一種混凝土重力壩在多壩段聯(lián)合抗滑條件下的穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種重力壩抗滑穩(wěn)定分析方法，特別涉及一種混凝土重力壩在多壩段 聯(lián)合抗滑條件下的穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算方法，屬于重力壩沿壩基面抗滑穩(wěn)定分析技術(shù)領(lǐng)域， 亦可對重力壩深層抗滑穩(wěn)定、邊坡穩(wěn)定分析有借鑒作用。
【背景技術(shù)】
[0002] 驗(yàn)算壩體沿壩基面抗滑穩(wěn)定安全性是重力壩設(shè)計(jì)中的重要內(nèi)容?！痘炷林亓?設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL319-2005)采用基于二維剛體極限平衡分析的抗剪強(qiáng)度及抗剪斷強(qiáng)度公式進(jìn) 行驗(yàn)算，廣泛的工程實(shí)踐證明，其對于壩軸線向壩基面水平的單壩段抗滑有著良好的適用 性。隨著中國水電建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，很多重力壩被建在深"V"河谷中，壩基面為一陡傾 斜面。由于壩體同時(shí)有向下游、河床滑動(dòng)到的趨勢，其抗滑穩(wěn)定性能變差。為滿足壩體的 抗滑穩(wěn)定要求，重力壩設(shè)計(jì)施工過程中往往會對壩段之間的橫縫進(jìn)行灌漿處理或者設(shè)置鍵 槽，使得不同壩段聯(lián)合抗滑以提高穩(wěn)定性。
[0003] 在多壩段聯(lián)合抗滑情形下，壩基面為傾斜的折面，加之壩段之間存在未知的相互 作用力，其抗滑穩(wěn)定分析是一個(gè)超靜定問題；另外，還應(yīng)考慮在多壩段聯(lián)合抗滑條件下壩段 自身抗滑穩(wěn)定性能，以此對壩體補(bǔ)強(qiáng)加固，將可能損失降到最低。求解此類問題，規(guī)范規(guī)定 的抗剪強(qiáng)度、抗剪斷強(qiáng)度公式將明顯不再適用；有限單元法等數(shù)值分析方法雖也能求解，但 費(fèi)時(shí)費(fèi)力，難以在工程實(shí)際中推廣應(yīng)用。
[0004] 基于上述分析，針對重力壩多壩段聯(lián)合抗滑、壩基面為傾斜折面的情形，本文發(fā)明 了一種基于三維剛體極限平衡分析的重力壩沿壩基面多壩段聯(lián)合抗滑穩(wěn)定分析方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種混凝土重力壩在多壩段聯(lián)合抗滑條 件下的穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算方法，并可獲得各壩段失穩(wěn)破壞順序，豐富了混凝土重力壩壩基 穩(wěn)定計(jì)算方法，并對邊坡穩(wěn)定、壩體深層抗滑計(jì)算提供了一個(gè)新的思路。
[0006] 本發(fā)明的具體技術(shù)方案是：一種混凝土重力壩在多壩段聯(lián)合抗滑條件下的穩(wěn)定安 全系數(shù)計(jì)算方法，按以下步驟進(jìn)行：
[0007] (1)根據(jù)重力壩的實(shí)際情況，分別確定各壩段的計(jì)算參數(shù)，計(jì)算參數(shù)包括：幾何參 數(shù)、材料參數(shù)、荷載參數(shù)，其中材料參數(shù)包括容重、凝聚力、摩擦系數(shù)；荷載參數(shù)包括自重、水 壓力、揚(yáng)壓力；
[0008] (2)建立具有各壩段局部坐標(biāo)系及整體坐標(biāo)系相結(jié)合的重力壩三維抗滑穩(wěn)定分 析模型，整體坐標(biāo)系中，X軸為順河流向，指向下游為正；y軸為壩軸線向，由岸坡指向河床 中央為正；z軸為垂直向，指向上方為正；以各壩段傾斜壩基面及其法線建立各壩段局部坐 標(biāo)系，1軸沿壩基面垂直壩軸線，指向下游為正；2軸投影平行壩段軸線，由岸坡指向河床為 正，3軸為壩基面內(nèi)法線方向，并從岸坡至河床方向依次對各壩段進(jìn)行編號，k= 1，2,…，n;
[0009] (3)不考慮壩段之間的相互作用力，利用已知的荷載信息，求得整體坐標(biāo)系下，第 k壩段受到合外力下的基礎(chǔ)反力向量，各分量單位kN;
[0010] Fk= [Fk，x，F(xiàn)k，y，F(xiàn)k，JT;
[0011] 并由坐標(biāo)轉(zhuǎn)化矩陣Mk將其轉(zhuǎn)換成局部坐標(biāo)系下，第k壩段受到合外力下的基礎(chǔ)反 力向量fk，各分量單位kN;fk= [f^，fk,2,fk,3]T
[0012] fk=Mk ?Fk (I)
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種混凝土重力壩在多壩段聯(lián)合抗滑條件下的穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算方法，其特征在于 按以下步驟進(jìn)行： (1) 根據(jù)重力壩的實(shí)際情況，分別確定各壩段的計(jì)算參數(shù)，計(jì)算參數(shù)包括：幾何參數(shù)、 材料參數(shù)、荷載參數(shù)，其中材料參數(shù)包括容重、凝聚力、摩擦系數(shù)；荷載參數(shù)包括自重、水壓 力、揚(yáng)壓力； (2) 建立具有各壩段局部坐標(biāo)系及整體坐標(biāo)系相結(jié)合的重力壩三維抗滑穩(wěn)定分析模 型，整體坐標(biāo)系中，X軸為順河流向，指向下游為正；y軸為壩軸線向，由岸坡指向河床中央 為正；z軸為垂直向，指向上方為正；以各壩段傾斜壩基面及其法線建立各壩段局部坐標(biāo) 系，1軸沿壩基面垂直壩軸線，指向下游為正；2軸投影平行壩段軸線，由岸坡指向河床為 正，3軸為壩基面內(nèi)法線方向，并從岸坡至河床方向依次對各壩段進(jìn)行編號，k = 1，2,…，η ; (3) 不考慮壩段之間的相互作用力，利用已知的荷載信息，求得整體坐標(biāo)系下各壩段基 礎(chǔ)反力向量Fk，其中，F(xiàn) k--整體坐標(biāo)系下，第k壩段受到合外力下的基礎(chǔ)反力向量，各分量 單位 kN ;Fk= [Fk，x, Fk，y，F(xiàn)k，J ; 并由坐標(biāo)轉(zhuǎn)化矩陣Mk將其轉(zhuǎn)換成局部坐標(biāo)系下第k壩段受到合外力下的基礎(chǔ)反力向 量 fk，各分量單位 kN ;fk= [f u, fk，2, fk，3]T fk= Mk · Fk (I)式中
a k-第k壩段壩基面壩軸線向傾角； β k-第k壩段壩基面上下游傾角； Mk--第k壩段的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換矩陣； 由此求出不考慮壩段間相互作用力時(shí)，各壩段的單獨(dú)抗滑安全系數(shù)FSiu;
其中，Ck-第κ視權(quán)視基凹饑男斷鋮來力，KFa ; Ak--第k壩段壩基面有效接觸面積，m2; fPk-第k壩段壩基面摩擦角； (4) 多壩段聯(lián)合抗滑穩(wěn)定分析： A. 為使超靜定的多壩段聯(lián)合抗滑穩(wěn)定分析有唯一解，引入如下基本假定： ①各壩段不平衡力的大小|Ufk|為折減系數(shù)RF下，阻滑力與抗滑力之差，方向與滑動(dòng) 力方向一致時(shí)為正；②整體坐標(biāo)系中，垂直不平衡力分量UFtz不參與傳遞，因?yàn)槠鋾黾?相鄰壩段的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；③不平衡力分量可通過灌漿的橫縫或者鍵槽在壩段之間傳 遞，且只能從岸坡一側(cè)傳向河床一側(cè)； B. 利用公式（4)計(jì)算特定折減系數(shù)RF下，局部坐標(biāo)系第k壩段受到的不平衡力向量 Ufk, kN ；
其中，RF--計(jì)算過程中，以固定步長逐漸增大的折減系數(shù)； IUfkI彡〇,壩段自身能保持穩(wěn)定；IUfkI <o，k壩段無法再靠自身保持穩(wěn)定，需將IUfkI大 小的不平衡力傳遞給河床側(cè)相鄰壩段，此時(shí)的RF即為在考慮壩段相互作用力下k壩段的局 部穩(wěn)定安全系數(shù)FShk; C. 在k壩段將其不平衡力IUfkI傳給k+Ι壩段后，k+Ι壩段基礎(chǔ)反力由式（5)重新計(jì) 算得到；
再利用公式（4)計(jì)算得k+Ι壩段的不平衡力|Ufk+1|大小， 若|ufk+1|〈o,則說明k+i壩段已超過其臨界穩(wěn)定狀態(tài)，需要將這|ufk+1|大小的不平衡 力傳遞至k+2壩段，然后再對k+2壩段進(jìn)行相同的計(jì)算并判斷，以此循環(huán)類推； 若|Ufk+1|彡0則說明k+Ι壩段即使承受來自k壩段的不平衡力，繼續(xù)增大RF返回步 驟B計(jì)算； D. 隨著RF不斷增大，需不斷判斷是否有壩段到達(dá)其臨界抗滑穩(wěn)定狀態(tài)而需要向相鄰 的壩段傳遞不平衡力，并重復(fù)進(jìn)行步驟B、C ; 對任意壩段j，當(dāng)其IUfjI彡0所對應(yīng)的折減系數(shù)RF即為其局部穩(wěn)定安全系數(shù)FScu, 且一旦該壩段達(dá)到臨界抗滑穩(wěn)定狀態(tài)，則無法再承受自身產(chǎn)生或者相鄰壩段傳遞的不平衡 力，而只能向該壩段的相鄰壩段傳遞這些不平衡力； E. 循環(huán)迭代計(jì)算后，當(dāng)河谷最深處壩段η的不平衡力|Ufn| <0時(shí)，認(rèn)為壩段聯(lián)合抗滑 穩(wěn)定達(dá)到了其極限平衡狀態(tài)，多壩段體系無法再擁有更多的安全富余，此時(shí)的折減系數(shù)RF 即為整體穩(wěn)定安全系數(shù)FSg，由分別各壩段分別得到的局部穩(wěn)定安全系數(shù)如式（6)所示： {FSC} = {FSC"，…，F(xiàn)Sc，k，...，F(xiàn)Sc，J (6) 其中，F(xiàn)Sg--壩段聯(lián)合抗滑整體穩(wěn)定安全系數(shù)； FSc--各壩段聯(lián)合抗滑局部穩(wěn)定安全系數(shù)的集合，由該數(shù)列元素的大小關(guān)系即可得 各壩段依次達(dá)到極限平衡的順序。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種混凝土重力壩在多壩段聯(lián)合抗滑條件下的穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算方法，屬于重力壩穩(wěn)定性分析領(lǐng)域。本發(fā)明針對混凝土重力壩采取壩段間設(shè)置鍵槽或灌漿以聯(lián)合抗滑的情形，基于三維剛體極限平衡分析和強(qiáng)度折減法，建立三維穩(wěn)定分析計(jì)算模型，通過引入若干合理假定及不平衡力傳遞的概念，將多壩段沿壩基面聯(lián)合抗滑穩(wěn)定的靜不定問題轉(zhuǎn)化為靜定問題；在求得壩段單獨(dú)抗滑安全系數(shù)的基礎(chǔ)上，考慮對河谷側(cè)相鄰壩段的不平衡力傳遞，循環(huán)計(jì)算，求得多壩段聯(lián)合抗滑的整體穩(wěn)定安全系數(shù)、各壩段依次達(dá)到極限平衡的次序及其局部穩(wěn)定安全系數(shù)。本發(fā)明具有易于編程實(shí)現(xiàn)、計(jì)算結(jié)果合理等特點(diǎn)，便于實(shí)際工程推廣應(yīng)用。
【IPC分類】G06F19-00, E02B7-10
【公開號】CN104652373
【申請?zhí)枴緾N201510062321
【發(fā)明人】徐力群, 嚴(yán)中奇, 周志杰, 江婷, 沈振中, 甘磊, 邱莉婷, 丁麗紅
【申請人】河海大學(xué)
【公開日】2015年5月27日
【申請日】2015年2月5日