大坝与抗力山体联合抗滑稳定性计算方法
【专利摘要】本发明属于水利水电工程中大坝失稳风险决策技术领域，其针对传统技术中对大坝与抗力山体联合作用计算分析的不足之处，提出一种新的大坝与抗力山体联合抗滑稳定性计算方法，准确、合理、高效地量化抗力山体作用下的混凝土重力坝抗滑稳定性能，为利用下游抗力体协助大坝抗滑的结构设计、加固及优化、安全评价、风险控制等提供了重要依据。本发明包括以下步骤：a.进行大坝与抗力山体联合作用的受力分析；b.构建大坝与抗力山体联合抗滑稳定力学方程；c.对所述方程进行数学分析和力学假定；d.采用极限平衡原理进行抗滑稳定安全系数求解。本发明利用所述的计算方法进行坝基稳定性评价过程简单易懂，评价标准与规范要求相适应。
【专利说明】
大坝与抗力山体联合抗滑稳定性计算方法
技术领域
[0001] 本发明属于水利水电工程中大坝失稳风险决策技术领域，具体涉及一种大坝与抗 力山体联合抗滑稳定性计算方法。
【背景技术】
[0002] 抗滑稳定是混凝土水工建筑物需要重点关注的问题之一。常规的抗滑稳定计算， 在重力坝、闸坝等设计规范中均有详细说明。而对于岸坡挡水坝段或取水口挡水建筑物，经 常会遇到水工建筑物与下游山体紧密结合的情况。事实上，利用下游抗力体协助大坝抗滑， 是常采用的提高工程抗滑稳定的处理措施。
[0003] 由于与山体联合作用，坝基受力条件复杂，在传统技术中，评价抗力山体对大坝抗 滑稳定性，通常采用有限元方法。而有限元方法建模工作量大，相当耗时且成果整理繁琐。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题是:针对传统技术中对大坝与抗力山体联合作用计算 分析的不足之处，提出一种新的大坝与抗力山体联合抗滑稳定性计算方法，准确、合理、高 效地量化抗力山体作用下的混凝土重力坝抗滑稳定性能，为利用下游抗力体协助大坝抗滑 的结构设计、加固及优化、安全评价、风险控制等提供了重要依据。
[0005] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0006] 大坝与抗力山体联合抗滑稳定性计算方法，包括以下步骤：
[0007] a.进行大坝与抗力山体联合作用的受力分析；
[0008] b.构建大坝与抗力山体联合抗滑稳定力学方程；
[0009] C.对所述方程进行数学分析和力学假定；
[0010] d.采用极限平衡原理进行抗滑稳定安全系数求解。
[0011] 进一步的，步骤a中，所述进行大坝与抗力山体联合作用的受力分析具体包括：
[0012] 以2W、ΣΡ、ΣΜ分别表示大坝建基面以上竖向、水平荷载以及对建基面中心点的 弯矩，来自于坝基面AB的荷载包括:扬压力U 1、基岩竖向和水平作用力NjPF1，下游山体接触 面BC的荷载包括:扬压力U2、及分别和BC垂直和平行的作用力NdPF 2;
[0013] 当大坝体型、上下游水位、淤沙等条件确定时，2W、SPWhU2是已知荷载;NhFh N2、F 2均为未知荷载，其中，N1、N2为线性分布荷载;FjPF2分布情况较为复杂，但其分布不影 响合力力矩，只需考虑其集中力大小即可。
[0014] 进一步的，步骤b中，考虑下游抗力山体对大坝抗滑稳定的影响，根据力系平衡，列 出大坝受力平衡方程，以向下游为X正向，竖直向上为y正向，逆时针为力矩正向，由SF x =
0，SFy=O- = D渴·
[0015]
[0016]
[0017] (式 3)
[0018] 其中：Θ为BC与水平面的夹角，Mu1，Mn1，Mn 2，Mu2，MF2分别为U1，N1，N2，U 2，F2对坝基面中 心的力矩。
[0019] 进一步，步骤c中，综合考虑步骤b中方程和未知量的分布情况，进行方程荷载分析 和力学假定：
[0020] 因水压力山和此为已知量，则Ml^PMu2也为已知量;对Mn1、M N2和MF2，有：
[0021]
[0022]
[0023]
[0024] 式中Lbc为BC长度，qn，q12分别为N1对应在A、B点的应力，q21，q 22分别为N2对应在B，C 点的应力；
[0025]由于他，？1，犯，？2为未知力，而见，犯均为线性分布，其隐含未知量分别有2个，为使 步骤b中方程可解，我们作如下假定：
[0026] (1)对于N2(由q2i和q22界定），由于BC接触面较短，q2i和q22相差不大，可假定q2i = q22,于是麗.V2 = 乂(^5??0 + ^)/2 ;
[0027] (2)对于N1(由qn和q12界定），在上游水推力作用下，qn作用点远离下游山体，山体 抗力作用对qn影响较小，qn可按规范求解，即 [0028]
[0029] (3)大坝在水推力作用下，在BC接触面上形成N2抗力，F2相对较小，可假定F2 = 0。
[0030] 进一步，步骤d中，采用极限平衡原理求解抗滑稳定安全系数的具体步骤为：
[0031] (1)将已知量山及合并到ΣΡ，ΣΙ ΣΜ中分别计为ΣΡ'，，ΣΜ'，简化式1~式3 可得：
[0032]
[0033]
[0034]
[0035]
[0036]
[0037]由式5求解N1J1，代入式6即可求解坝基面抗滑稳定安全系数Κ。
[0038]本发明的有益效果是:本发明的大坝与抗力山体联合抗滑稳定性计算方法采用了 极限平衡原理，考虑大坝与下游抗力体联合受力，进行坝基刚体极限平衡稳定性评价，定量 评价利用坝后山体抗滑措施的安全系数;利用所述的计算方法进行坝基稳定性评价过程简 单易懂，评价标准与规范要求相适应。
【附图说明】
[0039] 图1是大坝与抗力山体联合受力示意图；
[0040] 图2是某挡水坝段计算剖面图。
【具体实施方式】
[0041] 本发明旨在针对传统技术中对大坝与抗力山体联合作用计算分析的不足之处，提 出一种新的大坝与抗力山体联合抗滑稳定性计算方法，准确、合理、高效地量化抗力山体作 用下的混凝土重力坝抗滑稳定性能，为利用下游抗力体协助大坝抗滑的结构设计、加固及 优化、安全评价、风险控制等提供了重要依据。本发明对大坝与抗力山体联合受力状态进行 合理分析，引入了极限平衡原理，克服了复杂受力条件下力学参数变量多无法求解抗滑稳 定安全系数的缺陷，也比有限元方法简单、高效，使得大坝与抗力山体联合抗滑的评价更为 合理、高效。
[0042] 本发明中的大坝与抗力山体联合抗滑稳定性计算方法，其包括以下步骤：
[0043] 1、结合图1所示，在大坝与下游抗力山体联合受力情况下，进行大坝结构受力分 析，其中2W、ΣΡ、ΣΜ分别为大坝建基面以上竖向、水平荷载以及对建基面中心点的弯矩， 来自于坝基面AB的荷载主要有扬压力U1、基岩竖向和水平作用力NjPF1，下游山体接触面BC 的荷载主要有扬压力U2、及分别和BC垂直和平行的作用力他和内。
[0044] 2、根据力系平衡，列出大坝受力平衡方程，以向下游为X正向，竖直向上为y正向， 逆时针为力矩正向，由SFx=O，SFy = O，SMxy=O得：
[0045]
[0046]
[0047]
[0048] 其中：Θ为BC与水平面的夹角，Mu1，Mn1，Mn2，Mu2，Mf 2分别为U1，N1，N2，U2，F 2对坝基面中 心的力矩。
[0049] 3、对式1~式3进行方程荷载分析和力学假定：
[0050] 因水压力UjPU2为已知量，因此MudPMu2为已知量；对Mn1、Mn 2和Mf2，有 M、' = (qn - iB ' 12
[0051]
[0052]
[0053] 式中Lbc为BC长度，qn，q12分别为N1对应在A、B点的应力，q21，q 22分别为N2对应在B，C 点的应力。
[0054]由于他，？1，犯，？2为未知力，而见，犯均为线性分布，其隐含未知量分别有2个，为使 式1~式3可解，我们作如下假定：
[0055] (1)对于N2(由q2i和q22界定），一般地BC接触面较短，q2i和q22相差不大，可假定q2i = Q22，于是= cosi? + ￡sc)/2
[0056] (2)对于Ni(由qn和qi2界定），在上游水推力作用下，qn作用点远离下游山体，山体 抗力作用对qn影响较小，qn可按规范求解，即
[0057]
[0058] (3)大坝在水推力作用下，在BC接触面上主要形成N2抗力，内相对较小，可假定F 2 = Oo
[0059] 为此，式1~式3只剩下Ni(或qi2)，Fi，N2(或q2i = q22)三个未知量，方程可解。
[0060] 4、采用极限平衡原理求解抗滑稳定安全系数，具体步骤为：
[0061] (1)将已知量山及合并到ΣΡ，ΣΙ ΣΜ中分别计为ΣΡ'，，ΣΜ'，简化式1~式3
[0066]
(式 6) 可得
[0062]
[0063]
[0064]
[0065] (3)根据极限平衡安全系数方法，构建安全系数表达式
[0067]由式5求解N1J1，代入式6即可求解坝基面抗滑稳定安全系数Κ。
[0068]下面以一个具体的实例描述本发明的实施方案：
[0069]图2为某工程挡水坝段剖面图，挡水坝与下游山体紧密连接。该挡水坝高186m，坝 体容重取24kN/m3,上游水头182m，下游水位低于建基面高程，淤沙高度66m，水平建基面为 Π 类岩石，抗力山体以III1类为主，其允许承载力5~7MPa，下游坝趾平台高20m。建基面AB和 山体接触面BC的抗剪断参数(f '，c'）分别为（I. I，I. IMPa)和（I.0，0.9MPa)。灌浆帷幕距坝 踵14.5m，扬压力折减系数取0.35。设计地震加速度取0.3g。其它荷载均不计。
[0070] 1、已知荷载计算：
[0071] 根据规范，对大坝受力的已知荷载进行求解，如表1所示：
[0072] 弄1其丁趕挡7k沏Φ専蒞裁弄 L〇〇74」注：下游水位低于建基_，1]2为0
[0075] 2、安全系数计算：
[0076]采用本发明的计算方法，求解方程大坝和山体之间的主要荷载以及坝基面抗滑稳 定安全系数K，计算成果如表2所示。
[0077]表2计算成果表
[0079] 3、计算成果分析：
[0080] 从表2可知，以下游抗力山体作为大坝抗滑稳定措施，正常蓄水和设计地震两种工 况下安全系数K分别为4.87和3.89,满足规范要求(规范要求正常蓄水工况抗滑稳定安全系 数不小于3.0，设计地震工况不小于2.3)。
[0081] 按照本发明的方法，获得了以下重要成果:①考虑了下游抗力山体作用下大坝的 复杂受力条件;②避免了传统有限元方法复杂的建模和数值分析工作;③计算过程思路清 晰，合理量化了大坝与抗力山体联合作用的建基面抗滑稳定性能。为利用下游抗力体协助 大坝抗滑的结构设计、加固及优化、安全评价、风险控制等提供了重要依据。
[0082] 本发明提供了一种大坝与抗力山体联合抗滑稳定性能评价的思路及方法，具体实 现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本 技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润 饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用 现有技术加以实现。
【主权项】
1. 大巧与抗力山体联合抗滑稳定性计算方法，其特征在于，包括W下步骤： a. 进行大巧与抗力山体联合作用的受力分析； b. 构建大巧与抗力山体联合抗滑稳定力学方程； C.对所述方程进行数学分析和力学假定； d.采用极限平衡原理进行抗滑稳定安全系数求解。2. 如权利要求1所述的大巧与抗力山体联合抗滑稳定性计算方法，其特征在于，步骤a 中，所述进行大巧与抗力山体联合作用的受力分析具体包括： ΚΣ￥、ΣΡ、ΣΜ分别表示大巧建基面W上竖向、水平荷载W及对建基面中屯、点的弯矩， 来自于巧基面ΑΒ的荷载包括:扬压力化、基岩竖向和水平作用力化和内，下游山体接触面BC 的荷载包括:扬压力化、及分别和BC垂直和平行的作用力化和F2; 当大巧体型、上下游水位、渺沙等条件确定时，IW、ΣΡ、υι、化是已知荷载;Ni、Fi、N2、F2 均为未知荷载，其中，Ni、化为线性分布荷载;Fi和F2分布情况较为复杂，但其分布不影响合 力力矩，只需考虑其集中力大小即可。3. 如权利要求2所述的大巧与抗力山体联合抗滑稳定性计算方法，其特征在于，步骤b 中，考虑下游抗力山体对大巧抗滑稳定的影响，根据力系平衡，列出大巧受力平衡方程，W 向下游为X正向，竖直向上为y正向，逆时针为力矩正向，由ΣΡχ=0, IFy=0, ΣΜχγ=0得：其中：目为BC与水平面的夹角，Mui，Μνι，Μν2，Mu2，Mf2分别为Ui，化，Ν2，化，F2对巧基面中屯、的 力矩。4. 如权利要求3所述的大巧与抗力山体联合抗滑稳定性计算方法，其特征在于，步骤C 中，综合考虑步骤b中方程和未知量的分布情况，进行方程荷载分析和力学假定： 因水压力Ui和U2为已知量，则Mui和Mu2也为已知量;对Mni、Mn2和Mf2，有：式中Lbc为BC长度，qii，qi2分别为化对应在A、B点的应力，Q21，Q22分别为化对应在B，C点的 应力； 由于Ni，Fi，N2，F2为未知力，而化，化均为线性分布，其隐含未知量分别有2个，为使步骤b 中方程可解，我们作如下假定： (1) 对于N2,由于BC接触面较短，Q21和Q22相差不大，可假定Q21 = q22,于是 Μ成=凶與邱枕诚苗'任; (2) 对于化，在上游水推力作用下，qii作用点远离下游山体，山体抗力作用对qii影响较 小，qii可按规范求解，即：(3) 大巧在水推力作用下，在BC接触面上形成化抗力，F2相对较小，可假定F2 = 0。5. 如权利要求4所述的大巧与抗力山体联合抗滑稳定性计算方法，其特征在于，步骤d 中，采用极限平衡原理求解抗滑稳定安全系数的具体步骤为： (1)将已知量化，化合并到ΣΡ，IW，ΣΜ中分别计为Σρ/，1胖/，ΣΜ/，简化式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稳定安全系数Κ。
【文档编号】G06F17/50GK105844043SQ201610209338
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年4月6日
【发明人】彭文明
【申请人】中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司