有限元分析论文大坝

1895年4月，法国Bouzey重力坝失事。事后分析，失事的原因是该坝设计时未考虑作用于坝基上的扬压力。20世纪初建造的许多重力坝多未考虑扬压力，如印度的Khadakwasla等坝(Kulkarni,1994)，均因不够稳定而采取加固。1959年法国Malpasset坝失事是拱坝第一次溃坝记录，经检查，坝的设计符合规范，施工质量良好。直到1987年，通过一次以溃坝为主题的国际研讨会，才有了初步结论：左坝肩地基中过大的水压力使坝基岩块沿F1断层滑动而溃坝。1976年，当时世界上最高的土坝，美国Teton坝发生溃坝，经反复查证，确认坝基岩石节理发育，库水流经岩石裂隙使心墙齿槽土体发生管涌而最终遭致溃坝。 1985年，美国Bath County抽水蓄能电站高压钢管中的一条出现了屈曲破坏。尽管设计在钢管区域精心布置了排水幕，但由于砂岩的层状构造的特点，排水幕并未起到预期的作用。水电站高压钢管在外水压作用下屈曲破坏的事故国内外均屡有发生。高压水工隧洞产生水力劈裂也不乏实例。水工隧洞及其它隧道工程塌方事故频繁，多为岩石裂隙水的不利作用所引发。 滑坡是多发性的自然灾害。较大的天然滑坡大多是岩体中的滑坡。1963年意大利Vajont拱坝近坝左岸库区岩体大滑坡体积达2.5亿m3，在当时是有记载滑坡中规模、滑速及造成的灾害均是最大的。19世纪60年代，岩石力学，特别是岩石水力学尚处于萌芽状态，没有估计到滑坡会造成数千人死亡的重大灾害，因而未能采取有效的处理及预报措施。2000年4月，西藏易巩藏布江左岸花岗岩山体发生约3亿m3大滑坡。据分析，这次滑坡是山体积雪融化，水渗入山体而触发的。在水电站工地、公路、铁路沿线都有因人工开挖而出现岩石高边坡问题。不少人工岩石边坡因受降雨、施工用水、生活用水的影响而产生滑坡，造成程度不同的损失。许多工程因采取了以排水为主的综合处理措施而有效地防止了滑坡。 综上所述，许多工程事故都与岩石水力学有关。本文仅以几个重大工程事故的实例来说明研究、学习与掌握岩石水力学的重要性和迫切性。2 法国Malpasset拱坝溃决2.1 Malpasset拱坝简介 Malpasset双曲拱坝位于法国南部Rayran河上，坝高66m，水库总库容5100万m3。坝顶高程102.55m，顶部弧长223m。坝的厚度由顶部1.5m渐变到中央底部6.76m，属双曲薄拱坝。左岸有带翼墙的重力推力墩，长22m，厚6.50m，到地基面的混凝土的最大高度为11m，开挖深度6.5m。在坝顶中部设无闸门控制的溢洪道。坝基为片麻岩，片理倾角在30°～50°之间，倾向下游偏右岸。较大的片理中部充填糜棱岩。坝址范围内有两条主要断层。一条为近东西向的F1断层，倾角45°，倾向上游。断层带内充填含粘土的角砾岩，宽度80cm。另一条为近南北向的F2，倾向左岸，倾角70°～80°(图1)。图1 Malpasset拱坝主要地质构造 图2 Malpasset拱坝水库蓄水过程线2.2 拱坝溃坝过程 Malpasset拱坝于1954年末建成并蓄水。库水位上升缓慢。历经5年至1959年11月中旬，库水位才达到95.2m。这时的坝址下游20m，高程80m处有水自岩石中流出。因下了一场大雨，到12月2日晨，库水位猛增到100m(图2)。当日下午，工程师们到大坝视察，研究如何防止渗水的不利作用。因未发现大坝有任何异常，决定下午6点开闸放水，降低库水位。开闸后未发现任何振动现象。管理人员晚间对大坝进行了反复巡视，亦未见任何异常现象，于近21点离开大坝。21点20分，大坝突然溃决，当时库水位为100.12m。据坝下游1.5km对这一灾难少数目击者描述，他们首先感到大坝剧烈颤动，随之听到类似动物吼叫的突发巨响，然后感到强烈的空气波。最终他们看到巨大的水墙顺河谷奔腾，同一时间电力供应中断。洪水出峡谷后流速仍达20km/h，下游12km处Frejus城镇部分被毁，死亡421人，财产损失达300亿法郎。次日清晨发现大坝已被冲走，仅右岸靠基础部分有残留拱坝，一些坝块被冲到下游1.5km处，左岸坝基岩体被冲出深槽。2.3 溃坝后的调查及分析 1959年Malpasset拱坝溃坝并造成的重大灾难震惊了工程界，也因在此之前尚未有拱坝溃坝的先例。事故发生在坝工建设方面，尤其是在拱坝建设方面为世界最先进的国家；该坝是由最负盛名的设计大师Andce Coyne设计的；它是当时溃坝记录中最高的坝；溃坝毁灭了Frejus市，在最富的地中海区造成重大灾害；这次事故表明任何型式的包括被认为最安全的拱坝都会遭到破坏(Serafim，1987)。Malpasset拱坝的失事，说明了当时对岩体内水的流动规律知之甚少。这一惨痛的教训大大促进了岩石力学，特别是岩石水力学的发展。本文将摘引已发表的文献，从岩石水力学观点分析其失事的机理。2.3.1 溃坝原因的官方分析 Malpasset拱坝所有者法国农业部于12月5日组建了一个调查委员会。几个月后提交了一个临时报告。1960年8月提出代表官方的最终报告，1962年夏报告对外公布(Laeger,1963)。该报告正文只有55页，因有40个附件，共形成三厚本报告。委员会委托法国电力公司(EDF)对大坝应力作了复核，最大压应力为6.1MPa，混凝土抗压安全系数为5.3。拱冠局部有1MPa拉应力。EDF还对拱的独立工作工况进行了校核。对左岸重力墩也进行了复核，在拱圈单独作用下重力墩是安全的。冲走的附有基岩的大量混凝土块均未发现混凝土与岩石接触面有破坏迹象。混凝土质量良好，其抗压强度为33.3MPa～53.3MPa。由此判断，坝失事是由坝基岩石引发的。委员会认为，水的渗流在坝下形成的压力引发了第一阶段的破坏(Jaeger,1979，391页)。2.3.2 坝工界对溃坝原因的讨论 法国官方最终报告公开后，引起了坝工界广泛重视。Coyne and Bellier公司对Malpsset拱坝地基片麻岩进行渗透试验(Bellier and Londe,1976)，得出了渗透性与应力明显关系。就这一关系对拱坝失事原因给出了明确的解释，并由Londe(1985，1987)在工程地基国际会议及大坝失事国际研讨会上作了报告。这一期间，还发表了一些重要论文');">论文和专著，主要有Jaeger(1963，1979)、Habib(1987)、Post和Bonazzi(1987)、Serafim(1981，1982，1987)、Wittke和Leonards(1987)及汝乃华和姜忠胜(1995)等。Malpasset拱坝失事至今已40多年，对其失事的原因至今尚未取得完全一致的认识。但绝大多数专家都认为坝基内过大的孔隙水压力是造成失事的主要原因。2.3.3 Londe(1987)的分析 片麻岩有片理构造。试验研究表明，当窄条形荷载与片理垂直时，应力向岩体深部传布呈扩散状，而当荷载与片理平行时，受片理影响，应力分布呈条带状传至岩体深部而不能扩散(图3)。Malpasset拱坝由于其与片麻岩片理空间相对关系，左坝肩拱推力与片理平行，右坝肩拱推力则与片理垂直。左右两坝肩岩体承载后的应力分布有很大差异。由于坝左有F1断层，在左坝肩从拱座到F1断层形成高应力岩体条带。Bernaix在Malpasset拱坝溃坝后对地基片麻岩体进行过室内渗透性与应力关系的试验，发现片麻岩的渗透性与应力关系十分明显。将这一关系用指标S表示：图3 荷载垂直片理与平行处理应力分布S=k-1/k50 (1)式中：k-1为拉应力为0.1MPa时岩块的渗透系数，k50为压应力为5MPa时岩块的渗透系数。 试验表明，S指标最大值可达200。按岩石渗透性与应力关系的试验结果，在拱坝推力作用下左坝肩拱座到F1断层实际上形成了条状防渗帷幕，相当于一个地下大坝。该区域的渗透系数仅为周围岩石的渗透系数的1/100或更小。由于条带内与条带外渗透系数相差100倍，绕坝渗流水头全消耗在防渗条带内。因而，在防渗条带上游就作用有相应于全水头的压力。左坝基岩体在全水头压力作用下沿F1断层滑动致使拱坝溃决(图4)。2.3.4 Wittke和Leonards的分析 西德Aachen大学Wittke教授在1984年秋考察了Malpasset拱坝遗址后，随即开展了对该坝失事原因的研究。作为Aachen大学访问学者，作者曾部分地参予了该项研究工作。Wittke从岩体渗流的增量荷载理论，用有限元方法分析坝与坝基在水压力、自重及渗流荷载作用下的变形和应力。结果表明，拱坝坝踵处岩体在垂直片理方向产生拉应力，该处片理产生张裂缝。库水进入裂缝并将裂缝劈开至下部断层处，在裂缝内形成全水头压力，使左坝肩至F�1断层的岩块失稳(图5)，大坝溃决。图4 Londe对Malpasset拱坝溃坝原因的解释 图5 Wittke对Malpasset拱坝溃坝原因的解释图4及图5对Malpasset拱坝破坏分析形式上一致，但出发点不相同。岩体中有节理、裂隙、片理、层面及断层等各种构造面，水流主要顺这些构造而运动。对多数岩石，岩块的渗透性常可忽略不计。从这个观点，Wittke提出的Malpasset拱坝溃坝原因的分析是比较最实际的。Serafim与Wittke的观点基本一致。2.4 小结 Malpasset拱坝溃坝造成了灾害。对这一事故的分析研究加深了工程界对岩石力学的认识，并促进了岩石水力学的发展，目前已成为岩石力学的一个重要的学科分支。显然，岩石水力学的形成无论对科学的发展或对工程的安全都有重大意义。1987年在Purdue大学召开的以大坝失事为主题的国际研讨会上G.A.Leonards主席总结发言中有一段评论：“……Malpasset坝的溃决是推动初步形成的岩石力学成为一个茁壮成长的岩石工程学科的 主要动力，这一学科可以广泛应用于土木工程，包括大坝、隧道、大型地下洞室、自然岩石边坡及人工岩石边坡的稳定性各类问题上。……”