基于动接触力法拱坝坝肩抗震稳定有限元分析.pdf

水 利 学 报 2004 年10 月 SHUILI XUEBAO 第10 期 文章编号: 0559-9350(2004)10-0007-06 基于动接触力法的拱坝坝肩抗震稳定有限元分析 1,2 2 2 张伯艳 ，陈厚群，涂劲 (1.西安理工大学 水利水电学院，陕西 西安 710048；2.中国水利水电科学研究院 工程抗震研究中心，北京 100044) 摘要：本文提出了应用基于动接触力方法的显式有限元技术进行拱坝坝肩抗震稳定分析的新思路，给出了相关公 式。新的分析方法，将坝肩岩体、地基、坝体和库水作为一个统一体系进行动力分析计算，能有效地考虑坝肩可 能滑动块体与坝体的动力相互作用，较真实地反映拱坝和坝肩受到地震作用的实际状态，并对小湾拱坝坝肩震稳 定进行了分析研究。结果表明：在设计正常水位情况，小湾拱坝的地震作用超载安全系数约为1.3；在设计地震作 用下，小湾拱坝的“降强安全系数”仅为2.58，而仅考虑静载作用时，即使以拱坝坝端应力不超过静态抗拉强度 作为达到极限状态的工程判别定量标准，其坝肩的静态“降强安全系数”也高达4.0以上。因此，地震的作用使安 全系数有较大降低。小湾拱坝坝肩抗震稳定是安全的，但安全裕度不高。 关键词：动接触力方法；坝肩稳定；刚体极限平衡 中图分类号：TV312 文献标识码：A 1 引言 [1～4] 迄今为止，拱坝坝肩抗震稳定分析大都采用刚体极限平衡法 。该方法的首要步骤是由工程地质人 员在对坝址进行大量工程地质勘探工作的基础上，找出位于拱坝两岸坝肩的潜在滑动块体。潜在滑动块体 通常由底滑面、侧滑面、上游拉裂面和下游临空面切割而成，它承受拱坝拱座传递的推力、岩体内部边界 面的渗压、块体本身的自重和地震惯性力，以及由侧滑面和底滑面的岩体抗剪强度产生的抗滑力和反力。 其滑动方向和滑移模式由潜在滑动块体所受合力以及侧滑面和底滑面的抗剪强度而定[3]。基于刚体极限平 衡法的坝肩稳定分析中，地震动荷载作为拟静力荷载，施加于可能滑动块体上。事实上，地震作用在坝址 河谷两岸有放大效应[2]，地震时，拱座推力和坝肩岩块地震惯性力的幅值和方向都随时间变化，从而使作 用在坝肩岩块上的合力大小和方向，以及由其决定的滑动模式和方向也都随时间变化。为了模拟拱端推力 和块体地震惯性力随时间变化的过程，在“九五”攻关期间，作者应用有限元和刚体极限平衡法[4]分析了 小湾拱坝的坝肩抗震稳定问题，这是对刚体极限平衡抗震稳定分析的一大改进，但其基本思想尚未突破刚 体极限平衡法的局限性，仍未考虑两岸坝肩潜在滑动岩块与拱坝的相互作用。 [5] 拱坝遭受强震的事例表明 ，拱坝上部、特别是两岸坝肩易发生局部损坏，拱坝上部坝肩是其抗震薄 弱部位。在坝肩岩体尚未整体失稳的情况下，其局部开裂滑移产生的变形可导致坝体开裂。传统的以刚体 极限平衡法对坝肩可能失稳岩体作整体滑动校核的方法，难以解释震害。坝肩稳定和坝体应力由坝肩变形 耦合，因而不应分开校核，震害主要体现在坝体薄弱部位强度不足而开裂。用刚体极限平衡法获得的坝肩 抗震稳定安全系数并不能反映工程实际抗震性态，只是基于工程经验，作为相对类比的设计取值标准。研 究拱坝坝肩抗震稳定，应从其对坝体抗震安全的影响出发，研究的主体是坝体，而非坝肩岩块本身，这是 探讨坝肩岩体抗震稳定性定义、失稳判据、破坏类型、分析方法等问题的前提。更重要的是，要从对坝体 抗震安全性评价的工程实际出发，而不是单纯从力学的稳定性理论概念上去探讨。 收稿日期：2004-05-28 作者简介：张伯艳(1961-)，男，安徽宿松人，高级工程师，主要研究方向为水工结构抗震。 1 水 利 学 报 2004 年10 月 SHUILI XUEBAO