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1、10申请公布号CN103469780A43申请公布日20131225CN103469780ACN103469780A21申请号201310436202622申请日20130924E02D1/0820060171申请人昆明理工大学地址650093云南省昆明市五华区学府路253号72发明人李泽魏久坤姚激武亮54发明名称一种重力坝坝基深层抗滑稳定临界滑动面的计算方法57摘要本发明公开了一种重力坝坝基深层抗滑稳定临界滑动面的计算方法,属于重力坝稳定性分析领域,本发明针对重力坝坝基缓倾软弱结构面未露头,但可能发生部分下游基岩的剪断而产生滑动的情况,将下游基岩发生剪断破坏滑面的位置变量作为优化变量,以重力。
2、坝深层抗滑稳定安全系数作为目标函数,同时以等安全系数法方程为约束条件,建立重力坝深层抗滑稳定性分析的非线性数学规划模型,并使用数学规划优化算法求解下游岩体剪断破坏的最不利临界滑面以及其对应的安全系数的最小值,本发明方法具有概念明确、计算精度高等特点,可将其应用于重力坝深层抗滑稳定性的分析。51INTCL权利要求书2页说明书6页附图2页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书2页说明书6页附图2页10申请公布号CN103469780ACN103469780A1/2页21一种重力坝坝基双斜滑动临界破坏滑面计算方法,其特征在于针对重力坝坝基缓倾软弱结构面未露头,但可能发生部分下游基。
3、岩的剪断而产生滑动的情况,将下游基岩发生剪断破坏滑面的位置变量作为优化变量,以重力坝深层抗滑稳定安全系数作为目标函数,同时基于等安全系数法约束条件,建立重力坝深层抗滑稳定性分析的非线性数学规划模型,并使用数学规划优化算法求解下游岩体剪断破坏的最不利临界滑面以及其对应的安全系数的最小值。2根据权利要求1所述重力坝坝基双斜滑动临界破坏滑面计算方法,其特征在于按以下步骤进行(1)根据重力坝的实际情况,确定计算参数,计算参数包括重力坝坝体几何参数、基岩几何参数、材料参数、荷载参数,其中材料参数包括坝体、基岩和软弱结构面的容重、凝聚力、摩擦系数;(2)建立重力坝深层抗滑稳定性分析的非线性数学规划模型,构。
4、建模型时以重力坝深层抗滑稳定的安全系数为目标函数,以等安全系数法方程为约束方程,以重力坝下游岩体剪断破坏临界滑面的位置变量作为优化变量;A、重力坝深层抗滑稳定计算的受力分析针对重力坝坝基缓倾软弱结构面未露头,部分下游基岩发生剪断而产生滑动的双斜滑动,进行双斜滑动模式的受力分析;B、将重力坝深层抗滑稳定的安全系数作为目标函数,并寻求其对应于下游岩体临界破坏滑面的最小值,其中;C、以等安全系数法方程为约束方程D、求解重力坝坝基双斜滑动临界破坏滑面的非线性数学规划模型,数学模型具体表达式为其中如图1所示作用于坝体上全部荷载的垂直分量,不包括扬压力,KN;作用于坝体上全部荷载的水平分量,不包括扬压力,。
5、KN;、分别为岩体ABD、BCD重量的垂直作用力,不包括扬压力,KN;、分别为AB、BC滑动面的抗剪断摩擦系数;、分别为AB、BC滑动面的抗剪断凝聚力,不包括扬压力,KPA;、分别为AB、BC滑动面的面积,M2;权利要求书CN103469780A2/2页3、分别为AB、BC滑动面与水平面的夹角;、分别为AB、BC、BD面上的扬压力,KN;分别为BD面上的作用力,KN;BD面上的作用力与水平面的夹角,从偏于安全取为0度;(3)求解临界破坏滑面及其对应的安全系数本发明采用序列二次规划算法进行非线性数学规划模型的求解,计算结果包括下游基岩发生剪断的临界破坏滑面及其对应的抗滑稳定安全系数。权利要求书C。
6、N103469780A1/6页4一种重力坝坝基深层抗滑稳定临界滑动面的计算方法技术领域0001本发明涉及重力坝坝基稳定性分析的计算方法,特别涉及一种重力坝坝基深层抗滑稳定临界滑面的计算方法,属于重力坝坝基稳定性分析技术领域。背景技术0002重力坝是依靠自重产生的抗滑力来挡水的水工建筑物,是水利水电工程中一种常见的坝型。由于重力坝具有较好的安全性和经济性,其在水利水电行业得到了广泛的应用。随着水电建设的发展和建设规模的日益增大,具有完整基岩的重力坝址越来越少,大部分重力坝均修建在地质条件复杂的岩基上,因此重力坝复杂坝基的抗滑稳定问题变得日益突出。重力坝坝基岩体中存在着大量的软弱结构面,当作用在坝。
7、体及岩体上的荷载达到一定值时,坝基会沿着一个或多个软弱结构面组成的复合滑面发生破坏。根据重力坝坝基软弱结构面产状的不同,重力坝坝基深层滑动破坏可分为四种类型单斜剪切滑动破坏、双斜剪切滑动破坏、尾岩抗力体挤压破坏和尾岩抗力体隆起破坏。在这四种类型中,最常见的类型为单斜剪切滑动破坏、双斜剪切滑动破坏。0003单斜剪切滑动破坏属于单滑面情况,其计算比较简单,一般参照重力坝沿建基面滑动的抗滑稳定公式进行计算。双斜滑动稳定性分析较单斜剪切滑动破坏复杂,其计算方法主要有三种被动抗力法,等安全系数法,剩余推力法。其中等安全系数法为水利行业的重力坝设计规范所采用。等安全系数法的主要思想是采用抗剪断强度公式分别。
8、核算两个滑面上的抗滑安全系数,并令这两个安全系数相等,然后采用迭代法确定安全系数的值。0004等安全系数法主要可用于以下两类深层抗滑稳定的计算第一类是坝体带动一块基岩沿缓倾角并露头的连续双滑动面滑动;第二类是坝基缓倾软弱结构面未露头,也无可压缩层,但可能发生部分下游基岩的剪断而产生滑动。对于第一类情况应用等安全系数法可直接计算得出抗滑稳定的安全系数;但对于第二类情况,下游基岩的断裂面一般难以确定,现阶段的设计方法一般是先假定一个下游基岩的断裂面,再进行抗滑稳定分析,然而此方法并不能够确定最不利的下游基岩的断裂面。0005基于上述分析,针对坝基缓倾软弱结构面未露头,但可能发生部分下游基岩的剪断而。
9、产生滑动的情况,本发明提出了一种重力坝坝基双斜滑动临界破坏滑面计算方法。发明内容0006本发明的目的是提供一种重力坝坝基双斜滑动临界破坏滑面计算方法,并获得坝基缓倾软弱结构面未露头且部分下游基岩发生剪断而滑动的最不利临界破坏滑面,为重力坝设计、坝基稳定性计算提供一种新的方法和手段。0007本发明的基本原理是针对重力坝坝基缓倾软弱结构面未露头,但可能发生部分下游基岩的剪断而产生滑动的情况,将下游基岩发生剪断破坏滑面的位置变量作为优化变量,以重力坝深层抗滑稳定安全系数作为目标函数,同时基于等安全系数法约束条件,建立重力坝深层抗滑稳定性分析的非线性数学规划模型,并使用数学规划优化算法求解下游岩说明书。
10、CN103469780A2/6页5体剪断破坏的最不利临界滑面以及其对应的安全系数的最小值。0008本发明求解重力坝深层滑动破坏临界滑面的非线性数学规划模型时,以重力坝深层抗滑稳定安全系数为目标函数(求解其最小值),以重力坝下游岩体剪断破坏的临界滑面位置为优化变量,同时以等安全系数方程为约束条件。0009本发明的重力坝坝基双斜滑动临界破坏滑面计算方法的技术方案依次按以下步骤进行1、拟定重力坝坝基深层抗滑稳定计算的相关参数。0010根据重力坝的实际情况,拟定其计算参数,主要包括重力坝坝体几何参数、基岩几何参数、材料参数(包括坝体、基岩和软弱结构面的容重、凝聚力、摩擦系数)、荷载参数信息。00112。
11、、建立重力坝深层抗滑稳定性分析的非线性数学规划模型(1)重力坝深层抗滑稳定计算的受力分析根据重力坝坝基缓倾软弱结构面未露头,部分下游基岩发生剪断而产生滑动的双斜滑动受力图(如图1所示),图1中ADC为重力坝建基面,AB为缓倾软弱结构面,BC为下游基岩发生剪断的破坏滑面,BD为滑块ABD、BCD的分界面;其他符号的意义具体如下作用于坝体上全部荷载(不包括扬压力,下同)的垂直分量,KN;作用于坝体上全部荷载的水平分量,KN;、分别为岩体ABD、BCD重量的垂直作用力,KN;、分别为AB、BC滑动面的抗剪断摩擦系数;、分别为AB、BC滑动面的抗剪断凝聚力,KPA;、分别为AB、BC滑动面的面积,M2。
12、;、分别为AB、BC滑动面与水平面的夹角;、分别为AB、BC、BD面上的扬压力,KN;分别为BD面上的作用力,KN;BD面上的作用力与水平面的夹角,从偏于安全取为0度。0012本发明方法的主要目的是确定下游基岩发生剪断的临界破坏滑面BC的位置,因此设C点的位置坐标为优化变量。根据初始拟定的重力坝坝体几何参数、基岩几何参数、材料参数、荷载参数,上述变量中已知的变量为、,而、为未知变量,且均为C点的位置坐标的函数,即,。0013(2)目标函数对于重力坝深层抗滑稳定问题,一般定义安全系数为。本发明将重力坝抗滑稳定安全系数作为目标函数,并寻求其对应于下游岩体临界破坏滑面BC的最小值。0014(3)等安。
13、全系数法约束方程说明书CN103469780A3/6页6图1所示的重力坝在发生双斜面滑动破坏时,根据等安全系数法理论,ABD滑块与BCD滑块应该具有相同的安全系数,则ABD、BCD滑块应满足以下约束方程采用抗剪断强度公式可得到ABD岩块的稳定安全系数值同样,采用抗剪断强度公式可得到BCD岩块的稳定安全系数值根据等安全系数法,令ABD岩块的稳定安全系数等于BCD岩块的稳定安全系数(4)求解重力坝坝基双斜滑动临界破坏滑面的非线性数学规划模型求解重力坝坝基双斜滑动临界破坏滑面的非线性数学规划模型以安全系数为目标函数,等安全系数法方程作为约束条件。数学模型具体表达式为3、求解临界破坏滑面及其对应的安全。
14、系数以上得到的数学模型为一个非线性数学规划模型,本发明采用序列二次规划算法(SEQUENTIALQUADRATICPROGRAMMINGMETHOD)进行非线性数学规划模型的求解,计算结果包括下游基岩发生剪断的临界破坏滑面及其对应的抗滑稳定安全系数。0015本发明的特点是基于重力坝深层抗滑稳定计算理论,将下游基岩发生剪断的破坏滑面的位置参数作为优化变量,以重力坝深层抗滑稳定安全系数作为目标函数,并基于等安全系数法约束条件,建立重力坝深层抗滑稳定性分析的非线性数学规划模型,使用数学规划优化算法求解下游岩体剪断破坏的最不利临界滑面以及其对应的安全系数最小值。该方法可以准确、简便的计算得到重力坝深层。
15、失稳时下游基岩发生剪断的临界破坏滑面及其对应的最小安全系数,具有概念明确、计算精度高等特点。0016本发明具有以下有益效果1、现行重力坝规范对于重力坝深层抗滑稳定分析规定采用的等安全系数法一般只适用于滑面已知的情况,对于坝基缓倾软弱结构面未露头,也无可压缩层,但可能发生部分下说明书CN103469780A4/6页7游基岩的剪断而产生滑动的情况,下游基岩的断裂面一般难以采用等安全系数法确定。本发明方法采用优化方法求解下游基岩发生剪断的最不利临界破坏滑面及其对应的最小安全系数。00172、本发明方法概念明确、计算精度高、工程应用简便,可将其应用于重力坝深层抗滑稳定的分析。附图说明0018图1是本发。
16、明重力坝坝基深层失稳双斜滑动模式示意图;图2是本发明方法的技术路线图;图3是本发明实施例边坡示意图;图中ADC为重力坝建基面;AB为缓倾软弱结构面;BC为下游基岩发生剪断的破坏滑面;BD为滑块ABD、BCD的分界面。具体实施方式0019下面通过附图和实施例对本发明作进一步详细说明,但本发明的保护范围不局限于所述内容。0020实施例1本重力坝坝基双斜滑动临界破坏滑面计算方法(见图2),具体操作如下1、拟定重力坝坝基深层抗滑稳定计算的相关参数本实施例为如图3所示的重力坝,坝高为500M,坝顶宽度50M,坝底宽度为40M,下游面坡度为10778,上游正常蓄水位为470M,下游水位为00M,ADC为建。
17、基面,AB为一缓倾软弱结构面,其倾角为167,BC为下游基岩发生剪断的滑裂面;A、B、D三点的坐标分别为A(0,0)、B(50,15)、D(50,0),C点坐标为待定未知量;由于建基面为水平面且C点必须位于D点右侧,因此取、。0021坝体为混凝土,混凝土容重为2400KG/M3,基岩岩体容重为2500KG/M3;缓倾软弱结构面AB的抗剪强度参数为、;基岩抗剪强度参数为、。00222、建立重力坝深层抗滑稳定性分析的非线性数学规划模型,构建模型时以重力坝深层抗滑稳定的安全系数为目标函数,以等安全系数法方程为约束方程,以重力坝下游岩体剪断破坏的临界滑面位置变量为优化变量;(1)根据以上参数并结合图1。
18、、图3,进行重力坝抗滑稳定计算的受力分析,其中ADC为重力坝建基面,AB为缓倾软弱结构面,BC为下游基岩发生剪断的破坏滑面,BD为滑块ABD、BCD的分界面,其他符号的意义具体如下作用于坝体上全部荷载(不包括扬压力,下同)的垂直分量,KN;作用于坝体上全部荷载的水平分量,KN;、分别为岩体ABD、BCD重量的垂直作用力,KN;、分别为AB、BC滑动面的抗剪断摩擦系数;说明书CN103469780A5/6页8、分别为AB、BC滑动面的抗剪断凝聚力,KPA;、分别为AB、BC滑动面的面积,M2;、分别为AB、BC滑动面与水平面的夹角;、分别为AB、BC、BD面上的扬压力,KN;分别为BD面上的作用。
19、力,KN;BD面上的作用力与水平面的夹角,从偏于安全取为0度;设C点的位置坐标为优化变量;根据初始拟定的重力坝坝体参数、基岩几何参数、材料参数、荷载参数,上述变量中已知的变量为、,而、为未知变量,且均为C点的位置坐标的函数,即,;(2)目标函数对于重力坝深层抗滑稳定问题,一般定义安全系数为,将重力坝抗滑稳定安全系数作为目标函数,并寻求对应于下游岩体临界破坏滑面BC的安全系数的最小值;(3)图1所示的重力坝在发生双斜面滑动时,ABD、BCD滑块应满足以下约束方程采用抗剪断强度公式可得到ABD岩块的稳定安全系数值同样,采用抗剪断强度公式可得到BCD岩块的稳定安全系数值根据等安全系数法,令ABD岩块。
20、的稳定安全系数等于BCD岩块的稳定安全系数(4)求解重力坝坝基双斜滑动临界破坏滑面的非线性数学规划模型结合数学模型的目标函数、约束条件,形成求解重力坝下游岩体剪断破坏临界滑裂面及其对应的安全系数的非线性数学规划模型如下说明书CN103469780A6/6页93、求解临界破坏滑面及其对应的安全系数采用序列二次规划法求解上述非线性数学规划模型,计算结果为下游基岩发生剪断破坏的临界滑面C点的坐标为(00,7674645),临界滑面BC滑面的倾角,临界滑面BC的长度为306655M,对应于临界滑面BC的重力坝深层抗滑稳定安全系数最小值为,岩块ABD与岩块BCD之间的作用力。说明书CN103469780A1/2页10图1图2说明书附图CN103469780A102/2页11图3说明书附图CN103469780A11。