有限元法在分析拱坝坝肩稳定中的应用.doc

有限元法在分析拱坝坝肩稳定中的应用 有限元法在分析拱坝坝肩稳定中的应用 THEAPPLICATIONOFFINITEELEMENTMETHODINANALYSlsINGARCHDAM SPANDRELSSTABILIZATIONDEGREEOFSAFETY .题吐 GuChongshi (河海大学.南京) , qJ, ‘HohaiUniversity,Nanjing) m n【摘要】在评述估计拱坝埂肩稳定安奎度方法基础上,结合某重力拱坝的左坝肩的稳 定问题,重点对有限元法作了详细分析,并与刚体极限平衡的等法和地质力学模型试 验的成果作了对比,-结果表明,用有限元法估计坝肩的稳定安奎度比其它方法更能反映 实际情况. 【关键词】有限元法稳定安奎度刚体极限平衡等法 1前言 目前,国内外评价拱坝坝肩稳定安全度的 方法,以刚体极限平衡法为主,这和地质勘探 技术,岩石力学的发展水平有关.最近几年发 展起来的可靠度理论分析大坝安全度方法,给 坝工技术带来了更光明的前景,但在应用方面 尚缺少经验.还需逐步完善有限元理论的不 断发展,为评价坝的安全度开辟了新的途径.此 法力学概念明确,模拟坝体及地基力学参数较 接近实际.近年来不断用于大型工程及重要水 工建筑物的设计之中.取得了较好的效果象 一 些地质条件复杂,资料不全的工程以及蓄水 初期的大坝,用有限元分析安全度,是一种比 较切合实际的有效方法.因此.随着有限元理 论的不断深化,计算机技术的发展,用有限元 分析工程安全度.将会得到更广泛的应用.下 面简要评述拱坝稳定安全度的分析方法. 2评述拱坝稳定安全度的分析方法 拱坝坝肩是一个复杂的天然岩体,限于 *到稿时问:lg95一l2一O3 目前的测试技术,还难以准确地获得岩体的物 理力学参数(,,c).因此,拱坝坝肩稳定评估方 法有待不断补充完善.下面介绍几种目前坝工 上常用的评估安全度的方法:安全系数法,可 靠度理论和物理模型试验法. 2.1安全系数法 安全系数法是目前国内外工程设计中最常 用的方法,按计算原理可分为:刚体平衡理论 和有限元法等. (1)刚体极限平衡理论 众所周知,该理论假定滑移体为刚体,作 用在滑移面上的力系只计法向力和剪力.而不 考虑弯矩作用.因此,计算简单,且比较成熟. 已被广泛应用于估计拱坝稳定安全度.然而此 法比较粗略,忽略因素较多.但就目前勘测和 试验所得的原始数据的精度来看,还是相当的. 该理论的计算方法众多,但归纳起来,主要是 计算下式的安全系数; ∑+∑c.A.… —■_¨ 式中的.v,,C.,T.,A.分别是滑动面上的 法向力,摩擦系数,凝聚力,剪力和滑动面面积. 顾冲时有限元法在分析拱埂坝肩稳定中的应用37 若计算简图为图1,那末,可通过力系平衡 方程: ∑X=0] ∑:0} ∑Z一0J (2) 求得M,,代入(1)式,求出滑动面上(图1 ,～ 中的ACB面)的安全系数K. 图1计算筒图 (2)有限元法 有限元法原则上可以模拟岩体的地质构造 和物理力学特性,采用线性和非线性有限元分 析,可以得到滑移面上的应力,然后用(3)式计 算整体或各块稳定安全系数从而初步掌握滑 移面上的各块的稳定安全度,至于其应用将在 下面实例中详细讨论 ,?I.ds+IC?ds — d∞Jr. 式中当c一0时.为纯摩擦公式; 当c≠0时,为抗剪断公式; ,r,f,C分别为某滑动单元滑动面上 的正应力和剪应力,摩擦系数,凝聚力; 为滑动面面积. 2.2可靠度理论分析坝肩稳定 结构可靠度理论分析复杂地基上拱坝坝肩 稳定,目前国内外还属研究阶段,其主要特点 是:将作用的荷载,荷载效应以及抗力和物理 力学参数都当做随机变量,通过统计特性的分 析和检验,确定分布类型,然后用结构分析法 建立大坝的极限状态方程,从中求得坝肩的失 效概率Pf和可靠度指标它通常分下列三步 进行:1)统计分析;2)建立大坝失事模式及其 极限状态方程;3)计算失效概率Pt或可靠度 指标卢.可靠度理论应用于拱坝坝肩安全度评 估中,将一些主要参数作为随机变量处理.因 此,该法比安全系数法更能反映实际.但是该 法要求有完整的观测资料和试验资料.这对尚 未竣工或蓄水初期的工程来说,往往无法达到 从而用此法评价安全度时,精度不高,甚至无 法使用 2.3模型试验法 上述介绍的两种安全度评估方法是数学力 学分析法,而对于某些重要工程来说,除此以 外,往往还需用模型试验进行分析论证.本世 纪7O年代末,8O年代初发展起来的地质力学 模型试验技术,可以做到原型的重力相似,地 质构造的产状和物理力学参数等相似.从而,可 以在模型中找出破坏机理和工程的薄弱部位. 并根据荷载与变形关系曲线扔步估计大坝和坝 基的稳定安全度.由于试验中的一些技术问题 还未全部解决,如:地震,扬压力和温度等荷 载的模