拱壩壩肩穩定計算程序開發應用

李 夢，蔡云鵬

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065)

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拱壩壩肩穩定計算程序開發應用

李 夢，蔡云鵬

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065)

探討依托三維技術開發一款計算原則明確、手段先進的拱壩壩肩穩定計算程序，能夠實現三維拱壩及計算塊體建模計算分析一體化、模型可視化等功能，程序完善了壩肩穩定的計算理論及原則，細化荷載計算原則，并能夠精確擬合滑面產狀；計算界面友好，符合設計人員的應用習慣，前處理窗口簡潔，后處理功能強大；程序經過多個已建、在建的拱壩工程復核，復核結果證明程序能夠良好應用至拱壩壩肩穩定計算中。

拱壩；壩肩穩定;穩定計算；程序；建模;計算分析;一體化

0 前 言

近年來，隨著中國水利水電事業的蓬勃發展，拱壩在中國已被廣泛采用，依靠壩體混凝土的抗壓強度和兩岸壩肩巖體的支持，保證拱壩的穩定[1]。拱壩壩肩抗力體承受著由拱圈傳遞的巨大的水推力，拱壩壩肩巖體的穩定就直接關系到水電工程能否正常運行[2-3]。不論從經驗判斷，還是模型試驗和國內外拱壩事故都證明抗滑穩定在拱壩設計中是至關重要的，并且是第一位的[4]。

拱壩壩肩穩定計算常規依據EXCEL手段計算，存在著荷載求解不精準、計算周期長、荷載計算存在誤差、計算繁瑣、過程中極易出錯等諸多缺點。

鑒于傳統拱壩壩肩穩定計算存在的缺點，本文探討依托三維技術開發一款計算原則明確、手段先進的拱壩壩肩穩定計算程序，能夠實現三維拱壩及計算塊體建模計算分析一體化、模型可視化等功能，并將這款程序應用于水電站的壩肩穩定計算中。

1 拱壩壩肩穩定計算原理

目前常見的計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、計算簡單，為過去和現階段的工程所普遍采用，是目前規范規定采用的方法[6]。本程序的開發也是采用這種方法。

壩肩穩定的計算過程就是計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定[7]。

本程序依據水利行業規范以及電力行業規范2種方法計算，按照DL-T 5346-2006《混凝土拱壩設計規范》[8]中壩肩抗滑穩定承載能力極限狀態設計表達式時，需滿足抗滑力大于滑動力，按照SL282-2003《混凝土拱壩設計規范》[9]安全系數表達式計算時，需滿足安全系數達到規范值。

2 拱壩壩肩穩定計算程序特點

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

2.1 壩肩穩定計算程序界面輸入

傳統壩肩穩定計算時，在二維地形圖、平切圖等基本資料中量取長度、面積等數據，再計入EXCEL中進行計算，輸入方式落后，操作步驟繁瑣易出錯。

本計算程序開發利用VB語言出色的交互式界面設計能力，擺脫了在EXCEL下計算落后的舊況，便于設計人員計算應用，能夠實現功能如下：① 界面友好，菜單式操作，程序開發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，設計人員通過簡單操作演示培訓即可上手，易學易用；② 程序主界面左側設有結構樹，所有設計過程均可在結構樹中瀏覽、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 基礎資料導入等設置為功能按鈕，可以直接打開在對話框中一鍵導入所需的平面地形圖、各層平切圖等；④ 根據壩肩穩定計算所需參數進行分析，界面輸入簡潔，僅需輸入與計算相關的必要輸入條件。程序數據輸入界面見圖1(b)；⑤ 開發過程中考慮到了設計人員拱壩參數的輸入習慣，在本次計算程序中采用同樣的參數類型及方式等，使得軟件應用方便、快捷；⑥ 程序能夠自動生成拱壩壩肩穩定分析計算書等。

圖1 壩肩穩定計算程序界面圖

2.2 實現結構面擬合生成滑面

實際地質平切圖中的斷層等結構面空間中是扭面，由于無法精確擬合，目前采用傳統的計算方法是在平面圖中粗略量取結構面產狀，依據粗略量取的產狀擬合成滑面，而在實際工作中，滑面的產狀對抗滑穩定計算結果影響非常大，因此本程序開發過程中非常重視滑面的擬合，爭取做到最精確的將空間結構面擬合成滑面。

獲取塊體區域內結構面目的是更準確地取得對塊體的抗滑穩定計算有影響的結構面部分，每個結構面發展范圍不同，且并不是整個結構面都對塊體的抗滑穩定計算有影響，而僅僅是塊體區域內的結果面是計算需要的，以往二維傳統計算，無法將塊體區域內的結構面部分精確選擇，而應用三維可視化程序操作，可依據上游拉開面、結構面、另一個組合滑面的位置確定塊體區域內部分結構面。

程序應用三維可視化功能得到塊體區域內部分結構面后，將得到的部分結構面依據最小二乘法[11]擬合成平面。最小二乘法是一種數學優化技術，它通過最小化誤差的平方和尋找數據的最佳函數匹配，是結構面擬合成平面的最小誤差的方法。

2.3 細化荷載計算原則

由于傳統二維計算無法做到荷載求解非常精準，因此在很多荷載計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、底滑面滲壓等計算原則均進行全面細致的考慮，盡可能最準確地計算塊體的荷載。① 上游拉開面水壓力：當不計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。當計Z向力的時候，應用數學方法解，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，本程序對滲壓求法做了改變，考慮了底滑面高程的變化，將底滑面分為50個點，計算每個點處的滲壓，最后包絡成體，見圖2。

圖2 細化荷載計算圖

圖3 塊體計算模型圖

3 計算分析實例

3.1 工程概況

某電站壩址區河谷呈較對稱“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作為壩肩穩定計算分析模型的側滑面，F63斷層延伸長度大于400 m，屬Ⅱ級巖屑夾泥型結構面，底滑面以緩傾角裂隙充當，確定2 430.00 m高程發育緩傾角裂隙為計算底滑面，計算底滑面產狀選為左岸中、高高程傾下游偏岸外NW320°～350°傾SW∠15°～24°。

3.2 計算資料

(1) 計算假定

本次計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；忽略拱壩的內力重分布作用，認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滑面，計算時側滑面參數取巖層層面參數[6]；壩址處發育數組緩傾角裂隙，緩傾裂隙面視同底滑面[12]。

(2) 計算模型

計算坐標系以拱壩參考面與壩軸線的交點為原點，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；以過坐標系原點并垂直參考面的直線為X軸，X軸以指向右岸為正方向；以通過原點的鉛垂線為Z軸，Z軸以鉛直向下為正方向。

計算模型產狀見表1。塊體計算模型見圖3。

表1 計算模型產狀表

(3) 計算工況

壩肩穩定計算時按照正常蓄水位進行分析計算，計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算力。

(4) 計算參數

各結構面參數建議取值見表2。

表2 結構面強度參數建議值表

左岸模型側滑面為斷層F63，參數按碎屑夾泥型選取，計算模型底滑面為裂隙，將結構面參數(按硬性結構面選取)與巖石參數加權得到模型計算參數。

3.3 計算分析

(1) 模型建立

將計算工程一定范圍內地形圖、平切圖在二維CAD中進行圖層格式整理后，在對話框中一鍵導入，在程序中自動生成地形體、各地層面、結構面，直接輸入體型參數形成拱壩體型。

拱壩各層拱圈左右岸切線方向延伸線構成上游拉開面，選擇已導入的真實三維F63結構面，將上游拉開面與底滑面中的滑塊范圍內的結構曲面，通過最小二乘法擬合成最合理平面作為側滑面，通過一個產狀(輸入走向與傾角)以及剪出口點(相對于拱壩中心點的相對坐標)方式生成底滑面，通過側滑面、底滑面、上游拉開面等滑面切割地形體，得到計算塊體。

(2) 計算前處理

將危險塊體用各地層面切割成不同巖性，并得到塊體側滑面、底滑面中各巖性的面積，為每個巖性賦予f、c值，程序將自動加權計算求得側滑面、底滑面的力學參數。

在前處理界面中填寫工程名稱、等級、階段等工程屬性、分項系數、計算工況、計算荷載參數等。

(3) 抗滑穩定計算分析

程序能夠實現一鍵計算，包括中間成果各荷載計算、力系分解、矢量計算及按規范方法計算塊體抗滑穩定安全系數，如表3，圖4。

表3 壩肩穩定計算結果表

圖4 計算結果圖

通過對左岸F63可能構成潛在不穩定體的結構面組合分析及穩定計算，塊體模型壩肩抗滑穩定能滿足規范要求。

4 結 語

本文探討了AutodeskCivil 3D平臺開發的拱壩壩肩穩定計算程序，實現了壩肩穩定的三維可視化計算，提高了壩肩穩定計算效率，減少計算誤差，計算的程序化、標準化有益于拱壩壩肩穩定計算的傳承。程序完善了壩肩穩定的計算理論及原則，細化荷載計算原則，實現上游拉開面水壓力、底滑面滲壓的精確計算，并能夠精確擬合滑面產狀，提高計算精度。程序計算方法簡單，符合設計人員的應用習慣，前處理界面數據簡潔，一鍵進行多工況的壩肩穩定計算，后處理功能強，能夠自動生成計算書，并保留全部計算過程。

該程序應用至本文所示的某水電站工程壩肩穩定計算過程，計算簡介、效率高，過程全面。程序經過多個已建、在建的拱壩工程復核，復核結果證明程序準確性高，能夠良好應用至拱壩壩肩穩定計算中。

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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，水電工程數字化方向.

TP319;TV642.4

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2016.05.023