加筋参数对加筋土大坝背水坝坡安全系数影响的研究_孙中光.pdf

第卷第期水 利 科 学 与 寒 区 工 程 ，年月 ，孙中光加筋参数对加筋土大坝背水坝坡安全系数影响的研究水利科学与寒区工程，（）：加筋参数对加筋土大坝背水坝坡安全系数影响的研究孙中光（江西省袁惠渠工程管理局 江西 新余 ）摘要：加筋土可以有效提高土质水工建筑物安全稳定性，对其工程应用进行研究和分析具有重要的理论意义和工程价值。此次研究以具体工程为背景，利用数值模拟的方式，探讨了加筋土加筋参数对大坝背水坡安全系数的影响。结果显示，采用间距 、主筋长度、次筋长度的设计方案可以获得最佳工程效果，建议在工程设计中选用。研究结论不仅可为背景工程的设计建设提供支持，也可以为类似工程的设计研究提供借鉴。关键词：加筋土；土坝；数值模拟中图分类号：文献标志码：文章编号：（）收稿日期：作者简介：孙中光（），男，江西分宜人，工程师，主要从事水利工程施工管理工作。：。某水利工程为均质土坝，坝轴线长 ，最大坝高 。其背水坡在工程设计中拟采用加筋土方式，提高大坝的整体安全性和稳定性。显然，工程设计本身需要兼顾安全性、技术性和经济性要求，需要对加筋间距、长度等指标进行优化设计。基于此，构建相应的数值计算模型，利用强度折减法进行大坝边坡安全系数的求解计算，分析不同加筋土方案条件下大坝边坡的安全性和稳定性。计算方法 有限元模型的构建研究中利用 有限元软件进行背景工程的三维数值模型构建，为了尽量减少边界尺寸对计算结果可能造成的影响，同时最大限度减小计算量，设置模型的底边长为 ，高度为 ，宽度为。对大坝土体结构采用 节点三角单元进行网格剖分，加筋材料采用节点线单元模拟，桩采用 梁理论构建的板单元。网格划分质量的好坏会对计算结果本身产生较大的影响。一般来说，网格划分越密集，计算结果的精度越高，但是计算时间会明显延长，因此过分追求网格 的细致 和 精 度会造 成 计 算 资 源 的 浪费。综合考虑计算量和计算结果的精度要求，对构建的几何模型按照中等密度进行网格单元划分，最终获得 个网格单元，个节点，加筋材料和土体单元之间采用摩擦接触，摩擦系数为 。边界条件与计算参数研究中对计算模型采用标准的应变位移边界条件，其两侧和底部为不透水边界条件，坝体的衬垫正常工作是为不透水边界，发生破裂时为透水边界条件。采用摩尔库伦准则，初始应力场按照自重应力场计算，计算收敛准则为不平衡力比率满足 的求解要求，计算的时间步长上限为 步。根据计算的基本原理和要求，需要用到模型材料的个参数值，其具体结果利用相关规范和现场采样试验获取，结果如表所示。表模型材料参数材料密度 弹性模量 泊松比黏聚力 内摩擦角（）渗透系数土体 加筋材料 计算方案在研究中为了确定不同工程参数对加筋土大坝背水坝坡安全系数的影响，结合工程实际选择了加筋间距、加筋总长度以主次筋长度三个主要参数。针 对 加 筋 间 距，设 置 、，以及 等种不同的取值进行对比研究。根据背景工程的初步设计思路，加筋的布筋方式为主次交替布置（下层为主筋，上层为次筋），因此设计主次筋的长度总和为、，以及 等种不同的取值。针对主次筋总长 不变，设置主筋长度分别为 、，以及 等种不同取值。为了减小计算工作量，研究中保持两个参数的取值不变，利用强度折减法计算第三个参数在不同取值条件下大坝背水坡的安全系数，并对计算结果进行分析评价。图安全系数随加筋间距变化曲线计算结果与分析 加筋间距研究中保持主次筋总长度为、主次筋长度均为不变，利用构建的有限元模型对不同加筋间距条件下的大坝背水坡的安全系数进行计算，结果如图所示。由计算结果可以看出，随着加筋间距的增大，大坝背水坡的安全系数呈现出不断下降的变化特点，且前期下降速率较小，后期下降较为迅速。由此可见，采取较小的加筋间距有助于提升大坝背水坡的安全稳定性。从具体的数据来看，所有计算方案的安全系数均大于，说明边坡在通常情况下都处于安全稳定状态。另一方面，当加筋间距 时，安全系数的下降幅度较小。加筋间距 方案与加筋间距 方案相比，安全系数由 下降到 ，下降了约 ；当加筋间距 时，安全系数的下降幅度较大。加筋间距 方案与加筋间距 方案相比，安全系数由 下降到 ，下降了约 。考虑加固效果和工程经济性，推荐采用 的间距方案。加筋总长研究中保持加筋间距为 不变，主次筋设置为等长，对不同加筋长度方案的大坝背水坡安全系数进行模拟计算，结果如图所示。从计算结果可以看出，随着加筋总长度的增加，大坝背水坡的安全系数呈现出不断增大并趋于稳定的变化特点。由此可见，增加加筋总长度有助于提升安全稳定性。从具体的计算结果来看，当加筋总长度小于 时，安全系数的增幅较大。加筋总长度 方案与加筋总长度方案相比，安全系数由 增加到 ，增长了约 ；当加筋总长度大于 时，安全系数的增长幅度较为有限。加筋总长度 方案与加筋总长度 方案相比，安全系数由 增长到 ，增长了约 。考虑加固效果和工程经济性，推荐采用 的加筋总长度方案。图安全系数随加筋总长度变化曲线 主筋长度研究中保持加筋间距为 、加筋总长度 不变，对不同主筋长度方案条件下的大坝背水坡安全系数进行模拟计算，结果如图所示。从计算结果可以看出，随着主筋长度的增加，大坝背水坡安全系数呈现出先增长后下降，再增长再下降的波动变化特征。由此可见，主次筋的长度设置方式会对边坡安全系数产生十分显著的影响，是工程加固效果的重要影响因素。具体来看，大坝背水坡安全系数最小的方案为主筋长度为的方案，也就是主次筋长度相等。安全系数最大水 利 科 学 与 寒 区 工 程第卷的为主筋长度为 和 的方案，此时主筋和次筋的长度比为或。其中，主筋长度为的方案具有一定的优势，应该为最佳方案。图安全系数随主筋长度变化曲线结论（）随着加筋间距的增大，大坝背水坡的安全系数呈现出不断下降的变化特点，且前期下降速率较小，后期下降较为迅速。（）随着加筋总长度的增加，大坝背水坡的安全系数呈现出不断增大并趋于稳定的变化特点。（）随着主筋长度的增加，大坝背水坡安全系数呈现出先增长后下降，再增长再下降的波动变化特征。（）综合考虑工程效果和经济性，建议背景工程采用间距 、主筋长度、次筋长度的设计方案。参考文献：吴相豪，刘俊汝基于安全系数法拟定面板堆石坝变形监控指标中国安全科学学报，（）：李欣欣，李登华，汪璋淳，等加筋土轻质挡墙护岸结构及其稳定 性 研 究 水 利 科 学 与 寒 区 工 程，（）：张燚，印振华，张根全，等近坝库岸古滑坡体稳定性及其对大坝安全的影响研究水力发电，（）：，吴红刚，牌立芳，赖天文，等山区机场高填方边坡桩锚加筋土组合结构协同工作性能优化研究岩石力学与工程学报，（）：唐远东新型加筋土技术在土石坝除险加固中的应用水利科技与经济，（）：第期孙中光加筋参数对加筋土大坝背水坝坡安全系数影响的研究