水电工程边坡可靠度非侵入式随机分析方法

发布时间：2020-06-30 10:11

【摘要】：我国西南地区已建、在建和即将开工建设一大批水电工程,这些水电工程的边坡高达百米甚至上千米,边坡失稳将不仅会危及工程安全,而且会给人民生命财产造成巨大损失,因此,高陡边坡的稳定对于库坝系统安全至关重要。尽管诱发边坡失稳的因素十分复杂,但无不与岩土工程地质条件不确定性、边坡工程边界条件、荷载作用和锚固体系和渗控系统性能退化等因素密切相关。边坡工程不确定性主要来源之一的岩土体参数空间变异性和边坡服役过程中锚固体系性能退化都是导致边坡失稳的重要原因。然而,目前国内外对表征岩土体参数空间变异性的相关非高斯随机场模拟研究不够深入,考虑多参数空间变异性的非均质多层土坡可靠度问题没有得到有效解决；边坡可靠度分析过程复杂且不能充分利用现有商业有限元软件；考虑预应力锚杆(索)腐蚀的锚固边坡时变可靠度问题研究较少；此外,复杂三维高边坡可靠度研究几乎是空白。论文针对上述5个关键科学问题进行了系统地研究,主要工作和结论如下： (1)发展了边坡可靠度非侵入式随机分析理论发展了各向异性相关非高斯随机场模拟的Karhunen-Loeve (K-L)级数展开方法和改进乔列斯基分解技术,提出了解决含相关非正态变量边坡可靠度分析的随机响应面法,建立了4-6阶高维Hermite随机多项式展开解析表达式。发展了基于线性无关原则概率配点法和拉丁超立方抽样配点法的随机多项式展开方法,推导了输出响应量统计矩和输入参数随机变量和随机场的Sobol指标计算表达式,丰富了边坡非侵入可靠度分析理论。 (2)提出了考虑参数空间变异性边坡可靠度分析的非侵入式随机有限元法采用MATLAB语言编写了基于ABAQUS和GEOSTUDIO软件的边坡有限元批处理程序,研究了考虑多参数空间变异性的饱和、非饱和土坡可靠度问题。考虑参数空间变异性的边坡可靠度分析存在一个临界不排水抗剪强度参数变异系数,其数值大小与边坡安全系数有关。非侵入式随机有限元法无需修改有限元源代码,实现了边坡稳定性有限元分析与可靠度分析一体化,而且计算效率远远高于直接蒙特卡洛模拟方法,有效地解决了考虑参数空间变异性的低失效概率水平(10-6～10-3量级)边坡可靠度问题。 (3)提出了考虑自相关函数影响高效参数敏感性分析的多重二阶响应面法系统地统计了土体抗剪强度参数波动范围、自相关距离、变异系数和互相关系数的取值范围,为定量地表征土体参数空间变异性提供了一定的参考依据。阐明了常用的5种表征土体参数空间自相关性的自相关函数对边坡可靠度的影响规律：由指数型自相关函数计算的边坡失效概率偏小,由高斯型、二阶自回归型、指数余弦型和三角型自相关函数得到的边坡失效概率差别较小。基于常用的指数型自相关函数可能会明显高估边坡可靠度水平,导致偏危险的设计方案。由不同自相关函数计算的边坡失效概率的差别与抗剪强度参数的波动范围、变异系数和互相关系数大小有关。总体来说,自相关函数对非均质多层土坡可靠度的影响大于均质边坡。 (4)提出了考虑参数空间变异性边坡系统可靠度分析的多重随机响应面法建立了一种新的考虑参数空间变异性的边坡代表性滑动面识别方法,研究了考虑土体参数空间变异性的多层土坡系统可靠度问题,探讨了基于边坡有限元分析的单重响应面法分析考虑参数空间变异性边坡系统可靠度问题的有效性。阐明了土体参数空间变异性、变异系数和参数间互相关性对边坡系统可靠度的影响规律。单一代表性滑动面失效概率对边坡系统失效概率的影响权重大于代表性滑动面数目,参数变异性和参数间互相关性对边坡代表性滑动面数目、单一滑动面失效概率和边坡系统失效概率的影响规律基本一致。多重随机响应面法较好地解决了考虑参数空间变异性边坡系统可靠度分析的难题,而基于边坡有限元分析的单重响应面法不能有效地解决考虑参数空间变异性的边坡系统可靠度问题。 (5)揭示了腐蚀条件下锚固边坡系统可靠度和变形可靠度的演化规律建立了锚杆腐蚀条件下锚杆自由段屈服抗力和锚固段锚杆与注浆体界面黏结抗力时变模型,基于锚杆腐蚀试验数据验证了锚杆腐蚀率模型的适用性,揭示了锚杆腐蚀条件下锚固边坡稳定可靠度的变化规律。建议了一种有效的边坡最大允许变形量取值方法,揭示了边坡变形可靠度的演化规律。边坡服役前期锚杆腐蚀作用对锚固力和边坡失效概率的影响较小,后期影响较为明显。考虑时效特性的边坡变形失效概率的常用对数log(pf)与边坡最大允许变形量间存在近似的线性关系,而且随着边坡失效概率的减小,该线性关系表现的越明显。 (6)提出了复杂三维高边坡可靠度分析的非侵入式随机有限差分法依托锦屏一级水电站左岸坝肩边坡工程,系统地研究了边坡施工开挖、预应力锚索和深层混凝土抗剪洞加固措施对边坡变形、稳定及可靠度的影响规律。非侵入式随机有限差分法极大地提高了边坡可靠度计算效率,为解决复杂水电工程高边坡可靠度问题提供了一种有效的工具。参数敏感性分析表明边坡在1810m高程以上开挖时,阻滑岩体材料抗剪强度对稳定性起控制作用。边坡在1810m高程以下开挖时,变形拉裂体滑裂面抗剪强度对稳定性起控制作用。混凝土抗剪洞在控制边坡变形和提高边坡稳定性方面明显优于预应力锚索。此外,边坡施工开挖扰动作用也对边坡可靠度有着重要的影响。
【学位授予单位】：武汉大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TV223

【参考文献】