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大坝与安全杂志在线阅读
基于三维动力有限元分析大坝安全性态
(1.天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室,天津,300072;
2.浙江珊溪经济发展有限责任公司,浙江温州,325000)
---文章选自大坝与安全杂志
摘要:地震作用下水库大坝的坝坡失稳,坝体填土及坝基液化是大坝安全分析的重点。通过拟静力法对大坝抗滑稳定性进行复核计算,用三维动力有限元分析坝体和覆盖层液化可能性。研究结果表明:坝体最小抗滑稳定系数均大于 1.2,抗滑稳定累数符合规定要求:坝基覆盖层动孔压力和液化度极值分别为394.08 kPa和51.8%,坝基不存在液化问题。7度地震时,面板出现最大压应力为16.56 NPa(面板中部),面板开裂可能性较小。
关键词:动力有限元;坝体失稳;复核计算:抗滑稳定性;覆盖层液化;安全分析
Title: Analysis on dam safety behavior based on 3D dynamic finite element//by LU Chen-tnol/ National Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety, Tianjin University
Abstract: Dam slope instability, liquefaction of dam filling and foundation in carthquake are key points in dam safety analysis. Review calculation for anti-sliding stability of dam through quasi-static method and liquefaction possibility analysis of dam body and overburden layer by 3D dynamic finite element method are carried out. Research results showed that the minimum anti-sliding stability coefficients of dam body are larger than 1.2, which met the requirements. And, dynamic pore pressure and the liquefac. tion degree of overburden layer of dam foundation are 394.08 kPa and 51.8% respectively, therefore no liquefaction problem existed for dam foundation. In 7.0 degree earthquake, the maximum compressive stress on panel is 16.56 MPa (middle of the panel), the possibility of panel cracking is small.
Key words: dynamic finite element; dam body instability; review calculation; anti-sliding stability; ligquefaction of overburden layer; safety analysis
中图分类号:TV698.1 文献标志码:B文章编号:1671-1092(2018)03-0001-06
1 工程概况
珊溪水库位于浙江省文成县珊溪镇上游,属多年调节水库,可以拦洪削峰,调节水量,也可引水发电。珊溪水库正常蓄水位142.00 m,相应库容12.91亿㎡。珊溪大坝为钢筋混凝土面板堆石坝,最大坝高132.50 m,坝顶高程 156.80 m,坝顶宽10m,坝顶长度448 m,防浪墻顶高程158.10 m。上游坝坡1:1.40,下游平均坝坡1:1.57。混凝土面板采用C25W12F100，厚度0.3~0.68 m,纵向配筋率为0.4%,横向配筋率为0.35%。上游面高程80.00(河床部位)~90.00m(两岸岸坡部位)以下设置粉土、石渣填筑区。
混凝土趾板置于弱风化基岩上,基岩采用了水泥固结灌浆和帷幕灌浆处理。河床部位趾板基础及往下游方向 60平台高程的范围内开挖至基岩，其余部位置于清理后的砂砾石覆盖层上,两岸置于清理后的基岩上。
坝基河床部位为砂砾石冲积层,最大厚度达24.1m,根据沉积时代及卵砾石的风化程度,可分为全新统(Q.)及中新统(②a)两层,自上而下需求量细分为四层,分别为 03、Q%、Q;、Q,层。珊溪水库地震基本烈度小于6度,设计按7度设防。为分析和认证地基土液化问题,采用了多项指标进行初判与复判:(1)按沉积时代初判;(2)按颗粒级配及中值粒径初判;(3)按标准贯入测试指标复判。本工程坝基河床覆盖层各层(除G2以外)均为非液化土。施工中 Qi层大部分已被挖除,残存的面积7.5 mx15 m,残留厚度1~1.5m。
2 地震期间坝体监测资料分析
2.1 地震监测情况
2.1.1 施工期
施工期坝址区附近工程爆破及外围(主要是台湾)地震时,坝址 25 km范围内尚未记录到任何地震活动。
2.1.2 运行期
根据地震台网测定,2002~2004年间在文成县黄坦镇与泰顺县包洋乡之间的水库水域附近共发生大小地震约395次。2006年2月4~28日,库区发生地震近870次,震源位于珊溪水库范围,震级Mi大于3级的有 38次,大于4级的有10次。2002~2006年地震次数和最大震级统计情况见表1。
根据分析,珊溪库区地震活动与库区水位升降有密切关系,属典型水库诱发地震,库区水位与地震能量对数关系见图 1。2002年7月28日M.3.2级地震发生前,珊溪水库水位处于高水位时段,且历时较短,随后较快下降;2002年8月13日,水位达到蓄水后的最高水位135.73 m;2002年9月5日发生了M.3.7级地震。两次水位剧烈起伏都对应着滞后的地震活动,因此,珊溪水库震中区发震构造与库区水位相关,属典型的水库诱发地震。
分析认为2006年2月9日发生的M4.6级地震为库区最大震级,此后地震活动规模总体验减,期间伴有起伏的趋势,预测今后在水位何145.78m再发M4.1(M4.6级)的可能性不大。
2.2 观测资料对比
2006年2月4-28日,珊溪水库库区范閤战；震级MA.6级,震源距坝址约 6 km,该地震前版要监测资料情况列于表2。
对照地震前后各侧值变化可知,地震前后叹沉降最大差值22.6 mm(V3测点,坝0+240.00 m)面、高程68.40 m,坝轴线上游0+051.00 m),坝体水位移最大差值2.18 mm(TPb21 测点,坝0+320.00断面、高程118.70 ㎡,坝轴线下游0+062.00 m),有化幅度均在正常范围内。此次地震期间,坝体变形在正常范围内,坝体工作性状正常。地震期间,周边缝三向位移均小于0.5 mm,面板垂直缝张开位粉均小于0.4 mm,地震期对周边缝和面板垂直维影响较小,周边缝和垂直缝止水未被破坏。地震前后面板应力应变、坝基和垫层渗透压力水头及溢洪道等部位边坡位移均未发生突变,测值变化较小,各部位基本正常。
3 坝坡抗滑稳定分析
根据 GB 18306-2017《中国地震动参数区划图》,该区地震动峰值加速度小于 0.05g,地震基本烈度小于6度。珊溪水库大坝地震设防烈度为7度,水平向设计地震加速度值为α,=0.1gP。本次坝坡稳定复核采用拟静力法进行分析,计算模型和主要参数与坝坡抗滑稳定分析结果一致,见表3。
拟静力法分析表明:7度地震时,死水位上游坝坡和正常蓄水位、设计洪水位下游坝坡最小抗滑稳定系数均大于1.2,大坝坝坡抗震安全满足规范要求值。
4 三维有限元动力分析
4.1 本构模型和参数
三维动力有限元分析本构模型以六面体单元为主,面板与趾板交接处以无厚度六面体的单元连接,垫层同面板之间用五面体单元。根据相关工程和计算经验,取M=2.0.c=22、Amax=2.0,4=34,作为参数值。各区材料计算参数见表4。
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