基于强度折减法的土石坝边坡稳定分析与探讨

在传统的土石坝边坡稳定分析中,通常采用简化毕肖普法或瑞典圆弧法,分别计算上、下游边坡的滑动安全系数,然后根据规范评判边坡的稳定性.本文应用有效应力原理,以初始应力方式将渗流场导入到位移应力分析中,基于强度折减法对坝体整体进行弹塑性分析;分别采用塑性区贯通和位移突变失稳判据,得到坝坡的最小安全系数,并将其与简化毕肖普法计算结果相比较.研究表明:采用强度折减法进行土石坝边坡稳定分析虽然是可行的,但仍存在一些问题.最后,对强度折减法在土石坝边坡稳定分析中存在的两个问题进行了初步的探讨.     

库水位骤降情况下土石坝坝坡稳定分析

库水位骤降时,土石坝坝体内浸润线高于库水位,较高的孔隙水压力和渗透力会导致上游坝坡失稳。英布鲁水电站土石坝设计过程中,采用饱和与非饱和渗流模型的有限元法分析得到库水位骤降条件下土石坝的非稳定渗流场,采用极限刚体平衡法计算得出上游坝坡的安全系数。结果表明:英布鲁水电站土石坝在水库敞泄时,上游坝坡的安全系数不满足规范要求;库水位按设计推荐的库水位降落速度控制,上游坝坡的稳定安全系数满足规范要求。     

渗流应力耦合及库水位变动下中小型均质土石坝坝坡稳定分析

为研究库水位变动对中小型均质土石坝坝坡稳定性的影响机理和规律,根据非饱和渗流原理及刚体极限平衡理论的简化毕肖普法,对均质土石坝在渗流应力耦合状态及水位骤升和骤降工况下坝体渗流和上下游坝坡稳定性情况进行有限元模拟。结果表明:考虑渗流应力耦合作用影响,库水位骤升时,上游坝坡安全系数先以较快速度增大后缓慢增大最后稳定不变,下游坝坡安全系数先下降后缓慢上升较小幅度,最终趋于稳定;库水位骤降时,上游坝坡安全系数先以较快速度减小后缓慢减小最后趋于不变,下游坝坡安全系数先不断增大后缓慢减小较小幅度,最终趋于稳定;水位骤升骤降的过程中,坝体上下游坝坡的安全系数均大于规范规定的最小安全系数,其抗滑稳定满足规范要求。该研究成果为中小型土石坝风险评估及后期水库大坝采取除险加固措施提供了参考。     

基于强度折减法及流固耦合的土石坝稳定性分析

为了使土石坝坝坡稳定分析结果更加符合工程实际,笔者先后使用ABAQUS有限元软件实现了以强度折减法求解坝坡安全系数,以渗流理论分析了土石坝的渗流稳定,以及求解了考虑流固耦合的土石坝坝坡安全系数。结果表明:有限元强度折减法比极限平衡法更合理、更准确,采用ABAQUS对非饱和土进行稳定渗流分析是合理的、可行的,考虑流固耦合求解土石坝坝坡安全系数更符合工程实际情况,所得结果更加准确。     

库水位变动联合持续性降雨条件下中小型土石坝边坡稳定分析

为研究库水位变动和持续性降雨共同作用对中小型土石坝坝身渗透和稳定的影响,根据非饱和渗流原理对土石坝在渗流应力耦合状态下遭遇库水位变动和不同强度持续性降雨时的渗流和坝坡稳定性情况进行有限元模拟,结果表明:库水位变动速率相同而降雨强度不同时上下游坝坡的安全系数变化差异较小,上下游坝坡的安全系数对水位变动更加敏感,且上游坝坡安全系数对水位变动的敏感性高于下游坝坡;上游坝坡的最危险工况为库水位骤降2 m/d联合15 mm/d持续性降雨共同作用;下游坝坡的最危险工况为库水位骤升2 m/d联合15 mm/d持续性降雨共同作用。该研究成果为正确认识库水位变动联合持续性降雨条件下的土石坝坝坡渗透稳定规律提供参考,并为中小型土石坝遭遇极端工况条件时进行风险分析和应急管理提供参考依据。     

库水位回落条件下土石坝边坡稳定分析

利用二次开发的有限元软件ANSYS,形成渗流与边坡稳定分析程序模块,计算得到库水位回落条件下的土石坝渗流场;据此分析非饱和土强度、土体密度随含水量变化的关系及渗透力作用;利用强度折减有限元技术分析了水位降落过程中渗透系数、水位降速对边坡稳定性的影响.结果表明,库水位降落初期,坝内浸润线下降,下游坝坡稳定性增大,但此时上游坝坡稳定性仍大于下游坡;饱和渗透系数相同时,库水位降落速度越大则上游坝坡稳定性越差,不同水位降落速度对较小饱和渗透系数的土石坝渗流场及边坡稳定性影响程度较小,对较大渗透系数的坝体则影响较大;水位下降速度相同,则坝体饱和渗透系数越小其上游边坡稳定安全系数越小.     

强度折减法中非均质层状土坡失稳判据适用性

通过对各种D-P准则进行系统深入的分析,提出了一种在非均质边坡中实现D-P系列屈服准则间相互转换的方法,针对一个具体的非均质边坡建立弹塑性有限元分析模型,采用强度折减法计算得出各D-P准则下的安全系数,与极限平衡法计算结果进行对比分析,验证了该方法的可行性。在此基础上对强度折减法中各种失稳判据在非均质边坡中的适用性和不同网格尺寸对非均质边坡安全系数计算精度的影响进行研究。结果表明:以塑性区贯通和特征部位位移突变作为失稳判据,通过对比不同强度折减系数下的位移场和塑性区特性,可以减弱非确定因素带来的影响,其计算出的安全系数与极限平衡法所得结果较为接近,而采用数值计算不收敛作为失稳判据所得结果误差较大,不满足工程精度要求。因此,采用强度折减法对非均质土坡进行稳定性分析时,建议使用特征部位位移突变结合塑性区贯通作为失稳判据。     

基于尖点突变理论的非均质土坡失稳判据分析

为避免失稳判据的主观人为性,将非线性突变理论运用于非均质边坡稳定性评价中。结合工程算例建立非均质土坡数值计算的力学模型,采用强度折减有限元法对土坡进行稳定性分析,通过建立坡体内部水平方向最大位移与强度折减系数的尖点突变模型,将失稳判据量化为一个确定的突变特征值,比较各级强度下的水平最大位移突变特征值与0的关系确定土坡稳定安全系数,并将所得结果与塑性区贯通判据、计算不收敛判据及Spencer法计算结果进行对比分析。结果表明:以尖点突变模型为失稳判据能确定出土坡稳定形态与强度折减系数的定量关系,展现土坡失稳过程的突变性,其物理意义明确,计算结果客观,求解出的安全系数精度较高。该失稳判据为非均质土坡稳定性分析的较优判据。     

基于强度折减法判断圆形隧洞围岩稳定性研究

围绕某圆形隧洞围岩稳定性分析开展了一系列研究。介绍2种基于广义Hoek-Brown准则的强度折减方法,得到了对该准则下相关参数的折减系数;讨论几种岩土工程中常用的失稳判据,并采用圆形隧洞顶部竖向位移发生突变作为失稳判据,并且,引入滑动t-检验方法来确定突变点的位置;由FLAC3D软件建立计算模型,计算隧洞围岩安全系数,并与等效的Mohr-Coulomb准则强度折减法计算得到的结果进行对比。结果表明：以圆形隧洞顶部竖向位移发生突变作为失稳判据是合理且可行的;通过引入滑动t-检验确定突变点位置的方法提高了计算隧洞稳定安全系数时的客观性和可操作性。     

基于强度折减法的土石坝坝坡稳定性分析

基于边坡稳定性能的评估问题,介绍有限元强度折减法的基本原理以及在有限元软件上求解边坡安全系数的过程。通过对工程实例计算分析得到最危险的滑动面和安全系数。计算结果与瑞典条分法进行坝坡稳定性分析结果对比表明:两种方法所得的安全系数相差1.47%,滑动面形状、走向和位置一致,并且数值模拟显示的土石坝塑性渐进变化过程符合实际工程塑性变化过程。因此,基于有限元强度折减法对土石坝坝坡等类似工程边坡最终状态稳定性评估分析具有一定的实用性和可靠性。     

水位降落时土坝坝体渗流特性的交互式有限元模型

利用Fortran和Python语言联合开发ABAQUS有限元软件用户子程序,建立土坝非稳定渗流的交互式有限元分析模型。模型利用Fortran语言编写用户子程序,实现了坝体和坝基表面非线性动态荷载的施加功能,同时采用Python语言对子程序进行可视化处理,以交互的方式处理库水位降落参数实现降水过程。该模型利用流固耦合原理和强度折减法,对均质土坝库水位降落过程中的渗流场和应力场进行计算,通过与已有研究成果对比水位下降过程中浸润线最高点高程、坝体瞬态安全系数,并结合十里河水库大坝水位降落具体工程,验证模型的合理性。该研究成果可为库水位变动下的土坝渗流特性和稳定性计算提供方法,以及为中小型土石坝遭遇极端情况的风险分析和应急管理提供参考。     

库水位骤降时平原水库均质土坝稳定分析

在均质土坝设计中,水位骤降通常是上游边坡稳定计算时需控制的工况。本文以天津某均质土坝为例,利用有限元对坝坡进行渗流分析,分析库水位骤降对渗流场的影响,研究库水位骤降时土坝坝坡的稳定情况。通过对不同库水下降速率的坝坡稳定分析,得到坝坡稳定系数随库水位骤降速率的变化规律。     

库水位骤降对非饱和坝坡稳定性的影响

基于非饱和土体抗剪强度理论,采用极限平衡法,考虑非饱和非稳定渗流对坝坡稳定性的影响,通过体积含水量与基质吸力之间的非线性关系,模拟超静孔隙水压力的消散过程,将不同时段渗流分析结果导入稳定分析模块计算其安全系数的变化。选取某黏土心墙坝,模拟其在不同灌溉条件下的渗流状况及上游坝坡稳定性。计算结果表明:库水位骤降引起坝坡安全系数的降低,但随着超静孔隙水压力的消散,坝坡稳定性逐渐增强,降水速度越快,坝坡安全系数越低。     

库水位骤降条件下均质土石坝渗流稳定分析

本文基于Van Genuchten非饱和渗流模型综合分析了土石坝饱和一非饱和渗流,以工程实际为例,研究了水位骤降工况下土石坝渗流稳定问题.结果表明:库水位骤降工况下,上游水位的变化对坝体渗流量的影响较大;库水位急剧降落易使浸润线形成逆向渗流形态,并造成土石坝坝坡稳定性的降低,但是当孔隙水压力消散时间足够长时,上游坝坡稳定性有一定程度的提高.     

考虑土工膜缺陷的面膜坝渗透稳定性分析

为研究土工膜缺陷的面膜坝在库水位骤降情况下的渗流特性以及上游坝坡的稳定性,利用Geo-slope软件建立了破损土工膜有限元分析模型,对土工膜不同破损部位以及破损尺寸进行了渗流要素和稳定性分析。结果表明:土工膜破损位置越高,尺寸越大,浸润线抬升越高,渗漏量越大,但后者影响明显小于前者;当库水位高程降落至土工膜破损高程时,存在一个浸润线突然下降的“突变”初始稳定安全系数随着土工膜缺陷位置的变高和尺寸的变大而变小,安全系数总体上呈现先下降,后趋于稳定的规律,但在库水位高程经过土工膜缺陷处,存在一个突然上升的过程。研究成果为面膜坝运行过程中的稳定性评价和治理提供了参考。     

乌井水库坝体防渗墙对坝坡稳定的影响研究

增建防渗墙是一种常见的土石坝加固手段,目前,关于土石坝除险加固工程中增建混凝土防渗墙后是否对坝坡稳定产生影响的研究较少,工程设计上也很少考虑.为分析增建防渗墙对坝体的影响,采用有限元法建立数值计算模型,分析增建防渗墙前后坝体渗流、应力场变化规律,对比计算不同运行工况条件下的坝坡稳定情况.计算结果表明:增设防渗墙后,上游坝坡浸润线有所抬高,下游坝坡浸润线明显降低;墙前土体孔隙水压力大于墙后土体,墙后土体的有效应力大于墙前土体;增建防渗墙后上游坝坡的稳定安全系数减小,但减小的幅度不大,相比上游坝坡,增建防渗墙对于下游坝坡的稳定安全系数影响更显著,安全系数提升了近10％;水位骤降速度越大,上游坝坡稳定安全系数下降越快,骤降达到的最小坝坡稳定安全系数越小,对于坝坡的稳定越不利.     

非稳定渗流期骤降判别及均质土坝稳定分析

在均质土坝设计中,水位骤降通常是拟定上游边坡时需控制的工况。水位降落期浸润线位置判别和确定,为大坝稳定计算提供依据,合理判别水位降落速度是浸润线计算的关键步骤,为此,用k/μv表示库水位相对于渗流自由面下降的速度,以区别库水位是缓降、快降还是骤降,并以此来判别和计算浸润线。渗透系数k值一般可通过试验给出比较精确的数值;给水度μ是确定浸润线位置的关键参数;黏性土μ值的研究目前还没有比较完善的确定方法。此次研究采用了公式计算和查表对比的方法确定合适的给水度值,并用不同公式进行了水位下降快慢的判别,提出了水位骤降期坝型调整和稳定计算指标合理性问题。     

段家峡大坝扩建工程渗流计算

以段家峡均质土坝扩建工程为例,探讨大坝扩建后其渗流计算方法.对不同库水位情况下的坝体稳定渗流、坝基渗流以及库水位骤降情况下的坝体非稳定渗流进行了计算.所提出的简化计算方法有较强的适用性,对土坝扩建工程的渗流计算有较好的参考价值.     

库水位骤降时坝坡稳定性分析研究

库水位下降过快往往引起坝坡上游失稳。为了研究库水位骤降条件下坝体稳定性受非稳定渗流场的影响情况,采用有限元法,考虑非饱和区的影响对坝体非稳定渗流场进行模拟。利用得出的瞬态渗流场分布等结果,运用极限平衡法对坝坡稳定性进行计算分析。结果表明：非稳定渗流场分布影响上游坝坡稳定性;水位下降速度越大,上游坝坡稳定性降低速度越快,...