地震作用下格柵加筋堆石壩壩坡穩(wěn)定性分析

地震作用下格柵加筋堆石壩壩坡穩(wěn)定性分析

0堆石壩壩坡穩(wěn)定性計算土木工程網格是一種常見的土木工程合成材料，在實際工程中得到了越來越多的應用。國內外學者對土工格柵的加筋機理和變形特性作了大量的理論分析和試驗研究。心墻堆石壩壩殼一般為堆石或砂礫石料,在地震等外荷載作用下有發(fā)生顆粒錯移、滾動的趨勢,壩頂?shù)炔课欢咽^其它部位更加危險,對大壩安全運行構成威脅。提高堆石壩壩頂?shù)炔课坏膲纹路€(wěn)定性很有必要,鋪設土工格柵進行加筋應該是一種有效的方法。本文運用數(shù)值方法對堆石壩加筋后的壩坡穩(wěn)定性進行了計算分析。計算結果表明,格柵加筋有利于提高壩頂堆石部位的抗震性能和壩坡穩(wěn)定性。1堆石壩坡穩(wěn)定性分析對于地震荷載作用下的壩坡穩(wěn)定性分析,可采用相關方法模擬地震動荷載,運用相應的邊坡穩(wěn)定計算方法進行計算。目前地震邊坡穩(wěn)定性分析主要有動力法和擬靜力法。擬靜力法較動力法簡單,而且用這兩種方法分析堆石壩坡的抗震穩(wěn)定性所得到的安全系數(shù)比較接近。因此,本文采用擬靜力法來考慮地震力的作用。1.1內拉格朗日乘子法fh的地震響應折減系數(shù)fv擬靜力法是假定地震作用如同靜力,用地震系數(shù)乘以建筑物重量而求得作用于建筑物上的靜力的方法。計算時,先估計地震時各單元的地震慣性力,然后將它施加到各結點進行計算。地震慣性力計算公式如下:Fh=σhξGEiai/g(1)Fv=σvξGEiai/g(2)Fh=σhξGEiai/g(1)Fv=σvξGEiai/g(2)其中σh=32σv=?????0.1g0.2g0.4ge=7e=8e=9(3)σh=32σv={0.1ge=70.2ge=80.4ge=9(3)式中Fh和Fv分別為作用在質點i的水平向和豎向地震慣性力代表值;σh和σv分別為水平向和豎向設計地震加速度代表值;e為地震設計烈度;ξ為地震作用的效應折減系數(shù),除另有規(guī)定外,取0.25;GEi為集中在質點i的重力作用標準值;g為重力加速度;ai為質點i的動態(tài)分布系數(shù),可由下面兩式確定:當H<40m時ai=hH(am?1)+1(4)ai=hΗ(am-1)+1(4)當H≥40m時ai={5h9H(am?1)+15h?2H3H(am?1)+1h≤0.6Hh>0.6H(5)ai={5h9Η(am-1)+1h≤0.6Η5h-2Η3Η(am-1)+1h>0.6Η(5)式中H為壩高;h為質點i距壩底的距離;αm為系數(shù),依據(jù)相關規(guī)范,am在e為7、8、9度時,分別取3.0、2.5和2.0。1.2fvcoaub1cosafhsica的參數(shù)本文運用考慮地震荷載的瑞典圓弧滑動法進行壩坡穩(wěn)定性分析,其穩(wěn)定安全系數(shù)由下式給出:Fs=A+∑clB(6)Fs=A+∑clB(6)其中A=∑[W±Fvcosa?ub1cosa?Fhsina]tanφB=∑[(W±Fv)sinα+McR]A=∑[W±Fvcosa-ub1cosa-Fhsina]tanφB=∑[(W±Fv)sinα+ΜcR]式中W為土條的自重;b為土條寬度;u為作用于土條底面的孔隙壓力;a為條塊重力線與通過此條塊底面中點的半徑之間的夾角;c、φ分別為粘聚力和內摩擦角;Mc為Fv引起的滑動力矩;R為滑弧的半徑。限于篇幅,瑞典圓弧滑動法的具體計算方法及步驟不再贅述,可參見文獻。2工程實例2.1大壩橫剖面的分區(qū)西南地區(qū)某大壩壩頂高程2143m,最大壩高123m,壩址位于地震基本烈度為7度的地震區(qū)。大壩最大橫剖面見圖1。為增加壩頂堆石部位的壩坡穩(wěn)定性,考慮在壩頂以下28m范圍的心墻兩側上下游壩殼內設置13層土工格柵(層數(shù)編號由下至上)。其中,第13層格柵距壩頂4m,第一層格柵與第二層格柵間距3m,其它格柵間距2m,兩側格柵加筋層水平最大寬度為30m。2.2高圍壓下小主應力35和535555555555555555555555555555計算中主要材料有13種,主要參數(shù)見表1。其中,γ為容重,Δφ為反映在高圍壓下土體摩擦角隨小主應力σ3而降低的一個參數(shù),其值可由下式確定φ=φ0?Δφlgσ3Pa(7)φ=φ0-Δφlgσ3Ρa(7)式中φ0為σ3/Pa=1時的φ值。參照文獻,土工格柵抗拉強度取120kN/m。2.3壩體壩坡穩(wěn)定性基本方案的確定采用上述數(shù)值模型,計算了壩體整體和壩頂局部區(qū)域在大壩蓄水后的壩坡穩(wěn)定性?？紤]到格柵僅在壩頂以下28m范圍內加筋,其影響范圍有限,文中計算的壩頂局部區(qū)域僅涉及壩頂以下43.5m的范圍。依據(jù)相關規(guī)范(文獻),攔河大壩的抗震設防類別為甲類,擋水建筑物抗震設防烈度提高1度,故計算中采用的地震烈度為8度。為研究格柵加筋對壩坡穩(wěn)定性的影響,對表2中的8種基本方案進行了計算,并假設格柵加筋層厚度為5mm。在上述8種基本方案的基礎上,考慮不同的加筋層數(shù)和不同的格柵抗拉強度,對壩坡穩(wěn)定性進行計算,并與基本方案結果進行了對比分析。計算中,加筋層數(shù)取0、4和7層,格柵抗拉強度取60、80kN和100kN。3土體與格柵網眼的彎合作用對于土工織物的加筋機理,馮志剛等認為它源于格柵良好的抗拉性能和格柵與加筋土之間三種作用力(摩擦作用、嵌瑣作用和被動阻抗作用)的共同作用。摩擦加筋原理認為:加筋材料是土體中的受拉構件,填土和加筋材料的摩擦力既可將加筋材料的拉力傳遞到土體中,又可阻止土體側向變形發(fā)展。張文慧等在室內對雙向土工格柵進行了拉拔試驗,發(fā)現(xiàn)加筋土工格柵受到拉力作用時,其與土體界面間除了摩擦阻力外,還有土體對橫肋的支撐阻力。湯飛等對單向土工格柵進行了拉拔試驗,結果表明,土與格柵之間的作用主要是橫肋及節(jié)點與土顆粒間的咬合。這種咬合力在細顆粒土中很弱,而在砂礫料中成為主要阻力。筆者認為,土工格柵為網狀材料,格柵網肋之間為占格柵表面絕大部分面積的網眼。由于堆石材料有一定的棱角,會部分嵌入格柵網眼中。在地震作用下,當部分堆石體有發(fā)生顆粒錯移、滾動的趨勢時,首先要掙脫格柵網眼對其的“束縛”。大量計算表明,格柵具有較大的抗拉強度,土工格柵在土中受到的拉力較其抗拉強度要小得多,堆石體在其網肋上產生的拉力不足以擺脫網眼對其的“束縛作用”,一般不會發(fā)生堆石體顆粒錯移、滾動的現(xiàn)象,從而使壩頂堆石部位穩(wěn)定性得到提高。4水庫邊坡穩(wěn)定性模擬結果對大壩蓄水后,壩體整體和壩頂局部區(qū)域在有地震和無地震情況下的壩坡穩(wěn)定性進行了計算分析,結果如下。4.1壩體整體及壩局部區(qū)域安全系數(shù)壩坡穩(wěn)定性計算結果如表3所示。由計算結果可以看出,無地震情況下的穩(wěn)定安全系數(shù)均大于有地震情況。無論有無地震,加筋情況下,壩體整體和壩頂局部區(qū)域安全系數(shù)均大于未加筋時的相應結果,且在壩頂局部區(qū)域更加明顯。這是因為格柵加筋僅限于壩頂以下28m區(qū)域,其加筋效果限于壩頂以下部分區(qū)域。4.2格柵加筋對壩體滑動面位置的影響圖2為基本方案4和基本方案8的壩頂局部區(qū)域最危險滑動面位置對比。圖中,橫坐標表示順河向距離,縱坐標表示高程。由圖2可以看出,地震作用下,較之無格柵加筋情況,13層格柵加筋時,壩頂局部區(qū)域最危險滑動面位置發(fā)生了一定的變化,滑動面向上游格柵部位有所偏移,即滑動面更多的切過格柵加筋部位。這說明格柵加筋對增加壩頂區(qū)域壩坡穩(wěn)定性起到了一定的作用。對于壩體整體,計算結果表明,有格柵加筋和無格柵加筋兩種情況下,滑動面的位置基本沒有變化。如上文所述,格柵加筋區(qū)域限于壩頂堆石部分區(qū)域,其對壩體整體穩(wěn)定性的影響不大。4.3壩體穩(wěn)定安全系數(shù)土工格柵主要靠其優(yōu)越的抗拉性能來發(fā)揮加筋作用,其抗拉強度對加筋效果無疑有重要影響。在上述8種基本方案的基礎上,通過調整格柵抗拉強度來分析抗拉強度對壩坡穩(wěn)定性的影響。計算中,抗拉強度分別取為120、100、80kN和60kN4種情況,并假設格柵加筋層數(shù)為13層,計算結果如圖3所示。由圖3可知,無地震情況下,穩(wěn)定安全系數(shù)均大于有地震情況,說明地震對壩體穩(wěn)定有較大的影響。隨格柵抗拉強度的增加,壩體整體和壩頂局部區(qū)域壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)均有所增加,且穩(wěn)定安全系數(shù)與格柵抗拉強度之間呈良好的線性關系。穩(wěn)定安全系數(shù)隨抗拉強度增大而增加的趨勢在壩頂局部區(qū)域更加顯著。例如,有地震情況下,13層格柵加筋,格柵抗拉強度為120kN時,采用瑞典圓弧滑動法計算得出的壩頂局部區(qū)域穩(wěn)定安全系數(shù)為60kN時相應數(shù)值的158%。同樣條件下,壩體整體在抗拉強度120kN下的穩(wěn)定安全系數(shù)僅為60kN下相應數(shù)值的102%,基本上沒有變化。由計算結果可知,通過增加格柵抗拉強度來提高壩頂堆石部位的壩坡穩(wěn)定性是可行的。4.4加筋層數(shù)對壩體穩(wěn)定安全系數(shù)的影響對13層、7層、4層格柵加筋和無格柵加筋4種情況進行了壩坡穩(wěn)定性計算,并對結果進行了分析,以評估加筋層數(shù)對壩坡穩(wěn)定性的影響。其中,7層格柵是只保留第1、3、5、7、9、11、13層格柵加筋,4層格柵是只保留第1、5、9、13層格柵加筋。計算中假設土工格柵抗拉強度為120kN,圖4為計算結果。由圖4可以看出,無論有無地震發(fā)生,隨格柵加筋層數(shù)的增加,壩體整體和壩頂局部區(qū)域穩(wěn)定安全系數(shù)均有所增加,且穩(wěn)定安全系數(shù)與格柵加筋層數(shù)之間呈良好的線性關系。對于壩體整體壩坡穩(wěn)定性分析,不同加筋層數(shù)情況下,穩(wěn)定安全系數(shù)變化不大,如有地震情況下,13層格柵加筋時的穩(wěn)定安全系數(shù)為無格柵加筋時的104%;而對于壩頂局部區(qū)域,格柵層數(shù)對其影響相對較大,如在有地震情況下,13層格柵加筋時壩頂局部區(qū)域的穩(wěn)定安全系數(shù)為無格柵加筋時的252%?？梢?通過增加加筋層數(shù)來提高堆石壩壩頂堆石抗震穩(wěn)定性是可行的。5格柵加筋對壩坡穩(wěn)定性的影響采用擬靜力法模擬地震動荷載,運用瑞典圓弧滑動法對土工格柵加筋對堆石壩壩坡穩(wěn)定性的影響進行了數(shù)值模擬研究,得出了以下結論:(1)在其它外部條件相同的情況下,土工格柵對壩體整體壩坡穩(wěn)定性影響不大。這是因為土工格柵加筋僅限于壩頂以下28m的范圍內,它對壩坡穩(wěn)定性的影響主要體現(xiàn)在壩頂堆石附近區(qū)域。(2)土工格柵具有較大的抗拉強度,通過其網眼對堆石散粒體材料的“束縛作用”,格柵可以對壩頂堆石體起到很好的加筋作用。(3)格柵加筋后,壩體整體和壩頂局部區(qū)域壩坡穩(wěn)定性均有所增加,