基于有限元强度折减法的边坡开挖后稳定性分析.pdf
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1、第 59 卷 第 6 期2023 年 6 月GANSU WATER RESOURCES AND HYDROPOWER TECHNOLOGY甘 肃 水 利 水 电 技 术Vol.59,No.6Jun.,2023DOI:10.19645/j.issn2095-0144.2023.06.011收稿日期:2023-04-05作者简介:常朝凯(1998-),男,河南郑州人,硕士研究生,研究方向:岩土工程,E-mail:。基于有限元强度折减法的边坡开挖后稳定性分析常朝凯1,高鹏2(1.成都理工大学,四川 成都 610059;2.华北水利水电大学,河南 郑州 450046)摘要:根据陕西省某抽水蓄能电站工程
2、区边坡的地质勘探数据,结合对工程区上库坝区、下库坝区及库周边坡地质条件和坡体结构的调查,尤其是对控制性边界结构面的调查,建立了上库、下库输水洞进出水口边坡的有限元模型。采用强度折减法对边坡在天然工况、暴雨工况及地震工况下进行了稳定性分析。将计算结果与稳定性安全系数进行对比,可以为抽水蓄能电站的施工提供相关依据。关键词:边坡稳定;有限元分析;强度折减法;抽水蓄能中图分类号:TU432文献标志码:A文章编号:2095-0144(2023)06-0051-051前言抽水蓄能电站一般由上库、下库、输水系统、地下厂房洞室群和地面建筑等组成。上库、下库输水洞进出口边坡高度大、地质情况较为复杂,其稳定性直接
3、影响水电站的安全运行。因此,对抽水蓄能电站复杂边坡在特殊情况下的稳定性分析具有重要意义。国内外学者利用有限元强度折减法对边坡稳定性展开过一些研究。MATSUI等1提出了一种用于计算边坡稳定性的有限元抗剪强度折减分析技术,并 验 证 了 其 在 实 际 工 作 中 的 可 靠 性。GRIFFITHS等2采用有限元强度折减法对复杂边坡的稳定性进行了分析,结果发现,有限元强度折减法与传统极限平衡法得到的稳定性系数相接近,并认为它是传统极限平衡法的一种更强大的替代方法。连镇营等3研究发现,开挖边坡和天然边坡具有相似的破坏形式,有限元强度折减法适用于开挖边坡的稳定性分析。因此,在对边坡进行稳定性分析时,
4、对土体的抗剪强度进行折减是可行的,并且在数值模拟上也较容易实现4。研究以工程地质条件为基础,采用有限元强度折减法对陕西省某抽水蓄能电站上库、下库进出水口的边坡稳定性进行分析和评价。2工程概况根据陕西省某抽水蓄能电站的实际勘察资料,工程区上库、下库输水洞进出水口边坡基岩为二长花岗岩。正常岩层陡倾坡内,边坡表层有局部倾倒变形现象,但现状无明显的拉裂变形,边坡整体稳定性较好。工程区50年超越概率10%的地震动峰值加速度均为0.05g,对应的地震基本烈度为度。根据对工程区岩体力学参数的分析,综合类比相关规范、相关工程建议参数取值,建议上库区、下库区边坡的岩土体物理力学参数按表1选取,结构面参数按表2选
5、取。上库正常蓄水位1 420.0 m,死水位1 395.0 m,坝顶高程 1 425.0 m,调节库容 808.0 万 m3,总库容1 462.0万m3。库区出露地层主要为中生代印支期侵入岩,属于第四系上更新统(Q4),为二长花岗岩,呈块状、次块状结构。上库地表出露岩体中裂隙较发育,产状为NW281296、SW5463,宽度0.10.3 cm。下库坝区正常蓄水位992.0 m,水库长1.8 km。山体边坡整体下陡上缓,陡坡段基岩出露,坡脚有崩坡堆积物分布;缓坡段地表被崩积碎石土覆盖。断层不发育,岩体卸荷作用较弱。上库、下库边坡未见较大规模的卸荷、松动和变形岩体,自然边坡整体稳定性较好。上库、下
6、库输水洞进出水口边坡工程地质剖面见图1。3有限元强度折减法应用有限元强度折减法分析边坡稳定性时,边坡安全系数的合成系数依赖于失稳准则。通常以特征点位移的突发性、塑性区的连通性和数值计算51的收敛性作为边坡失稳的判断标准。基于电站上库、下库输水口的地质勘探数据,建立有限元模型,并根据Mohr-Coulomb(摩尔-库仑)强度屈服准则,选取位移收敛标准作为边坡的破坏依据。当边坡内一定幅值的广义剪应变自坡底向坡顶贯通时,认为边坡已经破坏,并定义此时的折减系数即为稳定系数5,计算采用式(1)(6)。J1=1+2+3(1)J2=16()1-22+()2-32+()3-12(2)J3=127()21-2-
7、3()22-1-3()23-1-2(3)=13arcsin-3 3J32J3/22-66(4)S=3J2(5)F=13J1sin-ccos+J2 cos-sin sin 3(6)式中:J1为应力第一不变量;1为最大主应力;3为最小主应力;2为中间主应力;J2为应力偏量第二不变量;J3为应力偏量第三不变量;为应力洛德角;c为土的黏聚力;为土的内摩擦角;F为强度折减系数。在边坡稳定性分析计算中,Ft为强度折减系数(安全系数),初始赋值为1(F0)。在保证边坡稳定的基础上,按照式(1)(6)对边坡岩体的强度参数进行折减,并予以计算。通过增加强度折减系数,使Ftn=Ftn-1+Finc。当边坡出现破坏
8、时,将强度折减系数的增量(Finc)减小至1/5Finc。此时,Ftn=Ftn-1+1/5Finc,再通过循环计算,直到Finc小于之前设定的极小数()。这时对应的Ftn就是边坡安全系数,边坡达到极限平衡状态。同时,还可以得到临界滑动面。具体分析计算流程如图2所示。4有限元模型及计算工况利用输水洞进出水口边坡控制性剖面,建立了有限元计算模型。模型宽约340 m,高约250 m,开挖坡高约70 m。本构模型的计算和其边界仅考虑介质类型第四系崩坡积碎石土第四系冲积、洪积砂卵(碎)砾石土全风化岩体强风化岩体弱风化岩体微新岩体容重/(kN/m3)20.521.020.025.026.226.5变形模量
9、E0/MPa801001002 0008 00018 000泊松比0.350.330.330.300.250.24抗剪断强度内摩擦角/()252726284250内聚力C/MPa0.0250.0150.3200.3500.8501.500抗剪强度内摩擦角/()212321233745内聚力Cr/MPa0.0000.0400.2000.1500.5001.000抗拉强度t/MPa0.000.000.000.000.751.50表1边坡岩体力学参数建议值表2结构面岩体力学参数建议值介质类型岩屑夹泥型岩块岩屑型无充填或充填岩脉、钙膜容重/(kN/m3)22.022.523.0变形模量E0/MPa10
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