程汉昆，宋兵伟（.大连市水利规划设计院，辽宁大连60；.大连市水利建筑设计院，辽宁 大连 60）

丰满水库新坝施工对旧坝抗滑稳定的影响

程汉昆1，宋兵伟2
（1.大连市水利规划设计院，辽宁大连116021；2.大连市水利建筑设计院，辽宁 大连 116021）

采用有限单元法实施丰满大坝新坝坝基开挖及坝体浇筑施工，对旧坝抗滑稳定性影响进行了数值仿真计算。选取了新坝施工期间对旧坝最不利的坝段，并将此坝段作为典型坝段，分析其遭遇不同频率洪水时的抗滑稳定性，得出新坝坝基开挖及坝体浇筑施工，对旧坝抗滑稳定性影响不大的结论。

抗滑稳定；有限单元法；重力坝；丰满水库

0　前言

丰满水电站全面治理工程新坝轴线位于原大坝轴线下游120.0 m处，坝型采用碾压混凝土重力坝，坝顶高程为269.5 m，泄洪方式采用坝身泄洪，挑流消能。新坝建成后，引水发电和泄洪坝段对应的老坝部分，拆除至高程240.0 m。

采用有限单元法实施丰满大坝新坝坝基开挖及坝体浇筑施工，对老坝抗滑稳定性影响进行数值仿真计算，分析其遭遇不同频率洪水时，老坝典型坝段的抗滑稳定性，从而为工程施工及类似工程建设提供实践经验及理论支撑。

1　计算模型与计算荷载

1.1计算模型

采用ANSYS有限元软件进行分析，以某溢流坝段作为典型坝段建立三维有限元模型。计算模型取一定范围地基，在地基竖直边界和底面均采用固定约束。三维坐标方向如下：X向以顺河向指向下游为正；Y向以竖直向上为正；Z向沿坝轴线方向由左岸指向右岸为正。

1.2计算荷载与力学参数

根据《混凝土重力坝设计规范》［2，3］规定，荷载分别考虑新坝在施工前、基坑开挖、浇筑至原地面线、浇筑至220.0 m高程处及浇筑至240.0 m高程处五种情况下的组合。

对于丰满老坝的抗滑稳定计算，选取正常蓄水位、设计洪水位及校核洪水位三种工况进行安全复核，荷载组合如表1所示。

表1　计算工况及荷载组合

新坝施工期老坝水位情况见表2。由于正常蓄水位时，下游有围堰存在故对应下游无水。

表2　新坝施工期老坝水位情况

典型坝段坝体材料分区见图1。有限元计算时，根据坝体材料物理力学指标及工程地质勘察报告选取力学参数，具体见表3［4］。

表3　力学参数

抗滑稳定计算时采用的坝体混凝土与基岩之间抗剪断参数：f′=1.0，c′=0.9 MPa；深层抗滑稳定计算时采用的岩石与岩石抗剪断参数：f′=1.0，c′= 1.1 MPa。

图1　某溢流坝段剖面及材料分区

2　抗滑稳定计算原理

2.1刚体极限平衡法［1］

刚体极限平衡法是目前广泛应用于坝基岩体抗滑稳定分析且被重力坝设计规范所推荐的一种方法。该方法先假定某一滑动面，将滑移面上的各块基岩及坝体视为刚体，然后根据滑移体上静力平衡这一条件，对滑动块体的安全度作笼统的整体分析。刚体极限平衡法又分为抗剪断强度计算公式及抗剪强度计算公式。（SL319-2005）《混凝土重力坝设计规范》［2］中抗剪断强度计算公式：式中各符号意义详见规范［2］。

抗剪强度计算公式：式中各符号意义详见规范［2］。

（DL5108-1999）《混凝土重力坝设计规范》［3］中采用的分项系数表达式，实质意义与上述公式一致。

2.2有限单元法［5］

有限单元法是利用弹性理论和计算机软件求解数值方程的一种数值分析方法，也是解决大型复杂结构或者多自由度体系等工程实际问题一种非常有效的计算工具。有限元分析中最基本的思想是单元离散，即将复杂的连续体结构剖分为数量和尺寸有限的若干单元，然后就各单元进行分析，最后集成求解整体位移。

利用有限单元法对重力坝进行抗滑稳定评价时，可以通过抗滑稳定安全系数来体现。的定义借鉴一般刚体极限平衡法中安全系数的定义，即

式中：τi，σi分别为滑动面上第i个单元的剪应力和正应力；fi′，ci′分别为滑动面上第i个单元材料抗剪断强度参数；li为第i个单元沿滑动方向长度；n为滑动面上单元个数。

3计算结果与分析3.1沿建基面的抗滑稳定性分析

表4给出了新坝基坑开挖及坝体浇筑施工前、施工期和施工后老坝沿建基面的抗滑稳定计算成果。分别采用了刚体极限平衡法和有限单元法计算老坝沿建基面的抗滑稳定性。

表4　老坝沿建基面抗滑稳定安全性复核计算成果

由计算结果可知，老坝在新坝各施工阶段遭遇不同频率洪水时，沿建基面的抗滑稳定均可满足安全要求。施工期相对于施工前老坝坝基稳定安全度变化不大。另外，通过刚体极限平衡法和有限单元法计算结果对比可知，采用刚体极限平衡法设计更为保守。

3.2沿下游基坑开挖底面的抗滑稳定性分析

在实际施工中，有可能在建基面以下与基坑开挖底面平齐的岩石层面，形成深层滑动，从而危及老坝的安全。因此进一步分析了沿基坑开挖底面岩石层面的抗滑稳定性。

表5给出了考虑基坑开挖影响下沿基岩内部可能滑裂面的抗滑稳定安全系数。

由计算结果可知，考虑新坝基坑开挖影响后，沿与基坑底面平齐的可能滑裂面抗滑稳定性仍可满足要求。

表5　新坝基坑开挖后老坝基岩面抗滑稳定安全性复核计算成果

4　结语

1）在不考虑新坝施工对老坝防渗体系影响的前提下，丰满水库新坝施工各阶段，老坝在遭遇不同频率洪水时沿建基面的抗滑稳定安全均可满足要求。

2）丰满水库新坝施工期相对于施工前老坝沿建基面抗滑稳定安全度变化不大。

3）考虑丰满水库新坝施工基坑开挖后沿基坑底面可能滑裂面的抗滑稳定安全度较高，满足要求。

4）丰满水库新坝基坑开挖及坝体混凝土浇筑对老坝抗滑稳定性影响不大。

［1］潘家铮.重力坝设计［M］.北京：水利电力出版社，1987.

［2］中华人民共和国水利部.SL319-2005混凝土重力坝设计规范［S］.北京：中国水利水电出版社，2005.

［3］国家电力公司华东勘测设计研究院，水利部，国家电力公司上海勘测设计研究院.DL5108-1999混凝土重力坝设计规范［S］.北京：中国电力出版社，1999.

［4］杨清平，李俊杰.重力坝沿建基面抗滑稳定的研究［J］.东北水利水电，2011，（10）：43-45.

［5］温中华，周娟，熊秋晓.重力坝抗滑稳定分析［J］.人民黄河，2008，30（12）：112-113.

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