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关于重力坝抗滑稳定分析法的研究

摘要：抗滑稳定一直是重力坝设计的关键性问题，由于该问题的复杂性，目前对于分析方法尚无明确和统一的规定。本文利用接触单元法和刚体平衡法分别分析重力坝抗滑稳定，同时指出这两种分析方法存在的优缺点。最后证明利用有限元法计算出的应力结果，联合刚体极限平衡法分析重力坝抗滑稳定，能够较好的评价重力坝的稳定安全性。

关键词：重力坝；刚体平衡法；接触单元法；联合分析法

1.引言

岩基上的重力坝主要依靠其自身重量在地基上产生的摩擦力与地基之间的凝聚力来抵抗坝前的水推力和坝下扬压力从而保持抗滑稳定。抗滑稳定分析是重力坝设计的一项重要内容。在很多建筑物的基岩中，存在各种形式的裂隙、断层和软弱夹层，研究复杂结构的基础条件对建筑物的影响具有重要意义，同时在岩体工程中，无论变形或是强度或是稳定性，往往都受控于软弱结构面的变形和受力特征，因此软弱结构面也是岩石工程分析的热点。目前抗滑稳定分析的方法有有限元法和刚体平衡法，以及前两种方法结合的联合分析法。

2.接触单元法

结合云峰宽缝重力坝实际工程，采用增广Lagrange算法，借助有限元分析软件ANSYS，建立云峰宽缝重力坝地基体系的接触模型，考虑软弱夹层的工作状态对大坝变形的影响，采用三维非线性有限元技术仿真模拟软弱夹层的工作状态及其对大坝的稳定性的影响，为大坝正常运行提供参考。

2.1接触分析理论

接触问题是一种高度的非线性问题，接触问题存在两个较大的难点：一是在求解问题之前，接触区域表面之间的接触或是分开或是突然变化均是未知的，它们随荷载、材料、边界条件等因素而定；二是大多数的接触问题需要计算摩擦，而摩擦模型繁多，且均为非线性，摩擦的存在使问题的收敛的变得困难。

接触问题计算可能存在3种非线性，分别是接触边界条件非线性、材料非线性和几何非线性，其中接触边界条件的非线性是接触问题所独有，当存在摩擦时这一非线性表现的更加强烈，因此接触问题的数值方法主要是处理接触边界的问题。求接触问题的数值方法主要有lagrange法、罚函数法以及增广lagrange法。由于罚函数方法和lagrange法各有优缺点，人们自然想到两者的联合使用，从而形成了增广lagrange法。该方法的基本思想是在lagrange法所得总势能的基础上，再加上一个惩罚强迫项，使其满足一个特定的关键约束，这样既吸收了罚函数方法和lagrange法的优点，又不增加系统的求解规模，而且收敛速度也较快。

2.2云峰宽缝重力坝深层抗滑稳定分析

2.2.1工程概况

云峰重力坝位于鸭绿江干流，至今已经运行了近40年。大坝基础整体情况尚好，但施工期出露于51号和52号坝段基坑的F15断层是影响大坝抗滑稳定的主要因素，是稳定分析的重点。F15断层为逆掩断层，在51~53号坝基上连续分布，倾向上游，视倾角较小，基本在坝址或其下游不远处出露，尾岩抗力不大。断层走向和倾角变化都很大，断层呈波状起伏。断层厚度一般在10~90cm之间,充填物为钙质胶结的角砾岩、糜棱岩以及深灰~灰色含碎屑的断层泥组成，泥层厚度约1~2cm,局部厚度约为5cm，遇水呈可塑状。从图1可以看到，在51号和52号坝段上游还分布一个倾向上游、倾角28°左右的F16小断层，将坝踵处基岩断开直至F15断层滑动面，对整体抗滑稳定是不利的。52号坝段右侧存在一个顺河向F35断层，与右F15断层共同切割基岩构成一个侧向阻滑面。

2.2.2计算模型的建立和计算条件

运用有限元分析软件ANSYS建立云峰宽缝重力坝51号和52号坝段整体三维有限元计算模型，以人为控制方式划分单元，混凝土、岩石以及断层采用实体单元Solid45、Solid95，接触单元采用contact174,目标单元采用target170，整个模型共划分5370个单元、14739个节点。

边界条件假定：（1）坝体横河向、顺河向及竖直向自由；（2）基础岩石向上、下游及深度方向各取2倍坝高作为弹性地基，地基侧面法向全部约束，其它方向自由，底面作为固定端处理；（3）假定坝踵处的基岩沿F16断层裂开直至右F15断层。（4）F15断层简化为两个折面，靠近上游的面向上游倾斜5°,靠近下

游的面向上游倾斜13°。

计算条件：（1）计算参数：主要材料参数如表1所示。右F15断层以下的基 岩不计自重，断层以上的基岩取干容重。右F15断层的力学参数取为f’=0.3，c’=0。(2)计算荷载：坝体自重、正常蓄水位和校核洪水位时的静水压力，相应设计水位时的扬压、泥沙压力、浪压力，7级地震荷载，不考虑地震动水压力。

（3）成果分析

①大坝基本运行状态。大坝1965年建成蓄水后，1981年在