百色水电站尾水渠高边坡三维有限元静、动力分析研究
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摘要
百色水电站位于郁江上游，在百色上游22km处。其水电站尾水渠高边坡所处区域地质条件复杂，边坡表面由几米至十几米厚的坡积土和强风化破碎岩石组成，下部是弱风化和微风化岩石组成，且断层、节理和软弱夹层分布广泛。因为边坡即有岩质边坡的特点又有土质边坡的特点，所以其稳定性分析问题较为突出。而尾水渠高边坡的稳定性直接关系到整个工程的施工进度及日后枢纽的调度和运行安全。因此，准确分析尾水渠高边坡在各种荷载组合下的稳定性便显得尤为重要。
高边坡无论在土木工程、水利工程及交通工程中都是十分常见的，结合百色水电站尾水渠高边坡实际工程，探寻一种能够准确分析复杂边坡稳定性，减少滑坡灾害发生的方法是一件十分有益的事情。
应用三维非线性有限元方法能够准确地模拟岩石和土体实际地质条件，并能考虑岩土体的非线性本构关系，可以比较真实地反映边坡的实际变形和应力分布规律，在此基础上，来衡量边坡的稳定程度。本文主要应用三维非线性有限元对百色水电站尾水渠高边坡进行静、动力稳定性分析，并对结果进行分析，给出供工程设计的参考意见。
评价边坡的稳定性，一般来说要给出一个安全系数，建立在刚体极限平衡基础上的各种方法由于其工作状态是虚拟的，因此无法分析边坡破坏的过程。应用逐步降低抗剪强度法，即在三维非线性有限元计算过程中逐步降低材料的抗剪强度，可以模拟材料由强减弱的过程时边坡的稳定性态，继而由边坡在极限平衡时的参数确定边坡的安全系数。本文论述了此方法的原理，并利用此方法对百色水利枢纽尾水渠高边坡进行了稳定性分析。
边坡可能下滑面的确定一直是边坡稳定分析的一个重要内容，本文提出了根据三维非线性有限元稳定分析结果确定边坡可能滑裂面及指定安全系数的下滑力的分析方法，为边坡加固提供参考。
锚杆加固是边坡加固的常用方法，在进行三维有限元计算时，常将锚杆用空间杆件单元来模拟，本文给出了空间杆件单元与地基四面体单元协调的解决办法，并探讨了边坡锚杆加固的机理。
Baise Hydraulic Power Plant lies in the head of Yujiang river, which is 22km away from Baise city. The geologic condition of side slope is complex. It is composed of soil and intense weathering rock on the surface and slightly weathering rock under the surface. Further more, it has many faults, fissuring and weak intercalations. The problem that stability of side slope alongside of tail channel is about rock and soil problem. But the stability of the side slope is very important to the construction schedule of project and the safety running of junction. So, it is very important to analyze the stability of side slope well and truly.
Highwall slope is very common in civil engineering, hydraulic engineering and traffic engineering. It is a significative thing to find a good way to analyze the stability of side slope and reduce the frequency of slope failure,
3D nonlinear finite element can be used to simulate the geologic condition and consider the nonlinear constitutive relation of rock and soil, and it can reflect the rule of transmutation and stress distributing of side slope exactly. On this basis, we can estimate the stability of slide slope. In this paper, 3D nonlinear finite element model is used to analyze the stability of side slope of Baise Hydraulic Power Plant's tail channel, and the result to be given for consulting.
In general, for the stability of side slope, we should specify a safety factor. Because the work state on limiting equilibrium theory of rigid body is assumed, it can't be used to analyze the course of the rock breakage. By using the method of reducing shear stiffness by step, that is, reducing shear stiffness during 3D nonlinear finite element analysis, it can simulate the stability of slope when its materials intension become strength from weak. When the slope is limiting equilibrium, we can define the safety factor on this parameter. This method and the stability of the slide slope analysis will be discussed in this paper.
The determination of potential downslide surface is one of the most important content, so a method is brought forward. Based on the result of 3D nonlinear finite element analysis, a method to determinate the potential downslide surface and safety factor for analyzing sliding force has been put forward. By this method, we can calculate the force of downslide. This can help the engineer to design the reference.
Reinforcing the slope by anchor jack is a common method. In 3D finite element method, anchor jack is simulated by link element. In this paper, the method that using link element to assort with block element has been put forward. The mechanism of reinforcing the slope by anchor jack also has been discussed in this paper.
高边坡无论在土木工程、水利工程及交通工程中都是十分常见的，结合百色水电站尾水渠高边坡实际工程，探寻一种能够准确分析复杂边坡稳定性，减少滑坡灾害发生的方法是一件十分有益的事情。
应用三维非线性有限元方法能够准确地模拟岩石和土体实际地质条件，并能考虑岩土体的非线性本构关系，可以比较真实地反映边坡的实际变形和应力分布规律，在此基础上，来衡量边坡的稳定程度。本文主要应用三维非线性有限元对百色水电站尾水渠高边坡进行静、动力稳定性分析，并对结果进行分析，给出供工程设计的参考意见。
评价边坡的稳定性，一般来说要给出一个安全系数，建立在刚体极限平衡基础上的各种方法由于其工作状态是虚拟的，因此无法分析边坡破坏的过程。应用逐步降低抗剪强度法，即在三维非线性有限元计算过程中逐步降低材料的抗剪强度，可以模拟材料由强减弱的过程时边坡的稳定性态，继而由边坡在极限平衡时的参数确定边坡的安全系数。本文论述了此方法的原理，并利用此方法对百色水利枢纽尾水渠高边坡进行了稳定性分析。
边坡可能下滑面的确定一直是边坡稳定分析的一个重要内容，本文提出了根据三维非线性有限元稳定分析结果确定边坡可能滑裂面及指定安全系数的下滑力的分析方法，为边坡加固提供参考。
锚杆加固是边坡加固的常用方法，在进行三维有限元计算时，常将锚杆用空间杆件单元来模拟，本文给出了空间杆件单元与地基四面体单元协调的解决办法，并探讨了边坡锚杆加固的机理。
Baise Hydraulic Power Plant lies in the head of Yujiang river, which is 22km away from Baise city. The geologic condition of side slope is complex. It is composed of soil and intense weathering rock on the surface and slightly weathering rock under the surface. Further more, it has many faults, fissuring and weak intercalations. The problem that stability of side slope alongside of tail channel is about rock and soil problem. But the stability of the side slope is very important to the construction schedule of project and the safety running of junction. So, it is very important to analyze the stability of side slope well and truly.
Highwall slope is very common in civil engineering, hydraulic engineering and traffic engineering. It is a significative thing to find a good way to analyze the stability of side slope and reduce the frequency of slope failure,
3D nonlinear finite element can be used to simulate the geologic condition and consider the nonlinear constitutive relation of rock and soil, and it can reflect the rule of transmutation and stress distributing of side slope exactly. On this basis, we can estimate the stability of slide slope. In this paper, 3D nonlinear finite element model is used to analyze the stability of side slope of Baise Hydraulic Power Plant's tail channel, and the result to be given for consulting.
In general, for the stability of side slope, we should specify a safety factor. Because the work state on limiting equilibrium theory of rigid body is assumed, it can't be used to analyze the course of the rock breakage. By using the method of reducing shear stiffness by step, that is, reducing shear stiffness during 3D nonlinear finite element analysis, it can simulate the stability of slope when its materials intension become strength from weak. When the slope is limiting equilibrium, we can define the safety factor on this parameter. This method and the stability of the slide slope analysis will be discussed in this paper.
The determination of potential downslide surface is one of the most important content, so a method is brought forward. Based on the result of 3D nonlinear finite element analysis, a method to determinate the potential downslide surface and safety factor for analyzing sliding force has been put forward. By this method, we can calculate the force of downslide. This can help the engineer to design the reference.
Reinforcing the slope by anchor jack is a common method. In 3D finite element method, anchor jack is simulated by link element. In this paper, the method that using link element to assort with block element has been put forward. The mechanism of reinforcing the slope by anchor jack also has been discussed in this paper.
引文
[1] 陈祖煜、邵长明．最优化方法在确定边坡最小安全系数方面的应用．岩土工程学报，1988．7
[2] 丰定祥、吴家秀、葛修润．边坡稳定性分析中几个问题的探讨．岩土工程学报，1990．5
[3] 曹文贵、颜荣贵．边坡非圆临界滑面确定之动态规划法研究．岩石力学与工程学报，1995．12
[4] 钱家欢，殷宗泽主编．土工原理与计算(第二版)．北京：中国水利水电出版社，1996
[5] 江见鲸等．土建工程常用微机程序汇编．北京：水利电力出版社，1987
[6] 塑性力学．河海大学教材，1998
[7] 张天宝．土坡稳定分析圆弧法的数值研究．成都工学院学报，1978．1-2
[8] 张天宝．土坡稳定分析和土工建筑物的边坡设计．成都科技大学出版社，1987
[9] 张孟喜、陈炽昭．土坡稳定分析的有限元追踪法．岩土工程学报，1991．11
[10]朱大勇．边坡临界滑动场及其数值模拟．岩土工程学报，1997．1
[11]沈凤生、翼春楼、李斌、郭朝文．小浪底高边坡稳定分析研究．岩土工程学报，1998．3
[12]李靖、周欣华、党进谦．黄土边坡稳定性图解法．岩土工程学报，1998．7
[13]陈新民、罗国煜．基于经验的边坡稳定性灰色系统分析与评价．岩土工程学报，1999．9
[14]辛鸿博、王余庆．岩土边坡地震崩滑及其初判准则．岩土工程学报，1999．9
[15]卢才金、胡厚田、徐建平、罗斌．改进的BP网络在岩质边坡稳定性评判中的应用．岩石力学与工程学报，1999．6
[16]刘瑞伶、谭国焕、李启光、徐钺、王元汉．岩石边坡稳定性和Fuzzy综合评判法．岩石力学与工程学报，1999．4
[17]周昌寿、杜竞中、郭增涛、崔治光合编．露天矿边坡稳定．中国矿业大学出版社，1990
[18]舒家华、李军．预应力锚索在边坡加固中方位角的确定．地质与勘探，1998．11
[19]汪树玉、刘国华、江辉和杨延毅．高边坡工程中预应力锚索间距与开挖顺序的优化．水利学报，1997，5
[20]李宁、韩烜、陈飞熊、赵彦辉．预应力群锚加固机理数值试验研究．岩土工程学报，1997．9
[21]林峰、黄润秋．边坡稳定性极限条分法的探讨．地质灾害与环境保护，1997．11
[22] (美) Yang H．Huang著，包承纲、王清友、宋昆仑、涂帆译．土坡稳定分析．清华大学出版社，1988
[23]范文、俞茂宏、李同录、彭建兵．层状岩体边坡变形破坏模式及滑坡稳定性数值分析．岩石力学与工程学报，2000(增刊)
[24]张发明、刘宁、赵维炳．岩质边坡预应力锚固的力学行为及群锚效应．岩石力学与工程学报，2000(增刊)
[25]卓家寿等．复杂空间结构非线性分析的分区混合元程序包，《水工结构工程与岩土工程的现代计算方法及程序》(姜弘道等主编)．河海大学出版社，1992
[26]孙君实．条分法的提法及其数值计算的最优化方法．水力发电学报，1983．1
[27]孙君实．条分法的数值分析．岩土工程学报，1984．2
[28]杜时贵、潘别桐主编．小浪底边坡工程地质．地震出版社，1999
[29]崔政权、李宁编著．边坡工程——理论与实践最新发展．中国水利水电出版社，1999
[30]卓家寿．弹性力学中的有限元法．弹性力学专题教材，1986
[31]弹性力学问题的有限元法．河海大学教材，1996
[32]朱伯芳．有限单元法原理与应用(第二版)．中国水利水电出版社，1998
[33]乔建平主编．滑坡减灾理论与实践．科学出版社，1997
[34]钱家欢主编．土力学(第二版)．河海大学出版社，南京，1995
[35]中国岩土锚固工程协会主编．岩土工程中的锚固技术．地震出版社，1992
[36]中国岩土锚固工程协会主编．岩土锚固工程技术．人民交通出版社，1996
[37] 龙驭球，包世华主编．结构力学(下册)，人民教育出版社，1981，P225．
[38]王勖成，邵敏．有限单元法基本原理与数值方法．清华大学出版社，北京，1988
[39]姜弘道，陈和群．有限单元法程序设计．水利电力出版社，北京，1989
[40]田斌．高水头、大直径地下钢筋混凝土岔管的计算研究，硕士论文．河海大学，1992．6
[41]丁予通．考虑垂直变位调整对二滩拱坝应力的影响．水电站设计，1991
[42]傅作新．水工结构力学问题的分析与计算(结构与岩土相互作用分析中的交界面单元)．河海大学出版社，1993
[43]姚纬明，李同春，任旭华．带软弱结构面岩体的弹塑性有限元分析．河海大学学报，1999．3
[44]张有天主编．岩石高边坡的变形与稳定．中国水利水电出版社，北京，1999
[45]潘家铮．建筑物的抗滑稳定和滑坡分析．水利出版社，1980
[46] (英)Hoek E．and Bray J．W．著，卢世宗等译．岩石边坡工程．冶金工业出版社，北京，1983
[47]赵光恒．结构动力学．中国水利水电出版社，北京，1996
[48]徐芝纶．弹性力学(上、下)．高等教育出版社，1990
[49]杨仲侯、胡维俊、吕泰仁合编．结构力学．高等教育出版社，1992
[50]钱济成、徐道远、刘丽丽、符晓陵编．材料力学．河海大学出版社，1993
[51]戚筱俊主编．工程地质及水文地质．水利电力出版社，1991
[52]沈明荣主编．岩石力学．同济大学出版社，1999
[53]李先炜、卢世宗等译．国际岩石力学会议论文选集．煤炭工业出版社，1987
[54]田良灿等译．第四届国际岩石力学会议论文选集．冶金工业出版社，1985
[55]蔡德所著．复杂坝基与滑坡研究中的新方法．中国电力出版社，1998
[56]曾宪明、林润德、易平编著．基坑与边坡事故警示录．中国建筑工业出版社，1999
[57]徐文焕主编．第一届全国计算岩土力学研讨会论文集(一)．西南交通大学出版社，1987
[58]徐文焕主编．第一届全国计算岩土力学研讨会论文集(二)．西南交通大学出版社，1987
[59]滑坡文集编委会主编．滑坡文集(6-14集)．中国铁道出版社，1988-2000
[60]孙玉科、牟会宠、姚宝魁著．边坡岩体稳定性分析．科学出版社，1988
[61]祝玉学著．边坡可靠性分析．冶金工业出版社，1993
[62]王保田．边坡稳定可靠性分析．河海大学博士研究生毕业论文，1992
[63]顾培．边坡加固方案的研究——桩锚结构的非线性有限元分析．河海大学硕士研究生毕业论文，1992
[64]赵进勇．滑坡问题的数值分析、神经网络预测及智能整治研究．河海大学硕士研究生毕业论
文，2001
[65]王恭先．滑坡防治工程措施的国内外现状．中国地质灾害与防治学报，1998．1
[66](美)R．L舒斯特，R．J．克利泽克编，铁道部科学研究院西北研究所译．滑坡的分析与防治．中国铁道出版社，北京，1987
[67]中国岩石力学与工程学会地面岩石工程专业委员会，中国地质学会工程地质专业委员会编．中国典型滑坡．科学出版社，1988
[68]牟会宠编写．滑坡．地震出版社，1987
[69] (日) 失野羲男等著，谭炳炎、孟河清等译．泥流、泥石流、滑坡、崩塌防治工程手册．科学技术文献出版社重庆分社，1989
[70]谭浩强、田淑清编著．FORTRAN语言程序设计．高等教育出版社，1995
[71]赵翔龙编著．Fortran 90学习教程．北京大学出版社，北京，2000
[72] (美) Walter S. Brainerd, Charles H. Goldberg, Jeanne C. Adams著，袁驷、叶康生译．Fortran 90编程指南(第三版)．高等教育出版社，施普林格出版社，2000
[73]桂良进、王军、董波编著．Fortran PowerStation 4.0使用与编程．北京航空航天大学出版社，1999
[74]李瓒，夏颂佑，邓德生．洞、桩及其联合结构的工作性态分析．水力发电，1992
[75]姚纬明．三峡永久船闸闸室墙及边坡的强度与稳定研究．河海大学博士研究生毕业论文，1999
[76]李同春、卢智灵、姚纬明、曹广德．边坡抗滑稳定安全系数的有限元迭代解法．岩石力学与工程学报(待刊)
[77]黄昌乾、丁恩保．边坡稳定性评价结果的表达与边坡稳定判据．工程地质学报，1997．4
[78]W.F.Chan, "Limit Analysis and Soil Plasticity", Elsevier, Amsterdam, 1975. McGrawHill, London
[79]刘晓青、李同春、顾清华．用有限元法求解复杂结构体系的内力．河海大学学报，2000(增刊)
[80]M.A.Crisfield, non-linear Finite Element Analysis of Solid and Structure Volume 2:Advanced Topics, 1997, p102-103。
[81]姚伟明、李同春等．带软弱结构面岩体的弹塑性有限元分析．河海大学学报，1999．5
[2] 丰定祥、吴家秀、葛修润．边坡稳定性分析中几个问题的探讨．岩土工程学报，1990．5
[3] 曹文贵、颜荣贵．边坡非圆临界滑面确定之动态规划法研究．岩石力学与工程学报，1995．12
[4] 钱家欢，殷宗泽主编．土工原理与计算(第二版)．北京：中国水利水电出版社，1996
[5] 江见鲸等．土建工程常用微机程序汇编．北京：水利电力出版社，1987
[6] 塑性力学．河海大学教材，1998
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[14]辛鸿博、王余庆．岩土边坡地震崩滑及其初判准则．岩土工程学报，1999．9
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[16]刘瑞伶、谭国焕、李启光、徐钺、王元汉．岩石边坡稳定性和Fuzzy综合评判法．岩石力学与工程学报，1999．4
[17]周昌寿、杜竞中、郭增涛、崔治光合编．露天矿边坡稳定．中国矿业大学出版社，1990
[18]舒家华、李军．预应力锚索在边坡加固中方位角的确定．地质与勘探，1998．11
[19]汪树玉、刘国华、江辉和杨延毅．高边坡工程中预应力锚索间距与开挖顺序的优化．水利学报，1997，5
[20]李宁、韩烜、陈飞熊、赵彦辉．预应力群锚加固机理数值试验研究．岩土工程学报，1997．9
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[22] (美) Yang H．Huang著，包承纲、王清友、宋昆仑、涂帆译．土坡稳定分析．清华大学出版社，1988
[23]范文、俞茂宏、李同录、彭建兵．层状岩体边坡变形破坏模式及滑坡稳定性数值分析．岩石力学与工程学报，2000(增刊)
[24]张发明、刘宁、赵维炳．岩质边坡预应力锚固的力学行为及群锚效应．岩石力学与工程学报，2000(增刊)
[25]卓家寿等．复杂空间结构非线性分析的分区混合元程序包，《水工结构工程与岩土工程的现代计算方法及程序》(姜弘道等主编)．河海大学出版社，1992
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[28]杜时贵、潘别桐主编．小浪底边坡工程地质．地震出版社，1999
[29]崔政权、李宁编著．边坡工程——理论与实践最新发展．中国水利水电出版社，1999
[30]卓家寿．弹性力学中的有限元法．弹性力学专题教材，1986
[31]弹性力学问题的有限元法．河海大学教材，1996
[32]朱伯芳．有限单元法原理与应用(第二版)．中国水利水电出版社，1998
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[36]中国岩土锚固工程协会主编．岩土锚固工程技术．人民交通出版社，1996
[37] 龙驭球，包世华主编．结构力学(下册)，人民教育出版社，1981，P225．
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[39]姜弘道，陈和群．有限单元法程序设计．水利电力出版社，北京，1989
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[42]傅作新．水工结构力学问题的分析与计算(结构与岩土相互作用分析中的交界面单元)．河海大学出版社，1993
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[65]王恭先．滑坡防治工程措施的国内外现状．中国地质灾害与防治学报，1998．1
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[68]牟会宠编写．滑坡．地震出版社，1987
[69] (日) 失野羲男等著，谭炳炎、孟河清等译．泥流、泥石流、滑坡、崩塌防治工程手册．科学技术文献出版社重庆分社，1989
[70]谭浩强、田淑清编著．FORTRAN语言程序设计．高等教育出版社，1995
[71]赵翔龙编著．Fortran 90学习教程．北京大学出版社，北京，2000
[72] (美) Walter S. Brainerd, Charles H. Goldberg, Jeanne C. Adams著，袁驷、叶康生译．Fortran 90编程指南(第三版)．高等教育出版社，施普林格出版社，2000
[73]桂良进、王军、董波编著．Fortran PowerStation 4.0使用与编程．北京航空航天大学出版社，1999
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[75]姚纬明．三峡永久船闸闸室墙及边坡的强度与稳定研究．河海大学博士研究生毕业论文，1999
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[77]黄昌乾、丁恩保．边坡稳定性评价结果的表达与边坡稳定判据．工程地质学报，1997．4
[78]W.F.Chan, "Limit Analysis and Soil Plasticity", Elsevier, Amsterdam, 1975. McGrawHill, London
[79]刘晓青、李同春、顾清华．用有限元法求解复杂结构体系的内力．河海大学学报，2000(增刊)
[80]M.A.Crisfield, non-linear Finite Element Analysis of Solid and Structure Volume 2:Advanced Topics, 1997, p102-103。
[81]姚伟明、李同春等．带软弱结构面岩体的弹塑性有限元分析．河海大学学报，1999．5