李 夢，蔡云鵬

(中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065)

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拱壩壩肩穩(wěn)定計(jì)算程序開發(fā)應(yīng)用

李 夢，蔡云鵬

(中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065)

探討依托三維技術(shù)開發(fā)一款計(jì)算原則明確、手段先進(jìn)的拱壩壩肩穩(wěn)定計(jì)算程序，能夠?qū)崿F(xiàn)三維拱壩及計(jì)算塊體建模計(jì)算分析一體化、模型可視化等功能，程序完善了壩肩穩(wěn)定的計(jì)算理論及原則，細(xì)化荷載計(jì)算原則，并能夠精確擬合滑面產(chǎn)狀；計(jì)算界面友好，符合設(shè)計(jì)人員的應(yīng)用習(xí)慣，前處理窗口簡潔，后處理功能強(qiáng)大；程序經(jīng)過多個已建、在建的拱壩工程復(fù)核，復(fù)核結(jié)果證明程序能夠良好應(yīng)用至拱壩壩肩穩(wěn)定計(jì)算中。

拱壩；壩肩穩(wěn)定;穩(wěn)定計(jì)算；程序；建模;計(jì)算分析;一體化

0 前 言

近年來，隨著中國水利水電事業(yè)的蓬勃發(fā)展，拱壩在中國已被廣泛采用，依靠壩體混凝土的抗壓強(qiáng)度和兩岸壩肩巖體的支持，保證拱壩的穩(wěn)定[1]。拱壩壩肩抗力體承受著由拱圈傳遞的巨大的水推力，拱壩壩肩巖體的穩(wěn)定就直接關(guān)系到水電工程能否正常運(yùn)行[2-3]。不論從經(jīng)驗(yàn)判斷，還是模型試驗(yàn)和國內(nèi)外拱壩事故都證明抗滑穩(wěn)定在拱壩設(shè)計(jì)中是至關(guān)重要的，并且是第一位的[4]。

拱壩壩肩穩(wěn)定計(jì)算常規(guī)依據(jù)EXCEL手段計(jì)算，存在著荷載求解不精準(zhǔn)、計(jì)算周期長、荷載計(jì)算存在誤差、計(jì)算繁瑣、過程中極易出錯等諸多缺點(diǎn)。

鑒于傳統(tǒng)拱壩壩肩穩(wěn)定計(jì)算存在的缺點(diǎn)，本文探討依托三維技術(shù)開發(fā)一款計(jì)算原則明確、手段先進(jìn)的拱壩壩肩穩(wěn)定計(jì)算程序，能夠?qū)崿F(xiàn)三維拱壩及計(jì)算塊體建模計(jì)算分析一體化、模型可視化等功能，并將這款程序應(yīng)用于水電站的壩肩穩(wěn)定計(jì)算中。

1 拱壩壩肩穩(wěn)定計(jì)算原理

目前常見的計(jì)算方法是剛體極限平衡法[5]，剛體極限平衡法理論成熟、概念清晰、計(jì)算簡單，為過去和現(xiàn)階段的工程所普遍采用，是目前規(guī)范規(guī)定采用的方法[6]。本程序的開發(fā)也是采用這種方法。

壩肩穩(wěn)定的計(jì)算過程就是計(jì)算壩肩邊坡塊體在重力、拱推力、滲透水壓力及地震荷載等作用下的塊體穩(wěn)定[7]。

本程序依據(jù)水利行業(yè)規(guī)范以及電力行業(yè)規(guī)范2種方法計(jì)算，按照DL-T 5346-2006《混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]中壩肩抗滑穩(wěn)定承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式時，需滿足抗滑力大于滑動力，按照SL282-2003《混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范》[9]安全系數(shù)表達(dá)式計(jì)算時，需滿足安全系數(shù)達(dá)到規(guī)范值。

2 拱壩壩肩穩(wěn)定計(jì)算程序特點(diǎn)

本次壩肩穩(wěn)定計(jì)算程序基于Autodesk Civil 3D[10]平臺開發(fā)，考慮單一底滑面、單一側(cè)滑面、臨空面與上游拉開面組成的計(jì)算塊體。

2.1 壩肩穩(wěn)定計(jì)算程序界面輸入

傳統(tǒng)壩肩穩(wěn)定計(jì)算時，在二維地形圖、平切圖等基本資料中量取長度、面積等數(shù)據(jù)，再計(jì)入EXCEL中進(jìn)行計(jì)算，輸入方式落后，操作步驟繁瑣易出錯。

本計(jì)算程序開發(fā)利用VB語言出色的交互式界面設(shè)計(jì)能力，擺脫了在EXCEL下計(jì)算落后的舊況，便于設(shè)計(jì)人員計(jì)算應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)功能如下：① 界面友好，菜單式操作，程序開發(fā)將軟件需要的所有功能性命令有層次、有序地集成在輸入界面中，設(shè)計(jì)人員通過簡單操作演示培訓(xùn)即可上手，易學(xué)易用；② 程序主界面左側(cè)設(shè)有結(jié)構(gòu)樹，所有設(shè)計(jì)過程均可在結(jié)構(gòu)樹中瀏覽、選中操作、更改屬性等，主界面中間欄是可視化窗口，用戶可以觀看并任意操作模型，智能化程度高。程序主界面見圖1(a)；③ 基礎(chǔ)資料導(dǎo)入等設(shè)置為功能按鈕，可以直接打開在對話框中一鍵導(dǎo)入所需的平面地形圖、各層平切圖等；④ 根據(jù)壩肩穩(wěn)定計(jì)算所需參數(shù)進(jìn)行分析，界面輸入簡潔，僅需輸入與計(jì)算相關(guān)的必要輸入條件。程序數(shù)據(jù)輸入界面見圖1(b)；⑤ 開發(fā)過程中考慮到了設(shè)計(jì)人員拱壩參數(shù)的輸入習(xí)慣，在本次計(jì)算程序中采用同樣的參數(shù)類型及方式等，使得軟件應(yīng)用方便、快捷；⑥ 程序能夠自動生成拱壩壩肩穩(wěn)定分析計(jì)算書等。

圖1 壩肩穩(wěn)定計(jì)算程序界面圖

2.2 實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)面擬合生成滑面

實(shí)際地質(zhì)平切圖中的斷層等結(jié)構(gòu)面空間中是扭面，由于無法精確擬合，目前采用傳統(tǒng)的計(jì)算方法是在平面圖中粗略量取結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀，依據(jù)粗略量取的產(chǎn)狀擬合成滑面，而在實(shí)際工作中，滑面的產(chǎn)狀對抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果影響非常大，因此本程序開發(fā)過程中非常重視滑面的擬合，爭取做到最精確的將空間結(jié)構(gòu)面擬合成滑面。

獲取塊體區(qū)域內(nèi)結(jié)構(gòu)面目的是更準(zhǔn)確地取得對塊體的抗滑穩(wěn)定計(jì)算有影響的結(jié)構(gòu)面部分，每個結(jié)構(gòu)面發(fā)展范圍不同，且并不是整個結(jié)構(gòu)面都對塊體的抗滑穩(wěn)定計(jì)算有影響，而僅僅是塊體區(qū)域內(nèi)的結(jié)果面是計(jì)算需要的，以往二維傳統(tǒng)計(jì)算，無法將塊體區(qū)域內(nèi)的結(jié)構(gòu)面部分精確選擇，而應(yīng)用三維可視化程序操作，可依據(jù)上游拉開面、結(jié)構(gòu)面、另一個組合滑面的位置確定塊體區(qū)域內(nèi)部分結(jié)構(gòu)面。

程序應(yīng)用三維可視化功能得到塊體區(qū)域內(nèi)部分結(jié)構(gòu)面后，將得到的部分結(jié)構(gòu)面依據(jù)最小二乘法[11]擬合成平面。最小二乘法是一種數(shù)學(xué)優(yōu)化技術(shù)，它通過最小化誤差的平方和尋找數(shù)據(jù)的最佳函數(shù)匹配，是結(jié)構(gòu)面擬合成平面的最小誤差的方法。

2.3 細(xì)化荷載計(jì)算原則

由于傳統(tǒng)二維計(jì)算無法做到荷載求解非常精準(zhǔn)，因此在很多荷載計(jì)算原則方面并沒有非常全面的考慮，本次程序中將上游拉開面水壓力、底滑面滲壓等計(jì)算原則均進(jìn)行全面細(xì)致的考慮，盡可能最準(zhǔn)確地計(jì)算塊體的荷載。① 上游拉開面水壓力：當(dāng)不計(jì)Z向力的時候，將每層水荷載面積都能分解成X、Y向力，步長按照1 m一層，分別求每層的力，然后，將每層X、Y直接累加，以體來表示力。當(dāng)計(jì)Z向力的時候，應(yīng)用數(shù)學(xué)方法解，還是上游拉開面是按照1 m一層，每2層中間會形成1個小面，小面上的上游水壓力就是每一個小面的面積乘以形心處水頭P=S×H，形成的每塊小面雖然是1個扭面，但都能得到1個法向矢量方向，將每個P分解到X、Y、Z向，每一個小面都有3個方向的分量，求完所有的小面分量后，每個方向上的力分別直接疊加，則得到X、Y、Z向分力；② 底滑面滲壓：以往簡單的直接計(jì)算底滑面上的滲壓，但由于底滑面在高程方向一直在變化，本程序?qū)B壓求法做了改變，考慮了底滑面高程的變化，將底滑面分為50個點(diǎn)，計(jì)算每個點(diǎn)處的滲壓，最后包絡(luò)成體，見圖2。

圖2 細(xì)化荷載計(jì)算圖

圖3 塊體計(jì)算模型圖

3 計(jì)算分析實(shí)例

3.1 工程概況

某電站壩址區(qū)河谷呈較對稱“V”形，擋水建筑物為混凝土雙曲拱壩，最大壩高275 m，壩頂高程2 530.00 m，壩頂弧長579.61 m，頂寬12 m，河床建基面高程為2 255.00 m，最大底寬70 m，厚高比0.255，弧高比2.11，最大中心角90.5°。

左岸F63作為壩肩穩(wěn)定計(jì)算分析模型的側(cè)滑面，F(xiàn)63斷層延伸長度大于400 m，屬Ⅱ級巖屑夾泥型結(jié)構(gòu)面，底滑面以緩傾角裂隙充當(dāng)，確定2 430.00 m高程發(fā)育緩傾角裂隙為計(jì)算底滑面，計(jì)算底滑面產(chǎn)狀選為左岸中、高高程傾下游偏岸外NW320°～350°傾SW∠15°～24°。

3.2 計(jì)算資料

(1) 計(jì)算假定

本次計(jì)算采用剛體極限平衡法，假定如下：將滑移的各巖體視為剛性體，不考慮其中各部分的相對位移；忽略拱壩的內(nèi)力重分布作用，認(rèn)為拱端作用在巖體上的力系為定值；假定巖層面即為可能的側(cè)滑面，計(jì)算時側(cè)滑面參數(shù)取巖層層面參數(shù)[6]；壩址處發(fā)育數(shù)組緩傾角裂隙，緩傾裂隙面視同底滑面[12]。

(2) 計(jì)算模型

計(jì)算坐標(biāo)系以拱壩參考面與壩軸線的交點(diǎn)為原點(diǎn)，以壩頂高程所在平面與拱壩參考面交線為Y軸，Y軸以指向上游為正方向；以過坐標(biāo)系原點(diǎn)并垂直參考面的直線為X軸，X軸以指向右岸為正方向；以通過原點(diǎn)的鉛垂線為Z軸，Z軸以鉛直向下為正方向。

計(jì)算模型產(chǎn)狀見表1。塊體計(jì)算模型見圖3。

表1 計(jì)算模型產(chǎn)狀表

(3) 計(jì)算工況

壩肩穩(wěn)定計(jì)算時按照正常蓄水位進(jìn)行分析計(jì)算，計(jì)算荷載包括巖體和壩體自重、拱端推力、各滑面滲透水壓力，其中拱端推力按溫降工況計(jì)算力。

(4) 計(jì)算參數(shù)

各結(jié)構(gòu)面參數(shù)建議取值見表2。

表2 結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù)建議值表

左岸模型側(cè)滑面為斷層F63，參數(shù)按碎屑夾泥型選取，計(jì)算模型底滑面為裂隙，將結(jié)構(gòu)面參數(shù)(按硬性結(jié)構(gòu)面選取)與巖石參數(shù)加權(quán)得到模型計(jì)算參數(shù)。

3.3 計(jì)算分析

(1) 模型建立

將計(jì)算工程一定范圍內(nèi)地形圖、平切圖在二維CAD中進(jìn)行圖層格式整理后，在對話框中一鍵導(dǎo)入，在程序中自動生成地形體、各地層面、結(jié)構(gòu)面，直接輸入體型參數(shù)形成拱壩體型。

拱壩各層拱圈左右岸切線方向延伸線構(gòu)成上游拉開面，選擇已導(dǎo)入的真實(shí)三維F63結(jié)構(gòu)面，將上游拉開面與底滑面中的滑塊范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)曲面，通過最小二乘法擬合成最合理平面作為側(cè)滑面，通過一個產(chǎn)狀(輸入走向與傾角)以及剪出口點(diǎn)(相對于拱壩中心點(diǎn)的相對坐標(biāo))方式生成底滑面，通過側(cè)滑面、底滑面、上游拉開面等滑面切割地形體，得到計(jì)算塊體。

(2) 計(jì)算前處理

將危險塊體用各地層面切割成不同巖性，并得到塊體側(cè)滑面、底滑面中各巖性的面積，為每個巖性賦予f、c值，程序?qū)⒆詣蛹訖?quán)計(jì)算求得側(cè)滑面、底滑面的力學(xué)參數(shù)。

在前處理界面中填寫工程名稱、等級、階段等工程屬性、分項(xiàng)系數(shù)、計(jì)算工況、計(jì)算荷載參數(shù)等。

(3) 抗滑穩(wěn)定計(jì)算分析

程序能夠?qū)崿F(xiàn)一鍵計(jì)算，包括中間成果各荷載計(jì)算、力系分解、矢量計(jì)算及按規(guī)范方法計(jì)算塊體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，如表3，圖4。

表3 壩肩穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果表

圖4 計(jì)算結(jié)果圖

通過對左岸F63可能構(gòu)成潛在不穩(wěn)定體的結(jié)構(gòu)面組合分析及穩(wěn)定計(jì)算，塊體模型壩肩抗滑穩(wěn)定能滿足規(guī)范要求。

4 結(jié) 語

本文探討了AutodeskCivil 3D平臺開發(fā)的拱壩壩肩穩(wěn)定計(jì)算程序，實(shí)現(xiàn)了壩肩穩(wěn)定的三維可視化計(jì)算，提高了壩肩穩(wěn)定計(jì)算效率，減少計(jì)算誤差，計(jì)算的程序化、標(biāo)準(zhǔn)化有益于拱壩壩肩穩(wěn)定計(jì)算的傳承。程序完善了壩肩穩(wěn)定的計(jì)算理論及原則，細(xì)化荷載計(jì)算原則，實(shí)現(xiàn)上游拉開面水壓力、底滑面滲壓的精確計(jì)算，并能夠精確擬合滑面產(chǎn)狀，提高計(jì)算精度。程序計(jì)算方法簡單，符合設(shè)計(jì)人員的應(yīng)用習(xí)慣，前處理界面數(shù)據(jù)簡潔，一鍵進(jìn)行多工況的壩肩穩(wěn)定計(jì)算，后處理功能強(qiáng)，能夠自動生成計(jì)算書，并保留全部計(jì)算過程。

該程序應(yīng)用至本文所示的某水電站工程壩肩穩(wěn)定計(jì)算過程，計(jì)算簡介、效率高，過程全面。程序經(jīng)過多個已建、在建的拱壩工程復(fù)核，復(fù)核結(jié)果證明程序準(zhǔn)確性高，能夠良好應(yīng)用至拱壩壩肩穩(wěn)定計(jì)算中。

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Development and Application of Program for Calculation of Arch Dam Abutment Stability

LI Meng, CAI Yunpeng

(Northwest Engineering Corporation Limited, Xi'an 710065,China)

A program for calculation of the arch dam abutment stability is studied. The program is developed according to 3D technology, features definite calculation principles and advanced means. It enables to realize functions such as the integration of calculation and analysis of modeling, calculation and analysis of 3D arch dam and calculated block as well as the model visualization, etc,. The program perfects the calculation theory and principles of the dam abutment stability, details the load calculation principles and enables to precisely fit the attitude of the sliding plane. The program calculation interface is friendly satisfying the designer's application habits. Its pre-processing window is simple and its post-processing function is powerful. The program is verified by a couple of projects completed and under construction. Those prove that the program is applicable for the calculation of the arch dam abutment stability.Key words: arch dam; dam abutment stability; stability calculation; program; modeling; calculation and analysis; integration

1006—2610(2016)05—0090—04

2016-05-28

李夢(1986- )，女，黑龍江省齊齊哈爾市人，工程師，水電工程數(shù)字化方向.

TP319;TV642.4

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2016.05.023