jié)構(gòu)面。國(guó)內(nèi)外用以評(píng)價(jià)拱壩壩與壩肩穩(wěn)定的方法，總結(jié)來(lái)看， 主要有以下四種：剛體極限平衡法，有限元法、地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)方法、牢靠度 法叫剛體極限平衡法皿目前，國(guó)內(nèi)的水利水電工程設(shè)計(jì)中，剛體極限平衡法是分析拱壩壩肩穩(wěn)定性 的一種常規(guī)方法。通過(guò)假定簡(jiǎn)化多余變量，使超靜定問(wèn)題轉(zhuǎn)化為靜定問(wèn)題來(lái)求解， 通過(guò)計(jì)算抗滑力和滑動(dòng)力之比求出大壩的穩(wěn)定平安系數(shù)，推斷計(jì)算的對(duì)象是不是 失穩(wěn)。一般采納下述穩(wěn)定計(jì)算公式：抗剪斷公式Kt=f(W-U)

2、 + cA()P抗剪強(qiáng)度公式K=f(WU)(1.3.2)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的積累，剛體極限平衡法具備了豐富的工程應(yīng)用閱歷，在處理簡(jiǎn)潔 的工程對(duì)象時(shí)計(jì)算精度較高，通過(guò)擬定一些假定也能應(yīng)用于較為簡(jiǎn)單的穩(wěn)定問(wèn)題, 簡(jiǎn)潔且簡(jiǎn)潔使用悶悶。但是該方法沒(méi)有考慮對(duì)象所處的巖體發(fā)生變形時(shí)對(duì)上部結(jié) 構(gòu)的影響，具有下述的一些局限性該；一是該方法在肯定的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了 比擬大的人為簡(jiǎn)化，計(jì)算過(guò)程中所采納假定的合理性直接影響到計(jì)算的精度，以 及最終的平安系數(shù)；二是計(jì)算時(shí)主要考慮的是巖體的強(qiáng)度，對(duì)于巖體的實(shí)際應(yīng)力 一應(yīng)變關(guān)系那么未考慮，因此不能獲得在滑動(dòng)面內(nèi)的應(yīng)力、變形在空間分布特性以 及伴隨加載的進(jìn)展過(guò)程；三是該方法無(wú)法獲得對(duì)象

3、在臨界狀態(tài)下的變形特性，其 所獲得的給定滑動(dòng)面上的平安系數(shù)只是一個(gè)平均平安系數(shù)。有限單元法有限元法用于壩肩穩(wěn)定性分析始于20世紀(jì)60年月，該方法通過(guò)建立單元幾 何、彈性(塑性)、位移、強(qiáng)度以及應(yīng)力等矩陣，來(lái)計(jì)算分析對(duì)象的受力及變外 形況，可以分析整體或局部的穩(wěn)定平安系數(shù)，能夠考慮壩基巖體構(gòu)造的簡(jiǎn)單性以 及巖體變形對(duì)壩體結(jié)構(gòu)的影響河而。采納有限單元法分析拱壩壩肩穩(wěn)定性，能夠討論線(xiàn)彈性、彈塑性、流變性及 低抗拉特性等問(wèn)題,較為真實(shí)的模擬巖體,考慮拱壩及基礎(chǔ)這個(gè)整體的相互作用， 得到該體系內(nèi)的應(yīng)力和變形分布；通過(guò)單元?jiǎng)澐?，能夠充分考慮體系內(nèi)不同材料 的力學(xué)特性、簡(jiǎn)單的地質(zhì)構(gòu)造以及基礎(chǔ)的變形對(duì)上部結(jié)構(gòu)

4、的影響，還能夠針對(duì)滲 流體積力、溫度場(chǎng)、地震等多種動(dòng)靜力荷載進(jìn)行加載模擬。有限單元法應(yīng)用于拱 壩壩肩壩基整體穩(wěn)定分析時(shí)，能夠便利地對(duì)壩體、壩基進(jìn)行模擬，并且還能夠較 為真實(shí)的模擬工程施工、運(yùn)行過(guò)程中荷載的施加挨次，通過(guò)分析可以得到危急滑 移面上應(yīng)力、應(yīng)變及穩(wěn)定平安系數(shù)的變化規(guī)律，定量指出最危急區(qū)域的位置。但是，有限單元法對(duì)工程的參數(shù)的設(shè)定較為敏感。在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中，該 方法在進(jìn)行計(jì)算時(shí)，往往會(huì)由于參數(shù)的選取或是采納不同的處理方式來(lái)處理邊界 條件，而導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果有明顯的不同網(wǎng)。因此，在選用參數(shù)時(shí)，應(yīng)盡可能與實(shí)際 狀況符合。止匕外，在進(jìn)行計(jì)算分析時(shí)，選擇的單元類(lèi)型及單元的尺寸都會(huì)給計(jì)算 結(jié)果帶來(lái)

5、影響。伴隨著本構(gòu)關(guān)系和單元模型的討論深化，邊坡和壩肩穩(wěn)定分析也 消失了多種方法，如離散元法、界面元法、彈簧元法岡、邊界元法、無(wú)限元法等 等。物理模型試驗(yàn)法目前應(yīng)用于大壩整體穩(wěn)定討論的模型試驗(yàn)法有結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)法及地質(zhì)力學(xué) 模型試驗(yàn)方法。結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)法包括線(xiàn)彈性模型試驗(yàn)及結(jié)構(gòu)模型破壞試驗(yàn)，其中 前者是對(duì)壩體及地基在正常工況下的線(xiàn)彈性應(yīng)力和變外形態(tài)進(jìn)行討論，破壞試驗(yàn) 那么是討論大壩及基礎(chǔ)的破壞機(jī)理、極限承載的力量。地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)方法是一種以相像理論為基礎(chǔ)的試驗(yàn)方法，可以很直觀、 感性的觀看到討論對(duì)象的破壞過(guò)程，分析其破壞形態(tài)、破壞機(jī)理及承載穩(wěn)定性等 問(wèn)題，還可以為各種計(jì)算方法供應(yīng)參考，如滑移面的假

6、定、單元的劃分、加載方 式等網(wǎng)。模型試驗(yàn)對(duì)模型的尺寸、模型材料的力學(xué)特性、變形特性、荷載、邊界 等方面有相像要求，此外還需要獲得脆弱結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度曲線(xiàn)及變形模量網(wǎng)1。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的實(shí)踐積累，地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了多種地質(zhì)條件下壩基的穩(wěn)定 性分析，不僅在實(shí)際的工程設(shè)計(jì)中可以解決詳細(xì)的問(wèn)題，還能為壩址、壩型的選 擇及將實(shí)行的工程措施供應(yīng)參考，已經(jīng)漸漸進(jìn)展成拱壩結(jié)構(gòu)及整體穩(wěn)定討論的重 要方法之一。地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)已經(jīng)在多個(gè)工程中得到應(yīng)用，如英古里（前蘇聯(lián)）、 瓦依昂（意大利）、伊泰普（巴西-巴拉圭）、小灣（中國(guó)云南）、二灘（中國(guó)四川）、構(gòu) 皮灘（中國(guó)貴州）、龍灘（中國(guó)廣西）等等。近年來(lái)地質(zhì)力學(xué)模型討論

7、在多個(gè)方面獲得了肯定的突破。在試驗(yàn)方法方面, 目前已經(jīng)進(jìn)展為超載法、強(qiáng)度儲(chǔ)藏法和綜合法三種；在模型材料方面，對(duì)于非正 交裂隙塊體、斷層或脆弱結(jié)構(gòu)面等難題方面有較大的突破；在模擬技術(shù)方面，已 經(jīng)具備較為完善的技術(shù)手段，從而較為真實(shí)地模擬出斷層、節(jié)理裂隙組、脆弱結(jié) 構(gòu)面等不良地質(zhì)構(gòu)造，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單巖體的模擬。但是,地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)仍有很多重大技術(shù)難題,至今仍未得完全滿(mǎn)足解決。 如:在物理模型中對(duì)于巖體強(qiáng)度弱化這種力學(xué)行為的模擬是一個(gè)重大難點(diǎn)；又如, 揚(yáng)壓力是重力壩的主要荷載之一，但由于受加載技術(shù)的限制，很難直接加載；地 震、溫度荷載的模擬較難實(shí)現(xiàn)，等等。牢靠度法牢靠度法是基于概率統(tǒng)計(jì)理論的不確定性分析

8、方法，它討論體系在規(guī)定的時(shí) 間內(nèi)、規(guī)定的條件下，實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能的力量。在拱壩壩肩的平安度分析中，牢靠 度法根據(jù)隨機(jī)變量的方法來(lái)考慮一些主要參數(shù)，相比于平安系數(shù)法，該方法更能 反映實(shí)際。詳細(xì)來(lái)說(shuō)，牢靠度法是將作用的荷載、抗力和一些力學(xué)參數(shù)根據(jù)隨機(jī) 變量處理，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，獲得其分布類(lèi)型，構(gòu)建體系的極限狀態(tài)方程，從而獲 得牢靠度指標(biāo)和失效概率民間。但是，由于實(shí)際中很難得到充分的樣本以獵取隨機(jī)變量的分布特點(diǎn)，因此在 計(jì)算分析時(shí)，隨機(jī)變量的分布對(duì)于結(jié)果有較大的影響，因此假如盼望通過(guò)牢靠度 法獲得較為貼近實(shí)際的分析結(jié)果，還需要大量的試驗(yàn)資料1。此外，構(gòu)建適合 的功能函數(shù)也特別重要，但是實(shí)際運(yùn)用中，功能函數(shù)

9、往往很難形成顯函數(shù)，這又 增加了計(jì)算的簡(jiǎn)單程度兇人但是，總體來(lái)看，牢靠度法具有其他方法所不具備的優(yōu)點(diǎn)，而且其解決問(wèn)題方 式也在漸漸的更新，這一方法具有很好的應(yīng)用前景X、越來(lái)越受到各行業(yè)部門(mén)的重 視。i左東啟，王世夏，林益才.水工建筑物M.南京：河海高校出版社.1995iil祁慶和.水工建筑物第四版M.北京：中國(guó)水利水電出版社,2005.tiii潘家錚.關(guān)于攔河壩的抗滑穩(wěn)定平安度問(wèn)題J .巖土力學(xué)，1984, (3)： 62-67.ivl潘家錚.建筑物的抗滑穩(wěn)定和滑坡分析M.北京：水利出版社，1980.Ivl周資斌.基于極限平衡法和有限元法的邊坡穩(wěn)定分析討論D.河海高校，2004.vi張津生.淺

10、析剛體極限平衡法研討重力壩深層抗滑穩(wěn)定的平安判據(jù)J .水力發(fā)電學(xué) 報(bào)，2005, 24 (5)： 26-32.vii朱伯芳.有限單元法原理與應(yīng)用(其次版)(M).北京.中國(guó)水利水電出版社. 1998.1V” Bathe KJ, Finite Element Procedures in Engineering Analysis, England Cliffs ： Prentiee-all, 1982.IixK. J.巴斯.工程分析中的有限元法M.北京.機(jī)械工業(yè)出版社.1982.1x1張建海，范景偉.剛體彈簧元理論及應(yīng)用M.成都.成都科技高校出版社.1997.1x11 , L.Zhang, Y.Chen, J.Y.Chen,& study on abutment of Jinping- I arch dam by geomechanical model testC. Physical Modelling in Geotechnics-6lh ICPMG, 2006.xii黃國(guó)軍.拱壩