稳定性分析计算-紫坪铺水利枢纽工程工程地质问题研究

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【摘要】：表5-9 土体和软滑带物理力学指标建议表5.3.2.2 摩根斯顿法计算分析成果计算剖面纵1—1,地震烈度Ⅶ度。地震加速度分别采用0.05g、0.07g、0.1g三种情况。

5.3.2.1 简布(Janbu)法和霍克(E.Hock)法计算成果

采用普遍条分法即简布(Janbu)法对堆积体的稳定性用计算机进行敏感性分析,稳定计算的边界条件是:

(1)堆积体在天然状态下整体和局部均处于稳定状态,即安全系数K＞1.0。

(2)运行时考虑地震、库水骤降等两种不同工况。

(3)假定堆积体为均质土体,以简化计算过程,同时考虑土体三面临空,即上下游分别为汤家林沟和贾家沟,前沿为岷江河谷切割。

(4)土体内有一定地下水位,依据为长期观测孔观测稳定值。(5)库水骤降时考虑消落范围内土体孔隙水来不及完全排除。

(6)土体指标的选择主要依据是试验成果,计算指标分为两类:一类是土体物理性指标,其天然密度为2.20g/cm3,饱和密度2.24g/cm3,浮密度1.24g/cm3；另一类是土体和软滑带强度指标,由于分别进行了包括室内大剪、中型剪、小型剪、便携式剪等各种不同类型试验土体,特别是软滑带强度指标变化较大,各类指标的变化对稳定计算成果影响很大。考虑上述因素,将土体和软滑带的不同强度值结合不同工况进行敏感性分析。土体摩擦系数f=0.287～0.601(φ=16°～31°),粘聚力C=0.02MPa。土体和下伏基岩接触面摩擦系数f=0.424(φ=23°),C=0.02MPa,软滑带摩擦系数f=0.194～0.287(φ=11°～16°),粘聚力C=0.01MPa,采用纵1—1和纵2—2两条剖面分别进行验算,敏感性分析成果见表5-8。

表5-8 堆积体稳定计算成果表(敏感性分析:简布法)

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结合敏感性分析和堆积体现状稳定,稳定性计算参数采用:土体内部摩擦系数f=0.601(φ=31°),粘聚力C=0.02MPa；土体与基岩接触面f=0.424(φ=23°),C=0.02MPa；软滑带土体摩擦系数f=0.287(φ=16°),粘聚力C=0.01MPa；地震加速度a=0.1g时,在天然状态和水库运行条件下,堆积体和灯盏坪—葫豆坪一带土体的安全系数分别为:

纵1—1剖面天然整体K=1.441 天然局部K=1.183

地震整体K=1.005 水降整体K=1.280

地震局部K=0.811 水降局部K=1.011

纵2—2剖面天然整体K=1.418 天然局部K=1.073

地震整体K=1.001 水降整体K=1.396

地震局部K=0.779 水降局部K=1.624

我们还采用霍克(E.Hock)推荐的圆弧法算图,验算第一种失稳型式下灯盏坪、葫豆坪前沿一带安全系数。当土体强度参数内摩擦角φ=31°、粘聚力C=0.02MPa天然状态下,葫豆坪前沿为疏干边坡,安全系数K=1.82,处于稳定状态；灯盏坪前沿斜坡存在有地下水,安全系数K=1.07,亦处于稳定状态,在水库蓄水后,葫豆坪前沿全部位于死水位(817m)以下,为完全饱水边坡,安全系数K=1.13,处于稳定状态,灯盏坪前沿斜坡地下水位变幅很大,安全系数K=0.88,处于不稳定状态。

试验值和计算成果综合分析后建议堆积体土体和软滑带—Q①物理力学指标如表5-9。

表5-9 土体和软滑带物理力学指标建议表

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5.3.2.2 摩根斯顿法(Morgenstern)计算分析成果

计算剖面纵1—1,地震烈度Ⅶ度。工况包括天然、地震和水位骤降(877m降至817m)。计算指标选取考虑以下原则:

(1)稳定渗流期,包括天然情况和正常高水位工况,用慢剪指标进行计算。

(2)非稳定渗流期,包括地震和水位骤降工况。地震与正常水位工况相同,用慢剪指标。水位骤降工况:在不降低地下水位情况下,用慢剪指标和饱和固结快剪指标。

该程序可用最优方法搜索最小安全系数。计算成果见表5-10。

表5-10 左岸堆积体纵1—1剖面稳定安全系数K成果表

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注 A11表示纵1剖面整体沿底部滑动、空库组合,其余类推。

天然和运行状态下均不可能沿基岩面产生整体滑动。对局部稳定分析结果如下:

天然状况最小安全系数Kmin=1.057,局部处于稳定状态。其可能滑裂面为部分堆积体沿软滑带,滑面前端在葫豆坪后缘(A31—A31)。如图5-6所示。

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图5-6 纵1—1天然剖面稳定性安全系数

正常水位Kmin=0.977,处于临界状态,其可能滑裂面与天然情况下基本相同(A32—A32)。如图5-6。

正常水位+地震,Kmin=0.877,处于不稳定状态,其滑裂面位置和范围与天然情况及正常高水位工况基本相同。如图5-6(3)所示。

库水位骤降,K=0.762,处于不稳定状态,失稳范围处于库水位变幅区。比正常高水位+地震失稳范围小。上述结果表明,堆积体在天然状态下,K均大于1,这与堆积体处于稳定状态现状是相符的,但安全储备不大,最小安全系数仅1.057。水库蓄水后,各工况Kmin均小于1,堆积体灯盏坪前沿处于不稳定状态。

5.3.2.3 有限元数学模型成果

有限元数学模型分析是研究灯盏坪前沿至葫豆坪一带局部稳定问题。

本次采用的平面、空间弹塑性有限元程序系专用之岩体非线性有限元程序,将该堆积体视为粘土类材料进行,力学特性与破坏形态分析之结果是偏于安全的。二维(平面)用Drucker—Prager屈服准则、三维(空间)分析采用Zienkwiecz—Panda双曲线屈服准则也是偏于安全的。

计算机是以纵1-1剖面为代表,三维分析两侧宽度取至上下冲沟,长度范围均在600m以上。单元剖分基本上考虑了材料分层状态及地下水分布。工况为天然、蓄水过程、满库和水位骤降。并考虑地下水作用和地震作用,地下水影响,二维采用流网法,三维分析按密度不同来反映。地震加速度分别采用0.05g、0.07g、0.1g三种情况。

计算结果分析如下:

(1)天然工况。从主应力分析看(见图5-7),基岩面上接触应力较大,该处因软滑带本身强度较低,在自重作用下已进入塑性状态。层内的塑性状态大部分为压塑,少部分为剪塑。从最大剪应力分布看,最大剪应力附近出现的塑性破坏区,其形状是从X=150m附近上部堆积体,经1号竖井附近,在水平轴X=350m(葫豆坪)处出露地表,这是土体内潜在的滑动面。位移量值无实际工程意义,但位移的趋势却揭示了土体可能失稳的趋势,位移趋势与上述剪应力规律是一致的。可能滑动形式是从水平轴X=150m附近切断上部土体,在水平轴X=350m处滑出。位移量值的大小与分析方法及约束条件有关,数学模型分析和物理模型试验结果相近(见表5-11)。

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图5-7 天然状态主应力矢量图

表5-11 位移比较表单位:m

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(2)正常蓄水工况。用浮密度反映水的作用,应力状态与天然状态工况区别不大,Y向应力减小,由于无动水压力,原地下水位以下部分的X向应力也有所减小,夹层部分塑性区范围与蓄水前比较变化不大,且范围将缩小。

位移趋势与天然状态规律一致,二维、三维计算中虽对水的作用采用不同的分析方法,但都观察到明显回弹,浮力使土体沿原压密方向反向位移,即浮力反而对土体稳定有利。

(3)水位骤降工况。二维分析中对水位骤降考虑了三种状态,即从正常蓄水位877m一次降幅分别为30m、42m、60m,渗透力按流网法推求,即考虑水平渗透力。三维分析仅考虑了一次降水60m的情况,用湿密度来反映渗透影响。

计算结果表明,剪应力的变化趋势与正常蓄水位工况区别在于更接近圆弧状,且量值增加,随着水位下降,动水压力值加大,塑性区范围也不断扩大,在水库水位下降42m以后,塑性区已大部分连通,如降至死水位(817m),则连通的塑性区形式类似圆弧状,位移值也加大,位移的形态和趋势同前。一般认为剪切塑性区连通是失稳的标志,失稳范围在水平轴X=100～350m区间内。

(4)地震工况。分析采用拟静力法,对不同地震加速度(0.05g,0.07g,0.1g)值下的稳定状态进行敏感性分析。

由于仅考虑水平地震力,应力状态与骤降工况相似,剪应力是旋转的。区别在于死水位以下,水平剪应力较大。当水平地震加速度值取0.07g时剪切塑性区开始连通。三种加速度对应的水平位移,量值与水位骤降的三种深度(30m,42m；60m)相对应。区别仅在于死水位以下,地震时位移较大。位移趋势与前述几种工况相似,失稳区间x=180～350m,滑动面均为圆弧形。

5.3.2.4 地震引起的永久变形的初步分析

考虑到前面所有分析均是用拟静力法,而拟静力法存在着众所周知的局限。该法将一个随时间变化的地震加速度用一个恒定的加速度值来代替,事实上,使边坡失稳的地震惯性力只是瞬时作用在滑动土体上,一旦地震加速度减少到使边坡失稳的临界加速度,造成坡体失稳的外在因素就不存在,不稳定土体也就不再下滑。而在这样短的时间间隔里,发生的位移是不至于引起边坡整体失稳的。只有在地震持续时间内所有超过临界加速度的时段发生的位移积累起来,成为较大的位移量,边坡才会被视为发生了破坏。

Newmark首次提出了使用永久变形来衡量边坡地震期稳定性概念,美国能源部的《大坝安全评估导则》和美国垦务局的《土石坝设计标准》中均提出了对重要的大坝要使用Newmark法来分析边坡的地震期稳定性,《大坝安全评估导则》还具体规定计算的累计位移量不应超过61cm。

计算的基本条件是:

(1)和拟静力法一样,材料的抗剪强度使用静力指标。

(2)基岩加速度时程的拟合谱采用国家地震局分析预报中心提供的加速度时程拟合谱中50年超越概率为0.1的相应曲线。

(3)没有进行边坡的动力反应分析,参照抗震规范的加速度放大系数图形,对上述加速度时程线放大一倍,获得地震加速度时程线,进行永久变形分析。在正常水位条件下,使边坡失稳的临界加速度为0.087g,获得永久位移为36cm,该值小于《大坝安全评估导则》中规定的61cm。

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