堆物料抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的選擇與穩(wěn)定性分析

堆物料抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的選擇與穩(wěn)定性分析

1壩體材料非線性穩(wěn)定性分析堆石作為建筑材料在堆石壩工程中所占比例較大。因此，選擇合適的堆石抗切割強(qiáng)度模型和參數(shù)，才能正確評(píng)估水庫的穩(wěn)定性。堆石料抗剪強(qiáng)度具有明顯的非線性,水利部頒發(fā)的《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》已正式規(guī)定有條件時(shí)對(duì)堆石材料進(jìn)行非線性強(qiáng)度的穩(wěn)定分析。但是在以往的計(jì)算實(shí)踐中,人們發(fā)現(xiàn)采用非線性強(qiáng)度指標(biāo),壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)往往比線性指標(biāo)得到的結(jié)果大。因此,不少人認(rèn)為在進(jìn)行非線性穩(wěn)定分析時(shí),對(duì)允許的安全系數(shù)也應(yīng)作相當(dāng)?shù)恼{(diào)整,調(diào)高其標(biāo)準(zhǔn)。云南糯扎渡水電站大壩高達(dá)261.5m,壩體強(qiáng)度非線性特征十分明顯。對(duì)于這樣的高壩,用非線性指標(biāo)分析穩(wěn)定性很少有經(jīng)驗(yàn)可以借鑒。本文結(jié)合糯扎渡大壩的實(shí)際問題,對(duì)采用非線性強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行壩坡穩(wěn)定分析的計(jì)算方法、抗剪強(qiáng)度模型和參數(shù)選取以及安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)問題進(jìn)行了探討。2線性無黏聚力模型早在1776年庫侖就在試驗(yàn)基礎(chǔ)上提出了著名的庫侖公式:式中:τf為破壞面的抗剪強(qiáng)度;σn為破壞面上的正應(yīng)力;c為黏聚力;φ為內(nèi)摩擦角。1900年摩爾提出,在土的破壞面上的抗剪強(qiáng)度是作用在該面上正應(yīng)力的單值函數(shù):式(1)只是式(2)的線性特例,從而建立了著名的摩爾-庫侖強(qiáng)度理論。從式(1)中可見,土的強(qiáng)度由兩部分組成:c和σntanφ。前者為黏聚強(qiáng)度;后者為摩擦強(qiáng)度。實(shí)際上土的強(qiáng)度機(jī)制及影響因素十分復(fù)雜,不可能將二者截然分開,其表現(xiàn)形式與實(shí)際機(jī)制往往不一致。傳統(tǒng)上進(jìn)行土石壩穩(wěn)定計(jì)算時(shí)均采用線性的摩爾-庫侖抗剪強(qiáng)度理論,認(rèn)為堆石料是粗粒土,無黏聚力。但是,在進(jìn)行邊坡穩(wěn)定分析時(shí),通常會(huì)發(fā)現(xiàn),對(duì)于c=0這樣一類無黏聚力土,相應(yīng)最小安全系數(shù)的臨界滑裂面是一個(gè)非常淺的滑弧。換而言之,穩(wěn)定分析通常不能發(fā)現(xiàn)安全系數(shù)的極值,也不能發(fā)現(xiàn)一個(gè)具有物理意義的臨界滑裂面。因此,這種模型不能用于堆石壩的壩坡穩(wěn)定分析。無黏性土一般不存在嚴(yán)格意義上的黏聚力,但碎石、卵石在密實(shí)的情況下,相互間緊密咬合。有觀點(diǎn)認(rèn)為,雖然堆石沒有黏聚力,但是存在“咬合力”,此“咬合力”宏觀上的表現(xiàn)類似于黏性土的黏聚力,可以用式(1)描述,式中的c代表堆石料的咬合力。用此種線性指標(biāo)分析邊坡穩(wěn)定,可得到近似的臨界滑裂面。大量的顆粒分析試驗(yàn)表明,堆石料中小于0.005mm黏粒含量極少,因此堆石料在荷載作用下只有摩阻力,不存在黏聚力。研究結(jié)果還表明,隨著圍壓的增高,堆石料會(huì)發(fā)生顆粒的破碎,并引起粒間應(yīng)力重新分布、粒間連結(jié)力變?nèi)?、顆粒容易移動(dòng),從而使內(nèi)摩擦角降低。其摩爾強(qiáng)度包線是向下彎曲的,即在比較大的應(yīng)力范圍內(nèi)堆石的抗剪強(qiáng)度(內(nèi)摩擦角φ值)與法向應(yīng)力之間的比例關(guān)系并不是常數(shù),而是隨法向應(yīng)力的增加而降低,呈非線性。通常描述其非線性關(guān)系有指數(shù)和對(duì)數(shù)兩種模式。1977年德邁洛(DeMello)建議,堆石料抗剪強(qiáng)度τf和法向應(yīng)力σn存在如下指數(shù)關(guān)系:式中:A,b均為材料參數(shù);b無量綱;A具有量綱,單位是kPa1-b。Charles等在1984年做了大量的試驗(yàn),驗(yàn)證了此關(guān)系,并提出了一些參數(shù)建議值。Duncan在1984年提出的雙曲線應(yīng)力-應(yīng)變模式時(shí),對(duì)無黏聚性土彎曲的強(qiáng)度包線提出了以下對(duì)數(shù)關(guān)系式:式中:σ3為小主應(yīng)力,即在進(jìn)行三軸試驗(yàn)時(shí)的周圍應(yīng)力。從原點(diǎn)向相應(yīng)某一σ3的摩爾圓作切線,即得到按式(5)確定的φ。由于鄧肯的雙曲線應(yīng)力-應(yīng)變模式在我國廣泛使用,對(duì)于大部分工程,都可以找到相應(yīng)的材料參數(shù)φ0和?φ,因此新的《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定使用鄧肯的對(duì)數(shù)非線性模式進(jìn)行非線性分析。對(duì)國內(nèi)外26個(gè)水利工程大壩的硬巖堆石料的171組822個(gè)三軸固結(jié)排水試驗(yàn)資料進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),得到抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的均值μ與標(biāo)準(zhǔn)差σ如表1所示。從表中可以發(fā)現(xiàn),線性參數(shù)中咬合力的變異性較大,而非線性指標(biāo)參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差都較小。線性無黏聚力模型的內(nèi)摩擦角均值只比線性有咬合力模型的略大一點(diǎn)。因此,用線性無黏聚力模型計(jì)算得到的邊坡安全系數(shù)必然較小。3分級(jí)數(shù)指標(biāo)值我國《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定強(qiáng)度指標(biāo)應(yīng)采用小值平均,而不是該強(qiáng)度試驗(yàn)成果的均值。《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范則》規(guī)定取0.1分位數(shù)。如果假定強(qiáng)度參數(shù)按正態(tài)分布,取強(qiáng)度指標(biāo)值為μ-kσ(k為分位數(shù)對(duì)應(yīng)的常數(shù)),則這兩個(gè)文件規(guī)定的分位數(shù)0.25和0.1,分別相當(dāng)于k=0.675和1.28。其中μ和σ為其均值和標(biāo)準(zhǔn)差(參見圖1)。目前有關(guān)分位數(shù)標(biāo)準(zhǔn)的研究還不多。一般情況下,在沒有明確規(guī)定時(shí),為簡(jiǎn)單起見可用均值(期望值)減1.0倍的標(biāo)準(zhǔn)差作為強(qiáng)度指標(biāo)的設(shè)計(jì)值。4滑裂面線性指標(biāo)穩(wěn)定性的計(jì)算采用非線性強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行穩(wěn)定分析時(shí),在安全系數(shù)沒有算出來以前并不知道滑裂面上的應(yīng)力狀態(tài)。因此,需要預(yù)先假定一個(gè)線性抗剪強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行一次穩(wěn)定分析,并獲得滑裂面上的法向應(yīng)力,據(jù)此法向應(yīng)力確定非線性強(qiáng)度指標(biāo),再進(jìn)行一次穩(wěn)定分析,獲得相應(yīng)非線性強(qiáng)度指標(biāo)的安全系數(shù)。將這次分析獲得的法向應(yīng)力與前一次假定線性指標(biāo)的法向應(yīng)力相比較,如果誤差較大,則需通過迭代計(jì)算,最終獲得滿意的結(jié)果。具體的計(jì)算步驟如下:(1)根據(jù)假定的線性抗剪強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行穩(wěn)定分析,獲得滑裂面上各土條底的法向應(yīng)力{σn}o(“{}”指各土條底的相應(yīng)數(shù)值,這里為一組σn,下同),因?yàn)榻朴?jì)算,可用美國陸軍工程師團(tuán)法等簡(jiǎn)化方法進(jìn)行穩(wěn)定分析。(2)根據(jù)第(1)步計(jì)算獲得的{σn}o,按式(4)確定相應(yīng)的{τf},或根據(jù)式(5)確定φ,再根據(jù)式(3)確定{τf}。(3)根據(jù)第(2)步求得{τf},再進(jìn)行一次穩(wěn)定分析,可令φ=0,c=τf,此時(shí)可采用畢肖普法或其他方法。計(jì)算實(shí)踐表明,這一次穩(wěn)定分析獲得的沿滑裂面的法向應(yīng)力{σn}1和{σn}o相差并不大,一般不必再進(jìn)行迭代,即可將所得的安全系數(shù)視為最終值。瑞典法中{σn}o不依賴于安全系數(shù),如使用式(4)確定τf,則不需迭代。但如使用式(5)確定抗剪強(qiáng)度或使用Bishop法,則由于{σn}o依賴于安全系數(shù),因此φ中包含安全系數(shù),故仍需迭代。5堆石分區(qū)方案的確定糯扎渡水電站位于云南省瀾滄江中下游河段,是瀾滄江中下游河段梯級(jí)規(guī)劃二庫八級(jí)電站的第5級(jí),也是梯級(jí)中的兩大水庫之一。糯扎渡水電站裝機(jī)容量擬定為5850MW,總庫容為239.54×108m3。糯扎渡水電站心墻堆石壩最大壩高261.5m。大壩某設(shè)計(jì)比選剖面如圖2所示。心墻兩側(cè)的堆石在挖填平衡的原則下盡可能地多使用風(fēng)化巖石。因此,如何準(zhǔn)確評(píng)價(jià)糯扎渡大壩上、下游壩坡在各種靜力和動(dòng)力條件下的穩(wěn)定性成為設(shè)計(jì)中的重大技術(shù)問題。分別采用線性參數(shù)、鄧肯非線性參數(shù)和DeMello非線性參數(shù)計(jì)算了設(shè)計(jì)院提出的3種不同堆石分區(qū)方案上、下游壩坡在蓄水前后的靜力和動(dòng)力穩(wěn)定安全系數(shù)。圖2顯示的剖面為設(shè)計(jì)方案1,其他兩個(gè)方案基本與方案1相同,只是上游II區(qū)堆石所占體積大小略有不同。計(jì)算采用中國水科院的穩(wěn)定分析程序Stab2005。在統(tǒng)計(jì)了糯扎渡I區(qū)堆石19組102個(gè)試樣,II區(qū)堆石22組126個(gè)試樣的三軸固結(jié)排水試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,得到了堆石料抗剪強(qiáng)度計(jì)算參數(shù),如表2所示。其中線性指標(biāo)咬合力c的變異性較大,因此其小值平均計(jì)算公式采用μ–1.28σ,其他指標(biāo)小值平均計(jì)算公式為μ–1.0σ。每種方案計(jì)算竣工期、竣工期遭遇Ⅷ度地震和運(yùn)行期正常庫水位(812m高程)及運(yùn)行期遇地震等4種不同的工況。計(jì)算得到的最小安全系數(shù)如表3和表4所示。臨界滑裂面如圖3所示。其中方案1竣工期和運(yùn)行期的上下游臨界滑裂面如圖3所示。從表3、表4以及圖3中可以發(fā)現(xiàn),應(yīng)用3種不同的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)模型計(jì)算的安全系數(shù)非常接近,而且滑裂面的位置也基本相同。6抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的確定(1)采用無黏聚力的線性指標(biāo)進(jìn)行穩(wěn)定分析即不能發(fā)現(xiàn)安全系數(shù)的極值,也不能發(fā)現(xiàn)一個(gè)具有物理意義的臨界滑裂面。因此,這種模型不能用于堆石壩的壩坡穩(wěn)定分析。(2)在進(jìn)行非線性邊坡穩(wěn)定分析時(shí),抗剪強(qiáng)度指標(biāo)應(yīng)取某一分位數(shù)對(duì)應(yīng)的值,而不是均值,通?？梢杂镁禍p1.0~1.5倍的標(biāo)準(zhǔn)差來確定。(3)