克孜爾水庫右壩肩邊坡變形機制分析

宋瑞華 汪 洋 曲 苓 張宏科

摘要:介紹了主壩右壩肩山坡坡面存在裂縫、混凝土防滲墻頂部出現裂縫和壩面有不同程度的變形三個方面的問題,通過從地質條件對右壩肩邊坡變形機制分析和利用有限元數值模擬計算對右壩肩邊坡變形機制進行分析 ,為右壩肩傾倒體采用“卸荷固腳”的加固處理方案提供了依據。

關鍵詞:克孜爾水庫;右壩肩;變形;機制分析

1工程概況

克孜爾水庫位于新疆阿克蘇地區拜城縣渭干河干流木扎提河與支流克孜爾河的匯合處,距庫車縣約70km,是一座以灌溉、防洪為主兼有水力發電等綜合利用性的大型水利樞紐工程,主壩為黏土心墻砂礫石壩,最大壩高44m,設計總庫容為6.40億m3,設計灌溉面積21.33萬hm²,為大(1)型Ⅰ等工程。樞紐工程由攔河主壩、副壩、副壩二道壩、溢洪道、泄洪排沙涵洞、發電引水涵洞和壩后電站組成。工程于1998年10月通過水利部主持的竣工驗收,正式投入運行。

2運行過程中發現的主要工程問題

2002年5月20日安全檢查時,發現在右壩肩W150混凝土防滲墻頂部出現了5條裂縫,最大的一條裂縫最大高差約6mm左右,裂縫總體上北高南低,最大裂縫張開寬度約13mm。2003年3月25日,水庫管理局對右壩肩山坡坡面觀察后發現,在壩頂以上高約100～60m的山脊1#梁、2#梁、3#梁上有裂縫出現,裂縫一般長15～20m,張開寬8～15cm,共發現10條裂縫。右壩肩壩面有不同程度的變形,壩頂混凝土板出現多條裂縫,裂縫以近東西向裂縫為主,延伸長度一般4～7m,最長達34m,裂縫一般南側較北側高1～20mm,裂縫張開一般15～25mm,最寬者達40mm。

3右壩肩變形機制分析

3.1基于地質條件的右壩肩邊坡變形機制分析

3.1.1地質條件①組成右壩肩巖體的主要巖性為泥巖和泥質砂巖,泥巖和泥質砂巖巖性軟弱,軟化系數較高,巖體強度較低,單軸抗壓強度僅為幾個兆帕,遇水容易軟化、崩解,這是右壩肩邊坡變形發生的內在因素之一。②右壩肩山坡表層巖體由于傾倒變形及各種外營力風化作用,邊坡巖層結構遭到較強烈破壞,尤其是泥巖、泥質砂巖等軟巖巖層內的節理裂隙更為發育,結構松散,透水性較強,這些也是右壩肩巖體發生變形的內在因素之一。

3.1.2水文地質條件①水庫蓄水改變了右壩肩混凝土防滲墻附近巖體內的水文地質條件,使正常蓄水位以下的巖體處于飽和狀態,其間的泥巖、泥質砂巖等軟巖在長期浸泡下其強度必然逐步降低,軟化變形,而巖體內先期存在的構造裂隙為軟巖變形提供了空間。②水庫蓄水后右壩肩水文地質邊界條件發生改變,軟弱巖體變形即開始逐步發展,變形的發生是一個長期的演化過程,不是朝夕形成的。截滲墻上游側區域內的變形量值明顯超過其它區域,表明截滲墻起到了截斷上、下游水力聯系的作用,使截滲墻上、下游巖體的浸水邊界條件明顯不同,從而導致截滲墻上、下游邊坡巖體的變形差異。

3.1.3機制分析①由于截滲墻的作用,致使截滲墻上、下游巖體的浸水邊界條件不同,從而導致截滲墻上、下游邊坡巖體發生差異沉降變形,滑裂縫以外及以內的巖體由于破碎程度差異較大,浸水飽和以后,沉降差異亦較大。正是上述原因的綜合影響導致混凝土防滲墻發生變形開裂。分析認為右壩肩坡腳巖體變形主要表現為軟化坐落,不均勻沉降變形,由此牽引上部山體沿底部順坡向滑裂縫向下錯動位移,導致1#、2#梁山體表面一定深度內形成數條拉裂縫。這是右壩肩邊坡的主要變形機制。基于上述認識,初步認為右壩肩邊坡連同壩體不存在沿深部滑裂縫整體滑動失穩的可能性。②右壩肩邊坡的變形是一個長期演變的過程,先期的幾次灌漿加固處理由于處理范圍有限,并沒有完全抑制住變形的發展。但固結灌漿對于充填巖體內的構造裂隙,減小變形空間,提高坡腳巖體剛度和抗變形能力無疑是一種較為有效的措施。

3.2基于有限元數值模擬的右壩肩邊坡變形機制分析采用二維彈塑性有限差分方法(FLAC)研究比較右壩肩邊坡在水庫蓄水前和蓄水后的應力、變形和塑性區的發生、變化、發展過程,進一步論證分析右壩肩邊坡的變形機制。

3.2.1FLAC程序簡介FLAC程序(Fast Lagrangion Analysis of Continue)是由美國Itacsca公司開發的顯式有限差分程序,它設有多種本構模型,能較好地模擬地質材料在達到強度極限或屈服極限時發生的破壞或塑性流動的力學行為,分析漸進破壞和失穩,特別適用于模擬大變形。

3.2.2計算剖面及計算參數計算選取右壩肩邊坡典型的截滲墻軸線工程地質剖面進行應力應變分析,計算參數見表。

3.2.3計算方案整個模型全部由約10萬個四邊形單元組成,模型選取范圍為:沿剖面方向長500m,豎直方向長380m,主要考慮了如下兩個方案:①水庫蓄水前右壩肩邊坡應力變形分析;②正常蓄水位工況條件下右壩肩邊坡應力變形分析。

3.2.4計算結果及分析水庫蓄水前,在自重條件下右壩肩邊坡應力變形及塑性區分布特征:

①應力特征

A:第一主應力矢量方向與邊坡面近平行,第一和第三主應力基本呈隨距地表深度增加而應力值增加的規律,應力分布符合一般規律。

B:邊坡表面淺表部位出現小范圍的拉應力。

C:在坡腳部位有一定的應力集中現象。

②塑性區分布特征

A:右壩肩邊坡坡腳局部以及滑裂縫中下部處于剪切屈服狀態,中上部處于拉張屈服狀態。

B:在不同高程邊坡淺表層出現拉張破壞區。

正常蓄水位條件下右壩肩邊坡應力變形及塑性區分布特征:

① 應力特征分析:水庫蓄水后,水位線以下各類巖體逐步發生弱化、軟化,材料力學參數有所降低,右壩肩邊坡在坡腳和邊坡的淺表部拉應力量值較蓄水前有所增大。② 塑性區分布特征:水庫蓄水后,右壩肩巖體內的塑性區范圍明顯增大,特別是邊坡坡腳部位、截滲墻周圍部位以及正常蓄水位以下的部分巖體,都出現大范圍的拉剪破壞區;滑裂縫內的拉剪破壞區逐漸擴大,并向邊坡表面延伸,邊坡表面及深部都出現較大范圍的拉剪破壞區。上述塑性區分布特征表明,水庫蓄水對右壩肩邊坡水位線以下巖體強度的弱化作用十分明顯,是右壩肩山體變形破壞加劇的主要誘因。③ 位移分布特征:水庫蓄水后,右壩肩邊坡巖體深部滑裂縫以外的傾倒變形體向坡外的水平位移較為明顯,最大位移出現在坡腳,量值可達25mm。由于巖性軟弱差異,右壩肩邊坡巖體表現出明顯的不均勻沉降變形特征,最大沉降可達15mm,特別是在坡腳及壩面以下截滲墻附近一定范圍內的巖體,也出現不均勻的沉降位移變形,差異變形達到10mm左右。

4結論

4.1在現場監測資料分析和工程地質條件分析的基礎上,研究認為,組成右壩肩邊坡的泥巖、泥質砂巖等結構破碎的軟巖長期浸水弱化和軟化,變形量相對較大,由于截滲墻的作用,致使截滲墻上、下游巖體的浸水邊界條件有所不同,從而導致截滲墻上、下游邊坡巖體也發生差異沉降變形。正是上述不均勻變形的影響導致混凝土截滲墻發生變形拉裂。

另外,靠邊坡外側的強傾倒體內張性拉裂縫發育,充填物結構疏松,架空結構發育,巖體破碎,浸水后軟化變形量較大,右壩肩坡腳巖體變形主要表現為軟化坐落,不均勻沉降變形牽引上部山體沿底部順坡向滑裂縫向下錯動位移,導致1#、2#梁山體表面一定深度內形成數條拉裂縫。這是右壩肩邊坡的主要變形機制。基于上述認識,初步認為右壩肩邊坡連同壩體不存在沿深部滑裂縫整體滑動失穩的可能性。

4.2有限元數值模擬分析結果表明,水庫蓄水后右壩肩巖體內的塑性區范圍明顯增大,特別是邊坡坡腳部位、截滲墻周圍部位以及正常蓄水位以下的部分巖體,都出現大范圍的拉剪破壞區,同時由于張裂縫外側的巖體破碎,軟化后壓縮變形量大,而張裂縫內側的巖體相對外側的巖體要完整,軟化后壓縮變形量較外側小,因此,在張裂縫兩側產生不均勻沉陷變形特征,特別是在坡腳及壩面以下截滲墻附近一定范圍內的巖體,也出現不均勻的沉降位移變形。水庫蓄水對右壩肩邊坡水位線以下巖體強度的弱化作用十分明顯,是右壩肩山體變形破壞加劇的主要誘因。

參考資料

[1]克孜爾水庫初步設計階段地質報告[J].

[2]克孜爾水庫除險加固階段地質報告[J].

[3]新疆渭干河克孜爾水庫右壩肩邊坡穩定分析及加固措施研究報告[J].中國水利水電科學研究院2OO7年11月.