大壩與抗力山體聯(lián)合抗滑穩(wěn)定性計(jì)算方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于水利水電工程中大壩失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)決策技術(shù)領(lǐng)域，其針對傳統(tǒng)技術(shù)中對大壩與抗力山體聯(lián)合作用計(jì)算分析的不足之處，提出一種新的大壩與抗力山體聯(lián)合抗滑穩(wěn)定性計(jì)算方法，準(zhǔn)確、合理、高效地量化抗力山體作用下的混凝土重力壩抗滑穩(wěn)定性能，為利用下游抗力體協(xié)助大壩抗滑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加固及優(yōu)化、安全評價(jià)、風(fēng)險(xiǎn)控制等提供了重要依據(jù)。本發(fā)明包括以下步驟：a.進(jìn)行大壩與抗力山體聯(lián)合作用的受力分析；b.構(gòu)建大壩與抗力山體聯(lián)合抗滑穩(wěn)定力學(xué)方程；c.對所述方程進(jìn)行數(shù)學(xué)分析和力學(xué)假定；d.采用極限平衡原理進(jìn)行抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)求解。本發(fā)明利用所述的計(jì)算方法進(jìn)行壩基穩(wěn)定性評價(jià)過程簡單易懂，評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范要求相適應(yīng)。
【專利說明】
大壩與抗力山體聯(lián)合抗滑穩(wěn)定性計(jì)算方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于水利水電工程中大壩失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)決策技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種大壩與抗 力山體聯(lián)合抗滑穩(wěn)定性計(jì)算方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 抗滑穩(wěn)定是混凝土水工建筑物需要重點(diǎn)關(guān)注的問題之一。常規(guī)的抗滑穩(wěn)定計(jì)算， 在重力壩、閘壩等設(shè)計(jì)規(guī)范中均有詳細(xì)說明。而對于岸坡?lián)跛畨味位蛉∷趽跛ㄖ?，?jīng) 常會(huì)遇到水工建筑物與下游山體緊密結(jié)合的情況。事實(shí)上，利用下游抗力體協(xié)助大壩抗滑， 是常采用的提高工程抗滑穩(wěn)定的處理措施。
[0003] 由于與山體聯(lián)合作用，壩基受力條件復(fù)雜，在傳統(tǒng)技術(shù)中，評價(jià)抗力山體對大壩抗 滑穩(wěn)定性，通常采用有限元方法。而有限元方法建模工作量大，相當(dāng)耗時(shí)且成果整理繁瑣。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:針對傳統(tǒng)技術(shù)中對大壩與抗力山體聯(lián)合作用計(jì)算 分析的不足之處，提出一種新的大壩與抗力山體聯(lián)合抗滑穩(wěn)定性計(jì)算方法，準(zhǔn)確、合理、高 效地量化抗力山體作用下的混凝土重力壩抗滑穩(wěn)定性能，為利用下游抗力體協(xié)助大壩抗滑 的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加固及優(yōu)化、安全評價(jià)、風(fēng)險(xiǎn)控制等提供了重要依據(jù)。
[0005] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：
[0006] 大壩與抗力山體聯(lián)合抗滑穩(wěn)定性計(jì)算方法，包括以下步驟：
[0007] a.進(jìn)行大壩與抗力山體聯(lián)合作用的受力分析；
[0008] b.構(gòu)建大壩與抗力山體聯(lián)合抗滑穩(wěn)定力學(xué)方程；
[0009] C.對所述方程進(jìn)行數(shù)學(xué)分析和力學(xué)假定；
[0010] d.采用極限平衡原理進(jìn)行抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)求解。
[0011] 進(jìn)一步的，步驟a中，所述進(jìn)行大壩與抗力山體聯(lián)合作用的受力分析具體包括：
[0012] 以2W、ΣΡ、ΣΜ分別表示大壩建基面以上豎向、水平荷載以及對建基面中心點(diǎn)的 彎矩，來自于壩基面AB的荷載包括:揚(yáng)壓力U 1、基巖豎向和水平作用力NjPF1，下游山體接觸 面BC的荷載包括:揚(yáng)壓力U2、及分別和BC垂直和平行的作用力NdPF 2;
[0013] 當(dāng)大壩體型、上下游水位、淤沙等條件確定時(shí)，2W、SPWhU2是已知荷載;NhFh N2、F 2均為未知荷載，其中，N1、N2為線性分布荷載;FjPF2分布情況較為復(fù)雜，但其分布不影 響合力力矩，只需考慮其集中力大小即可。
[0014] 進(jìn)一步的，步驟b中，考慮下游抗力山體對大壩抗滑穩(wěn)定的影響，根據(jù)力系平衡，列 出大壩受力平衡方程，以向下游為X正向，豎直向上為y正向，逆時(shí)針為力矩正向，由SF x =
0，SFy=O- = D渴·
[0015]
[0016]
[0017] (式 3)
[0018] 其中：Θ為BC與水平面的夾角，Mu1，Mn1，Mn 2，Mu2，MF2分別為U1，N1，N2，U 2，F(xiàn)2對壩基面中 心的力矩。
[0019] 進(jìn)一步，步驟c中，綜合考慮步驟b中方程和未知量的分布情況，進(jìn)行方程荷載分析 和力學(xué)假定：
[0020] 因水壓力山和此為已知量，則Ml^PMu2也為已知量;對Mn1、M N2和MF2，有：
[0021]
[0022]
[0023]
[0024] 式中Lbc為BC長度，qn，q12分別為N1對應(yīng)在A、B點(diǎn)的應(yīng)力，q21，q 22分別為N2對應(yīng)在B，C 點(diǎn)的應(yīng)力；
[0025]由于他，？1，犯，？2為未知力，而見，犯均為線性分布，其隱含未知量分別有2個(gè)，為使 步驟b中方程可解，我們作如下假定：
[0026] (1)對于N2(由q2i和q22界定），由于BC接觸面較短，q2i和q22相差不大，可假定q2i = q22,于是麗.V2 = 乂(^5??0 + ^)/2 ;
[0027] (2)對于N1(由qn和q12界定），在上游水推力作用下，qn作用點(diǎn)遠(yuǎn)離下游山體，山體 抗力作用對qn影響較小，qn可按規(guī)范求解，即 [0028]
[0029] (3)大壩在水推力作用下，在BC接觸面上形成N2抗力，F(xiàn)2相對較小，可假定F2 = 0。
[0030] 進(jìn)一步，步驟d中，采用極限平衡原理求解抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的具體步驟為：
[0031] (1)將已知量山及合并到ΣΡ，ΣΙ ΣΜ中分別計(jì)為ΣΡ'，，ΣΜ'，簡化式1~式3 可得：
[0032]
[0033]
[0034]
[0035]
[0036]
[0037]由式5求解N1J1，代入式6即可求解壩基面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)Κ。
[0038]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明的大壩與抗力山體聯(lián)合抗滑穩(wěn)定性計(jì)算方法采用了 極限平衡原理，考慮大壩與下游抗力體聯(lián)合受力，進(jìn)行壩基剛體極限平衡穩(wěn)定性評價(jià)，定量 評價(jià)利用壩后山體抗滑措施的安全系數(shù);利用所述的計(jì)算方法進(jìn)行壩基穩(wěn)定性評價(jià)過程簡 單易懂，評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范要求相適應(yīng)。
【附圖說明】
[0039] 圖1是大壩與抗力山體聯(lián)合受力示意圖；
[0040] 圖2是某擋水壩段計(jì)算剖面圖。
【具體實(shí)施方式】
[0041] 本發(fā)明旨在針對傳統(tǒng)技術(shù)中對大壩與抗力山體聯(lián)合作用計(jì)算分析的不足之處，提 出一種新的大壩與抗力山體聯(lián)合抗滑穩(wěn)定性計(jì)算方法，準(zhǔn)確、合理、高效地量化抗力山體作 用下的混凝土重力壩抗滑穩(wěn)定性能，為利用下游抗力體協(xié)助大壩抗滑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加固及 優(yōu)化、安全評價(jià)、風(fēng)險(xiǎn)控制等提供了重要依據(jù)。本發(fā)明對大壩與抗力山體聯(lián)合受力狀態(tài)進(jìn)行 合理分析，引入了極限平衡原理，克服了復(fù)雜受力條件下力學(xué)參數(shù)變量多無法求解抗滑穩(wěn) 定安全系數(shù)的缺陷，也比有限元方法簡單、高效，使得大壩與抗力山體聯(lián)合抗滑的評價(jià)更為 合理、高效。
[0042] 本發(fā)明中的大壩與抗力山體聯(lián)合抗滑穩(wěn)定性計(jì)算方法，其包括以下步驟：
[0043] 1、結(jié)合圖1所示，在大壩與下游抗力山體聯(lián)合受力情況下，進(jìn)行大壩結(jié)構(gòu)受力分 析，其中2W、ΣΡ、ΣΜ分別為大壩建基面以上豎向、水平荷載以及對建基面中心點(diǎn)的彎矩， 來自于壩基面AB的荷載主要有揚(yáng)壓力U1、基巖豎向和水平作用力NjPF1，下游山體接觸面BC 的荷載主要有揚(yáng)壓力U2、及分別和BC垂直和平行的作用力他和內(nèi)。
[0044] 2、根據(jù)力系平衡，列出大壩受力平衡方程，以向下游為X正向，豎直向上為y正向， 逆時(shí)針為力矩正向，由SFx=O，SFy = O，SMxy=O得：
[0045]
[0046]
[0047]
[0048] 其中：Θ為BC與水平面的夾角，Mu1，Mn1，Mn2，Mu2，Mf 2分別為U1，N1，N2，U2，F(xiàn) 2對壩基面中 心的力矩。
[0049] 3、對式1~式3進(jìn)行方程荷載分析和力學(xué)假定：
[0050] 因水壓力UjPU2為已知量，因此MudPMu2為已知量；對Mn1、Mn 2和Mf2，有 M、' = (qn - iB ' 12
[0051]
[0052]
[0053] 式中Lbc為BC長度，qn，q12分別為N1對應(yīng)在A、B點(diǎn)的應(yīng)力，q21，q 22分別為N2對應(yīng)在B，C 點(diǎn)的應(yīng)力。
[0054]由于他，？1，犯，？2為未知力，而見，犯均為線性分布，其隱含未知量分別有2個(gè)，為使 式1~式3可解，我們作如下假定：
[0055] (1)對于N2(由q2i和q22界定），一般地BC接觸面較短，q2i和q22相差不大，可假定q2i = Q22，于是= cosi? + ￡sc)/2
[0056] (2)對于Ni(由qn和qi2界定），在上游水推力作用下，qn作用點(diǎn)遠(yuǎn)離下游山體，山體 抗力作用對qn影響較小，qn可按規(guī)范求解，即
[0057]
[0058] (3)大壩在水推力作用下，在BC接觸面上主要形成N2抗力，內(nèi)相對較小，可假定F 2 = Oo
[0059] 為此，式1~式3只剩下Ni(或qi2)，F(xiàn)i，N2(或q2i = q22)三個(gè)未知量，方程可解。
[0060] 4、采用極限平衡原理求解抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，具體步驟為：
[0061] (1)將已知量山及合并到ΣΡ，ΣΙ ΣΜ中分別計(jì)為ΣΡ'，，ΣΜ'，簡化式1~式3
[0066]
(式 6) 可得
[0062]
[0063]
[0064]
[0065] (3)根據(jù)極限平衡安全系數(shù)方法，構(gòu)建安全系數(shù)表達(dá)式
[0067]由式5求解N1J1，代入式6即可求解壩基面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)Κ。
[0068]下面以一個(gè)具體的實(shí)例描述本發(fā)明的實(shí)施方案：
[0069]圖2為某工程擋水壩段剖面圖，擋水壩與下游山體緊密連接。該擋水壩高186m，壩 體容重取24kN/m3,上游水頭182m，下游水位低于建基面高程，淤沙高度66m，水平建基面為 Π 類巖石，抗力山體以III1類為主，其允許承載力5~7MPa，下游壩趾平臺(tái)高20m。建基面AB和 山體接觸面BC的抗剪斷參數(shù)(f '，c'）分別為（I. I，I. IMPa)和（I.0，0.9MPa)。灌漿帷幕距壩 踵14.5m，揚(yáng)壓力折減系數(shù)取0.35。設(shè)計(jì)地震加速度取0.3g。其它荷載均不計(jì)。
[0070] 1、已知荷載計(jì)算：
[0071] 根據(jù)規(guī)范，對大壩受力的已知荷載進(jìn)行求解，如表1所示：
[0072] 弄1其丁趕擋7k沏Φ専蒞裁弄 L〇〇74」注：下游水位低于建基_，1]2為0
[0075] 2、安全系數(shù)計(jì)算：
[0076]采用本發(fā)明的計(jì)算方法，求解方程大壩和山體之間的主要荷載以及壩基面抗滑穩(wěn) 定安全系數(shù)K，計(jì)算成果如表2所示。
[0077]表2計(jì)算成果表
[0079] 3、計(jì)算成果分析：
[0080] 從表2可知，以下游抗力山體作為大壩抗滑穩(wěn)定措施，正常蓄水和設(shè)計(jì)地震兩種工 況下安全系數(shù)K分別為4.87和3.89,滿足規(guī)范要求(規(guī)范要求正常蓄水工況抗滑穩(wěn)定安全系 數(shù)不小于3.0，設(shè)計(jì)地震工況不小于2.3)。
[0081] 按照本發(fā)明的方法，獲得了以下重要成果:①考慮了下游抗力山體作用下大壩的 復(fù)雜受力條件;②避免了傳統(tǒng)有限元方法復(fù)雜的建模和數(shù)值分析工作;③計(jì)算過程思路清 晰，合理量化了大壩與抗力山體聯(lián)合作用的建基面抗滑穩(wěn)定性能。為利用下游抗力體協(xié)助 大壩抗滑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加固及優(yōu)化、安全評價(jià)、風(fēng)險(xiǎn)控制等提供了重要依據(jù)。
[0082] 本發(fā)明提供了一種大壩與抗力山體聯(lián)合抗滑穩(wěn)定性能評價(jià)的思路及方法，具體實(shí) 現(xiàn)該技術(shù)方案的方法和途徑很多，以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本 技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤 飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。本實(shí)施例中未明確的各組成部分均可用 現(xiàn)有技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 大巧與抗力山體聯(lián)合抗滑穩(wěn)定性計(jì)算方法，其特征在于，包括W下步驟： a. 進(jìn)行大巧與抗力山體聯(lián)合作用的受力分析； b. 構(gòu)建大巧與抗力山體聯(lián)合抗滑穩(wěn)定力學(xué)方程； C.對所述方程進(jìn)行數(shù)學(xué)分析和力學(xué)假定； d.采用極限平衡原理進(jìn)行抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)求解。2. 如權(quán)利要求1所述的大巧與抗力山體聯(lián)合抗滑穩(wěn)定性計(jì)算方法，其特征在于，步驟a 中，所述進(jìn)行大巧與抗力山體聯(lián)合作用的受力分析具體包括： ΚΣ￥、ΣΡ、ΣΜ分別表示大巧建基面W上豎向、水平荷載W及對建基面中屯、點(diǎn)的彎矩， 來自于巧基面ΑΒ的荷載包括:揚(yáng)壓力化、基巖豎向和水平作用力化和內(nèi)，下游山體接觸面BC 的荷載包括:揚(yáng)壓力化、及分別和BC垂直和平行的作用力化和F2; 當(dāng)大巧體型、上下游水位、渺沙等條件確定時(shí)，IW、ΣΡ、υι、化是已知荷載;Ni、Fi、N2、F2 均為未知荷載，其中，Ni、化為線性分布荷載;Fi和F2分布情況較為復(fù)雜，但其分布不影響合 力力矩，只需考慮其集中力大小即可。3. 如權(quán)利要求2所述的大巧與抗力山體聯(lián)合抗滑穩(wěn)定性計(jì)算方法，其特征在于，步驟b 中，考慮下游抗力山體對大巧抗滑穩(wěn)定的影響，根據(jù)力系平衡，列出大巧受力平衡方程，W 向下游為X正向，豎直向上為y正向，逆時(shí)針為力矩正向，由ΣΡχ=0, IFy=0, ΣΜχγ=0得：其中：目為BC與水平面的夾角，Mui，Μνι，Μν2，Mu2，Mf2分別為Ui，化，Ν2，化，F(xiàn)2對巧基面中屯、的 力矩。4. 如權(quán)利要求3所述的大巧與抗力山體聯(lián)合抗滑穩(wěn)定性計(jì)算方法，其特征在于，步驟C 中，綜合考慮步驟b中方程和未知量的分布情況，進(jìn)行方程荷載分析和力學(xué)假定： 因水壓力Ui和U2為已知量，則Mui和Mu2也為已知量;對Mni、Mn2和Mf2，有：式中Lbc為BC長度，qii，qi2分別為化對應(yīng)在A、B點(diǎn)的應(yīng)力，Q21，Q22分別為化對應(yīng)在B，C點(diǎn)的 應(yīng)力； 由于Ni，F(xiàn)i，N2，F(xiàn)2為未知力，而化，化均為線性分布，其隱含未知量分別有2個(gè)，為使步驟b 中方程可解，我們作如下假定： (1) 對于N2,由于BC接觸面較短，Q21和Q22相差不大，可假定Q21 = q22,于是 Μ成=兇與邱枕誠苗'任; (2) 對于化，在上游水推力作用下，qii作用點(diǎn)遠(yuǎn)離下游山體，山體抗力作用對qii影響較 小，qii可按規(guī)范求解，即：(3) 大巧在水推力作用下，在BC接觸面上形成化抗力，F(xiàn)2相對較小，可假定F2 = 0。5. 如權(quán)利要求4所述的大巧與抗力山體聯(lián)合抗滑穩(wěn)定性計(jì)算方法，其特征在于，步驟d 中，采用極限平衡原理求解抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的具體步驟為： (1)將已知量化，化合并到ΣΡ，IW，ΣΜ中分別計(jì)為Σρ/，1胖/，ΣΜ/，簡化式1~式3可 得.由式5求解化、Fi，代入式6即可求解巧基面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)Κ。
【文檔編號】G06F17/50GK105844043SQ201610209338
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年4月6日
【發(fā)明人】彭文明
【申請人】中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司