拱坝稳定计算理论方法论述

摘要：拱坝在施工期间与运行期间均有不同程度的开裂情况，有些裂缝的出现严重影响了拱坝的安全，甚至是溃坝的前兆，而有些裂缝的出现改变了拱坝的应力结构，释放了超限的应力从而改善了拱坝的应力状况。所以，检查拱坝是否开裂并对开裂坝体进行裂缝成因及修补措施分析的关键是计算坝体应力应变、复核坝体抗滑稳定性。拱坝坝肩坝基抗滑稳定分析有许多方法，常用三种主要的分析方法有刚体极限平衡法、模型试验和有限元法。

关键词：拱坝 稳定 理论

中图分类号： TV642.4 文献标识码： A 文章编号：

随着计算机广泛应用于自然科学和有限元方法的不断成熟，有限元法应用更加广泛，特别是在大、中型水利工程中已经成为不可替代的有效方法。

1刚体极限平衡法

与其他分析坝肩抗滑稳定的方法相比，刚体极限平衡法理论成熟、概念清晰、计算简单，为过去和现阶段的工程所普遍采用，也是目前规范规定采用的方法。

在刚体极限平衡法中，有二维和三维两种计算方法：

二维抗滑稳定分析即局部稳定分析，一般是取任一高程单位高度的拱圈，并将每层拱圈对应的坝肩抗力体岩石沿垂直方向切取单位高度，或沿水平方向切取单位宽度进行计算研究。因此，如果以该法计算的各高程拱圈均能独立维持稳定，则拱坝坝肩的整体稳定当更无问题。反之，少数拱圈的稳定性不足，并不意味着拱坝一定不安全，而应该进一步研究拱坝的整体稳定性是否满足要求。

三维抗滑稳定分析即整体稳定分析，该法是从坝肩被断层、节理、裂隙分割的整个岩石块体群中，人为地取出若干被判定为有可能滑动的块体进行力学分析计算，然后比较其安全系数值，取最小的一个作为坝体的安全系数。该方法力学概念清晰，与二维方法相比，能更全面的体现出拱坝受力条件与地质薄弱面分布的复杂性，因此三维刚体极限平衡法使用更多。

在傅作新教授提出的拱坝的上滑稳定分析的改进方法中，也使用了刚体极限平衡法[21]，总体而言，刚体极限平衡法是一种传统的稳定分析方法，其理论成熟、概念清晰、计算简单，为过去和现阶段的工程所普遍采用，但是该方法计算比较粗略，引入较多假定，采用的岩体物理力学模型属于“刚塑性”，因此，在拱坝坝肩稳定分析方面还有其不足之处[1]。

2有限元法

从结构力学的角度出发，有限元法实质上是将一个连续的实体人为地离散为若干单元，相邻的单元在结点处相互连接。先对每个单元的应力应变特性进行研究，计算单元的刚度矩阵，进而组成整体刚度矩阵，再以静力等效的方式把所有的外荷载转移到各个结点上，组成结点的荷载列阵，最后通过结点上的平衡条件及整体的边界条件建立方程，计算出结点位移，进而求出单元的应变和应力[2-3]。

随着线性及非线性有限元理论的不断完善，有限元法在拱坝坝肩稳定分析中的应用也越来越广泛。我国有关规范中规定：拱座抗滑稳定的数值计算方法以刚体极限平衡法为主，1、2级拱坝或地质情况复杂的拱坝还应辅以有限元法或其他方法进行分析[4]。

采用有限单元法分析拱坝坝肩稳定时，可以将坝体、坝肩作为整体计算，得到坝体内的应力和变形分布，据以分析坝肩的稳定。一般取一定范围的岩体作为拱坝的地基，在此范围内划分坝体及地基岩体单元，要求结点处三维力平衡、三维变位相容。其优越之处在于：拱坝各单元的材料特性可以不同，能更好地符合拱坝材料分区的实际情况；地基内各单元的材料特性可以是非均匀、各向异性的，还可以考虑地质构造的影响；坝体内各单元之间力的平衡和变位相容是对每一个结点的要求，这样能更好地符合坝体内力平衡和变位共容的条件。因此，用有限元方法进行坝肩稳定分析逐渐成为一种发展趋势，通过对坝体及地基岩体的应力、变形分析，进而分析坝肩岩体及坝体结构的稳定性。

根据毕肖普50年代重新定义的滑坡稳定安全系数概念，即每个条块的安全系数等于该条块底部的抗剪强度与土体发挥的剪应力之比，再根据Mhor—Colun准则，最后对整个滑动面进行加权处理，取条块底部的弧长为权函数，得整个滑面的安全系数。求得安全系数值后，取其中的最小值作为坝肩的抗滑稳定安全系数值，其对应的滑动面即为最危险滑动面。

显而易见，采用有限单元法能够充分考虑岩体不同区域材料的力学特性、坝肩岩体构造的复杂性以及岩体变形对坝体结构的影响，并且能够一次算出稳定安全系数。另外，在分析过程中，可以得到危险滑移面上应力、应变及稳定安全系数的变化规律，定量的指出最危险区域的位置，这是前面几种评价安全度方法所不及的[5]。因此，用有限元方法进行坝肩稳定分析逐渐成为一种发展趋势。对于拱坝的上滑稳定问题，也可以用非线性有限单元法进行分析。此法可以给出拱坝开始加载直至破坏全过程的应力和变形规律。为了检验沿坝基面上滑的可能性，可以在拱坝坝基面布置薄层单元，并在计算时校核沿坝基面和横缝面的滑移或分离条件。这种方法己被用于某些高拱坝的上滑稳定分析[6]。而对于拱坝的等效应力分析，也要基于有限单元法所计算出的应力。因为有限单元法把拱坝离散为一系列的单元和结点，并可以求出这些结点上的应力和变形。根据求出的应力，可以用编的程序进行等效以得到改善后的等效应力[7]。

3地质力学模型试验法

20世纪70年代末、80年代初发展起来的地质力学模型试验技术，是建立在相似理论基础之上的试验方法，它可以做到与原型的重力相似、地质构造的产状和物理力学参数等都相似，能分析地基结构的破坏形态、破坏机理以及稳定性等问题。具体过程是将原型放大或缩小一定的几何比尺并经简化处理制成实体模型，采用试验的手段，研究结构的工作状态及地质构造条件对工程的影响。对于包含一定范围持力地基的拱坝整体地质力学模型试验，一般采用超载法揭示拱坝的破坏机制、破坏过程以及对坝肩稳定起控制作用的地基薄弱部位。

在模型材料方面，经过多年的研究，已经解决了坝肩与岩体自重材料的模拟及非正交裂隙块体和断层、软弱岩体的模拟技术，解决了非正交裂隙岩体及软弱岩体模拟的难题。

目前已能较真实地模拟岩体中的断层、破碎带及软弱带和主要的节理裂隙组，能体现岩体的非均匀等向、非连续、非弹性和多裂隙等岩石力学特征。采用地质力学模型试验已是研究拱坝整体结构及地基稳定的重要手段。

4稳定分析方法的选择

刚体极限平衡法具有概念清晰易懂、计算简单的特点，并经过长期实践的检验，故不失为一种可靠的概化分析方法。目前已被广泛应用于各类边坡工程中，所以，本工程中的坝体坝肩的稳定校核拟采用此法。

参考文献：

[1] 程心恕,李梅,方建瑞.拱坝坝肩稳定可靠度分析方法探讨[J].福州大学学报(自然科学版),2004(6):736-740

[2] 华东水利学院.弹性力学问题的有限单元法(修订版)[M].北京:水利电力出版社,1978

[3] 王箭成,邵敏.有限单元法基本原理与数值方法[M].北京:清华大学出版社,1988

[4] 顾冲时.有限元法在分析拱坝坝肩稳定中的应用[J].大坝观测与土工测试,1996(6):36-38

[5] 傅作新.拱坝设计计算的几个问题[J].水电站设计,2002.6

[6] 姜弘道,陈和群.有限单元法的程序设计[M].北京:水利电力出版社,1992