基于砌砌石護(hù)坡的壩坡散粒體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

基于砌砌石護(hù)坡的壩坡散粒體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

1在壩體結(jié)構(gòu)參數(shù)和壩坡面滑弧穩(wěn)定性之間的關(guān)系分析水庫地震反應(yīng)時(shí)的加速度放大系數(shù)i是計(jì)算和分析的重要內(nèi)容。加速度放大系數(shù)αi又稱動(dòng)力分布系數(shù),是壩體某點(diǎn)的水平向(或豎向)最大加速度反應(yīng)值與輸入水平地震動(dòng)的峰值之比的最大值,即式中:αn?t為某點(diǎn)的水平向(或豎向)最大加速度反應(yīng)值;αmax0為輸入水平地震動(dòng)的峰值;nmax為離散時(shí)間點(diǎn)的總數(shù)。水平向(或豎向)最大反應(yīng)加速度為αi或αmax的計(jì)算分析一般運(yùn)用在兩個(gè)方面:一是擬靜力法計(jì)算滑弧穩(wěn)定時(shí),研究壩內(nèi)不同高程處αi值對(duì)滑弧穩(wěn)定的影響;二是用最大反應(yīng)加速度αmax可定性評(píng)價(jià)堆石或砌塊等散粒體沿表層滑動(dòng)或滾動(dòng)的可能性。堆石或徹塊的粒徑可達(dá)1.0m,在這約1.0m厚的表層不適宜作滑弧抗滑穩(wěn)定計(jì)算,因?yàn)榛》€(wěn)定計(jì)算的土體是作為一個(gè)整體滑動(dòng)而不是其中一、二顆大的散粒的滾動(dòng)或滑動(dòng)。散粒處由于其臨空周邊廣,地震慣性力在散粒所受的力中占主導(dǎo),散粒處的αmax越大,其所受的地震慣性力越大,滾動(dòng)或滑動(dòng)的可能性越大,可見由αmax來判定壩坡穩(wěn)定是假設(shè)壩體整體上是連續(xù)均勻的,而壩坡表面是散粒體,它只適用于判定壩坡表面散粒體的穩(wěn)定。實(shí)際上用αmax很難定量判定出壩坡的穩(wěn)定,因?yàn)橐话闵⒘ｓw的約束條件比較復(fù)雜,而且其穩(wěn)定性還受壩坡坡度的影響。散粒體穩(wěn)定性受加速度的影響不應(yīng)只單獨(dú)考慮水平向或豎向最大反應(yīng)加速度,而應(yīng)考慮水平向或豎向反應(yīng)加速度的共同作用。在四川剛完建或即將完建的土石壩工程中,許多土石壩壩面采用規(guī)則的正六邊形混凝土砌塊護(hù)坡,如冶勒瀝青心墻壩和水牛家礫石土心墻壩的上下游坡面。由于其護(hù)坡徹塊形狀規(guī)則,受力條件簡(jiǎn)單,則為定量分析徹塊散粒體的穩(wěn)定性提供了有利的實(shí)體模型。仿照評(píng)價(jià)潛在滑弧的穩(wěn)定性用抗滑安全系數(shù)K的作法,引入逸出安全系數(shù)Ks來評(píng)價(jià)砌塊散粒體在地震作用下的穩(wěn)定性。2斑塊的逸出安全如圖1所示,大壩的下游面砌塊受力平衡方程為式中:G為砌塊所受重力,G=mg;F為砌塊所受地震慣性力,與該點(diǎn)的反應(yīng)加速度方向相反,F=-mα;N為下層土體對(duì)砌塊的作用力;T為相鄰砌塊對(duì)該砌塊的作用力。沿砌塊的法向即圖1中局部坐標(biāo)系的y向砌塊受力的平衡方程為其中Ty=-(Txtanφ1+C)(5)式中:1φ為砌塊與砌塊之間的摩擦角;C為凝聚力。式(5)是假設(shè)砌塊與砌塊的摩擦力發(fā)揮到最大,被研究砌塊處于臨界逸出狀態(tài),Tx是一未知數(shù),須由下式x向砌塊受力的平衡方程求解。式中:φ2、C2為砌塊與下層土體之間摩擦角和凝聚力;K為砌塊與下層土體之間摩擦力的發(fā)揮系數(shù);φ2′為代換后砌塊與下層土體之間摩擦角。由式(6)、(7)得綜合式(4)、(5)和式(8)得到Ny的表達(dá)式:式(9)中,當(dāng)Tx>0時(shí),±取“+”號(hào),否則取“-”號(hào)。當(dāng)由式(9)求出的Ny≤0,則可以認(rèn)為砌塊失穩(wěn)。定義逸出安全系數(shù):砌塊的逸出方向?yàn)槠鰤K所在坡面的向上的法向,如圖1的y方向。按照通常定義安全系數(shù)的方法,Ks應(yīng)為抵制砌塊逸出的諸力之和除以促使砌塊逸出的諸力之和,但式(10)不符合這一原則,式(10)以Ny與mg的相對(duì)大小來表征安全系數(shù),當(dāng)Ny=0時(shí)砌塊處于極限平衡狀態(tài),Ks應(yīng)等于1.0,所以式(10)中含有1.0這個(gè)數(shù)字。在式(9)中,因當(dāng)砌塊有向上逸出趨勢(shì)時(shí)周圍砌塊總是起限制其逸出作用,故式(9)右邊的±只取“+”號(hào)。另,tanφtanφ2的值遠(yuǎn)小于1.0,可忽略,于是式(9)變?yōu)楹?jiǎn)化后的式(11)在砌塊處于脫離壩坡但仍受相鄰砌塊約束的情況下是精確的表達(dá)式,在砌塊沒脫離壩坡即Ny>0的情況下是近似的表達(dá)式,則由式(10)和式(11)得式中:c=C/mg。定義最小逸出安全系數(shù)為3平向地震動(dòng)和ksmin的計(jì)算方法金川水電站位于四川省阿壩藏族羌族自治州金川縣境內(nèi)大渡河干流上,電站壩址距下游金川縣城約13km。面板壩建基面最低高程為2147.00m,最大壩高111.50m,壩頂寬10.00m,上下游壩坡坡比均為1:1.5,壩體結(jié)構(gòu)圖見圖2。壩址區(qū)屬于低烈度區(qū),50年超越概率10%的基巖地震動(dòng)峰值加速度為0.097g,相應(yīng)地震基本烈度為Ⅶ度。輸入的水平向地震動(dòng)見圖3(圖中數(shù)據(jù)為節(jié)點(diǎn)號(hào)),輸入的豎向地震動(dòng)圖4,豎向地震動(dòng)峰值為0.064g。土的動(dòng)本構(gòu)采用Hardin等效線性化模型,動(dòng)剪切模量G和阻尼比λ為式中:P為靜平均圍壓,P=(σ1+σ2+σ3)/3;γd為動(dòng)應(yīng)變幅值;λmax為最大阻尼比;為歸一化動(dòng)動(dòng)剪應(yīng)變,;Pa為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓;k2、n、k1為試驗(yàn)參數(shù);σ3為圍壓。各材料的動(dòng)力試驗(yàn)參數(shù)為根據(jù)其他工程同一材料的試驗(yàn)參數(shù)類比而得,見表1。按式(12)計(jì)算下游坡面各節(jié)點(diǎn)在不同時(shí)刻的Ks,取θ=34°(坡角)。Ks的計(jì)算結(jié)果分2組,對(duì)應(yīng)2組計(jì)算方案,方案1取φ1=5°、c=0.01。方案2取φ1=0°、c=0.0,計(jì)算出各節(jié)點(diǎn)的最小Ks見表2,壩體的αi反應(yīng)值見圖5。由表2可見,即使不考慮相鄰砌塊對(duì)被研究砌塊的約束作用,下游邊坡的穩(wěn)定性也是有保障的,在保守的計(jì)算方案2情況下,Ksmin最小值發(fā)生在壩頂,為1,64,Ksmin最大值發(fā)生在近壩腳處,為1.692。從表2亦見,水平向αmax在多數(shù)情況下比豎向αmax小,由水平和豎向的反應(yīng)加速度共同影響Ksmin值,顯然僅由水平向αmax來判定壩坡散粒體的穩(wěn)定性是不太合理的。壩坡αmax的變化幅度比Ksmin大得多,Ksmin的值相對(duì)穩(wěn)定。4斑塊的穩(wěn)定驗(yàn)算與比較使斑塊成為一種約束條件,主要表現(xiàn)為塊(4)材料動(dòng)參數(shù)對(duì)αmax反應(yīng)有較大影響,式(14)中的k2、n越大,式(15)中的λmax越小,于是αmax越大,最小逸出安全系數(shù)Ksmin勢(shì)必越小,因此測(cè)試出可靠的材料的動(dòng)參數(shù)對(duì)判定壩坡砌塊的穩(wěn)定性十分重要。(5)水對(duì)砌塊穩(wěn)定性影響作用較復(fù)雜,以上分析砌塊穩(wěn)定時(shí)沒有考慮水的作用,研究對(duì)象暫限于下游壩坡的砌塊。(6)砌塊的抗震穩(wěn)定性應(yīng)為兩種情況考慮,一種是本文所分析的逸出問題,另一種是砌塊沿壩坡的滑動(dòng)問題。但砌塊在切向上受相鄰砌塊(主要是下部的相鄰砌塊)的約束作用明顯,大幅滑動(dòng)的可能性小,且其滑動(dòng)后還較大可能保持穩(wěn)定。式中:φ1為砌塊與砌塊之間的摩擦角;C為凝聚力。(1)砌塊的約束條件是影響砌塊穩(wěn)定的一個(gè)主要因素。砌塊與砌塊之間以鍵槽連接,除非連接鍵被折斷,砌塊不會(huì)在地震作用下逸出,但即使不考慮相鄰砌塊的約束,砌塊在絕大多數(shù)情況下也是穩(wěn)定的。因此,為了考慮諸如材料動(dòng)參數(shù)對(duì)砌塊穩(wěn)定的影響,為簡(jiǎn)化分析,可令式(12)中φ1=0和c=0,即不考慮相鄰砌塊的約束作用。(2)當(dāng)Ny≤0時(shí),砌塊脫離其下土層,但砌塊并不一定會(huì)失穩(wěn),因?yàn)樵谄鰤K未與相鄰砌塊脫離之前,砌塊又可能再與其下土層相接觸。砌塊脫離土層后受相鄰砌塊的作用,受力及運(yùn)動(dòng)過程極其復(fù)雜,為簡(jiǎn)化和保守起見,不必考慮砌塊脫離后又接觸土層的情況。值得一提