混凝土拱坝坝肩抗滑稳定三维非线性有限元分析

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发布时间：2021-09-18

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混凝土拱坝坝肩抗滑稳定三维非线性有限元分析
袁志刚，马连军，种秀灵2
(1．江西省水利规划设计院规划设计分院，江西南昌330029； 2．四川水利职业技术学院环境系，四川都江堰611830)
摘要：拱坝坝肩的稳定是保障拱坝安全的关键因素之一。目前，拱坝坝肩稳定分析多采用刚体极限平衡法，该
法不能考虑岩体的弹塑性变形，也不能模拟岩体构造的复杂性，所以就不能很好地反映坝肩岩体的破坏机理
以及坝体与基岩的整体作用效果。从材料的弹塑性理论出发，应用三维非线性有限元法对坝体和坝肩岩体抗
滑稳定进行分析。通过对具体工程模型的计算分析，分别以荷载突变和材料强度逐渐降低两种方式对坝肩岩
体抗滑安全稳定给予评价。工程分析成果表明：非线性有限元法是进行拱坝及坝肩稳定分析的一种有效方
法．能充分反映大坝与坝基岩体的共同作用效应。
关键词：三维非线性有限元；拱坝坝肩岩体；应力和位移；抗滑稳定安全系数；本构关系
中图法分类号：TV642．4 文献标志码：A
随着我国水利水电建设的蓬勃发展，拱坝逐渐成
为筑坝的首选坝型之一。由于拱坝的受力机制，坝肩
岩体的稳定必然是评价拱坝整体安全性的重要因
素⋯ ，这也是水利水电工程科学的重点研究课题。
目前，关于拱坝坝肩稳定性的评价方法，工程中通
常采用刚体极限平衡法，该方法计算原理简单，但
要有长期的实践经验，要有一套相应的稳定判别标准。
因它没有考虑变形协调条件和材料的本构关系，所以
也就不能真实反映坝基岩体渐进失稳的过程和破坏的
力学机理。而非线性有限元法能够克服刚体极限平衡
法的缺陷，模拟坝体混凝土和岩体的非线性本构关系，
并进行材料分区，将坝体和基岩作为整体模型进行计
算分析，从而能真实地反映拱坝坝肩岩体的失稳机理
和破坏过程，为评价拱坝坝肩的稳定性提供了保障。
1 计算方法
非线性有限元法充分考虑了岩体不同材料的力学
特性和岩体构造的复杂性，能以超载和材料的强度储
备形式对坝肩岩体进行稳定分析，计算的安全系数成
果能直观地反映滑裂面的失稳过程。
超载安全系数法建立在坝基岩体力学参数不变的
情况下，将作用荷载按比例逐渐增加，直到坝肩岩体滑
裂面滑移失稳，以坝肩整体滑移时，相应的超载倍数作
为坝肩整体超载抗滑稳定安全系数。超载安全系数的
实际意义可以看作是突发洪水情况对拱坝结构的安全
影响。
强度储备安全系数法考虑了坝肩岩体具有一定的
强度储备能力，在荷载组合值不变的条件下按比例降
低坝肩岩体及滑裂面的抗剪强度，直到滑裂面滑动，结
构失稳，以坝肩整体滑动时，相应的强度储备系数作为
坝肩岩体强度储备抗滑稳定安全系数。强度储备安全
系数的实际意义可以理解为坝肩岩体和软弱结构面由
于受到库水的浸泡或渗漏的影响，其力学参数逐步降
低的程度，同时岩体强度的取值是在勘测阶段提出的，
存在一定范围的偏差影响。
抗滑稳定安全系数一般是以滑裂面上的阻滑力与
滑动力的比值来定义的。设抗滑稳定安全系数为，
则有如下定义：