新疆金溝河灌區總干渠退水閘深層抗滑穩定分析

贠立明

（新疆金溝河流域管理局，新疆 塔城 832100）

金溝河灌區位于新疆北部準噶爾盆地南緣塔城地區沙灣縣境內，地處天山北麓，準噶爾盆地南緣，東以寧家河為鄰，西與巴音溝河相連。灌區斷層規模較小，閘基范圍25°以下低傾角壓性及扭性斷層較多，在水平構造應力作用下，灌區軟弱夾層層間錯動頻發，地下水運動主要為層間水平運動，上下缺乏連通性，斷裂構造和層間錯動處透水性明顯。

1 抗滑穩定處理方案

退水閘閘孔安全系數Kc≤1.3，必須采用混凝土齒墻進行補充阻滑處理，切斷混凝土齒墻抗滑力最弱的夾層，利用墻體嵌固力增加阻滑力。中齒墻靠近合力點，其位移和夾層應力比上齒墻小，但是退水閘閘首灌溉排水廊道已有一道齒墻，其后設置中齒墻不利于排水降壓，故采用加深切斷閘首混凝土齒墻方案便于阻滑。同時在閘室上游設防滲板，通過前移帷幕與排水至防滲板首部廊道，借助防滲板水重增大阻滑力。為增強灌漿帷幕效果，在上游防沖板分縫位置利用彈性聚氨酯填縫止水，增大滲徑，降低滲水壓，預防泥化夾層管涌出現[1]。

2 抗滑穩定計算

2.1 各類巖石與夾層的力學參數

2.1.1 粘土質粉砂巖

結合金溝河灌區干渠退水閘運行條件、滲壓水時間效應、振東、荷載等對強度可能的影響，設計采用值取抗剪試驗比例極限，如表1，其中φ為最大速度滯后角，C為平均豎向固結系數，E為變形模量。金溝河灌區總干渠基巖處三向應力，設計采用值須以三軸強度為依據，綜合各種實驗條件，基巖三軸強度設計參數如下：

式中：σ1為主壓應力；σ3為測壓應力；τ為抗剪強度；σ為正應力；F 取 3.54～4.2,；R 取 20～21 kg/cm2；摩擦系數 f取 0.56～0.87；C取5.02～5.4 kg/cm2；E根據閘基應力狀態確定，詳見表1。根據統計結果，垂直和水平方向變形屬性一致。

表1 基巖與夾層的力學參數

2.1.2 軟弱夾層力學特性

（1）剪切流變特性

軟弱夾層剪切破壞塑性變形特性顯著，隨著破壞塑性值的增大，變形速率隨之增大，同時隨著剪切歷時的延長，屈服值逐漸下降并最終趨于穩定。

（2）抗剪強度特性

軟弱夾層抗剪強度隨著黏粒含量和含水量的增加而逐漸降低，通過試驗可以發現，夾層間泥化帶抗剪強度最低，所以根據殘余強度與流變強度確定設計值。

（3）抗力巖體強度

軟弱夾層引起閘室深層滑動，通過尾巖抗力幫助穩定，通過現場試驗獲取層狀巖體抗力值以及比例極限、屈服極限與破壞值。基于地質條件綜合分析結果，抗力體屈服值按下式計算：

2.2 深層滑動計算

根據試驗結果，夾層剪切強度為巖石的一半，且金溝河灌區總干渠退水閘滑動穩定控制條件為沿夾層深層滑動。

2.2.1 常規計算

混凝土重力壩設計規范所列抗滑穩定計算公式僅適用于沿建基面淺層滑動，深層滑動應結合巖體抗力阻滑作用，按下式計算：

式中：f為摩擦系數；ΣV為夾層以上垂直荷載之和；ΣH為夾層以上水平荷載之和；P為抗力；α為夾層順流向傾角。

（1）側向阻力

深層滑動涉及三向應力問題，基巖的連續性導致其間的裂隙或斷層存在一定的咬合作用[2]，經灌漿等加固處理，間隙間所填充的漿體會產生側向阻力，但是金溝河灌區河床寬闊，巖層傾角緩和，軟弱夾層性能穩定，所以相鄰巖層安全系數取值接近，誤差在0.15以內，同時在閘孔施加阻滑措施才能增強穩定性，故不考慮側向阻滑，僅按平面問題對待。

（2）上游水壓力

考慮到本灌區總干渠退水閘基巖透水性較小，帷幕灌漿對增強基巖抗滲效果并不顯著，所以在高程20 m以上的基巖內采用全水頭，在20 m以下基巖內按50%折減，帷幕灌漿排水口滲壓系數為0.3。

（3）尾巖抗力

退水閘閘基巖體軟弱，層面夾層較多，受力后變形嚴重，為了保證其安全裕度，可以考慮運用散粒體理論，令第一破裂面摩擦系數f1=0.35，第二破裂面摩擦系數f2=0，則水平方向 P=G0tg（β+φ）。式中：G0為抗力體總垂直力，f1=tgφ，β 為裂隙傾角。

（4）層面傾角

退水閘巖層傾斜線斜交于壩軸線，所以實際滑動方向斜交于流向，故應按斜向滑動計算層面傾角。在順流向情況下安全系數偏大，為確保所求層面傾角的準確性，令滑動角θ=2.5°，所求結果與斜向滑動結果相等。

（5）安全裕度分析

根據退水閘地質條件和計算公式，主要考慮其計算參數、抗力和荷載三個方面的裕度。將試驗取樣點設置在灌區巖層軟弱區域，并確保40%試樣的剪切面起伏差在1 mm左右，這類試樣的強度比平整面高出20%，其余參數仍按平整面試樣殘余值取值，所以計算參數安全裕度良好。退水閘深層基巖裂隙發育度低，而抗滑穩定設計中假設裂隙全部貫通，實際上不存在第二破裂面，同時不考慮破裂面摩擦力，所以抗力計算裕度良好，所得平均水平應力為3～3.8 kg/cm2，如果采用抗力體試驗所得抗力屈服極限公式且考慮巖體混凝土護坦板壓重，則抗力數值將增加至11.63 kg/cm2。灌區干渠水壓力與揚壓力比實際值大，如果采用電擬試驗流網圖計算荷載，則應以夾層高程20 m計，且水推力降低5%，揚壓力降低50%，由于蓄水后的觀測數據小于電擬試驗，所以荷載計算安全裕度良好。

綜合抗力和荷載安全裕度數據，防滲板夾層高程20 m、摩擦系數殘余值0.2，則安全系數將從1.3增大至2.2，深層抗滑穩定效果顯著。

2.2.2 有限元分析

常規計算無法反應退水閘深層基巖各部位的應力與位移，為此還必須進行有限元分析。

退水閘基巖內存在兩條泥化夾層，抗滑穩定設計深度取一倍閘長，由于基巖堅硬，變形模量為粉砂巖的20倍，進行二向固定預支，上下游只進行水平向預支。基巖內滲流場巖層滲透系數不同，上層滲透系數為下層的100倍，運用三向電擬試驗流網圖計算，巖層內水平向滲透系數為垂直向的10倍，夾層按節理單元處理，基巖按三角單元處理，運用變剛度法和應力轉移兩種方法進行抗滑穩定非線性分析，按照淺齒墻、深齒墻、淺齒防滲板和深齒防滲板四個方案進行分析。

（1）荷載作用下各部位應力情況

上游基巖拉應力從齒墻開始逐漸降低，從基巖頂面自上而下至第二條夾層淺齒墻方案拉應力最大，可達2.7 kg/cm2，此拉應力進一步增大了基巖內陡傾角節理裂隙，不利于防滲和抗滑穩定處理。閘基以下的壓應力在2～5 kg/cm2之間，深齒墻處壓應力最大可達16 kg/cm2，按照三軸強度參數核算的安全系數為3。閘尾巖體內向壓應力在3.9 kg/cm2以下，與抗力體試驗所得到的屈服值相比存在3.5～6的安全儲備。

夾層以上的剪應力逐漸增大，到閘尾處增加到最大，上下夾層f均為0.25時，抗剪強度fσn≤剪應力τs，則在閘室下游存在約 10～20 m 滑移區，再往下游則剪應力變小，fσn＞τs，不存在滑移。

（2）水荷載下各部位應力情況

退水閘各部位所承擔水荷載情況如表2，夾層越深則所承擔的水平力比重越大，抗力越小。齒墻切穿夾層越深，則齒墻作用越明顯。防滲板為減輕夾層上剪應力而承受15%～35%的水荷載。

表2 不同方案各部位承擔水荷載情況

沿夾層的安全系數按下式計算：

式中：σni、τsi、Li為第i節理單元的正應力、剪應力和單元長度。計算結果見表3。

表3 各方案上下夾層安全系數K

從上表可知，淺齒墻所對應安全系數值較小，當f=0.2時安全系數均不足2.0，安全度不夠。夾層越深則安全系數值越大，如果在計算公式中考慮齒墻混凝土斷裂面摩阻力fσy(f=0.7)，則安全系數值將會提高，如表3中括號內數據所示。

（3）閘室位移

不同方案下閘室水平位移均為10 mm，其中防滲板方案位移最小，水壓力增加后，閘室將沿逆時針方向位移。隨著基巖變形模量的變化，閘室位移所發生的變化詳見表4。隨著變形模量E的下降，水平位移會增加30%～50%，垂直位移將增加85%，而當變形模量E增大一倍，水平和垂直位移分別降低25%～45%和50%，在保持基巖變形模量不變時改變夾層變形模量，則閘室位移將變動5%～10%。可見，影響閘室位移的主要是基巖變形模量[3]。

表4 閘室位移計算結果 單位：mm

（4）深層滑動的破壞機制

不同方案均在閘尾下游夾層處存在滑移區，計算中所采用的下游固定水位為39 m，上游水位分49 m、54 m、59 m和66 m四級分別計算，當水位為59 m時便會發生滑移，繼續升至66 m時滑移又會擴展至下一單元，降低f值后滑移區將明顯向上下游方向拓展，夾層處剪應力發生變化，而抗力體應力基本不變。隨著上游水壓力的作用，閘尾下游夾層所發生的滑移將向二旁擴展，位移隨之增加，直至滑移區后帷幕發生剪壞，改變荷載條件，閘孔發生不均勻位移，止水片拉壞、失穩，這就是深層滑動的破壞機制。

3 結論

抗力體是深層滑動穩定設計的重要因素，在穩定計算中抗力體的強弱直接影響抗滑安全，當抗力體位置基巖變形模量降低一半，則其所承擔的水平力將下降15%，其與應力將轉移至夾層，夾層剪應力增大。從上述計算可知，抗力體對退水閘深層抗滑穩定設計影響較大，為增強巖體重量與剛度，應將護坦斜坡坡度從1∶6減緩到1∶12，并對閘孔增加鋼筋混凝土加固樁，利用其抗剪強度承受滑移剪力，退水閘使用68根Ф850 mm直徑樁和106根Ф219 mm的交叉樁，底部埋入中部砂巖，通過連接頂部與護坦板，增強混凝土與基巖連接的抗力。

新疆金溝河灌區總干渠退水閘阻滑措施實施后，采用散粒體公式進行抗力體計算和深層滑動分析，安全度均在2.0以上。