1、含不同倾角结构面的重力坝坝基深层抗滑稳定研究 蔡睿堃 ， 张 林 *，胡成秋 ，李思滢，焦 香 （ 四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室 水利水电学院，四川 成都 610065) 摘 要 ： 为了研究 存在 不同倾角结构面 时 的 重力坝坝基 深层抗滑稳定问题， 本文 基于超载理论的 地质力学模型试验， 对 含双倾斜结构面的 某 水利枢纽 中 的 C#坝段 进行破坏试验， 得到坝基的破坏 机理以及 超载安全系数 Kp=3.0， 再 采用有限元，对 天然 坝基 存在的 不同倾角结构面进行 多种 组合 计算分析 ， 得到 含单倾斜结构面坝基超载 安全系数 Kc=2.6、双倾斜结构面坝基
2、超载安全系数 Kc=2.4。 研究 结果表明： 对于含双倾斜结构面的重力坝坝基， 模型试验 与 有限元 计算所得 的大坝破坏失稳过程相似 ，模型试验得到的超载安全系数略大于有限元计算所得超载安全系数 ；含 不同倾角结构面重力坝坝基，其失稳滑动模式和破坏机理均不同 。本研究采用 两 种 不同的 方法 进行对比分析 ，相互验证 ， 揭示 了 含不同倾角结构面的重力坝坝基深层滑动 的破坏机理。 关键字 ：重力坝 坝基 ； 不同倾角结构面； 深层抗滑稳定； 地质力学模型试验； 有限元 计算 中图分类号 ： TV32 文献标志码： A Study on deep anti-sliding stabili
3、ty of gravity dam foundation with different inclined structural planes CAI Ruikun, ZHANG Lin*, HU Chengqiu, LI Siying, JIAO Xiang (State Key Lab. of Hydraulics and Mountain River Eng. , College of Water Resources different inclined structural planes; deep anti-sliding stability; geomechanical model
4、test; finite element calculation 收稿日期： 基金项目 : 国家重点 研发计划（ 2016YFC0401908） 作者简介 ：蔡睿堃 （ 1994 ） ， 男 ，硕士生， 研究方向 :水工结构工程及基础工程 .E-mail: *通信联系人 E-mail:zhanglin_ 网络出版时间 : 网络出版1 引言 重力坝是主要依靠 坝体自重产生的抗滑力来维持稳定的一种挡 水建筑物，是人类最早使用的一种坝型， 其中 沿地基深层 抗滑稳定分析是重力坝设计中的一项重要内容1。 在我国已建成的重力坝中， 向家坝水电站坝基岩体层间错动带和节理裂隙发育严重，岩体产状总体倾向下游
5、2； 乌江银盘水电站大坝建基岩层倾向右岸偏下游，岩体中发育多条不利剪切带 3； 官地水电站缓倾角错动带以及节理裂隙较发育，分布比较广泛4。 所以 当重力坝 坝基岩体存在断层、节理、裂隙、软弱夹层等地质缺陷时， 进行 不同倾角结构面 深层抗滑 安全度研究 具有十分重要的 意义。 坝基深层抗滑稳定问题的研究方法目前主要分为 刚体极限平衡法、有限元方法以及 地质力学模型试验 。 杨强 、肖平等 5将应力成果带入刚体极限平衡法中推求滑块稳定安全系数，宋冬仿、林皓羽等 6应用有限元超载法得到坝基在加固前后不同工况下的渐进破坏过程 ，张泷、刘耀儒等 7-8通过地质力学模型试验获得了对坝与地基整体稳定起控制
6、性作用的部位。 但仅凭其中一种研究方法，难以完全阐释含 不同 倾斜结构面的重力坝坝基 潜在的 滑动模式以及破坏机理，工程上一般采用多种方法相互分析论证。 本文 在康增云、李征等 9-10开展 对某水利枢纽 C#坝段 地质力学模型超载破坏试验的基础上，对该坝段 岩体存在的 断层进行 多种 组合，形成单倾斜结构面（倾 向下游和 倾向上游 ）以及双倾斜结构面等三种不同深度和倾角 断层 的组合， 采用 有限元 计算通过 坝体变位曲线初步判断超载安全系数 Kc， 并通过塑性屈服贯通面进行验证， 分别得到 含 单倾斜和双倾斜结构面 重力坝 坝基 超载 安全系数 Kc。通过 地质力学模型 实验与有限元计算对
7、 含 不同倾角结构面 的重力坝坝基 深层抗滑稳定 进行对比分析 ， 研究含不同倾角结构面重力坝坝基 深层滑动 失稳模式及 破坏机理 。 2 工程概况 某 水利枢纽 位于四川省内的 涪江 干流上， 其中 C#坝段为非溢流碾压混凝土重力坝， 最大坝高 约 为 102m。 该 坝段存在缓倾角节理裂隙 、 层间错动带以及断层等多种不利地质构造 ， 该 坝段地 质剖面图见图 1所示。图 1 某 水利枢纽 C#坝段地质剖面图 Fig.1 Geological profile of C # dam section in a water conservancy project 表 1 主要 结构面 物理力学
8、参数 9-10 Tab.1 Physical and mechanical parameters of the main structural planes9-10 结构面 方向 倾角 密度 g/cm3 抗剪断 摩擦系数 粘聚力 /MPa 变形 模量 /GPa 泊松比 f115 倾向上游 17 1.65 0.37 0.02 0.075 0.4 f114 倾向上游 22 1.65 0.37 0.02 0.075 0.4 10f2 倾向下游 39 1.65 0.37 0.02 0.075 0.4 F31 倾向下 游 67 1.65 0.37 0.02 0.075 0.4 3 有限元分析 3.1 不
9、同倾角结构面组合 为了研究重力坝坝基在不同倾角结构面下 深层抗滑 安全 系数 与破坏机理，本文 采用 有限元计算 开展 含 单倾斜结构面（倾向下游和倾向上游）以及双倾斜结构面 的重力坝坝基的 三种不同深度和倾角的 断层 组合 方案计算 ， 岩层 其余以及 其他结构面 分布不变：（ 1）方案 1：含倾向下游单倾斜断层 10f2、F31 组合 ； （ 2） 方案 2： 含倾向上游单倾斜断层 f115、f114 组合 ； （ 3） 方案 3： 含 双倾斜断层 10f2、 F31、 f115、f114 组合 （与天然地基相同） 。 先计算 各方案中由地基 自重产生的地应力 ， 再依次施加坝体自重 、
10、上下游水压力 、淤沙压力和扬压力 ， 随后 以 0.2P0（ P0 为 上述 设计工况荷载） 为荷载步加载 ， 直至 有限元 计 算 不 收 敛 ， 屈 服 准 则 采 用Drucker-Prager 准则 ， 采用尖点突变理论 以及塑性区贯通法 相结合 作为重力坝坝基失稳判据， 坝体 选 用 solid65 单元 ，坝基岩体采用 solid45 单元 ， 以 0.2P0 为荷载步加载，鉴于篇幅所限，仅列出 方案 3 中 有限元计算模型见图 2。 图 2 双 倾角结构面 有限元计算模型 Fig.2 the FEM calculation model of double inclined str
11、uctural planes 3.2 变位曲线 结果分析 有限元计算获得了 3种方案下坝体 及坝基超载过程顺河向位移图， 限于篇幅所限，为了 探究破坏机理， 使用顺河向位移 p-超载系数 Kc关系曲线研究坝体变形以及破坏模式 ， 选取坝 体上部 和 坝 体下部两 个高程的顺河向位移，图中 正 方向选取为顺河道下游变位方向 ，坝体顺河向变位曲线见图 79 所示。 有限元计算结果表明， 坝体上部顺河向位移大于坝体下部 顺河向位移， 与地质力学模型试验结果一致 。随着超载倍数增长， 方案 1 和 2 中坝体 顺河向变位值在 Kc2.4 后 ， 坝体出现上抬趋势，断层 f115和 f114开裂并进一步
12、扩展，同时 JC6 与 JC21出现裂缝且 向下 游发 展。 Kp=3.0 时， 上述 断层 及层间错动带 破坏区域 完全 贯通， C#坝段出现整体失稳 破坏趋势，鉴于本次破坏实验采取超载法进行，综合坝体及坝基顺河向变位和整体破坏失稳过程，最终评定该坝段超载安全系数 Kp=3.0。 方案 3 中模型破坏形态见图 10。由试验 结果可得， 有限元计算与 地质力学 模型试验所得成果 规律相似，数值上存在 一定差异，但差异不大 ， 因此，模型试验与有限元计算起到了相互验证的效果。 图 10 模型试验 破坏 图 Fig.10 Failure figure in geomechanical model
13、test 5 结论 (1) 根据地质力学模型试验得出的坝体顺河向变位发展规律、坝基的破坏形态以及破坏机理， 该坝段在超载系数 Kp=2.0 时出现初裂， Kp=3.0 时失稳趋势开始出现 ，最终确定 方案 3（ 天然状态下含双倾斜结构面的重力坝坝基 ） 的 超载安全系数Kp=3.0。 (2) 根据 方案 3 中 有限元计算结果 ， 综合坝体顺河向变位发展规律和塑性区贯通面情况， 分析得出超载安全系数 Kc=2.4。由于 地质力学模型试验与有限元计算 在加载和作用机理上 存在一定的区别， 所以有限元计算较地质力学模型试验所得超载安全系数 略小 ， 但两种方法均反映出了相似的变位增长规律和相同的破
14、坏机理 ，两种方法达到了相互验证 、相互补充。 (3) 根据有限元计算结果表明， 随着超载倍数增大， 对于 方案 1（ 含有倾向下游陡倾角断层的重力坝坝基 ） ， 其最终破坏模式为断层 10f2 与 F31 塑性区分别贯通，并且坝踵处产生拉裂破坏 ； 对于 方案 2（ 含有倾向上游缓倾角断层的重力坝坝基 ） ， 其最终破坏模式为 层间错动带JC21-B 与断层 f115 塑性区贯通，同时坝踵处拉裂破坏严重；对于 方案 3（天然状态下 含有双倾斜结构面的重力坝坝基 ） ， 其最终破坏模式为断层 10f2与 f115塑性屈服区贯通， 坝基沿双斜面滑动 失稳 破坏。 参考文献： 1林继鏞 .水工建筑
15、物 (第五版 ) M.北京 :中国水利水电出版社 ,2008 2Yu Shu,Chen Zuyu, Jia Zhixin,et al. Analysis on the deep anti-sliding of Xiangjiaba Dam foundation by using fluid-structure intersection analysis J. Journal of China Institute of Water Resources and Hydropower Research,2010,8(1):11-17.于沭 ,陈祖煜 ,贾志欣 ,等 .向家坝水电站坝基深层抗滑稳定的流
16、固耦合分析 J.中国 水利水电科学研究院学报 ,2010,8(1):11-17. 3 Liu Yu ,Zhou Lang,Hu Jinhua,et al. Research for anti-slide and stability of deep foundation of Yinpan hydropower station dam on the Wujiang river J.Yangtze River,2008,39(4):34-36. 刘玉 ,周浪 ,胡进华 ,等 .乌江银盘水电站大坝深层抗滑稳定分析研究 J.人民长江 ,2008,39(4) :34-36. 4 Ding Zhe,Zha
17、ng Liyong,Jiang Yunlong,et al. Analysis of stability Deep-sliding of RCC Gravity Dam for Guandi Hydropower Station J. Water Resources and Power,2015,33(3):81-85.丁哲 ,张立勇 ,姜云龙 ,等 .官地水电站重力坝深层抗滑稳定分析 J.水电能源科学 .2015.33(3): 81-85. 5Yang Qiang,Xiao Ping,Xue Lijun,et al. On the state of stress when analyzing
18、 the stability of gravity dam with complex dam base J. Water Resources and Power,2006,32(2):32-35.杨强 ,肖平 ,薛利军 ,等 .复杂坝基重力坝抗滑稳定分析中应力状态研究 J.水力发电 .2006.32(2): 32-35. 6 Song Dongfang,Lin Haoyu,Zhang Jianhai,et al. Application of FEM overload method in anti-slide analysis of dam foundationJ.Yangtze River,
19、2012,42(1):26-29.宋冬仿 ,林皓羽 ,张建海 ,等 .有限 元超载法在坝基抗滑稳定分析中的应用 J.人民长江 ,2012,42(1)： 26-29. 7 Zhang Long,Liu Yaoru,Yang Qiang,et al. GEOMECHANICAL MODEL TESTS ON GLOBAL STABILITY OF AN ARCH DAM AT DAGANGSHANlobal J.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2014,33(5):971-982.张泷 ,刘耀儒 ,杨强 ,等 .基于地质力学模型试
20、验的大岗山拱坝整体稳定性分析 J.岩土力学与工程学报 ,2014,33(5)： 971-982. 8 Zhang Long,Liu Yaoru,Yang Qiang,et al. Global stability of Yangfanggou Arch Dam by 3D nonlinear FEM analysis and geomechanical model tests J.Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2013,35(1):26-29.张泷 ,刘耀儒 ,杨强 ,等 .杨房沟拱坝整体稳定性的三维非线性有限 元 分析与地质力学模型试
21、验研究 J.岩土工程学报 ,2013,35(增刊 1)： 239-246. 9Kang Zengyun.Study on Monolithic Stability of Dam and Foundation of Wudu Hydro Project D.Chengdu:Sichuan University,2006. 康增云 .武都水利枢纽工程坝与地基整体稳定性研究 D.成都 :四川 大学 ,2006. 10 Li Zhen,Zhang Lin,Chen Yuan ,et al. Using Different Approaches to Study the Failure Mode and Stability of Gravity Dam on Complex FoundationJ. Journal of Chinese Rural Water and Hydropower,2016,2:130-138.李征 ,张林 ,陈媛 ,等 .复杂地基上重力坝的破坏过程及稳定安全度研究 J.中国农村水利水电 ,2016,2:130-138.
