混凝土面板堆石壩穩(wěn)定可靠度分析

混凝土面板堆石壩穩(wěn)定可靠度分析

堆垛土和其他粗粒土的抗切割強度與法向應(yīng)力或小局部阻力呈非線性關(guān)系。應(yīng)使用非線性強度指數(shù)計算堆石壩的壩壁穩(wěn)定性。參數(shù)隨機(jī)性導(dǎo)致的計算結(jié)果不確定性給工程安全帶來風(fēng)險,傳統(tǒng)的安全系數(shù)設(shè)計法采用一個大于1的允許安全系數(shù)來保證工程結(jié)構(gòu)的抵御風(fēng)險能力,但允許安全系數(shù)的選取依賴于經(jīng)驗的積累,是一個定性的標(biāo)準(zhǔn)。通過大量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計建立參數(shù)隨機(jī)性的概率模型,采用結(jié)構(gòu)可靠度分析的理論和方法,可求出結(jié)構(gòu)抵御風(fēng)險能力的定量指標(biāo)(失效概率Pf或可靠指標(biāo)β)。對于高面板堆石壩,有必要采用非線性強度指標(biāo)進(jìn)行壩坡穩(wěn)定可靠度分析。周曉光等采用Rosenbleuth法計算了十三陵上池面板堆石壩下游邊坡的線性強度指標(biāo)穩(wěn)定可靠度;欒茂田等采用驗算點法和統(tǒng)計矩法計算了洪家渡面板堆石壩邊坡的線性強度指標(biāo)穩(wěn)定可靠度;王長德等采用滑楔法和一次二階矩法計算了某面板堆石壩邊坡的德邁洛非線性強度指標(biāo)穩(wěn)定可靠度;陳祖煜等采用簡化畢肖普法和Rosenbleuth法計算面板堆石壩邊坡的鄧肯非線性強度指標(biāo)穩(wěn)定可靠度。簡化畢肖普法和一次二階矩法分別是規(guī)范規(guī)定的土石壩壩坡穩(wěn)定計算和水工結(jié)構(gòu)可靠度計算的兩種基本方法,同時規(guī)范規(guī)定堆石壩壩坡穩(wěn)定計算應(yīng)采用鄧肯非線性強度指標(biāo)。本文將簡化畢肖普法、一次二階矩法和鄧肯非線性強度指標(biāo)相結(jié)合,提出了一種面板堆石壩壩坡穩(wěn)定可靠度分析方法,并通過工程案例驗證了其適用性。1水庫邊坡穩(wěn)定可靠度計算方法1.1土條土條受力分析根據(jù)簡化畢肖普法定義的抗力彎矩MR和滑動彎矩MS,構(gòu)造壩坡穩(wěn)定可靠度分析的功能函數(shù)如下:式中,W為土條重量;V為鉛直向地震慣性力;α為條塊重力線與通過此條塊底面中點的半徑之間的夾角;u為作用于土條底面中點的孔隙壓力;b為土條寬度;c′、φ′為土條底面的有效應(yīng)力抗剪強度指標(biāo);Mc為水平向地震慣性力對圓心的力矩;R為圓弧半徑。對于堆石等粗粒土,采用非線性強度指標(biāo)φ0和Δφ進(jìn)行穩(wěn)定計算:1.2功能函數(shù)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差將功能函數(shù)在設(shè)計驗算點處按一階Taylor展開,有:展開后的功能函數(shù)為隨機(jī)變量X1,X2,…,Xn的線性函數(shù),其均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為:式中,為隨機(jī)變量X1,X2,…,Xn的均值和標(biāo)準(zhǔn)差;分別為功能函數(shù)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差。壩坡穩(wěn)定的可靠指標(biāo)為:式(8)中的設(shè)計驗算點可按迭代獲得:其中對非正態(tài)分布的隨機(jī)變量按下式當(dāng)量正態(tài)化:式中,Fi(·)、fi(·)分別為原隨機(jī)變量Xi的分布函數(shù)及概率密度函數(shù);Φ-1(·)、φ(·)分別為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)的反函數(shù)和概率密度函數(shù);分別為當(dāng)量正態(tài)化后隨機(jī)變量X′i的均值和標(biāo)準(zhǔn)差。采用一次二階矩法計算可靠度的關(guān)鍵是導(dǎo)出功能函數(shù)對隨機(jī)變量的偏導(dǎo)數(shù)。鑒于大壩幾何尺寸和堆石重度的變異性較小,所以只將強度指標(biāo)作為隨機(jī)變量。壩坡穩(wěn)定功能函數(shù)對非線性強度指標(biāo)的偏導(dǎo)數(shù)為:2工程應(yīng)用案例2.1壩—工程概況某水電站位于四川省涼山州木里縣境內(nèi)的木里河干流上,系該河段梯級開發(fā)的控制性水庫工程,采用混合式開發(fā)。水庫正常蓄水位為2850.00m,死水位2800.00m,校核洪水位2852.20m,總庫容3.745×108m3,具有年調(diào)節(jié)能力。攔河大壩為混凝土面板堆石壩,壩頂高程2856.00m,壩頂寬11.00m,最大壩高171.00m,上游壩坡為1∶1.4,下游壩坡2802.00m高程以上為1∶1.5,2802.00m高程以下為1∶1.4。大壩自上游至下游依次為棄渣壓重區(qū)、粘土鋪蓋區(qū)、墊層區(qū)、過渡區(qū)、主堆石區(qū)、次堆石區(qū)、大塊石護(hù)坡、下游壓重區(qū)。2.2采用水庫橫截面穩(wěn)定和可靠性計算臺階和強度參數(shù)2.2.1壩上水位情況。在正常蓄水位+設(shè)計地震根據(jù)有關(guān)規(guī)范的規(guī)定和工程實際情況,該面板堆石壩壩坡穩(wěn)定計算考慮以下幾種工況。(1)施工工況。根據(jù)施工進(jìn)度,第4年11月~第5年3月壩體全斷面填筑至壩頂,第5年汛期二期面板施工完畢(面板頂高程為2805.00m),壩體擋水度汛標(biāo)準(zhǔn)為200年一遇,相應(yīng)設(shè)計洪水流量為1320m3/s,壩體上游水位為2774.82m,下游水位為2711.79m。(2)穩(wěn)定滲流工況。穩(wěn)定滲流工況的大壩上游水位按正常蓄水位(2850.00m)、設(shè)計洪水位(2851.13m)、校核洪水位(2852.20m)三種情況考慮,相應(yīng)下游水位分別為2701.40、2703.07、2703.95m。(3)地震工況。(1)正常蓄水位+設(shè)計地震。上、下游水位分別為2850.00、2701.40m,地震加速度基準(zhǔn)值為50年內(nèi)超越概率10%,相應(yīng)的基巖地震水平動峰值加速度ah=149cm/s2,動態(tài)分布系數(shù)取3.0,地震作用效應(yīng)折減系數(shù)取0.25。(2)正常蓄水位+校核地震。上、下游水位分別為2850.00、2701.40m,地震加速度基準(zhǔn)值為100年內(nèi)超越概率2%,相應(yīng)的基巖地震水平動峰值加速度ah=310cm/s2,相應(yīng)動態(tài)分布系數(shù)取2.25,地震作用效應(yīng)折減系數(shù)取0.25。(3)死水位+設(shè)計地震。上、下游水位分別為2800.00、2701.40m,地震加速度基準(zhǔn)值為50年內(nèi)超越概率10%,相應(yīng)的基巖地震水平動峰值加速度ah=149cm/s2,相應(yīng)動態(tài)分布系數(shù)取3.0,地震作用效應(yīng)折減系數(shù)取0.25。2.2.2壩坡穩(wěn)定可靠度指標(biāo)壩料及壩基覆蓋層的重度和抗剪強度指標(biāo)設(shè)計值見表1。由于過渡層、主堆石體、下游堆石體和覆蓋層的強度波動對壩坡穩(wěn)定的影響較大,因此將過渡層、主堆石體、下游堆石體和覆蓋層的強度指標(biāo)作為壩坡穩(wěn)定可靠度分析的基本隨機(jī)變量。根據(jù)三軸試驗資料,并參考類似工程統(tǒng)計資料,確定壩料及壩基覆蓋層材料強度指標(biāo)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差見表2。2.3壩坡穩(wěn)定可靠度計算方法的確定圖1、表3為某電站面板堆石壩壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)及可靠度計算結(jié)果。由圖1可看出:(1)由于水壓作用,上游壩坡的安全系數(shù)和可靠指標(biāo)均明顯大于下游壩坡和深層滑動,且上游水位越高,安全系數(shù)和可靠指標(biāo)的計算值越大。由于可靠度計算結(jié)果包含了材料強度參數(shù)隨機(jī)性(或離散性)的影響。即便安全系數(shù)接近,可靠指標(biāo)卻可能相差較大,如各工況下游壩坡和深層滑動的Fsmin差異較小,但βmin的差別明顯。(2)各工況下游壩坡的Fsmin和βmin對應(yīng)的臨界滑弧位置較接近,臨界滑弧基本位于下游堆石體中,從下游堆石體底部附近滑出;下游深層滑動的Fsmin和βmin對應(yīng)的臨界滑弧位置有一定差別,Fsmin的臨界滑弧水平深度約為91~98m,主要位于主堆石體及壩基覆蓋層中,βmin的臨界滑弧水平深度約為83~85m,主要位于下游堆石體及壩基覆蓋層中,Fsmin和βmin的臨界滑弧均從下游圍堰下游側(cè)坡腳附近滑出;上游壩坡的Fsmin和βmin對應(yīng)的臨界滑弧位置差別很大,與Fsmin對應(yīng)的滑弧水平深度約為32~51m,滑弧出口位置較高,與βmin對應(yīng)的滑弧水平深度約為133~181m,滑弧出口位置較低。由表3可看出,各工況上、下游壩坡及深層滑動的Fsmin均大于規(guī)范規(guī)定的最小安全系數(shù)。壩坡穩(wěn)定可靠度計算尚無專門的評價標(biāo)準(zhǔn),若采用規(guī)范規(guī)定的目標(biāo)可靠度(βT=4.2),則除地震工況的下游壩坡外,各工況上、下游壩坡及深層滑動的βmin均滿足要求。地震工況下游壩坡的βmin=3.119,相應(yīng)的失效概率約為千分之一。3考慮材料強度的空間異a.提出了一種計算混凝土面板堆石壩壩坡穩(wěn)定可靠度的方法。通過實際工程的應(yīng)用,驗證了該方法的適用性,得到壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)與可靠度計算結(jié)果的規(guī)律基本一致,但由于可靠度計算考慮了材料強度參數(shù)隨機(jī)性的影響,在某些情況下安全系數(shù)接近,但可靠指標(biāo)差異較大,安全系數(shù)和可靠度計算的臨界滑弧差異也較大。b.可靠度法相比安全系數(shù)法在理論上更為嚴(yán)密,對重要工程的設(shè)計,建議同時采用安全系數(shù)法和可靠度法。c.現(xiàn)行工程設(shè)計規(guī)范正逐步從單一安全系數(shù)設(shè)計法向基于可靠度理論的分項系數(shù)極限狀態(tài)設(shè)計法過渡,我國《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》已將抗滑穩(wěn)定分項系數(shù)設(shè)計法列入資料性附錄。將可靠度理論應(yīng)用于土石壩設(shè)計符合工程設(shè)計和科學(xué)研究的發(fā)展趨勢。d.本文可靠度分析未考慮材料強度隨機(jī)性的空間分布差異,今后將引入隨機(jī)場理論,研究非線性強度指