混凝土大坝防止基础破坏的安全评价

A．索里亚诺 F．J．桑切斯 贺桥（译） 周静贤（校）

文章摘要:混凝土重力坝有几种基础破坏形式。在大坝设计中应考虑各种可能的破坏形式并证实破坏发生概率几乎为零。土木工程结构物设计普遍采用该方法，但是，与挡水土墙或港口码头等挡水建筑物相比，大坝因其特殊性而独特。作用于坝基的扬压力情况不详，基础范围较大。而且，大坝失事造成的后果比较严重。针对这些情况，本文求解了若干个简单方程式，根据这些公式确定主要破坏形式，分析了坝基强度数据，提出了建议采用的混凝土重力坝坝基安全系数。
文章主题:混凝土大坝 安全评价 基础 混凝土重力坝 破坏形式 大坝设计 发生概率 土木工程

文章内容：混凝土大坝防止基础破坏的安全评价[西班牙].索里亚诺..桑切斯摘要混凝土重力坝有几种基础破坏形式.在大坝设计中应考虑各种可能的破坏形式并证实破坏发生概率几乎为零.土木工程结构物设计普遍采用该方法,但是,与挡水土墙或港口码头等挡水建筑物相比,大坝因其特殊性而独特.作用于坝基的扬压力情况不详,基础范围较大.而且,大坝失事造成的后果比较严重.针对这些情况,本文求解了若干个简单方程式,根据这些公式确定主要破坏形式,分析了坝基强度数据,提出了建议采用的混凝土重力坝坝基安全系数.,1引言混凝土大坝多种失事模式可分为两大类型:极限破坏模式和运行破坏模式.从另一方面讲,一些破坏形式与大坝一基础系统力学特性有关,而另一些破坏形式却与坝顶溢流(漫顶)或坝下渗水(过度渗漏)有关.本文对第一种破坏形式(力学)进行研究.为了建立一个破坏模式的解析表达式,采用一个简化的混凝土重力坝模型,如图1所示.该模型中所有变量均为无量纲的.用坝长除以坝高(),用作用力除以水压力水平分力(72)2极限破坏形式作用力/()=;===,图1混凝土重力坝横断面简化模型挡水建筑物地基破坏形式一般有"滑移","倾覆"和"承载能力破坏".挡水墙设计通24常包括证明在每一种特殊荷载工况下应排除的上述那些破坏形式的合理性.对于重力坝而言,通常只考虑"滑移"破坏.由于重力坝通常采用的尺寸和比例(坝基与坝高之比)使发生倾覆和承载能力破坏的概率极低,所以对这两种破坏形式未进行研究,但这并非总是正确的.2.1滑移破坏形式该破坏形式的控制变量有混凝土与水的容重比,=/;作用在坝基(坝宽)上的1?扬压力用参数"-"/()表示;基础强度用巾角表示,由下列公式表达:/.中='+式中,'为库仑模型强度参数,为基础平均有效法向应力.将该符号代入滑移公式.见图2.*滑移公式:(—)+=*倾覆公式:(2一3)+(3一)=1+2圈2量终极限状态边界《=2.3)2.2倾覆如前所述,在大多数大坝设计中未对倾覆作特殊考虑.对这种破坏机制也没有作出明确的界定.很难想象一座大坝在下游面最低点附近抬升和旋转.但小型坝伴随坝基强度很高时有发生这种情况的可能性.在这种假定情况下,给出了倾覆公式,见图2.在这种工况下,扬压力就会完全产生,接着,坝基上总扬压力就会很高,参数=2.这是假设建立倾覆公式时的扬压力值.根据模型分析,倾覆与大坝几何条件有因果关系,而与坝基特性无关.对于具有垂直上游面的大坝而言(=0),当比值=/-大于0.791(=2.3)时,大坝不会发生倾覆(=2).为了限制作用在基础上的应力(大坝与基础接触面范围宽度约为2),如果将旋转点25向上游移动一段距离(=),则倾覆处于更加临界状态.如果假设扬压力沿2段线形降低,坝基宽度与坝高比应较大(例如当=0,=0.1时,=0.819),才能避免发生倾覆破坏.2.3承载能力破坏通过计算作用于建基面上的应力,求出口和的平均值(作用在有效合力作用线周围).通常,这些应力并不导致基础破坏,而是导致滑移.然而在某些情况下,这种破坏机制就会占上风.为了了解大坝比例(,)对这种破坏形式的影响,由下式计算破坏时的基础垂直压力:(破坏)专?7(1一).;(艿4『)该公式类似于那些研究浅层基础破坏的公式.承载能力系数是巾的函数.本模型中未考虑凝聚力(可采用有效摩擦角等量增值来模拟其作用).实际大坝基础设在某一深度,但在该简单模型中却忽略了埋深的作用.最后求出的公式相当保守,但仍然可用于阐明一些重要的作用.根据这些假设,基础承载能力破坏解析公式如下:[(一口)+-1].[22(一口)+(3一)一1一2]1=2.25[(0一)+]其值见图3.日0.50<>//\?.4'1日.5.5,,口皇10.8.81.01.21.40.80.81.01.21.4圈3承载能力极瞑状态26量.这种减法是西班牙大坝工程技术的标准做法.在所有数据中包括作者根据大型现场试验结果分析的部分大坝基础强度情况.表1不同类型岩基的平均值和标准偏差岩石一混凝土接触面岩石一一吼夺朗火成岩49.548.11448.309.9913沉积岩(不包括泥灰岩)44.2412.52651.7714.9216泥灰岩34.0712.9315变质岩41.4713.571636.6413.9210岩石节理(充填土)26.04.45222.629.7414注:=试验数据数目图7岩石一混凝土接触面强度通常不方便的做法是在大坝基础设计中对基础强度进行专门研究.如果缺乏这些分析,可采用上述数据作为参考.评价坝基强度的最起码要求是明确岩石特性(要求进行一29些现场和室内试验),参考已公布的其它坝址类似岩石的强度数据(3级分析).通常在岩石强度分析中除满足上述要求,还要求明确了解岩石主要节理情况并进行专项室内试验项目来分析足量的强度数据(2级分析).当进行详细分析时,可以对每一种破坏形式的基础强度进行更加准确的评价.可以预测沿破坏面的平均强度的最佳估计值,甚至可以预测置信度范围(1级分析).5安全性评价基础破坏风险可以被设想为几种破坏形式的"概率".如果已知作用力和抗力的组成结构,即可进行这种破坏概率评价.在图8中对此进行了分析,即在某种设计条件下,作用力作用在,平面上一点.该图还说明了产生基础破坏的极限应力.显而易见,目前不可能进行这种计算(3级风险评价).22=:\.图8破坏概率的评价方法①滑移②倾覆③承载能力破坏如果仅仅关注一种破坏形式,问题相对简化.按考虑的特殊破坏方向求出概率结构平面.破坏概率仍然难以评价,但如果将概率结构局部调整为平均值正态分布(,)和标准偏差,口为已知,则可以对其进行深入了解.在这种情况下,可以求出可靠性指数:-该式与破坏概率的关系如下:=1=0.16;6=2=0.023;=3=1.3×1030然而,要估算作用力和抗力的标准偏差似乎有些复杂.因此,这种破坏风险评价方法(2级)仍未应用于基础工程评价.作者进行的一些实例计算(2级)中假设计算强度的置信度达到95%(对沿破坏面的平均强度进行的慎重估算),这表明在大多