土工格柵加筋措施對高土石壩穩定性的影響

1大壩邊坡加筋隨著我國水保護的快速發展和西部開發戰略的實施，越來越多的大型土壩在中國西部的建設和規劃中。由于我國西部地區地震活動較為頻繁、地震強度相對較高,強震作用下這些高土石壩的壩坡穩定性受到了廣泛的關注。研究表明,150m以上高土石壩的壩體在地震動力反應中高振型的參與量將會增加,壩體上部的變形較大,從而導致壩頂的堆石體處于不穩定狀態。孔憲京等建議在距離壩頂1/5壩高左右的區域,采用堆石體中加筋(格柵)［４］或壩坡加蓋護面板［５］等抗震措施,能夠有效提高高土石壩的壩坡穩定性,同時也能有效抑制大壩的地震永久變形。土工格柵加筋技術作為一種有效的抗震加固措施,在路堤、土坡和大壩邊坡加筋等諸多工程中得到廣泛應用［６～８］。但土工格柵加筋在大壩邊坡加筋方面大多采用工程類比設計,從而缺少了定量指導,不便于工程推廣應用。基于Newmark法的滑移量及壩坡穩定安全系數作為大壩的綜合評價指標,易于理解,因此本文以最大壩高314m的雙江口心墻堆石壩為研究對象,采用動力有限元穩定計算方法,根據加筋堆石料試驗結果研究土工格柵加筋措施對強震區高土石壩壩坡穩定的影響。2計算模型和參數2.1考慮土工格柵堆石體的強度特性目前,對堆石體采用土工格柵加筋進行有限元數值模擬時,可將格柵材料和堆石體分開考慮,也可將格柵與堆石體作為復合材料考慮。本文采用第二種方法,采用大連理工大學工程抗震研究所開發的非線性有限元靜、動力計算程序GEODYNA和有限元動力穩定計算程序FEMSTABLE［９］,通過強度參數的變化來考慮土工格柵加筋后堆石體強度特性的變化。大壩網格圖見圖1。2.2靜力計算參數文獻根據三軸試驗結果提出了一種組合強度模型(圖2)來整理加筋堆石料的材料參數,認為加筋后堆石料φ０與Δφ不變,加筋對堆石料強度的影響體現在粘聚力c上:式中,σ１ｒ、σ３分別為單元加筋后的大、小主應力;φ為內摩擦角。靜力計算(考慮大壩填筑和蓄水過程)時,筑壩材料采用鄧肯-張E-B模型:式中,Eｔ為切線變形模量,需K、n、φ、c和Rｆ五個試驗常數方可求得;σ１、σ３為單元大、小主應力;Eｕｒ為卸載及再加載的彈性模量,需Kｕｒ和n兩個試驗常數方可求得;B為體積模量,需Kｂ和m兩個試驗常數方可求得;Pａ為大氣壓,量綱與σ３相同。進行動力計算時,筑壩材料采用等效線性模型,其最大動剪切模量可表示為:式中,最大動剪切模量由C、n兩個試驗常數方可求得;σ′１、σ′２、σ′３為試驗時試樣所受的有效主應力。靜力計算參數見表1,其中加筋堆石料采用組合強度模型。動力計算參數見表2。2.3加速度時程曲線將雙江口場地譜人工生成波作為有限元動力計算的地震動,水平向和豎向地震波加速度時程曲線見圖3。為了考慮地震動峰值對加筋的影響,分別采用0.20g、0.30g、0.55g作為地震波水平向加速度峰值,豎向加速度峰值取水平向的2/3。2.4表面應力應變的識別采用有限元法計算大壩震前應力和地震時每一瞬時的動應力,其動力穩定安全系數為:式中,cｉ、φｉ分別為第i個單元體的粘聚力和內摩擦角;lｉ為滑弧穿過第i個單元的長度;σｎｉ、τｉ分別為第i個單元滑弧面上法向應力和切向應力;σｘｓ、σｘｄ分別為單元的靜、動水平應力;σｙｓ、σｙｄ分別為單元的靜、動豎向應力;τｘｓｙ、τｘｄｙ分別為單元的靜、動剪應力。采用Newmark方法,對于任意滑弧,滑動體瞬時失穩后的滑動角加速度可表示為:式中,I為滑動體的轉動慣量;M為作用在滑動體上的轉動力矩;R為滑動體半徑。當某時刻某個滑弧出現瞬時滑動時,滑弧的滑動量可表示為:式中,Rｋ為第k個滑動體半徑;θｉｋ為第k個滑動體轉角;為第k個滑動體轉動角加速度。在整個時間段里可能出現多次瞬時滑動,則累計滑動量為:壩坡的最大滑移量取所有可能滑弧累計滑移量的最大值:式中,m為產生瞬時滑動的滑動體總數。3結論分析3.1土工格柵加筋對壩體加速度反應的影響圖4為輸入加速度峰值0.20g、0.30g、0.55g時無加筋措施和土工格柵加筋兩種工況下大壩加速度(水平向)分布。由圖4可看出,采用土工格柵加筋后,壩體加速度反應差別不大,這是因為加入土工格柵后,壩頂區堆石體的剛度和質量無明顯變化。圖5為輸入加速度峰值0.55g時,無加筋措施和土工格柵加筋兩種工況下的下游壩坡最小安全系數曲線。由圖5可看出,采用土工格柵加筋措施后,大壩的壩坡安全系數得到明顯地提高,且小于1.0的累積時間減少。3.2無加筋措施和土工格柵加筋圖6為輸入地震動峰值0.55g時,采用Newmark滑塊法計算得到的無加筋措施和土工格柵加筋措施時下游壩坡安全系數小于1.0的滑弧累計滑動量。由圖6可看出,無加筋措施和土工格柵加筋時所對應的下游壩坡累計滑動量分別為58.0、19.8cm,可見土工格柵加筋方案明顯抑制了壩坡滑動位移。3.3壩坡最小安全系數所對應的滑弧位置圖7為加速度輸入為0.55g、無加筋措施工況和采用土工格柵加筋時壩坡最小安全系數所對應的滑弧位置。由圖7可看出,無加筋措施時,滑弧的位置相對較淺,而采用土工格柵加筋后滑弧加深,這是因為加筋后增強了土石壩頂部堆石體的整體穩定性,滑弧向壩體中間發展。3.4加筋堆磨料粘聚力圖8為輸入不同地震動峰值時,無加筋措施工況和采用土工格柵加筋時下游壩坡安全系數。由圖8可看出,隨著輸入地震動強度增大,加筋堆石料的粘聚力對壩坡穩定貢獻越大。當加速度峰值增大到0.55g時,考慮加筋時下游壩坡安全系數提高31.3%,這是因為加筋后提高了高土石壩的壩頂區域堆石體的強度,進而增強壩坡的整體穩定性,壩坡安全系數因此也得到了提高。4土工格柵加筋對壩體加速度反應的影響a.結合300m級雙江口心墻堆石壩,通過有限元數值計算,比較了堆石壩頂部1/5高度范圍采用土工格柵加筋措施對壩坡動力穩定性的影響。結果表明,采用土工格柵加筋措施后,高土石壩的壩體加速度反應差別不大,但明顯增強了壩頂區堆石體的整體穩定性,有效提高了壩坡安全系數;土工格