基于有限元计算的拱坝坝肩稳定、边坡稳定极限平衡分析

在拱坝坝肩稳定、边坡稳定计算中,有限元法是目前考虑因素最全面的数值分析方法,但缺乏明确的稳定安全指标。刚体极限平衡稳定分析法,与拱坝规范相配套,有较成熟的评价标准和广泛的应用实例。本文将有限元成果纳入到刚体极限平衡法体系里,利用其稳定安全系数指标体系,评价拱坝坝肩稳定和边坡稳定,并在锦屏一级拱坝设计中得到成功应用。     

基于地质力学模型试验的锦屏拱坝坝肩加固效果研究

锦屏一级高拱坝最大坝高305 m,是目前在建的世界最高拱坝,其坝址区地质条件复杂,存在断层、蚀变岩脉、层间挤压带、节理裂隙及深部裂缝等各类软弱结构面,坝与地基的整体稳定问题突出。为使坝体达到良好的受力状态,满足拱座的抗滑稳定与变形稳定等要求,工程上采取了大量的加固措施,主要有左坝肩垫座、左右坝肩混凝土网格洞塞置换、刻槽置换、传力洞等。加固处理后,坝肩的整体稳定性以及坝肩坝基的加固效果如何是工程上关心的重要问题。采用两个三维地质力学模型,分别开展了锦屏一级高拱坝在地基未加固和加固两个方案下的坝肩稳定综合法破坏试验研究,对比分析了两个方案下坝与地基的变形分布特性、坝肩坝基失稳的破坏机制和整体稳定安全度。结果表明：坝肩坝基加固处理后,坝体及左、右两岸坝肩变位的对称性得到明显改善,变位量值减小;在相同的超载倍数下,加固方案下两坝肩开裂破坏的范围减小,破坏程度减轻,坝肩破坏失稳的超载系数增大,超载能力得到提高;未加固方案拱坝整体稳定综合法试验安全系数为4.7 ~ 5.0,加固方案下安全系数为5.2 ~ 6.0,安全度得到明显提高。综合分析认为,锦屏拱坝采用以坝肩垫座、混凝土网格置换洞塞、刻槽置换、传力洞等为主的加固方案对坝肩坝基起到了良好的加固效果。     

模拟深基坑开挖和支护全过程的有限元数值分析

选用Drucker-Prager弹塑性本构关系,建立了模拟深基坑开挖和支护全过程的平面有限元数值分析模型.运用该模型并结合工程实际,对深基坑开挖过程巾边坡土体的应力场和塑性区的分布以及变形进行了分析,找出了影响深基坑变形的主要因素:支护结构的刚度、支护结构入土深度、基坑开挖深度和宽度以及土层强度参数等.     

基坑变形影响因素与有限元数值模拟

基坑变形影响因素是其变形控制的重要内容之一，在自制深基坑工程变形控制优化设计及其有限元数值模拟系统(SDCDEFEM)的基础上，重点对影响基坑变形的各因素进行了有限元数值模拟分析，并对实测和计算的基坑周边最大沉降、支护结构最大水平位移和坑底最大隆起及其位置进行了统计分析，得出了简明估算基坑最大变形及其位置的统计关系式，提出了经济有效的变形控制对策。     

拉西瓦双曲拱坝整体稳定分析

使用大型三维非线性有限元程序(TFINE),对拉西瓦拱坝-地基系统进行了三维弹塑性有限元数值模拟,对该拱坝地基系统,在正常荷载下的位移和应力进行分析。并在此基础上,进行了整体稳定分析和大坝超载能力分析。结果表明,拉西瓦拱坝的位移、应力和超载稳定能力均达到稳定要求,但部分基础需进行适当加固。     

复杂地质条件下拱坝整体稳定三维地质力学模型试验研究

针对某高拱坝坝址区地质构造复杂,两岸坝肩岩体内存在断层、煌斑岩脉、层间挤压带、深部裂隙等各类软弱结构面等工程地质问题,本文利用三维地质力学模型试验技术,采用强度储备与超载相结合的综合法试验方法,研究了坝体和坝肩从加荷到破坏的整个过程,试验中充分考虑了影响坝肩坝基稳定的各种因素,既考虑拱坝上游超载情况,同时还重点模拟两坝肩岩体中软弱结构面强度弱化的影响。通过试验获得了坝肩坝基的变形及分布特征、失稳的破坏形态和破坏机理。试验结果表明:拱坝整体稳定安全度约为4.7～4.9,拱坝的基础处理效果较好,并针对坝肩的薄弱环节提出了加固处理措施建议。     

不连续岩体-拱坝系统的动力过程数值模拟方法

提出了一种分析三维不连续变形块体系统动力学过程和建坝的数值方法,该方法不但能够模拟位移不连续面在地震载荷作用下的张开和大尺度的摩擦滑移,而且还能给出不连续面上安全系数的分布和随时间的变化.通过有2个块体组成的系统验证了所提出的方法的正确性,同时用它分析了一个具有断层和伸缩缝的拱坝系统模型在地震载荷下的动力反应.     

拱坝坝肩三维稳定可靠度分析

以随机块体理论为基础,建立了拱坝坝肩三维稳定可靠度分析的计算模型,推导了用全概率法分析其可靠度的基本公式,研制的电算程序用于实际工程,得到了比较合理的计算结果,验证了本方法的可行和实用性。     

冻土墙围护深基坑开挖的有限元数值模拟

利用有限元数值模拟方法，分析了冻土围护墙深基坑开挖施工，得出了基坑变形的基本性状以及在相同地质条件下，基坑变形与其主要影响因素之间的关系，为深基坑开挖冻土墙围护设计提供了有价值的参考依据。     

李家峡拱坝坝肩岩体锚杆加固的分析研究

对岩坡锚固的作用，对预应力锚索的分析，往往有较大的缺陷，即没有充分估计锚索的作用，按过去常规分析，锚索的作用限于预应力的作用，由于预应力Ｆ的作用，对滑动面产生正压力和阻滑力，如此计算则往往低估了锚索的作用，本文则全面分析了锚索的作用，所谓全面的作用，即增刚、增韧、阻滑、阻流变等。增刚是锚索预应力的一个较为突出的作用，之外，就是增加岩体的断裂韧度，使岩体的开裂率不断下降，从而使流变减少，故一般仅只计     

拱坝联合坝肩岩体三维计算模型构建

坝址区复杂的地质条件与岩体力学环境变化,直接影响坝肩岩体抗滑稳定及拱坝的安全。我国西南乌东德超高拱坝坝址区工程地质条件极为复杂。坝体载荷后,区域内地层岩性、断层构造、岩溶系统、拱座内不连续裂隙等自然地质条件,成为影响坝肩岩体稳定性的主要因素。基于可研阶段地质勘探数据、二维地质剖面和工程设计数据,采用面向对象技术、多种软件协同作业,建立自然地质条件和工程对象的几何模型。构建适用于地应力反演分析,坝体载荷、工程开挖等因素影响下坝肩稳定性分析的三维精细有限元计算模型。该三维模型最大程度地模拟了工程岩体复杂结构,为高拱坝坝肩岩体稳定性综合分析提供良好的基础。计算结果表明:河谷两侧近地表地应力带及河床深部地应力区应力水平与实际量测值接近。坝肩槽开挖完成后,右岸拱肩槽800 m高程附近位移值最大达到12.9 mm。两岸9个可能滑动楔块在不同荷载组合条件下有一定差异,整体上左岸坝肩稳定性强于右岸。组合地震荷载作用下,所有楔块安全系数均大幅下降,但仍具有一定的安全裕度。     

小湾拱坝变形承载力及整体安全度评价与分析

运用三维非线性有限差分数值分析方法,研究小湾拱坝在多种工况下的应力场和位移场以及蚀变带、卸荷松弛岩体对拱坝安全度的影响。坝体建基面的抗剪验算表明小湾拱坝建基面的面安全度偏低,其主要原因除了小湾拱坝所受水推力超大外,建基面上由于开挖引起的岩体松弛效应也是重要原因。分析表明坝踵部位的受拉屈服范围已经接近于帷幕位置,必须引起重视并采区必要的防范措施。坝体分别按线弹性和非线性弹塑性进行超载分析,上游水压力超载引起小湾拱坝丧失承载力的安全度,前者约为6.5,后者约为3.5,因此小湾拱坝的整体安全度为3.5,应受坝体强度控制,右岸坝基安全度小于左岸。根据屈服破坏区的分布指出在右岸高程1 160～1 190 m之间由于坝肩下游深沟和蚀变带的存在,在超载系数大于5.0时,该将出现贯通性屈服。     

基于有限元极限平衡法的尾矿坝坝体稳定分析

在平面应变条件下,采用基于弹塑性应力应变分析的有限元极限平衡法对尾矿坝坝体的稳定性进行研究。该方法可较好地结合极限平衡分析方法和有限元应力分析方法的特点。通过弹塑性有限元分析,合理准确地考虑结构整体应力场的影响,进而结合Hooke-Jeeves法优化搜索最危险滑动面的位置及其对应的最小安全系数。以某尾矿坝实际工程为例,比较分析了考虑正常、洪水以及特殊工况运行下有限元极限平衡法与极限平衡条分法和有限元强度折减法在安全系数大小及滑动面形状和位置的差异,重点运用有限元极限平衡法对尾矿坝坝体的稳定性进行验算并作出安全评价,为尾矿坝的安全设计施工提供可靠依据和技术支撑。     

乌东德高拱坝极限抗震能力研究

乌东德水电站是金沙江下游河段上4个水电梯级的最上游梯级,大坝为265 m高的双曲拱坝。采用非线性有限元法,将拱坝坝体-坝基作为一个整体系统,在考虑坝体横缝影响及无限地基辐射阻尼影响基础上,模拟坝肩控制性滑块各滑裂面在地震作用下张开、滑移的非线性力学行为,研究设计与校核地震作用下大坝的抗震性能,探讨大坝-坝基整体系统在强震作用下的抗震潜力。研究结果表明：设计地震条件下,坝体仅在拱端应力集中区域拉应力超过抗拉强度,压应力则均满足强度要求,坝肩块体稳定,大坝-坝基体系的整体安全性可以保证;校核地震条件下,坝体应力值略有增加,能够满足不溃坝的设防要求;以大坝-坝基代表性的位移、变形量变化曲线的拐点作为评价极限抗震能力的标准,可知拱坝-坝基体系的抗震超载安全系数为2.7,相应的基岩水平向峰值加速度0.729g,拱坝-坝基体系抗剪参数强度储备安全系数为2.0,乌东德高拱坝具备较强的极限抗震能力。     

复杂条件下高拱坝应力及坝肩稳定分析

众所周知,研究复杂地质条件下的高拱坝应力和坝肩稳定对确保工程安全具有重要的意义。研究的江坪河高拱坝地质构造较复杂,坝基及坝肩岩体存在大量断层、软弱夹层、泥化夹层和卸荷、风化岩体等地质缺陷,引起两岸坝肩岩体变形不对称、压缩变形量增大以及坝肩局部岩体承载能力低,直接影响到拱坝正常运行和稳定性。因而,对各种工况下的坝体及坝肩岩体进行了三维有限元分析,研究了坝体及坝肩的应力和变形发展状态、可能失稳模式、破坏形态和破坏机制。研究成果表明,未加固时坝肩岩体不稳定,因此,通过研究采用合理的加固处理措施,右岸采用6个传力洞进行加固;左岸采用锚洞进行加固。采取加固措施以后对其进行三维有限元分析,其研究成果表明,加固有一定的效果,改善了两岸的受力状况和变形分布,提高了坝肩稳定性,但左岸坝肩仍不能完全满足规范要求,还需要进一步增加锚洞的面积。     

拱坝坝肩岩体动力稳定性分析研究方法简述

高拱坝坝肩岩体动力稳定性分析是高拱坝抗震研究的主要内容之一。从高拱坝的抗震设防标准及动力稳定安全判定准则、坝肩岩体的结构和动力特性、坝肩岩体动力稳定性分析的刚体极限平衡法、离散元法、刚体弹簧元法、拉格朗日不连续变形分析方法、数值流形方法、随机理论与方法等方面对高拱坝坝肩岩体动力稳定性分析的理论和方法进行系统的归纳和总结,并介绍了各方面的最新进展。可以看出,为满足高拱坝建设实践的需要,应对高拱坝坝肩岩体动力稳定性分析的理论和方法进行更深入的研究。     

碾压混凝土高拱坝坝肩稳定及坝体开裂静动力分析

强震区高拱坝抗震问题的研究十分重要,高拱坝静力稳定研究和极限抗震能力复核,是确保地震后不发生库水失控下泄的关键课题之一。采用物理模型试验与数值计算的方法,根据汶川震后新核定参数,并考虑降强因素的影响,对沙牌碾压混凝土拱坝进行静动力分析和复核。通过三维地质力学模型综合法静力破坏试验,研究拱坝坝肩在正常荷载作用下的稳定安全性,得到沙牌拱坝坝肩综合稳定安全系数为3.76,建议对两坝肩开裂较严重区域进行加固处理。在此基础上,基于反应谱理论进行三维有限元动力分析,将应力成果导入开发程序由Drucker-Prager（D-P）和Mohr-Coulomb（M-C）准则对加固后的沙牌拱坝进行动力复核计算,并研究大坝的开裂情况和极限抗震能力,计算结果表明,沙牌拱坝的整体抗震稳定性能良好,仅在万年一遇地震工况下发生坝肩浅表层失稳。研究成果表明,沙牌拱坝坝肩稳定性较高、坝肩加固效果良好,从而在“5.12”汶川地震中表现出超强的整体稳定性和抗震能力,其全面开展的研究工作和采取的工程措施可供国内强震区同类型拱坝工程建设及运行借鉴和参考。