基于Cosserat理论的重力坝深层抗滑稳定分析

重力坝深层滑动主要表现为沿缓倾角的软弱结构面形成滑移通道,滑移通道内应变积聚且应变梯度急剧不连续,是典型的应变局部化现象,采用经典连续介质理论进行数值模拟时存在病态的有限元网格依赖性。引入Cosserat连续体理论作为正则化机制,提出了基于Cosserat理论的Mohr-Coulomb弹塑性模型,考虑非关联的流动法则,在经典塑性理论框架下采用向后Euler隐式积分算法进行应力更新。采用ABAQUS的自定义单元接口（UEL）进行二次开发,进行了平面应变条件下单轴受压的数值验证。数值模拟结果表明,该模型能保证应变局部化问题的正定性。基于Cosserat理论的重力坝深层抗滑稳定分析结果表明,采用超载法进行重力坝渐进破坏过程模拟时,基于经典连续体理论的模拟结果有较大的网格依赖性,而且结果偏于安全,而采用Cosserat连续体理论的结果对网格密度不敏感。     

重力坝深层抗滑稳定计算探讨

在介绍重力坝深层滑动破坏类型和刚体极限平衡分析法的基础上,指出现行混凝土重力坝设计规范（DL5108－1999）关于双斜面抗滑稳定设计表达式存在物理意义不明确及作用力、抗力不分等不合理之处,并给出更合理的设计表达式。算例结果表明,推荐的设计表达式不仅物理意义明确,而且结果也偏于安全,可供工程设计参考和讨论。     

基于颗粒离散元的矿柱群连锁失稳机理分析

矿矿柱群连锁失稳是破坏后果最为严重的采空区失稳模式。本文利用颗粒流离散元PFC2D研究了矿柱群连锁失稳的动态过程以及不同的矿柱安全系数、不同的诱发位置、不同的顶板刚度对矿柱群连锁失稳的影响。结果表明:(1)矿柱群的连锁失稳从诱发矿柱开始,失稳矿柱的应力传递到相邻未失稳的矿柱上造成相邻矿柱失稳,由此引发连锁效应;(2)矿柱的储备安全系数与载荷传递量的相对关系是决定矿柱群是否发生连锁失稳的关键;(3)矿柱群大规模失稳与诱发位置有关,诱发矿柱位于采空区的中心位置更容易形成大规模失稳,而位于采空区的边界位置,由于边界矿柱约束支撑作用则不容易诱发大规模失稳;(4)顶板的刚度显著地影响矿柱群的连锁失稳过程,刚度小的软弱顶板条件下,载荷传递从诱发位置向空区边界依次传递,失稳过程具有显著的"多米诺骨牌效应",而刚度大的坚硬顶板条件下,载荷传递与矿柱失稳不再表现出显著的"多米诺骨牌效应"。本文的研究成果可供开展相关工作借鉴。     

基于界面元法的向家坝重力坝深层抗滑稳定分析

重力坝的深层抗滑稳定分析多采用刚体极限平衡分析方法和非线性有限元法,但通常的刚体极限平衡法不能反映坝基岩体渐近失稳过程和破坏的力学机制,非线性有限元法则难以解决坝基中软弱结构面位移不连续问题。结合向家坝工程,建立了泄④坝段的计算模型,采用界面元法进行了大坝深层抗滑稳定分析,给出了坝基中破坏区的范围和分布,以及坝基的渐进破坏过程和可能滑体的抗滑稳定安全系数等成果,为坝基处理措施提供了重要的技术参考依据。研究结果表明,所建立的分析方法可以自然描述坝基岩体各种介质的错动、张开和滑移等不连续变形的特征,可用于重力坝坝基的深层抗滑稳定 分析。     

基于分项系数法的重力坝深层抗滑稳定分析

针对基于有限元法的重力坝深层抗滑稳定分析问题,根据工程实际中软弱结构面上的抗剪断摩擦系数和凝聚力变异性不同的特点,在计算中引入滑动面上抗剪断强度参数的分项系数,提出了一种新的应用于重力坝抗滑稳定的有限元计算方法--分项系数有限元法。该方法基于可靠度思想,以达到用极限承载状态时的强度储备系数或超载系数来表征大坝安全度。在已有研究成果的基础上,从坝基渐进破坏过程和破坏机理的角度进一步探讨了非线性有限元法应用于深层抗滑分析应注意的几个关键问题,以及基于分项系数法的深层抗滑稳定分析的安全系数控制标准。研究结果表明,滑动面上的应力分布性态和坝基岩体变形特性对抗滑稳定安全系数有重要影响。与常规刚体极限平衡方法的控制标准相比,分项系数有限元方法可以采用偏低一点的安全系数标准。     

乌江沙陀水电站厂房坝段深层抗滑稳定分析

通过有限元强度折减法计算了乌江沙陀水电站厂房坝段的深层抗滑稳定安全系数,与基于遗传算法的最危险滑动面搜索方法进行了比较,结果表明,两种方法得到的安全系数是接近的,滑动面的位置也基本一致。     

整体式折线重力坝的深层抗滑稳定及加固研究

分别采用三维弹塑性有限元法和分项系数法,对非整体式和整体式折线重力坝的应力和深层抗滑稳定性进行了计算分析,得出整体式折线重力坝有效地改善了坝体的应力和变形状态,但对提高抗滑稳定性不一定有效的结论,并通过拱梁分载法解释了上述结论。采用高压旋喷灌浆进行加固,并提出了较优的加固范围。     

基于离散元的边坡稳定性及治理措施分析

为分析矿山边坡的稳定性,通过选择最不利边坡剖面,选取合理的岩土力学参数,采用离散元软件建模分析,模拟边坡自重作用下的滑移破坏过程,基于强度折减法计算安全系数。主要得出以下结论：(1)滑坡体的最大速度约为1.442 mm/s;最大剪切位移约为0.54 m;整体位移最大值约为0.147 m;(2)边坡的安全系数仅为0.43,风化土体为不稳定的滑动体,结果表明,边坡处于不稳定状态;(3)可采用4种常用的治理措施：削坡、减重反压、设置抗滑挡墙或抗滑桩对该边坡进行加固,针对该工程边坡,建议采用削坡和抗滑桩加固的方式进行治理。结论可为类似地形地貌条件下的边坡工程稳定性分析提供参考。     

基于矢量和的滑面应力抗滑稳定分析方法

矢量和抗滑稳定分析方法根据真实应力状态定义求解安全系数,物理意义明确,一批学者对其进行了研究。但是当合法向力矢量投影与合剪力矢量投影的符号相反且其绝对值大于合剪力矢量投影时,矢量和法计算出的安全系数可能为负值;另外,目前潜在滑移面上每点极限抗滑剪应力矢量的方向是根据潘家铮最大、最小原理确定的,将其定义为潜在滑移体滑动趋势方向在该点切平面上投影方向的反方向,但是潘家铮最大、最小原理描述的是滑移体力学系统抗滑能力最大,按照矢量和法的定义式,抗滑能力包括抗剪力和法向抗力两部分。基于矢量和思想与以上关于矢量和法的思考,提出一种滑面应力抗滑稳定分析方法,将潜在滑移面视为薄滑移带,以薄滑移带作为对象进行微元受力分析,每个微元的极限抗滑剪应力矢量方向取为该微元剪应力矢量的反向,所有微元的极限抗滑剪力矢量和的反向定义为潜在滑移体滑动趋势方向,最终将极限合抗滑剪力矢量在滑动趋势反方向的投影与合滑动剪力矢量在滑动趋势方向的投影的比值定义为安全系数。较极限平衡法,方法自动满足静力平衡、力矩平衡和变形协调条件,无需受力模式假设;较强度折减法,新方法基于真实应力,物理意义更加明确,安全系数以显式表达,无需迭代;通过经典二维静态边坡考题,验证此方法的可行性;将新方法应用到三维工程实例中,分析潜在滑移体在边坡开挖过程中安全系数的动态演化规律,证明方法的实用性。     

用强度折减方法分析重力坝深层抗滑稳定性

目前,对重力坝深层抗滑稳定的分析方法尚无统一和明确的规定。强度折减方法在求解安全系数方面具有不用指定滑面、自动搜索滑裂面等优点。本文基于FLAC软件,采用强度折减方法对分属三种典型地质条件的多个算例进行分析。分析结果表明,无论采用相关联还是非相关联流动法则,采用强度折减方法得到的安全系数与Morgenstern-Price方法求解的安全系数都相差较小,误差小于5%,且采用相关联流动法则时得到的安全系数误差更是小于3.5%。根据在破坏时坝基塑性区的分布,提出了确定滑裂面的方法,该方法确定的滑裂面与M-P方法搜索到的滑裂面有很好的一致性。本文通过多个算例的分析证明基于FLAC软件的强度折减方法是一种可靠、有效的方法,可以应用于分析重力坝深层抗滑稳定性。通过对向家坝水电站泄12坝段的深层抗滑稳定分析表明该方法可以应用到重力坝深层抗滑稳定的工程分析中。     

不同重力场下静力触探试验离散元数值分析

采用离散元商业软件PFC2D对7种重力场下静力触探试验进行了对比分析试验,以研究高、低重力场下静力触探试验的异同点。数值试验结果表明：不同重力场下土体受静力触探贯入主要影响区域不同,低重力场下主要是上部土体受到影响,高重力场下主要是下部土体受到影响;归一化贯入阻力的最大值和稳定值、归一化球应力和偏应力的最大值均与重力加速度的倒数呈线性关系,均随重力加速度倒数的增加而增大;土体经历了明显的加载、卸载过程,重力加速度越小,加载、卸载现象越明显,同一重力加速度下上部土体加载、卸载程度大于下部土体。     

金沙江阿海水电站混凝土重力坝地震抗滑稳定性的时程法分析

通过动力有限元时程法分析了金沙江阿海混凝土重力坝在设计地震动(0.344g)作用下的动态响应,计算模型考虑了动水压力作用、大坝-岩基相互作用,用黏弹性吸波边界模拟了地震动能量向无限远域逸散的地基“辐射阻尼”效应。通过将坝体惯性力时程极大值与振型分解反应谱法的惯性力极值对比,从而验证了复杂动力数值模拟结果的正确性,为后续分析打下了基础。采用沿滑面的应力积分法得到了大坝沿建基面的瞬态抗滑安全系数时程。计算结果表明：阿海重力坝在设计地震动(0.344g)作用下的安全系数时程的极小值为1.146,大坝整体稳定性良好,可不采取提高整体抗滑     

基于数值流形法的重力坝水力劈裂研究

运用数值流形法在非连续介质领域的独特优势,并结合断裂力学的基本原理,分析了重力坝的水力劈裂破坏问题,实现了重力坝起裂、扩展和渐进破坏的全过程。充分发挥应力强度因子判别法和带抗拉强度的摩尔-库仑破坏准则各自的优势,根据不同情况选取其中某种方法确定断裂和扩展方向,且不需要预制初始裂纹。选取一个算例两种工况分析了重力坝在不考虑裂纹面内水压力和考虑裂纹面内水压力的水力劈裂破坏情况。计算结果表明,在重力坝的水力劈裂中,当不考虑裂纹面内水压力时,坝踵处裂纹向下游和深部扩展,上游折坡点处裂纹属于压剪型破坏;当考虑裂纹面内水压力时,坝踵处裂纹偏向深度方向扩展,折坡点处的裂纹逐渐由压剪破坏变成了拉剪破坏,并且考虑裂纹面内水压力后坝体破坏所需要的时步减少,故而考虑裂纹面内水后降低了重力坝的安全系数。该方法加深了对重力坝水力劈裂破坏的认识,具有较大的实际应用价值。     

基于数值流形法的重力坝多裂纹扩展研究

传统数值流形法（NMM）在处理非连续变形问题时,仅限于几何构型不发生破坏的情况。针对这一不足,通过在裂纹尖端附近的物理片上增加用于模拟应力奇异性的增强位移函数,进一步发展了可用于几何构型破坏的扩展的高阶NMM。然后,将其应用到重力坝由连续到非连续的破坏过程分析中。首先,针对一含单裂纹的重力坝模型进行了敏感性分析,结果表明,在不同的扩展长度或网格密度下,其扩展路径基本相同且与文献结果保持一致。进而在此模型基础上又开展了多裂纹扩展分析,结果仅一条主导裂纹发生扩展,与文献结果基本一致。最后,针对印度的Koyna重力坝,通过设置不同的漫顶高度研究了其裂纹扩展路径的变化。结果表明,随着漫顶高度的增大,裂纹扩展路径逐渐趋向于水平方向扩展,而且坝体抵抗破坏的能力逐渐减弱。总体表明,NMM在求解实际工程问题时具有很好的数值稳定性和鲁棒性。     

厂坝联合条件下重力坝应力及抗滑稳定分析

关于厂坝联合作用对重力坝坝基抗滑稳定的影响一直是水利水电工程中比较关注的问题。针对这一问题,结合金安桥水电站重力坝工程,通过弹塑性有限元方法和坝基抗滑稳定系数的计算进行了探讨和分析。结果表明,对于水电站的河床坝段,不论是通过传统研究方法 法,超载法还是强度储备安全系数计算方法,都说明通过厂坝联合的共同作用,可有效地提高坝基浅层抗滑稳定性能,但提高效果不很明显。另外,采用厂坝联合作用后,可有效地降低坝体内的最大压应力和拉应力,使坝体内的应力分布更加均匀,可使厂坝连接处的发电进水钢管的挠度曲线比较光滑连续,减小了因挠度突变而产生不利的附加应力,有利于发电进水钢管的正常安全运行。     

基于离散元的边坡矢量和稳定分析方法研究

基于离散元方法对获取的块体单元、节理的应力场处理后得到坡体整体应力场,结合矢量和法安全系数的定义提出了一种边坡稳定性分析方法即VSM-UDEC法。首先通过滑块试验验证了多种情况下UDEC接触应力计算和单元应力的精确性,结果表明,UDEC接触应力和块体单元应力的精确程度很高（接触应力相对误差基本低于0.2%）,能够满足矢量和安全系数计算要求。采用VSM-UDEC法分别对直线型滑面和圆弧型滑面算例进行了分析,并与相应的理论解和严格极限平衡法（Morgenstern-Price法）进行了对比。结果表明,对于直线型滑面VSM-UDEC法安全系数与理论解几乎相同,而对于圆弧型滑面该方法与极限平衡法结果基本一致。最后将VSM-UDEC法运用到锦屏I级水电站左岸边坡工程实例中,结果表明,假设块体为刚体时VSM-UDEC法安全系数与极限平衡法（Sarma法、Morgenstern-Price法）结果吻合较好,此外,VSM-UDEC法能够考虑坡体内结构面对稳定性的影响,较极限平衡法更能反映边坡的变形分布情况。鉴于UDEC在模拟边坡破坏方面优点较多且矢量和法安全系数物理意义明确,VSM-UDEC法有望在边坡稳定性分析中有较好的应用前景。