釘結護面板作用下土石壩地震穩定性分析

0高土石壩地震穩定性分析中國已經建造了近100米的高壩，主要位于高地震烈度地區。隨著中國經濟的快速發展和西部大發展戰略的實施，大量高壩也在建設，高度也在不斷增加。其中，雙江口主墻堆石壩高312m，雙河口、古水、馬集壩高近300m。如果這些高壩在地震中受損，其結果將是一場災難。因此，有效的抗洪措施是確保水庫地震穩定性的必要條件。1壩體穩定分析振動臺模型試驗結果表明:土石壩由于壩體結構對地震波的放大效應,壩體上部加速度反應往往較大,若大壩遭遇強震而發生破壞,則破壞將首先從壩頂部開始,壩頂部堆石體將最先失去平衡而產生松動、滑動乃至坍塌等.汶川地震中,紫坪鋪面板堆石壩下游壩坡也發生了局部的滑動.因此,在地震區修建高土石壩時應特別重視壩頂區土體的穩定.“八五”期間孔憲京根據大型振動臺模型試驗結果,提出了釘結護面板加固方案(圖1、2),并采用二維彈塑性有限元分析方法分析了釘結護面板加固技術對壩體沉降及壩坡永久變形的抑制效果,計算結果顯示,采用釘結護面板抗震方案可以使壩頂區的永久位移明顯減小.釘結護面板技術已經逐漸被工程單位認可,并在新疆吉林臺面板壩和糯扎渡心墻堆石壩等工程中進行了應用.釘結護面板技術作為一種有效的抗震措施,目前多采用工程類比進行設計,缺乏計算方法,不便于工程應用.穩定安全系數和基于Newmark法的滑移量作為壩坡穩定性的綜合評價指標,很容易為工程技術人員理解,但迄今為止,尚未見到有關釘結護面板加固方案對壩坡穩定性影響的研究成果.因此,本文試圖建立考慮釘結護面板作用的動力有限元穩定性計算方法,在此基礎上,結合300m級的兩河口心墻堆石壩進行釘結護面板對強震區高土石壩壩坡穩定的影響研究.2考慮到鋼筋作用的安全因素和滑動位移計算方法2.1有限元模型建立土石壩動力穩定安全系數的計算方法主要有擬靜力極限平衡法和動力有限元時程法.考慮地震過程中壩體應力的瞬時變化,計算出每一時刻壩坡抗滑穩定安全系數,稱之為動力有限元時程法.動力有限元時程法可以考慮巖土材料的不均勻性以及其非線性的應力-應變特性,從合理性而言,其優于擬靜力極限平衡法,但目前廣泛采用的動力有限元時程法沒有考慮加筋的作用.本文在常規動力有限元時程法的基礎上,考慮了鋼筋的作用,如圖3所示.即將堆石體和護面板用平面等參單元離散,鋼筋采用桿單元離散,建立加固后大壩的有限元模型,分別計算出大壩的震前應力和地震時每一瞬時的動應力.假定破壞時鋼筋拉力沿滑弧的切向作用,根據單元的靜、動應力疊加結果可對大壩進行穩定計算,其安全系數為Fs=n∑i=1(ci+σitanφi)li+m∑j=1Fjn∑i=1τili+m∑j=1fj(1)Fs=∑i=1n(ci+σitanφi)li+∑j=1mFj∑i=1nτili+∑j=1mfj(1)式中:ci、φi分別為第i單元土體的凝聚力和內摩擦角,li為第i單元滑弧面的長度,fj為滑弧穿過的第j個鋼筋的拉力,Fj為滑弧穿過的第j個鋼筋的抗拉力,σi、τi分別為第i單元滑弧面上法向應力和切向應力,由下式表示:σn=σx+σy2-σx-σy2cos2α-τxysin2α(2)τ=σx-σy2sin2α-τxycos2α(3)σn=σx+σy2?σx?σy2cos2α?τxysin2α(2)τ=σx?σy2sin2α?τxycos2α(3)式中:σx=σsx+σdx,σy=σsy+σdy,τxy=τsxy+τdxy;σsx為單元的靜水平應力,σdx為單元的動水平應力,σsy為單元的靜豎向應力,σdy為單元的動豎向應力,τsxy為單元的靜剪應力,τdxy為單元的動剪應力.穩定計算中,在每一個時刻均采用枚舉法根據單元應力自動搜索最危險滑弧,可以考慮最危險滑弧隨時間的變化,這種方法比通常用擬靜力法確定最危險滑弧更為合理和精確.2.2滑動體滑動角加速度對于任意滑弧(如圖3所示),可通過下式計算滑塊繞圓心的滑動角加速度:當某時刻出現瞬時滑動時,滑弧的滑動量為在整個時間段里可能出現多次瞬時滑動,則累計滑動量為D=n∑i=1Di(7)D=∑i=1nDi(7)3計算模型3.1大壩網格、加筋本文采用了兩河口水電站心墻堆石壩作為計算算例,大壩最大壩高為295m.圖4為采用釘結護面板加固后的大壩網格圖,圖5為大壩加筋和護面板示意圖.其中鋼筋采用桿單元模擬,沿壩高方向和軸向間距均為4m.3.2等效靜力計算靜力計算時,筑壩材料采用鄧肯E-B模型,計算參數見表1.動力計算時,筑壩材料采用沈珠江等改進的等效線性模型,計算參數見表2.鋼筋和護面板均采用線彈性模型,見表3.靜力計算考慮了大壩填筑和蓄水過程.靜力計算方法采用了中點增量法,動力計算采用了等效線性粘彈性方法.有限元靜力分析和動力反應分析均采用了GEODYNA,有限元穩定分析采用了FEMSTABLE.3.3無加固措施情況下壩體滑動地震輸入采用了兩河口場地譜人工波進行計算,地震波時程曲線見圖6和圖7,地震波水平向加速度峰值分別調整為0.2g、0.3g、0.4g和0.5g,豎向加速度峰值取為水平向2/3.圖8為無加固措施工況下計算得到的大壩水平向加速度分布,從圖中可以看出壩頂加速度反應較大,在壩頂局部范圍進行加固處理是合理的.圖9為兩種工況最小安全系數所對應的滑弧,可以看出,無加固措施情況下,滑弧較淺,壩坡表現為淺層滑動;而采用釘結護面板后滑弧加深.圖10分別給出了輸入加速度峰值0.3g時,無加固措施和采用釘結護面板兩種工況下計算得到的上游壩坡最小安全系數Fsmin時程曲線.從圖中可以看出:采用釘結護面板后,壩坡安全系數明顯提高,且小于1的累積時間減少.圖11為無加固措施和采用護面板情況下上、下游壩坡最小安全系數與輸入地震動峰值的關系.可以看出,釘結護面板方案增加了壩頂的整體穩定性,提高了壩坡安全系數,隨著輸入地震動峰值ap增加,釘結護面板對壩坡穩定性貢獻增大.圖12為輸入地震動峰值為0.5g時,采用Newmark滑塊法分別計算無加固措施和采用護面板情況下上游壩坡全時程中安全系數小于1.0時的滑動量Di.無加固措施和采用釘結護面板加固所對應的上游壩坡累積滑動量分別為74.4cm和19.4cm,可見釘結護面板方案明顯抑制了壩坡滑動位移.圖13為輸入不同地震動峰值時,無加固措施和采用護面板情況下上、下游壩坡累積滑動量與輸入地震動峰值的關系.可以看出:隨著輸入地震動峰值的增加,釘結護面板對壩坡滑動的抑制效果更加明顯,這說明該方案非常適用于強震區大壩的抗震加固.4釘結護面板在壩體施工加固中的應用效果分析(1)本文建立的壩坡穩定分析方法考慮了鋼筋和護面板對大壩地震穩定性的作用,計算方法簡單有效,可用于優化高土石壩釘結護面板設計方案.(2)采用釘結護面板,增加了壩頂整體穩定性,最小安全系數和最危險滑