深厚覆蓋層礫石土心墻堆石壩抗滑穩定分析

陳 磊，竇向賢

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川成都 610072)

1 基本工程地質條件

獅子坪水電站心墻堆石壩河床覆蓋層深厚，最大深度達102m，從下到上共分5個大層，其中③、④兩個大層依據物理力學性狀的不同又分為幾個小層:①為含砂漂(塊)卵礫石層;②為粉質壤土與粉細砂互層;③－1為含砂漂(塊)卵礫石層;③－2為塊碎礫石土層;④－1為含碎礫石砂層、粉質壤土層;④－2為含漂砂卵礫石層;④－3為含碎礫石砂層、粉質壤土層。另外，分布于坡腳部位的還有崩坡積塊碎石土層。

獅子坪水電站大壩處于“5.12”汶川地震影響區，地震動參數50年超越概率10%時基巖水平峰值加速度為0.146g;100年超越概率5%時基巖水平峰值加速度為0.267g;100年超越概率2%時基巖水平峰值加速度為0.359g。

2 壩體結構分區

壩頂高程為2544.0m，壩頂寬12m，壩頂總長310.14m，建基面高程為2408.0m，最大壩高136m。上游壩坡為1∶2，在高程2475.0m處設5m寬馬道，下游壩坡根據施工要求設置“之”字形上壩公路，下游平均坡比為1∶2.08。在大壩上、下游坡腳設壓戧平臺，上游采用將圍堰與壩體之間的結合部位填平的方式壓戧，下游壓戧范圍因受泄洪洞出口位置的限制，其壓戧高度和長度通過穩定分析確定，戧頂高程為2430.0m，水平長度為80m。

上游堆石料分為兩個區，2450.0m高程以下為堆石Ⅱ區;2450.0m以上為堆石Ⅰ區。下游堆石料亦分為兩個區，頂部2530.0m高程以下、底部2450.0m、2445.0m、2428.0m 高程以上及右側與下游堆石Ⅰ區交界范圍內為下游堆石Ⅱ區;其余部位為下游堆石Ⅰ區。

3 抗滑穩定分析

3.1 計算參數

根據各種筑壩材料技施階段的試驗成果、材料特性及填筑部位，結合工程類比擬定的穩定計算參數見表1。

3.2 計算方法及計算工況

壩坡穩定分析計算方法有剛體極限平衡法及壩體壩基內各點剪應力水平法兩大類，最常用和已經積累了豐富經驗的是剛體極限平衡法;剪應力水平法使用經驗不多，加之土體本身和邊界處理的復雜性，存在判別整體失穩的標準問題，還需要繼續研究［1］。本次計算按照極限平衡分析法進行，強度指標采用有效應力法和總應力法。根據《碾壓土石壩設計規范》DL/T5395－2007規定:壩坡抗滑穩定計算可采用計及條塊間作用力的簡化畢肖普法;對于有軟弱夾層的壩坡穩定分析，可采用滿足力和力矩平衡的摩根斯頓-普賴斯法。由于地形地質條件的限制，上、下游穩定計算不能完全使用同一剖面，根據覆蓋層深度以及可能的滑動位置，上游穩定按(0+120.00)剖面計算，下游穩定按(0+160.00)剖面計算。

壩坡穩定計算工況如下:

(1)穩定滲流期上、下游壩坡。

①上游正常蓄水位高程為2540.0m，相應下游覆蓋層內水位高程為2411.0m;

圖1 礫石土心墻堆石壩典型剖面圖

表1 獅子坪水電站礫石土心墻堆石壩筑壩材料填筑指標參數表

②上游設計洪水位形成的穩定滲流期，其水位高程為2540.62m，相應下游水位高程為2414.7m;

③上游死水位形成的穩定滲流期，其水位高程為 2460.0m;

④上游水位介于正常蓄水位與死水位之間的穩定滲流期，其水位高程為2500.0m。

(2)穩定滲流期遇地震上、下游壩坡，峰值加速度為0.146g(50年超越概率10%)。

上游正常蓄水位高程為2540.0m，相應下游水位高程為2411.0m。

(3)穩定滲流期遇地震上、下游壩坡，其峰值加速度為0.267g(100年超越概率5%)。

上游正常蓄水位高程為2540.0m，相應下游水位高程為2411.0m。

(4)下游校核洪水位穩定滲流期，其上游水位高程為2541.09m，相應下游水位高程為2414.9m。

(5)上游水位驟降:上游水位從正常蓄水位高程2540.0m降落到死水位高程2460.0m，歷時16d。

(6)竣工期。

3.3 計算成果及分析

(1)計算成果。獅子坪水電站大壩壩基地層結構復雜，抗滑穩定計算需考慮穩定安全系數分布的多極值特性，為此，對不同土層的滑動破壞面進行了分析比較，直到求得抗滑穩定安全性最小時為止。上、下游壩坡穩定計算最小安全系數分別見表2及圖2、3。

從表2可以看出，滿足力和力矩平衡的摩根斯頓-普賴斯法計算結果均小于簡化肖普法計算值，特別是對于下游壩坡，計算結果明顯小許多。

表2 上、下游壩坡穩定復核最小安全系數表

圖2 0+120.00剖面上游壩坡穩定分析(摩根斯頓-普賴斯法)最危險滑弧示意圖

(2)成果分析。

①在實際計算過程中還發現:當采用瑞典圓弧法計算壩坡的抗滑穩定時，其抗滑穩定安全系數不全滿足(DL/T5395—2007)規范要求;當采用畢肖普法時，壩坡抗滑穩定安全系數均可滿足(DL/T5395—2007)規范要求，其原因是瑞典法在理論上有缺陷，且當地基存在軟弱夾層時誤差會變大。

②由于大壩壩體和壩基的土層分布復雜，土層的物理與力學指標差別較大，抗滑穩定計算需考慮穩定安全系數分布的多極值特性，滑動破壞面需在不同土層進行分析比較直到求得抗滑穩定安全性最小時為止。壩體及壩基材料計算參數的確定(特別是壩基材料參數)，對穩定分析計算結果的影響很大。

圖3 0+160.00剖面下游壩坡穩定分析(簡化畢肖普法)最危險滑弧示意圖

另外，采用摩根斯頓-普賴斯法時，下游覆蓋層水位對下游安全系數的影響較大，而下游壓重高度和長度的變化對安全系數的影響并不明顯。

③實際計算過程中還發現，采用擬靜力法計算滑弧越深，得到的安全系數值越小。覆蓋層第②層深埋于地下70m處，當滑弧通過覆蓋層第②層時得到的安全系數最小，此時得到的圓弧中心角度很大，其原因是地面以下弓形體上的地震力引起了相對較大的滑動力矩造成的，特別是當土的強度較小、地震烈度較高時，滑弧越深，安全系數越小，從而使計算結果失真［2］。

④《碾壓式土石壩設計規范》(DL/T5395—2007)10.3.16條規定，對于狹窄河谷中的高土石壩，抗滑穩定計算還可計及三向效應，求取最小安全系數。獅子坪水電站壩高136m，河床寬85m，壩軸線長310.14m，寬高比為2.28，屬于狹窄河谷的高土石壩，但如何確定最小允許安全系數值還需要進行專門研究。

［1］碾壓式土石壩設計規范，DL/T5395－2007［S］.

［2］殷宗澤，等.土工原理［M］.北京:中國水利水電出版社，2007.

［3］陳祖煜.土質邊坡穩定分析-原理·方法·程序［M］.北京:中國水利水電出版社，2003.

［4］林 昭.碾壓式土石壩設計［M］.鄭州:黃河水利出版社，2003.