彭文明
(中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司勘測設(shè)計分公司,成都 610072)
混凝土重力壩依靠自重抵抗上游水推力,其壩基抗滑穩(wěn)定是重點關(guān)心的技術(shù)問題,尤其是深層抗滑穩(wěn)定,往往成為大壩安全的控制因素。經(jīng)過一個世紀的演變發(fā)展,形成了以剛體極限平衡方法為基礎(chǔ)的重力壩深層抗滑分析多種計算方法[1]。深層穩(wěn)定計算的滑移模式一般以單滑面和雙滑面為主,多滑動面在工程實踐[2-5]中也經(jīng)常遇到。
為解決工程實際問題,美國陸軍工程師團和我國國家能源局發(fā)布的重力壩設(shè)計規(guī)范中都給出了多滑面抗滑穩(wěn)定計算公式[6-7]。多滑動面抗滑穩(wěn)定計算以剛體極限平衡方法為基礎(chǔ),不考慮滑塊力矩平衡,對每個滑塊進行條分,并定義各滑塊抗滑穩(wěn)定安全系數(shù),或采用分項系數(shù)設(shè)計方法的各滑塊抗力作用比。按照潘家錚的“最大最小原理”[1],各滑塊可通過調(diào)整滑塊之間的作用力ΔQi,以發(fā)揮最大的抗滑能力。此時,滑動體系達到極限平衡,各條塊具有同等的抗滑穩(wěn)定安全度,即壩基整體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)FS或抗力作用比η。
根據(jù)上述計算原理,滑塊之間的未知作用力ΔQi對于壩基抗滑作用體系至關(guān)重要。隨著滑塊數(shù)量增多,穩(wěn)定計算的未知變量增多,其求解難度也進一步提升。為此,我國規(guī)范[7]在給出計算公式的同時,給出了方程求解思路。由于計算公式較為復雜,而求解思路過于簡單,在工程實踐中的指導作用不大,計算理論體系的不嚴謹甚至可能會誤導工程師。美國規(guī)范[6]雖然給出了詳細的求解方法,但由于其計算公式中假定滑塊抗力合力為水平方向,與我國規(guī)范有一定差異,不能簡單套用。
鑒于規(guī)范方法存在的不足,本文在剛體極限平衡理論框架基礎(chǔ)上,尋求壩基多滑面深層抗滑穩(wěn)定計算的優(yōu)化方法。
本文主要針對中國規(guī)范方法[7]展開分析,并對美國規(guī)范的計算方法[6]進行簡要闡述。
2.1.1 中國規(guī)范方法
我國國家能源局發(fā)布的《混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范》[7],給出了采用分項系數(shù)法的重力壩多滑面深層抗滑穩(wěn)定計算公式(以下簡稱中國規(guī)范方法)。圖1(a)為壩基抗滑穩(wěn)定計算剖面,單個條塊受力如圖 1(b)所示。
圖1 中國規(guī)范方法壩基抗滑穩(wěn)定計算示意圖Fig.1 Sketch of slide-resistant stability solution for dam foundation in Chinese standard
圖1 中:ΣH為壩面水平推力;Wi為滑塊上覆壩體重力;Gi為滑塊重力;Ui為滑塊底滑面所受水壓力;αi為底滑面傾角,以傾向下游為正;ΔHi為滑塊所受其他水平向荷載;ΔUvi為滑塊兩側(cè)面水壓合力;ΔQi為該滑塊兩側(cè)剪力合力,以指向上游為正;φi為ΔQi與水平向夾角,假定為已知。
單個滑塊的抗力函數(shù)R(·)和作用函數(shù)S(·)可分別表示為:
式中:f′di為底滑面的抗剪斷摩擦系數(shù);c′di為底滑面的抗剪斷凝聚力;Ai為底滑面面積。
式(1)和式(2)中的荷載和材料性能均采用設(shè)計值計算。
定義各條塊抗力作用比ηi如式(3)所示,滑動體系各條塊具有同等的抗力作用比η,此時滑動體系達到極限平衡,即壩基整體抗力作用比η。
式中:γ0為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù);γd為承載能力極限狀態(tài)的結(jié)構(gòu)系數(shù);ψ為設(shè)計狀況系數(shù);fk為材料性能的標準值;γm為材料性能的分項系數(shù);ak為幾何參數(shù)的標準值;γG為永久作用的分項系數(shù);GK為永久作用的標準值;γQ為可變作用的分項系數(shù);QK為可變作用的標準值。
對于同一壩基斷面而言,γ0,γd,ψ三者的數(shù)值相同,式(3)可簡化:
由式(4)可得到n-1個方程,其中含有n個未知數(shù)ΔQi,再由壩基體系內(nèi)力平衡條件可得
規(guī)范[7]提出,由式(4)和式(5)聯(lián)立求解得到各滑塊側(cè)向接觸面間的剪力ΔQi,再返回代入式(3)可得到抗力作用比η,從而完成抗滑穩(wěn)定計算。當η≥1時,即認為滿足穩(wěn)定要求。
2.1.2 美國規(guī)范方法
美國陸軍工程師團的重力壩設(shè)計規(guī)范[6]采用單一安全系數(shù)法進行重力壩多滑面深層抗滑穩(wěn)定計算(以下簡稱美國規(guī)范方法),其安全系數(shù)Fs計算表達式為:
式中:Vi為外部豎向力;HLi和HRi為左側(cè)和右側(cè)接觸面頂部以上及底部以下的外部水平力;Wi為滑塊自重;Ui為滑面揚壓力;Qi為滑塊之間抗力(規(guī)定為水平向);φi和 ci分別為滑面的抗剪斷摩擦角和凝聚力;Li和 αi分別為滑面長和傾斜角度。條塊受力示意圖見圖2所示。
圖2 美國規(guī)范方法計算單個條塊受力示意圖Fig.2 Force diagram of single sliding block in US standard
美國規(guī)范給出了具體求解過程,主要步驟為:
(1)假定 Fs初始值。
(2)由式(6)計算各滑塊抗力合力 Qi-1-Qi。
(3)由式(7)判定Fs是否為方程的解。
(4)若不滿足式(7),則調(diào)整 Fs,返回步驟(2)重新迭代計算。
(5)若滿足或近似滿足式(7),則計算終止。
中美規(guī)范均采用條塊兩側(cè)抗力的合力(以ΔQi表示)為未知量進行計算求解,其中中國規(guī)范假定ΔQi與水平向有一夾角φi,美國規(guī)范假定ΔQi為水平向,即 φi=0。
進一步分析可知,上述處理存在2個不足:未知變量ΔQi的物理意義不清晰和對變量ΔQi進行標量求和值得商榷。
2.2.1 未知變量ΔQi的物理意義不清晰
合力ΔQi及其作用方向φi,隱含了滑塊兩個側(cè)面上的抗力Qi-1和Qi的大小及方向信息。由于計算公式為標量表達式,未知變量ΔQi無法完整表達兩個側(cè)面上抗力的物理意義。比如計算出Qi為負值時,可以通過分析該接觸面是否允許出現(xiàn)拉應(yīng)力來判斷求解結(jié)果是否具有物理意義;但是當ΔQi為負值時,工程師無法確定其是否具有物理意義,即解的合理性無法判定。
美國規(guī)范假定ΔQi為水平向,求解確定的是剛體極限平衡條件下水平作用力平衡的整體安全系數(shù)Fs。事實上,滑塊之間的接觸面方向是不固定的,滑塊往往沿薄弱層面剪切破壞。當壩基節(jié)理裂隙發(fā)育時,沿裂隙的方向錯動破壞更符合實際情況。與此同時,影響抗力Qi作用方向的因素也較多。根據(jù)工程經(jīng)驗,取接觸面豎直且Qi為水平方向,通常更不利于壩基抗滑,安全系數(shù)相對較小[8-9]。美國規(guī)范采用的簡化處理偏于保守,計算公式缺乏靈活性,在特定條件下難以真實模擬實際情況。
2.2.2 對變量ΔQi進行標量求和值得商榷
中國規(guī)范方法以ΔQi為變量,其作用方向為φi(與水平向夾角,指向上游為正)。很顯然,各滑塊的ΔQi作用方向不相同。由于每個滑塊之間的抗力為內(nèi)力,應(yīng)滿足ΔQi水平向和豎向的分量求和均等于0。美國規(guī)范假定Qi為水平向,采用式(7)進行標量求和是可行的;而我國規(guī)范采用式(5)對ΔQi進行標量求和缺乏物理意義。當φi各不相同時,所有內(nèi)力ΔQi平衡應(yīng)采用矢量表達式,即
對于二維計算,式(8)為水平向和豎向2個平衡方程。若以式(8)替換式(5),與式(3)聯(lián)立,則方程數(shù)為n+2,多于未知數(shù),也無法完成計算,問題在于計算中假定ΔQi的作用方向φi均為已知。事實上,n個滑塊相互作用時,已知n-1個滑塊的ΔQi及作用方向φi時,可以求出第n個滑塊的ΔQi及φi。所以,規(guī)范方法假定n個φi均為已知,存在冗余假設(shè)。
因此,中國規(guī)范方法以作用方向不為水平的ΔQi作為未知變量求解多滑面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)(抗力作用比),其理論體系不嚴謹。在φi不相等時,求解得出的結(jié)果可能是錯誤的。
由于多滑面計算中,式(3)—式(5)以滑塊兩側(cè)抗力之和ΔQi為未知變量,同時假定ΔQi的方向φi均為已知數(shù),存在諸多問題,可能導致錯誤的計算結(jié)果。為此,本文提出優(yōu)化解法。
本文提出用滑塊之間接觸面上的抗力Qi代替ΔQi,還原滑塊受力的物理本質(zhì)意義,其他計算條件不變,按照如下步驟修正規(guī)范公式。
(1)定義條塊i與條塊i+1之間的抗力Qi及其與水平向夾角 φ′i,則有:
式中:Qi為滑塊i與滑塊i+1之間的抗力,以壓力為正,拉力為負;φ′i為Qi與水平向夾角。
特別地,當i=1以及i=n時,滑塊單側(cè)面受抗力,有 Q0=Qn= 0,式(9)和式(10)簡化為 i=1時,有
i=n時,有
(2)將式(9)代入式(1),式(10)代入式(2)得:
變換后,將式(11)、式(12)代入式(3),得
其中 pi和 qi為已知量,其表達式分別為:pi=
由前述假定,當 i=1時,Qi-1=0;i=n時,Qi=0。因此式(13)為 n個方程,其中含有 n個未知數(shù):Qi(i=1,2,…,n-1)和 η。
進行上述公式修正后,方程未知變量Qi物理意義更清晰,計算變量φ′i也具有直接的力學意義。參考文獻[1],抗力與水平面夾角tanφ′i取值范圍宜為[0,f′/Fs],這里 f′指接觸面上的摩擦系數(shù)。
3.2.1 迭代求解方法
式(13)的每個方程式擁有共同的未知變量η,可以采用單變量迭代求解(見圖3)優(yōu)化求解方式。
計算的具體步驟如下:
(1)假定初始抗力作用比η(為簡化表述,η已包含 γ0γdψ),并代入式(13)。
(2)由滑塊 1可求 Q1,即
(3)已知Q1后,由滑塊2可求Q2;依次遞推由滑塊 i(i=3,…,n-1)可求解 Qi(i=3,…,n-1),即
圖3 優(yōu)化方法的迭代求解思路Fig.3 Iterative solution of the optimized method
(3)同時,當抗力作用比為η時,由滑塊n也可求出滑塊n與滑塊n-1之間的推力,記為Q′n-1,即
完成步驟(1)—步驟(3)后,可得到第1次迭代的結(jié)果Qi(i=1,2,…,n-1)和Q′i。如果η為方程真解,則有Qn-1=Q′n-1;否則,Qn-1≠Q(mào)′n-1。因此,計算中可對η進行調(diào)整試算,反復求解Qn-1和Q′n-1,直到獲得近似解為事先給定的任意小的數(shù),是收斂控制標準),從而結(jié)束迭代過程。
3.2.2 迭代收斂分析
本文方法的迭代求解是以假定η來求解滑塊之間的剪力Qn-1,所以式(13)可以看作是η與Qn-1之間的函數(shù),即
根據(jù)Qi和η的物理力學意義,可以分析式(17)是單調(diào)函數(shù)。
(1)把滑塊1—滑塊n-1作為整體考慮,該滑移體系的未知外力為Qn-1,而且Qn-1是抗力,顯然隨著η的增大,需要的抗力 Qn-1也越大,因此函數(shù)F1(η)單調(diào)遞增。
(2)對滑塊n而言,Qn-1是作用力,對滑塊n的抗滑是不利的,顯然隨著η的增大,作用力Qn-1應(yīng)減小,因此函數(shù) F2(η)單調(diào)遞減。關(guān)于 F1(η)和F2(η)的單調(diào)性判斷,在拱壩壩肩穩(wěn)定分析[10]中可得到類似的結(jié)論。
根據(jù) F1(η)和 F2(η)的單調(diào)性,可以繪制函數(shù)曲線示意圖(如圖 4所示)。對于給定的 ηk,可以通過比較 Qn-1=F1(ηk)和 Q′n-1=F2(ηk)的大小,判斷 ηk與曲線交點 η′0(即方程的解)的位置關(guān)系,從而獲得下一次迭代ηk+1的調(diào)整路徑,使得ηk+1與η′0越來越接近。因此,對于一般情況,本文迭代求解方法是可以收斂的。
圖4 F 1(η)和 F 2(η)函數(shù)曲線Fig.4 Function curves of F 1(η)and F 2(η)
本節(jié)通過典型算例分析不同計算方法的差異。圖5所示的典型算例,壩基寬70 m,揚壓力折減位置距壩踵10 m,折減系數(shù)取0.25。大壩和基巖重度分別為 24 kN/m3和 26 kN/m3,淤沙浮重度取 6 kN/m3、內(nèi)摩擦角12°。
圖5 典型算例計算剖面Fig.5 Profile of typical example
典型算例中滑移通道相關(guān)參數(shù)如表1所示。
表1 典型算例滑移通道計算參數(shù)Table 1 Calculation parameters of slip surfaces in the typical example
本例主要為驗證計算方法的可行性,為方便不同方法對比,材料性能和作用分項系數(shù)以及γ0,γd,ψ均取1,計算結(jié)果η即為單一安全系數(shù)法的Fs。本例的荷載計算成果如表2所示。
表2 典型算例荷載成果Table 2 Calculated result of load in the typical example
在確定滑塊之間抗力的角度時,如前所述,抗力與水平面夾角的正切值 tanφ′i取值范圍宜為[0,f′/Fs],下面分別取 tanφ′i為 0(方案 1)和 f′/Fs(方案2)2種方案進行計算。本例的壩基裂隙較為發(fā)育,以裂隙的摩擦系數(shù)0.8作為滑塊①和滑塊②之間接觸面的f′,以新鮮巖石的摩擦系數(shù)1.0作為滑塊②和滑塊③之間接觸面的f′。
下面分別采用本文優(yōu)化方法、中國規(guī)范方法、美國規(guī)范方法進行對比計算。
首先采用本文優(yōu)化方法計算,可以得到2種方案的安全系數(shù)分別為2.97和3.56(見表3),方案2安全系數(shù)提高幅度達到19.9%,此時2個接觸面的抗力角度分別為12.65°和15.67°。
表3 典型算例按本文優(yōu)化方法的計算結(jié)果Table 3 Calculation result by the proposed optimized method for the typical example
然后采用中國規(guī)范方法,計算需要輸入條塊抗力合力的角度。對于方案2,考慮到滑塊①和滑塊③只受單面推力,抗力合力的方向φi與φ′i數(shù)值相同;而滑塊②抗力合力的方向取決于兩側(cè)接觸面抗力的大小及方向,因此難以確定。本文計算中,做如下2種處理方式:
(1)取滑塊②滑移通道的摩擦系數(shù)0.5作為輸入?yún)?shù),通過 f′/Fs計算合力方向,即 tanφ2=0.5/Fs,此方式記為方案2(1)。
(2)φ2取 φ1和 φ3的平均值,此方式記為方案2(2)。
值得說明的是,方式(1)和方式(2)均沒有實際物理意義,此處僅為計算的簡化處理。
采用中國規(guī)范公式,參考美國規(guī)范求解思路,聯(lián)立式(3)和式(5)求解,計算結(jié)果見表4。
表4 典型算例按中國規(guī)范方法的計算結(jié)果Table 4 Calculation result by the method in Chinese standard for the typical example
對比表3和表4可以看出,兩種方法方案1的安全系數(shù)的計算結(jié)果完全相同,方案2安全系數(shù)有一定差異,采用中國規(guī)范公式的安全系數(shù)為3.59,比本文方法略大。對比方案2(1)和方案2(2),由于本例滑塊②的抗力合力絕對值不大,雖然方案2(1)和方案 2(2)的 φ2相差較大(前者7.93°,后者14.06°),但是安全系數(shù)總體相同。
規(guī)范公式以式(5)作為求解方程,只滿足內(nèi)力大小∑ΔQi等于 0,由于 ΔQi的方向 φi不同,對方案2(1)和方案 2(2)各條塊抗力合力(kN)進行向量求和,可得
顯然,條塊抗力合力實際上不平衡,不滿足剛體極限平衡條件,計算結(jié)果存在一定誤差。
之后采用美國規(guī)范方法,因其假定條塊抗力合力為水平,因此只計算方案1,計算結(jié)見表5。
表5 典型算例按美國規(guī)范方法的計算結(jié)果Table 5 Calculation result by the method in US standard for the typical example
從表5中的計算結(jié)果可知,美國規(guī)范方法計算的安全系數(shù)比本文優(yōu)化方法和中國規(guī)范方法要高,主要原因是美國規(guī)范不考慮條塊側(cè)面水壓力的作用。一般情況下,滑塊之間的側(cè)面水壓力屬于內(nèi)力,計入與否對計算結(jié)果沒有多大影響,但滑塊①的上游側(cè)面和滑塊n的下游側(cè)面例外。由于巖體有裂隙的存在,在滑移體系剛體極限平衡條件下,對滑塊①的上游側(cè)面和滑塊n的下游側(cè)面計入水推力可能更為合理。本例滑塊①的上游側(cè)面高3 m,美國規(guī)范不考慮該側(cè)面的水推力,因此安全系數(shù)偏大。
圖6為官地水電站典型溢流壩段剖面示意圖,建基面高程1 166 m,溢流壩基面長度153.2 m,下游護坦頂面高程1 188 m;上下游水位分別為1 330 m和1 203.7 m,混凝土和基巖密度分別取2.52 g/cm3和2.70 g/cm3,壩體按Ⅷ度地震烈度設(shè)防,相應(yīng)地震加速度為0.284 g。壩基錯動帶分布復雜,其中fxh01,fxh05,fxh07容易貫通形成深層滑動通道。
根據(jù)錯動帶分布特點,擬定計算通道為1-2-3-4-5-6,其中錯動帶之間用巖橋連接。滑移通道控制點坐標及底滑面力學參數(shù)如表6所示。
圖6 官地水電站溢流壩剖面示意圖Fig.6 Profile of the spillway dam of Guandi hydropower station
表6 官地溢流壩段滑移通道計算參數(shù)Table 6 Calculation parameters of slip surfaces for Guandi spillway dam
抗滑穩(wěn)定計算中,分別考慮tanφ′i為0(方案1)和f′/Fs(方案2)2種方案,其中接觸面上的摩擦系數(shù)綜合考慮壩基巖石結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度、巖石埋深等因素進行取值,見表7。
表7 滑塊接觸面摩擦系數(shù)Table 7 Friction coefficients of contact wedges
4.2.1 單一安全系數(shù)Fs
用不同方法計算滑移通道1-2-3-4-5-6的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)Fs。
采用本文優(yōu)化方法的計算結(jié)果見表8。從表中的計算結(jié)果可以看出,正常蓄水和地震工況的安全系數(shù),方案1分別為2.91和2.11,方案2分別為3.21和2.40,提高幅度為10.3%和13.7%,取一定抗力角度對安全系數(shù)提高是很明顯的。
表8 官地溢流壩按本文優(yōu)化方法的抗滑穩(wěn)定計算結(jié)果Table 8 Calculation result of anti-sliding stability of Guandi spillway dam by the proposed optimized method
接下來用中國規(guī)范公式進行計算,結(jié)果如表9所示。值得說明的是,方案2中對各滑塊抗力合力角度取值時,滑塊②—滑塊④的抗力合力角度由于受各滑塊兩側(cè)面未知抗力的影響,是個不確定量。計算中取相應(yīng)滑塊滑移面的f′di作為輸入,即tanφi=f′di/Fs,這種做法并無理論依據(jù),只是一種簡化處理方式。
表9 官地溢流壩按中國規(guī)范方法的抗滑穩(wěn)定計算結(jié)果Table 9 Calculation result of anti-sliding stability of Guandi spillway dam by the method in Chinese standard
對比表8和表9,2種方法的方案1無本質(zhì)差異,各工況安全系數(shù)相同;對于方案2,規(guī)范公式安全系數(shù)明顯大得多,分別為3.47(正常工況)、2.66(地震工況),比本文方法提高8.1%(正常工況)和10.8%(地震工況)。
規(guī)范方法安全系數(shù)提高的原因,是由于抗力合力只滿足式(5)而未滿足力的矢量平衡。事實上,對表9方案2的條塊抗力合力(kN)進行向量求和,可得:
由于ΔQi以指向上游為正,其水平分量以向上游為正、豎向分量以豎直向上為正。從上述計算可知,抗力合力存在很大的不平衡量,其中豎向不平衡力分別為-20 710 kN(正常工況,向下)和-30 274 kN(地震工況,向下),相當于額外增加滑塊豎向荷載,其量值達到壩體總重(306 276 kN)的6.8%和9.9%,顯然這不科學。
4.2.2 分項系數(shù)法的抗力作用比η
鑒于中國規(guī)范采用分項系數(shù)設(shè)計方法,本文也進行考慮分項系數(shù)的抗力作用比計算,進一步考察2種方法的計算規(guī)律。計算方案與前面相同,結(jié)果見表10。
從表10可知,2種方法中方案1的計算結(jié)果相同;方案2的變化規(guī)律與安全系數(shù)Fs類似,2種方法考慮抗力角度后抗力作用比η均有提高,其中正常工況和地震工況下本文優(yōu)化方法的方案2比方案1分別提高15.0%和13.1%;而中國規(guī)范方法提高幅度更大,正常工況和地震工況下在本文方法方案2的基礎(chǔ)上進一步分別提高13.0%和11.6%。
表10 官地溢流壩抗滑穩(wěn)定計算的抗力作用比Table 10 Resistance-action ratio of anti-sliding stability calculated for Guandi spillway dam
綜合上述分析,中國規(guī)范方法雖然指出條塊抗力合力與水平面的夾角為已知,由于該角度取值缺乏理論依據(jù),很難進行實際操作;加上式(5)不滿足抗力合力的矢量平衡,最后導致錯誤的計算結(jié)果。本文優(yōu)化方法用條塊側(cè)面上的抗力作為變量,很好地解決了規(guī)范方法的不足,計算中體現(xiàn)出較好的優(yōu)越性。
我國重力壩設(shè)計規(guī)范給出了多滑動面深層抗滑穩(wěn)定計算方法。規(guī)范假定條塊抗力ΔQi與水平向夾角φi不為0,利于更為真實地模擬實際情況,同時也提高了方程求解計算難度。規(guī)范方法以ΔQi滿足內(nèi)力平衡條件求解抗力作用比η。在φi不相同的情況下,用式(5)進行ΔQi的標量求和沒有物理意義,未能真正滿足內(nèi)力矢量平衡。因此,規(guī)范方法的理論體系不嚴謹,在φi不相等時求解結(jié)果可能是錯誤的。
鑒于規(guī)范方法的不足,本文以條塊之間的剪力Qi替換ΔQi,對規(guī)范公式進行修正,并提出基于單變量η的迭代求解方法。優(yōu)化解法解決了規(guī)范存在的問題,計算公式物理意義更清晰,迭代求解可操作性強,提高了多滑面穩(wěn)定計算的實用價值。通過典型算例和工程實例,進一步驗證了規(guī)范方法的不嚴謹可能導致不可接受的錯誤結(jié)果,同時證明了本文優(yōu)化方法的準確性和實用性。
值得注意的是,計算表明考慮抗力角度對于提高抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)效果很明顯,但由于條塊之間抗力相互傳遞作用的機理較為復雜,工程實踐中對φ′i的確定應(yīng)慎重。