一種重力壩壩基深層抗滑穩(wěn)定臨界滑動面的計算方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種重力壩壩基深層抗滑穩(wěn)定臨界滑動面的計算方法，屬于重力壩穩(wěn)定性分析領域，本發(fā)明針對重力壩壩基緩傾軟弱結構面未露頭，但可能發(fā)生部分下游基巖的剪斷而產生滑動的情況，將下游基巖發(fā)生剪斷破壞滑面的位置變量作為優(yōu)化變量，以重力壩深層抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)作為目標函數(shù)，同時以等安全系數(shù)法方程為約束條件，建立重力壩深層抗滑穩(wěn)定性分析的非線性數(shù)學規(guī)劃模型，并使用數(shù)學規(guī)劃優(yōu)化算法求解下游巖體剪斷破壞的最不利臨界滑面以及其對應的安全系數(shù)的最小值，本發(fā)明方法具有概念明確、計算精度高等特點，可將其應用于重力壩深層抗滑穩(wěn)定性的分析。
【專利說明】一種重力壩壩基深層抗滑穩(wěn)定臨界滑動面的計算方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及重力壩壩基穩(wěn)定性分析的計算方法，特別涉及一種重力壩壩基深層抗滑穩(wěn)定臨界滑面的計算方法，屬于重力壩壩基穩(wěn)定性分析【技術領域】。
【背景技術】
[0002]重力壩是依靠自重產生的抗滑力來擋水的水工建筑物，是水利水電工程中一種常見的壩型。由于重力壩具有較好的安全性和經濟性，其在水利水電行業(yè)得到了廣泛的應用。隨著水電建設的發(fā)展和建設規(guī)模的日益增大，具有完整基巖的重力壩址越來越少，大部分重力壩均修建在地質條件復雜的巖基上，因此重力壩復雜壩基的抗滑穩(wěn)定問題變得日益突出。重力壩壩基巖體中存在著大量的軟弱結構面，當作用在壩體及巖體上的荷載達到一定值時，壩基會沿著一個或多個軟弱結構面組成的復合滑面發(fā)生破壞。根據(jù)重力壩壩基軟弱結構面產狀的不同，重力壩壩基深層滑動破壞可分為四種類型:單斜剪切滑動破壞、雙斜剪切滑動破壞、尾巖抗力體擠壓破壞和尾巖抗力體隆起破壞。在這四種類型中，最常見的類型為:單斜剪切滑動破壞、雙斜剪切滑動破壞。
[0003]單斜剪切滑動破壞屬于單滑面情況，其計算比較簡單，一般參照重力壩沿建基面滑動的抗滑穩(wěn)定公式進行計算。雙斜滑動穩(wěn)定性分析較單斜剪切滑動破壞復雜，其計算方法主要有三種:被動抗力法，等安全系數(shù)法，剩余推力法。其中等安全系數(shù)法為水利行業(yè)的重力壩設計規(guī)范所采用。等安全系數(shù)法的主要思想是:采用抗剪斷強度公式分別核算兩個滑面上的抗滑安全系數(shù)，并令這兩個安全系數(shù)相等，然后采用迭代法確定安全系數(shù)的值。
[0004]等安全系數(shù)法主要可用于以下兩類深層抗滑穩(wěn)定的計算:第一類是壩體帶動一塊基巖沿緩傾角并露頭的連續(xù)雙滑動面滑動；第二類是壩基緩傾軟弱結構面未露頭，也無可壓縮層，但可能發(fā)生部分下游基巖的剪斷而產生滑動。對于第一類情況應用等安全系數(shù)法可直接計算得出抗滑穩(wěn)定的安全系數(shù)；但對于第二類情況，下游基巖的斷裂面一般難以確定，現(xiàn)階段的設計方法一般是先假定一個下游基巖的斷裂面，再進行抗滑穩(wěn)定分析，然而此方法并不能夠確定最不利的下游基巖的斷裂面。
[0005]基于上述分析，針對壩基緩傾軟弱結構面未露頭，但可能發(fā)生部分下游基巖的剪斷而產生滑動的情況，本發(fā)明提出了一種重力壩壩基雙斜滑動臨界破壞滑面計算方法。

【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供一種重力壩壩基雙斜滑動臨界破壞滑面計算方法，并獲得壩基緩傾軟弱結構面未露頭且部分下游基巖發(fā)生剪斷而滑動的最不利臨界破壞滑面，為重力壩設計、壩基穩(wěn)定性計算提供一種新的方法和手段。
[0007]本發(fā)明的基本原理是:針對重力壩壩基緩傾軟弱結構面未露頭，但可能發(fā)生部分下游基巖的剪斷而產生滑動的情況，將下游基巖發(fā)生剪斷破壞滑面的位置變量作為優(yōu)化變量，以重力壩深層抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)作為目標函數(shù)，同時基于等安全系數(shù)法約束條件，建立重力壩深層抗滑穩(wěn)定性分析的非線性數(shù)學規(guī)劃模型，并使用數(shù)學規(guī)劃優(yōu)化算法求解下游巖體剪斷破壞的最不利臨界滑面以及其對應的安全系數(shù)的最小值。
[0008]本發(fā)明求解重力壩深層滑動破壞臨界滑面的非線性數(shù)學規(guī)劃模型時，以重力壩深層抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為目標函數(shù)(求解其最小值)，以重力壩下游巖體剪斷破壞的臨界滑面位置為優(yōu)化變量，同時以等安全系數(shù)方程為約束條件。
[0009]本發(fā)明的重力壩壩基雙斜滑動臨界破壞滑面計算方法的技術方案依次按以下步驟進行:
1、擬定重力壩壩基深層抗滑穩(wěn)定計算的相關參數(shù)。
[0010]根據(jù)重力壩的實際情況，擬定其計算參數(shù)，主要包括:重力壩壩體幾何參數(shù)、基巖幾何參數(shù)、材料參數(shù)(包括壩體、基巖和軟弱結構面的容重、凝聚力、摩擦系數(shù))、荷載參數(shù)信
肩、O
[0011]2、建立重力壩深層抗滑穩(wěn)定性分析的非線性數(shù)學規(guī)劃模型
(I)重力壩深層抗滑穩(wěn)定計算的受力分析
根據(jù)重力壩壩基緩傾軟弱結構面未露頭，部分下游基巖發(fā)生剪斷而產生滑動的雙斜滑動受力圖(如圖1所示)，圖1中:ADC為重力壩建基面，AB為緩傾軟弱結構面，BC為下游基巖發(fā)生剪斷的破壞滑面，BD為滑塊ABD、BCD的分界面；其他符號的意義具體如下:
W —作用于壩體上全部荷載(不包括揚壓力，下同)的垂直分量，kN ；
H —作用于壩體上全部荷載 的水平分量，kN;
G1、G2 ---分別為巖體ABD、B⑶重量的垂直作用力，kN ；
A、Λ —分別為AB、BC滑動面的抗剪斷摩擦系數(shù)； c[、C2 ---分別為AB、BC滑動面的抗剪斷凝聚力，kPa ；
Λ、為---分別為AB、BC滑動面的面積，m2 ；
a、β —分別為AB、BC滑動面與水平面的夾角；
U1、U2、U3 —分別為AB、BC、BD面上的揚壓力，kN ； β —分別為BD面上的作用力，KN ；
Ψ —BD面上的作用力β與水平面的夾角，從偏于安全取為O度。
[0012]本發(fā)明方法的主要目的是確定下游基巖發(fā)生剪斷的臨界破壞滑面BC的位置，因此設C點的位置坐標(&Λ)為優(yōu)化變量。根據(jù)初始擬定的重力壩壩體幾何參數(shù)、基巖幾
何參數(shù)、材料參數(shù)、荷載參數(shù)，上述變量中已知的變量為:W、H、S、C'1、C'2、.Α
、Qf、A ,而.為、G2、t/2為未知變量，且均為C點的位置坐標OcWc)的函數(shù)，即:
β= β(.χα^α),為=, (? = ^(xc>yc) , = U(xc,yc)。
[0013](2)目標函數(shù)
對于重力壩深層抗滑穩(wěn)定問題，一般定義安全系數(shù)為:尤=抗滑力/滑動力。本發(fā)明將重力壩抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)f作為目標函數(shù)，并尋求其對應于下游巖體臨界破壞滑面BC的最小值。
[0014](3)等安全系數(shù)法約束方程圖1所示的重力壩在發(fā)生雙斜面滑動破壞時，根據(jù)等安全系數(shù)法理論，ABD滑塊與BCD滑塊應該具有相同的安全系數(shù)，則ABD、BCD滑塊應滿足以下約束方程:
采用抗剪斷強度公式可得到ABD巖塊的穩(wěn)定安全系數(shù) <值:
【權利要求】
1.一種重力壩壩基雙斜滑動臨界破壞滑面計算方法，其特征在于:針對重力壩壩基緩傾軟弱結構面未露頭，但可能發(fā)生部分下游基巖的剪斷而產生滑動的情況，將下游基巖發(fā)生剪斷破壞滑面的位置變量作為優(yōu)化變量，以重力壩深層抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)作為目標函數(shù)，同時基于等安全系數(shù)法約束條件，建立重力壩深層抗滑穩(wěn)定性分析的非線性數(shù)學規(guī)劃模型，并使用數(shù)學規(guī)劃優(yōu)化算法求解下游巖體剪斷破壞的最不利臨界滑面以及其對應的安全系數(shù)的最小值。
2.根據(jù)權利要求1所述重力壩壩基雙斜滑動臨界破壞滑面計算方法，其特征在于按以下步驟進行: (1)根據(jù)重力壩的實際情況，確定計算參數(shù)，計算參數(shù)包括重力壩壩體幾何參數(shù)、基巖幾何參數(shù)、材料參數(shù)、荷載參數(shù)，其中材料參數(shù)包括壩體、基巖和軟弱結構面的容重、凝聚力、摩擦系數(shù)； (2)建立重力壩深層抗滑穩(wěn)定性分析的非線性數(shù)學規(guī)劃模型，構建模型時以重力壩深層抗滑穩(wěn)定的安全系數(shù)為目標函數(shù)，以等安全系數(shù)法方程為約束方程，以重力壩下游巖體剪斷破壞臨界滑面的位置變量作為優(yōu)化變量； A、重力壩深層抗滑穩(wěn)定計算的受力分析 針對重力壩壩基緩傾軟弱結構面未露頭，部分下游基巖發(fā)生剪斷而產生滑動的雙斜滑動，進行雙斜滑動模式的受力分析； B、將重力壩深層抗滑穩(wěn)定的 安全系數(shù)?:作為目標函數(shù)，并尋求其對應于下游巖體臨界破壞滑面的最小值，其中[=抗滑力/滑動力； C、以等安全系數(shù)法方程為約束方程 D、求解重力壩壩基雙斜滑動臨界破壞滑面的非線性數(shù)學規(guī)劃模型，數(shù)學模型具體表達式為:
【文檔編號】E02D1/08GK103469780SQ201310436202
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月24日 優(yōu)先權日:2013年9月24日
【發(fā)明者】李澤, 魏久坤, 姚激, 武亮 申請人:昆明理工大學