基于FLAC 3D的高边坡安全稳定静动力分析.pdf
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1、 年第 期水利技术监督理论研究:/基于 的高边坡安全稳定静动力分析高佳东 刘逸辉 张 巍(广东省水利电力勘测设计研究院有限公司 广东 广州 华南农业大学水利与土木工程学院 广东 广州)摘要:为分析甘肃玉门抽水蓄能电站上水库外侧高边坡的安全稳定性 确保水库安全运行 基于 软件对天然状态工况、库水渗漏工况和设计地震工况下的边坡进行稳定性静动力分析 进一步采用三维强度折减法求取安全系数 并研究其边坡变形特性 计算结果表明:各工况安全系数均满足规范要求 对应边坡的失稳区域和失稳模式相同 地震工况下地震荷载对岩体断层和结构面影响显著 且越靠近临空面出露区域动力响应越明显研究为工程上水库布置及高边坡防护提
2、供了合理性建议关键词:边坡稳定 地震工况 动力时程法中图分类号:文献标识码:文章编号:()收稿日期:作者简介:高佳东(年)男 助理工程师:我国重大水利工程大坝建设处于较为领先的水平 而水库大坝作为重要基础设施之一 广泛应用于防洪、供水、泥沙控制、改善水环境和解决水资源分布不均等问题 但由于工程质量缺陷及洪水、地震、冻害现象、气候变化等极端事件的不利影响 以及人为因素影响、管理不当等引发的非常规运行工况 均会影响到水库大坝的运行安全、经济损失和环境影响甘肃玉门抽水蓄能电站属于一等大()型工程 工程区地震基本烈度为度 其上水库布置于照壁山山顶台地 东南外侧陡崖高差大 坡面陡峭 卸荷强烈 裂隙发育
3、岩体破碎 其稳定性直接影响到上水库大坝的运行安全随着现代计算土力学的发展 为更好地研究边坡安全稳定性 数值计算已成为主要计算手段 任东兴等、董杰华等以边坡工程实例为背景利用 软件模拟边坡破坏机理 研究其应力变形特征及其稳定性 何彬、吴旭敏等针对边坡失稳的问题 利用 软件进行数值模拟分析边坡稳定性的影响因素 徐宏等运用 软件计算不同力学参数下的边坡安全系数 研究边坡安全系数影响因素的敏感性 匡义等、毛正君等通过对不同地区的边坡采用 软件进行数值模拟计算 研究边坡破坏模式和稳定性影响因素 目前 大部分三维有限元法中采用隐式求解方案 求解非线性复杂问题所花费时间较长 且存在累计误差 在模拟物理上极限
4、状态的不稳定过程时采用静态方程求解 存在数值上的障碍 而 软件基于显式有限差分法计算原理 在求解非线性问题时 不需通过迭代来满足本构关系 避免了累计误差以及解决了花费时间较长的问题 应力通过应力 应变关系 跟随应变实时变化 进而跟踪系统的演化过程 使得计算时间几乎与线性本构关系相同 同时采用动态运动方程描述地质材料在达到强度极限或屈服极限时发生破坏的力学行为 可用于模拟岩体开挖卸荷效应问题因此 本文利用 软件对上水库外侧高边坡进行计算分析 评价上水库在不同工况下边坡的稳定性和抗震安全性 并结合分析结果 提出边坡防护工程措施及上水库工程布置合理性建议 工程概况上水库库区为北、东及南侧三面开挖 西
5、侧筑坝成库 库坝轴线环库全长 西北侧窄 东南侧稍宽 主坝布置在西南侧和南侧 长 最大坝高 副坝位于水库东南侧 长 最大坝高 坝型均采用沥青混凝土面板堆石理论研究水利技术监督 年第 期坝 库坝线距离东南端侧山体的最近水平距离约 上水库外侧高边坡示意如图 所示图 上水库外侧高边坡示意图照壁山四周现状地形均为陡崖 东南外侧陡崖边缘与沟底最大高差约 平面距离 陡崖段平面长度 高度 左右 山体坡度以 为主 局部近直立或倒坡 在高程 形成宽度 的缓坡平台 平台向沟底形成一连续的斜坡段 平面长度约 地形坡度整体以小于 为主 受断裂构造、岩体卸荷及冻融作用等影响 陡崖段近山顶处岩体形成不稳定块体 崩塌、坐落现
6、象强烈 在坡脚及缓坡段堆积有崩积物 计算模型及参数 模型建立 三维整体模型选取上水库外侧照壁山区域建立三维整体计算分析模型 模型的 坐标轴与大地坐标系的东西方向重合 总长 模型的 坐标轴与大地坐标系的南北方向重合 总长 模型的 坐标轴与铅直向重合 向下覆盖的最低高程为 向上则建模至地表 覆盖范围内最低的地表高程为 最高的地表高程为 故模型在高程方向上的高度为 计算分析模型共考虑覆盖范围内的强风化、弱微风化奥陶系微泥晶灰岩等岩层和 断层 以及上水库临边坡一侧的堆石坝和坝后堆渣体 其中与堆石坝平行布置的坝后堆渣体以实体单元形式建出(如图 所示)其他坝后堆渣体则通过在计算时施加覆盖范围内地表等效荷载
7、的方式来考虑 准三维模型在主坝最大坝高位置沿垂直坝轴线建立准三维模型 该模型长 高 覆盖范围的地表高程从 增加至 网格划分考虑强风化、弱风化和微风化地层 以及 断层和图 三维整体模型网格图 结构面 进一步给出了准三维模型的边坡坡表监测点布置 如图 所示图 准三维模型的模型图 本构模型及计算参数边坡岩体的本构模型采用 的考虑拉伸修正的摩尔库伦模型和遍布节理模型 根据地勘结果可知 上水库外侧陡崖地层岩性主要为微泥晶灰岩 其边坡岩体物理力学性质和透水性指标见表、构面力学指标见表 采用动力时程计算地震作用时 岩体的动态物理力学参数与静态值一致考虑工程主要关注边坡岩体的稳定性 初始地应力通过自重应力场方
8、法计算 计算分析工况计算工况选取天然状态工况、库水渗漏工况和设计地震工况 其中设计地震工况是在坝后堆渣工况的基础上 计算设计地震荷载采用 年超越概率 设防水平、基岩水平峰值加速度为 工况以上工况均采用整体三维模型进行计算分析其中设计地震工况采用拟静力法计算 并进一步采用准三维模型 通过动力时程法进行计算分析 根据地震安全性评价建议的基岩设计规准反应谱 采用人工合成的方法 生成加速度时程曲线 如图 所示 并根据规范考虑计算分析模型的底部到地表的距离超过 因此直接将加速度时程折半后作为设计地震荷载输入模型底部 年第 期水利技术监督理论研究表 边坡岩体物理力学性质和透水性指标岩性名称地层风化分带颗粒
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