電站壩基巖體評價及深層抗滑穩(wěn)定性分析

米 猛

（中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，成都 610072）

混凝土重力壩一直以來都是水利樞紐建設中主要的壩型之一，主要是依靠壩體自身重量于基礎之上產(chǎn)生的摩擦力及壩體與基礎之間的凝聚力來抵抗水壓力以滿足穩(wěn)定要求。所以混凝土重力壩基礎巖體必須具備足夠的強度、承載力，以滿足壩體對穩(wěn)定和強度的要求。一般情況下，不同巖性、不同程度風化卸荷的壩基巖體強度常常不同，且往往因復雜的節(jié)理裂隙、斷層或擠壓帶等地質(zhì)構(gòu)造而使壩基巖體結(jié)構(gòu)完整性不均一。壩基巖體巖級的劃分對確定建基面承載力確定有重要的意義。

節(jié)理裂隙、斷層或擠壓帶等地質(zhì)構(gòu)造往往可以組合形成不可預知的滑移通道。蓄水后在庫水推力作用下，壩體可能連結(jié)某些區(qū)域的壩基巖體沿滑移通道而產(chǎn)生滑移失穩(wěn)，從而導致深層抗滑問題。如何對壩基巖體質(zhì)量進行科學評價、采用何種方式準確分析壩基巖體深層抗滑穩(wěn)定性在水利水電建設中顯得尤為重要。

1 壩址工程地質(zhì)條件簡介

水電站位于雅魯藏布江中游桑日至加查峽谷段出口處，壩型為混凝土重力壩，最大壩高116m，屬高壩。壩基基巖巖性為二長花崗巖，巖質(zhì)較堅硬。巖體風化主要表現(xiàn)為礦物蝕變、裂面銹染等；巖體卸荷較明顯。弱風化巖體錘擊聲較清脆，水平深度一般 40～60m，河床垂直埋深(基巖面以下)為 9.0～35.7m；弱卸荷水平深度一般 20～40m，河床垂直埋深(基巖面以下)為 1.5～5.25m；強卸荷推測水平深度 3～10m；微新巖體：巖石新鮮，錘擊聲清脆。

2 壩基巖體質(zhì)量評價

壩基巖體是存在于一定環(huán)境中的地質(zhì)體，其形成和發(fā)展經(jīng)受過地質(zhì)歷史時期各種內(nèi)外動力地質(zhì)作用的改造和影響，壩基巖體的質(zhì)量直接影響大的的安全和經(jīng)濟。

壩基巖體質(zhì)量是取決于巖質(zhì)類型、巖體的風化卸荷、巖體結(jié)構(gòu)類型、巖體緊密程度、巖體透水性等多種因素的綜合，各種因素對巖體力學性質(zhì)的影響是不同的，任何單一因素的分類都不可能全面反映巖體的整體特性，必須采用多因素綜合評判的方法，考慮各種因素的相互影響，進行系統(tǒng)的分析評價，進而建立完整的工程巖體質(zhì)量體系。其中壩基巖體構(gòu)造發(fā)育程度對壩基巖體質(zhì)量有著重要的影響。壩基巖體構(gòu)造主要以節(jié)理裂隙、擠壓帶及小斷層為主，結(jié)構(gòu)面類型以剛性結(jié)構(gòu)面、軟弱結(jié)構(gòu)面為主。

為準確查明巖體質(zhì)量，主要采用以下工作方法。

2.1 巖體物理力學實驗

巖體物理力學實驗能定量反應不同風化卸荷強度巖體力學參數(shù)、不同類型結(jié)構(gòu)面力學參數(shù)，對巖體質(zhì)量評價及壩基巖體深層抗滑穩(wěn)定計算具有重要的意義。

2.2 工程地質(zhì)編錄

工程地質(zhì)編錄能于平面查明大壩基礎巖體風化卸荷強度、巖體結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)面發(fā)育狀況，其中針對結(jié)構(gòu)面采用精測方式，并進行對比分析，對優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面、緩傾結(jié)構(gòu)面則結(jié)合壩基巖體深層抗滑穩(wěn)定進行綜合分析。

2.3 地球物理勘探

地球物理勘探主要采用常規(guī)聲波測試、對穿聲波測試、鉆孔電視全景圖像及孔內(nèi)變模測試等方式以查明大壩建基面下部空間巖體結(jié)構(gòu)、風化卸荷深度及結(jié)構(gòu)面發(fā)育狀況。大壩建基面下部空間巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育狀況主要由鉆孔電視全景圖像解譯而來。

巖體質(zhì)量分級評價標準：大壩基礎巖體質(zhì)量分級評價標準，主要根據(jù)壩址區(qū)巖體(石)工程特性及物理力學試驗成果，并結(jié)合《水利水電工程地質(zhì)勘查規(guī)范》（GB560287-99）及類似工程經(jīng)驗，將壩基工程巖體質(zhì)量分為3大類，其中Ⅲ類巖體進一步劃分為Ⅲ1和Ⅲ2兩個亞類。

Ⅱ級巖體：微風化～新鮮，巖體結(jié)構(gòu)呈次塊狀～塊狀，嵌合較緊密～緊密；巖體聲波縱波速度Vp=5100～5600m/s，波速曲線平順，起伏小，Kv=0.75～0.9，RQD=90%～100%。開挖爆破后面平直，半孔率達95%以上。開挖揭示Ⅱ級巖體裂隙不發(fā)育，呈塊～次塊狀結(jié)構(gòu)。

Ⅲ1級巖體：弱風化、弱卸荷，巖體結(jié)構(gòu)呈鑲嵌狀～次塊狀，嵌合中等緊密；巖體縱波速度Vp=4300～5100m/s，波速曲線小起伏，K v=0.55～0.75，RQD=60～85%。

Ⅲ2級巖體：弱（偏強）風化、弱卸荷，巖體結(jié)構(gòu)呈鑲嵌碎裂狀結(jié)構(gòu)，較松弛的二長花崗巖；弱風化、弱卸荷巖體中的擠壓破碎帶、裂隙密集帶、小斷層影響帶；巖體縱波速度Vp=3500～4300m/s，波速曲線呈鋸齒狀起伏大，Kv=0.35～0.55，RQD=30%～50%。

Ⅳ級巖體：弱風化、強卸荷，沿劈理化帶發(fā)育的弱偏強風化巖體；發(fā)育于弱風化、弱卸荷巖體中的小斷層。一般縱波速度Vp=2500～3500m/s， Kv=0.15～0.35，RQD＜25%。

根據(jù)大壩基礎巖體分級標準，結(jié)合大壩基礎工程地質(zhì)編錄資料及地球物理勘探成果將大壩各壩段巖體質(zhì)量分別統(tǒng)計，進行三維空間及二維平面展示。（圖1、圖2）

綜上所述，大壩基礎未見強風化巖體，淺表部位巖體以弱風化、弱卸荷為主，較大埋深巖體多微風化至新鮮。

Ⅲ2級、Ⅳ級巖體主要受構(gòu)造控制、多沿小斷層、擠壓破碎帶、裂隙密集帶呈帶狀、束狀展布。

壩基巖體基本滿足大壩承載需要。

圖1 大壩基坑巖級分區(qū)三維展示圖

3 壩基深層抗滑穩(wěn)定分析

圖2 大壩基礎巖級分區(qū)平面示意圖

重力壩壩基滑動失穩(wěn)的基本形式有兩種：表面滑動和深層滑動。其中，壩基混凝土與基巖面所發(fā)生的滑動破壞稱為表面滑動；深層滑動包含兩種情況，第一種情況是發(fā)生于均質(zhì)壩基，是一種滑動面近似弧形的剪切破壞，第二種情況是與壩體連接部分的壩基沿基礎巖體中結(jié)構(gòu)面的滑動破壞。實際上，混凝土重力壩的抗滑穩(wěn)定性往往取決于基礎巖體中結(jié)構(gòu)面，尤其是緩傾角結(jié)構(gòu)面及軟弱夾層，即深層滑動往往是混凝土重力壩主要破壞模式。

3.1 混凝土重力壩深層滑動破壞類型

1）滑動面剪切破壞：在水平荷載作用下，壩體沿壩基內(nèi)存在可能導致單斜面滑動或雙斜面滑動的結(jié)構(gòu)面而發(fā)生剪切破壞。

2）抗力體擠壓破壞：當壩基內(nèi)存在傾向下游的軟弱夾層或緩傾角結(jié)構(gòu)面，下游尾巖內(nèi)沒有傾向上游的軟弱夾層或緩傾角結(jié)構(gòu)面時，不構(gòu)成雙斜面滑動。在水平荷載作用下，壩踵處巖體可能產(chǎn)生拉裂破壞，與壩體連接部分基礎可能發(fā)生剪切破壞，同時傳給尾巖抗力體超過其承載能力的剩余推力，擠壓破壞產(chǎn)生。

3）抗力體隆起破壞：壩基巖體內(nèi)存在軟弱夾層或緩傾角結(jié)構(gòu)面，尾巖呈層狀，比較完整且?guī)r性堅硬。尾巖上部在水平荷載作用下產(chǎn)生拉伸區(qū)，并有向上的位移產(chǎn)生，也就有隆起破壞產(chǎn)生。

3.2 壩基深層抗滑工程地質(zhì)條件

深層抗滑穩(wěn)定的有利條件為：未揭示較大的控制性緩傾角連續(xù)軟弱結(jié)構(gòu)面，抗力體巖體為堅硬、較完整的花崗巖，具有較高的整體強度；深層抗滑穩(wěn)定的不利條件為：壩基局部發(fā)育緩傾角裂隙，延伸較長，特別是在建基面下伏的Ⅲ2級巖體中緩傾角裂隙相對較發(fā)育，連通率較高，性狀較差。

3.3 深層抗滑計算方法

主要結(jié)合壩基開挖揭示的工程地質(zhì)條件，選取典型壩段，開展等系數(shù)法（等K法）及三維有限單元法進行深層抗滑穩(wěn)定計算分析，確定大壩深層抗滑穩(wěn)定性。

等系數(shù)法（等 K法）：重力壩深層抗滑穩(wěn)定計算較為復雜，計算公式隨邊界條件即滑動體的類型不同而異，主要由滑動面的產(chǎn)狀和組合形式所控制。根據(jù)重力壩深層滑動的產(chǎn)狀及組合的不同，一般可分為：單滑面傾向下游、單滑面傾向上游及雙滑動面。實際上，滑裂面往往不會貫穿上下游形成單斜面滑動形式，而是往往出現(xiàn)復雜的曲線或折線形狀。工程中常見雙滑動面破壞形式，將雙滑動面切割形成的塊體沿滑動面交點分割為兩塊體，分別采用剛體極限平衡法進行穩(wěn)定性計算分析，兩塊體安全系數(shù)相同。

有限單元法：一種有著堅實的理論基礎和廣泛的應用領域的數(shù)值分析方法。有限單元法的基本思想是將連續(xù)的求解區(qū)域離散為一組有限個、且按一定方式相互聯(lián)結(jié)在一起的單元的組合體。利用在每一個單元內(nèi)假設的近似函數(shù)來分片地表示全求解域上待求的未知場函數(shù)。單元內(nèi)的近似函數(shù)通常由未知場函數(shù)或及其導數(shù)在單元的各個結(jié)點的數(shù)值和其插值函數(shù)來表達。這樣，一個問題的有限元分析中，未知場函數(shù)或及其導數(shù)在各個結(jié)點上的數(shù)值就成為新的未知量（即自由度），從而使一個連續(xù)的無限自由度問題變成離散的有限自由度問題。一經(jīng)求解這些未知量，就可以通過插值函數(shù)計算出各個單元內(nèi)場函數(shù)的近似值，從而得到整個求解域上的近似解。

3.4 壩基深層抗滑穩(wěn)定控制標準

等系數(shù)法（等K法）計算的穩(wěn)定安全系數(shù)要求正常蓄水位工況的計算值大于等于3.0，校核洪水位工況的計算值大于等于2.5，地震工況的計算值大于等于2.3；有限單元法計算的穩(wěn)定安全系數(shù)正常工況和設計地震工況下，壩體抗滑穩(wěn)定“抗力/作用力”大于1。

3.5 典型壩段深層抗滑穩(wěn)定計算

結(jié)合實際情況選取15#壩段進行深層抗滑穩(wěn)定計算。

滑移模式分析：15#壩段下可能構(gòu)成危險滑移通道的裂隙為：①J7： N70～80°W/SW(NE)∠75～85°，②J36：，③ g16-2：N50～60°W/NE∠50～70°。在 15#壩段下未發(fā)現(xiàn)錯動帶。深層滑動計算的滑移通道見表1，具體滑移通道見圖3。

計算參數(shù)：壩基巖體3226.5m高程為Ⅱ類、Ⅲ1類，3217.65m高程主要為Ⅲ1類，局部為Ⅲ2類。巖體物理力學參數(shù)建議值以及各裂隙結(jié)構(gòu)面抗剪斷指標地質(zhì)取值如表2所示：

表1 15#壩段深層抗滑滑移模式表

計算成果：深層抗滑穩(wěn)定采用等K法計算。15#壩段深層抗滑穩(wěn)定計算成果見表3。

等K法計算成果表明，15#壩段的深層抗滑穩(wěn)定在兩種計算工況下都滿足規(guī)范要求。

圖3 15#壩段深層抗滑滑移通道計算示意圖

有限單元法：

有限元模型及計算參數(shù)：有限元模型見圖 4，整體采用六面體等參元進行網(wǎng)格劃分，局部采用四面體單元進行剖分。

靜力工況：自重+正常蓄水位及相應的尾水位+泥沙荷載+揚壓力+浪壓力

動力工況：自重+正常蓄水位及相應的尾水位+泥沙荷載+揚壓力+浪壓力+水平地震荷載（190.3cm/s2）

III1類巖體：f’=1.0，c’=1.1MPa

混凝土/基巖：f’=1.0，c’=0.9MPa

g16-1：f’=0.35，c’=0.05MPa

因按照 15號壩段地質(zhì)縱剖圖和橫剖圖得到的擠壓帶g16-1的傾角和走向相差較大，其中橫剖面得到的g16-1截面該壩段深層抗滑穩(wěn)定相對較為不利，如圖5藍線圍成的截面所示。滑動模式：

表2 壩基巖體及結(jié)構(gòu)面抗剪斷指標取值表

滑動模式1：不考慮14號壩段底部巖體的黏聚力，只考慮其摩擦力；上游在壩踵處沿J7拉裂，滑動沿g16-1斷層向下游滑出。考慮g16-1右側(cè)建基面水平區(qū)域的黏聚力和摩擦力。

滑動模式2：不考慮14號壩段底部巖體的黏聚力及其摩擦力；上游在壩踵處沿J7拉裂，滑動沿g16-1斷層向下游滑出。考慮g16-1右側(cè)建基面水平區(qū)域的黏聚力和摩擦力。

表3 15#壩段深層抗滑穩(wěn)定計算成果

由于尾部巖體較大，按該種斷層傾向和走向計算得到壩體抗滑穩(wěn)定滿足相關規(guī)范要求，并且安全性較高。

表4 15號壩段深層抗滑穩(wěn)定計算結(jié)果

有限單元法計算成果表明，在靜力工況和設計地震工況下沿深層滑移路徑的抗滑穩(wěn)定均滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，并且有一定的安全裕度。

綜述，在壩基工程地質(zhì)編錄資料及鉆孔全景圖像解譯成果基礎之上，對結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計分析，建立可能的深層滑移破壞模式，并采用等系數(shù)法（等 K法）、有限單元法對壩基巖體進行深層抗滑穩(wěn)定計算，并將計算成果對比分析，均滿足規(guī)范要求。其中有限單元法考慮了塊體側(cè)面壩基巖體水平區(qū)域的黏聚力和摩擦力，更能反映壩基巖體深層抗滑真實情況。

圖4 壩體有限元模型圖

圖5 g16-1的傾向、走向及塊體滑動模式示意圖

4 結(jié)論

混凝土重力壩作為水利水電工程建設中主要壩型之一，主要是依靠壩體自身重量于基礎之上產(chǎn)生的摩擦力及壩體與基礎之間的凝聚力來抵抗水壓力以滿足穩(wěn)定要求。

本文根據(jù)某水電站壩基工程實踐，從壩基工程地質(zhì)條件著手，根據(jù)巖土物理力學實驗成果，并結(jié)合技施階段工程地質(zhì)編錄資料及地球物理勘探成果，完成對壩基巖體質(zhì)量評價；根據(jù)壩基開挖實測結(jié)構(gòu)面，特別是緩傾結(jié)構(gòu)面，結(jié)合鉆孔全景圖像對基礎下部巖體三維空間結(jié)構(gòu)面解譯的成果確定重力壩壩基巖體深層抗滑穩(wěn)定的邊界條件、力學參數(shù)，并采取適宜的計算方法即等系數(shù)法（等 K法）、有限單元法進行深層抗滑穩(wěn)定計算。

[1] 王思敬. 壩基巖體工程地質(zhì)力學分析[M]. 北京：科學出版社，1990.

[2] 諶文武. 巖體力學[M]. 甘肅：蘭州大學出版社，2000.