拱壩壩肩向斜巖體結構抗滑穩定系數的計算方法

顏加珍

（中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州貴陽550081）

?

拱壩壩肩向斜巖體結構抗滑穩定系數的計算方法

顏加珍

（中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州貴陽550081）

摘要：拱壩壩肩有一個向斜巖體結構，該結構由于拱壩推力，會發生滑動破壞的可能性。通過有限元對壩肩、壩基滲流場與從拱壩向壩肩傳遞的推力進行計算，并通過三維極限抗滑穩定計算法，對向斜結構在各工況下的抗滑穩定安全系數進行計算，采用錨索加固滑動體，對于規范要求相滿足且抗滑穩定安全系數所需錨索數量進行計算，同時計算分析抗滑穩定中錨索施加角度的影響。

關鍵詞：拱壩壩肩；水工結構工程；巖體結構；抗滑穩定；計算方法

前言

某水利樞紐主要分為電站、壩身泄水建筑物及拱壩，為三等工程，這一水利樞紐最大壩的高度大約為70m，323m的壩頂高程，190.6m的壩頂弧長，壩體底部厚度最大為10.5m，2.5m的壩頂厚度，將三孔溢流堰設于壩頂，317.5m的堰頂高程，壩底部分別于高程265.6m與中心高程257.5m處創建一個放空底孔（φ1.2m）與一個導流底孔（2m× 2m），因為高于高程290.0m，減小了右岸岸坡坡度，所以，將重力墩設于右岸高程大約290.0m之上。該大壩處在“V”型河谷拐彎處，從平面上看，右岸呈向左岸凸出的鼓型山包。泥盆系中陸相沉積的碎屑巖共同組成右壩肩底層，主要是石英砂巖、砂巖以及粉砂巖夾頁巖等，巖性軟硬相間，而且層間破碎夾層與泥化夾層發育良好。因為向斜結構面中含有泥化夾層，具有比較低的抗剪強度，而且下游側為沖溝，共同組成一個臨空面，由于拱壩推力與繞壩滲流作用的不斷加強，很可能會出現向斜結構失穩的情況，對大壩安全造成嚴重危害，所以，應該計算分析拱壩壩肩向斜巖體結構抗滑穩定系數。本文通過有限元措施計算巖體滲流場，以此對從重力墩向向斜結構傳遞的推力進行計算，對向斜抗滑穩定性予以計算，最后計算拱壩壩肩錨索加固數量。

1　拱壩壩肩地質情況

圖1為拱壩壩肩地質斷面示意圖，由圖1可知，右壩肩重力墩右側有一個向斜結構。河谷一側（左翼）巖層產狀為NW∠42°-46°，N5°-20°E與NW∠30°-35°，N5°-20°E；山坡一側（右翼）巖層產狀為NW∠46°-56°，N0°-25°E，也就是下部分比較緩，上部分比較陡。上部巖層大多在強風化區，高于299.0m高程處，具有較低的泥化夾層抗剪強度，由此會對向斜結構本身所具有的抗滑穩定性產生一定影響。

圖1　右肩壩地質斷面圖

2　大壩應力及滲流計算

通過有限元法對大壩壩體應力與巖體滲流進行計算，圖2為有限元計算網格，以八節點等參為網格單元23951個，節點27939個，大壩和上游邊界之間的距離相當于壩高的1.5倍，大壩和下游邊界之間的距離相當于壩高的2.0倍，地表面屬于自由面，213.0m的底面高程，與拱壩的距離為壩高的2.0倍，設定坐標系為：Y軸：指向左岸；X軸：指向下游，平行于拱壩中心線，處在0m高程；Z軸：垂直向上［1］。

圖2　有限元計算網格

計算滲流時，大壩滲透性不必考慮。將帷幕設計在壩肩與拱壩壩基，于左壩肩與壩基設一排帷幕，2m的有效厚度，基巖深入大約35m，右壩肩設兩排帷幕，4m的有效厚度，基巖深入大約52m，對死水位、正常水位及校核水位滲流場進行計算。死水位、正常水位及校核水位分別為283.0m、317.5m和321.9m，下游水位相應分別為266.5m、366.5m和271.6m［2-3］。

計算拱壩應力的工況主要分為4種：工況1：正常溫升溫度荷載設計+尾水位和正常蓄水位揚壓力+自重+靜水壓力+泥沙壓力；工況2：正常溫升溫度荷載設計+尾水位和水庫死水位揚壓力+自重+靜水壓力+泥沙壓力；死水位大多發生在9～10月；工況3：正常溫升溫度荷載設計+尾水位和校核洪水位靜水壓力+自重+靜水壓力+泥沙壓力；工況4：正常溫升溫度荷載設計+尾水位和蓄水位靜水壓力+自重+靜水壓力+泥沙壓力［4］。通過彈塑性有限元對應力進行計算，計算應力變形后，通過積分方式對拱壩向壩肩傳遞的推力進行計算。

3　向斜結構抗滑穩定性的計算

通過抗剪公式對抗滑穩定安全系數進行計算，公式為：

公式（1）中，N表示與滑動面相垂直的法向力；K表示抗滑穩定安全系數，f表示抗剪摩擦因數，T表示沿滑動方向滑動力［5］。在計算過程中，應該對以下情況加以考慮：a.側、底滑面垂向合力大于0，為雙面滑動型，順著側面與底面棱線滑動為實際滑動方向；b.側、底滑面垂向合力小于0，為單面滑動，順著底滑面滑動為實際滑動方向。

3.1 忽略加固情況計算抗滑穩定

根據綜合坡度對重力墩和向斜結構交界面加以考慮，由于向斜結構面產狀存在變動范圍，而且產狀會影響到計算結構，所以，應該取最大相交棱線傾角、最小抗滑穩定安全系數相對的產狀實施計算，軟弱面摩擦因數大約為0.20，抗滑穩定計算中，依照水頭值對在底滑面與側滑面作用的滲透壓力進行計算。重力墩一側，重力墩傳遞的力作用于向斜結構。計算滑動塊體模型為：重力墩和上游脫離面的上游面齊平，在300.0～323.0m范圍內，側滑面與底滑面交點高程范圍內有所變化，靠近河谷的一側和重力墩相接［6］。由此所計算塊體穩定的算結果如表1所示，299.0m底部高程相對應的塊體形狀如圖3所示。

表1　抗滑穩定安全系數

圖3　299.0底高程中向斜結構形狀

從表1計算結果可知：大于323.0m高程，因為不會受到重力墩傳遞力、上游水壓力、滲透力作用，所以其安全系數與規范要求相滿足。小于該高程，校核水位與正常水位工況下，其抗滑穩定安全系數均比規定值小；305.0～323.0m高程，抗滑穩定安全系數會由于滑動塊體底部高程的降低而隨之下降，低于305.0m高程，河谷側巖層傾角下降，對滑動塊體抗滑系數的增加極為有利，可見拱壩壩肩向斜巖體結構面產狀對滑動塊體本身所具有的穩定性有著直接性影響。

3.2 考慮加固計算抗滑穩定

依照滑動板塊地形現狀，錨索唯有穿過側滑面施工，所以右翼陡傾角畫面和錨索參數存在關聯性，因為施工受限，基于滑面法線方向，該法線和錨索夾角于0°與上游方向大約10°處實施計算分析，從表1可以看出，校核水位與正常水位狀態下的安全系數無法與向斜巖體穩定性要求相滿足。基于以上兩種情況的計算結果如表2、3所示。

表2　抗滑穩定安全系數

表3　抗滑穩定安全系數

分析計算結果可知：增加錨索數量有利于提高滑塊安全系數，對其安全系數變化進行分析發現，溫升工況+正常水位會對錨索加固量產生影響；因夾層結構面具有較低的強度參數，陡傾畫面與錨索施加方向為彼此垂直狀態，要想使其抗滑穩定系數提升往往比較難，若使錨索方向稍微偏轉，使其與施工呈10°的夾角，則有利于提升其抗滑穩定安全系數，可使向斜結構抗滑穩定值得到有效提升，減少錨索數量。

4　結語

在壩頂之上位置，因為重力墩上部向斜結構未受到揚壓力、上游水壓及拱端推力作用，因此具有穩定性，然而，對于低于壩頂高程的巖層，除了死水位工況，正常水位與校核水位均無法滿足穩定要求。巖層產狀會影響到計算結果，應該在這一巖體結構中增加錨索數量，同時還要保證加固位置橫穿側滑面巖層，偏轉錨索到上游方向，對提高錨索加固效果有很大幫助。

參考文獻

［1］楊志華.山口巖拱壩碾壓混凝土現場試驗設計［J］.水利技術監督，2013（05）：111-112.

［2］楊強，朱玲，翟明杰.基于三維非線性有限元的壩肩穩定剛體極限平衡法機理研究［J］.巖石力學與工程學報，2005（19）：165-166.

［3］張林，費文平，李桂林，等.高拱壩壩肩壩基整體穩定地質力學模型試驗研究［J］.巖石力學與工程學報，2005（19）：147-148.

［4］李建林，劉杰.隔河巖水電站廠房后邊坡與拱壩的相互作用研究［J］.巖石力學與工程學報，2007（03）：187-188.

［5］劉先珊，周創兵，盛永清，等.高拱壩動力分析及壩肩穩定性研究［J］.巖石力學與工程學報，2007（S1）：132-133.

［6］趙瑜，李曉紅，盧義玉，等.巖體三維非穩定滲流模型及數值模擬［J］.中國地質災害與防治學報，2006（01）：101-102.

作者簡介：顏加珍（1982年—），女，工程師。

收稿日期：2015-01-28

DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.02.020

中圖分類號：TV642.4

文獻標識碼：B

文章編號：1672-2469（2016）02-0054-02