拱壩壩肩穩定分析中緩傾角結構面影響探討

楊柱　雷艷　王智陽

【摘要】本文以工程實踐中遇到拱壩壩肩穩定分析問題為出發點，深入分析按照現行的拱壩設計規范規定的壩肩穩定計算方法即剛體極限平衡法，對以傾角較大并傾向岸外的緩傾角結構面做為底滑面的塊體模型進行分析計算時，穩定計算結果有可能出現難以滿足規范要求且無法全面反映壩肩穩定狀態的現象，并分析其形成原因。同時針對此類問題的解決辦法進行探討。

【關鍵詞】拱壩；壩肩穩定；緩傾角結構面；剛體極限平衡法；高摩贊水電站

1 、概述

根據現行規范規定，拱壩抗滑穩定分析以剛體極限平衡法為主要方法，穩定評價標準為是否滿足承載能力極限狀態表達式。但在多個項目的拱壩設計工作中，設計人員發現，當壩肩出現傾角較高（傾角超過25°）并傾向岸外的緩傾角結構面時，采用剛體極限平衡法分析結果有可能出現難以達到規范要求的標準情況，但從工程實際分析壩肩的穩定性是具有一定安全裕度的。本文將從高摩贊等兩個水電站拱壩壩肩穩定分析成果出發說明這一問題。

2 、實際工程遇到的問題

2.1高摩贊水電站壩肩穩定分析

高摩贊大壩樞紐工程位于巴基斯坦西北邊境省境內的印度河支流Gomal Zam河上，擋水建筑物為碾壓混凝土重力拱壩，最大壩高133m。目前已建成并下閘蓄水。壩基巖體主要為薄層灰巖，且裂隙較發育，右岸壩肩開挖揭露存在傾向岸外、傾角30°左右裂隙，走向NW，傾向NE。以該組裂隙結構面作為壩肩穩定分析模型底滑面與陡傾角斷層F2（產狀NE50°，NW∠80°）進行組合，分析緩傾角結構面對壩肩穩定的影響。計算方法和假定采用常規的剛體極限平衡法及相關計算假定進行計算。

其中，底滑面力學參數根據巖體力學參數和裂隙力學參數加權取值。根據地質勘探成果，裂隙連通率按10%考慮。由于側滑面F2斷層已經進行了混凝土置換洞和傳力洞處理，力學參數按照斷層參數與置換洞、傳力洞力學參數加權綜合值。計算工況和荷載見表1。

計算結果表明，高摩贊水電站右岸緩傾角底滑面計算模型各個工況下抗滑穩定均不滿足規范要求。

為進一步驗證高摩贊拱壩壩肩的整體安全性，采用三維有限元數值方法對其進行超載分析。分析結果表明：高摩贊重力拱壩在超載系數為4.0時，位移增大的速率明顯增加，建基面和壩體上游面屈服區明顯加大；當超載系數達到5.0時，位移曲線發生突變，建基面基本上全部拉開和屈服，形成滑移破壞通道，上游面臨近建基面的區域都出現開裂破壞，有限元非線性迭代計算趨于不收斂。因此，高摩贊大壩的超載安全度為4.0～5.0之間。同時注意到，當超載系數達到Kp=5.0時，大壩破壞形式主要是建基面的屈服和開裂破壞，右岸壩肩滑動體的側滑面和底滑面破壞區并沒有連通。這說明了右岸壩肩塊體的穩定安全系數盡管不滿足規范要求，但大壩發生超載破壞時，該部位的滑移不是構成大壩破壞的原因。

綜上所述，雖然剛體極限平衡法計算結果不滿足規范要求，但是高摩贊工程最終經有限元等多種綜合方法分析，仍認為工程右岸壩肩穩定性具有相應的安全裕度，總體分析認為右岸壩肩抗滑穩定問題不突出。

2.2某水電站壩肩穩定假定分析

某水電站工程擋水建筑物為混凝土雙曲拱壩，壩址區為高山峽谷地貌，山體雄厚。壩址區出露地層主要為中生代印支期花崗巖，巖塊致密堅硬、抗風化強。

壩址區本身無傾向下游同時傾向岸外緩傾角結構面，但是為了驗證該類結構面對壩肩穩定的影響，本文假定其右岸壩肩存在傾向下游同時傾向岸外緩傾角結構面，并以該組結構面作為壩肩穩定分析的底滑面。因該組結構面并不存在，因此假定底滑面參數取該部位花崗巖巖體的力學參數。

本次緩傾角結構面影響分析選取的計算模型側滑面采用右岸發育的對抗滑穩定相對較不利產狀的NNE組陡傾角斷層。該組斷層傾角大于80°，其走向與河流方向夾角較小（產狀NE37°NW∠89°），對于右岸壩肩抗力體抗滑穩定相對不利。底滑面選取假定的傾向下游同時傾向岸外緩傾角結構面，產狀選用NW281°NE∠35°。計算方法和假定采用常規的剛體極限平衡法及相關計算假定進行計算。

根據地質勘探成果，該模型側滑面NNE組斷層力學參數按照工程區Ⅲ級結構面參數取值。底滑面由于為假定緩傾角結構面，因此按照該部位Ⅲ1級花崗巖力學參數取值。

計算工況為正常蓄水位加溫降工況，計算結果見表3。

由以上結果可見，在以傾向岸外同時傾向下游的高緩傾角結構面為底滑面的情況下，即便結構面參數選用巖石參數，其抗滑穩定分析同樣也無法滿足規范要求。

從以上結果可以看出，按照現行規范要求的計算方法，當壩肩抗力體存在傾向岸外同時傾向下游的高緩傾角結構面時（傾角大于25°），即便結構面力學參數采用巖體力學參數，其壩肩穩定分析結果也難以滿足規范要求，且有一定差距，很難通過增加工程處理達到安全標準。但實際上，該水電站工程已經下閘蓄水并投產發電多年，庫水位也基本達到正常蓄水位。通過幾年的監測資料分析，右岸壩肩變形量未出現異常，壩肩巖體的徑向和切向變形分量均小于1mm，工程整體安全性較高。

3 、原因分析及解決方法討論

3.1原因分析

針對上述兩座水電站壩肩穩定分析出現的現象，即按照規范要求進行的壩肩穩定剛體極限平衡法計算結果難以滿足規范要求，但通過其他方法和工程實際運行情況判斷，壩肩巖體具有足夠的穩定性，甚至有較高的穩定安全裕度。分析認為，可能是由于規范要求的剛體極限平衡法對于此類問題的計算適用性有限，以及傳統的計算假定偏于保守所致。剛體極限平衡法（以單面滑動為例）是將壩肩抗滑巖體視為剛體，通過空間解析方法，將塊體受的各個外力及自身重力的合力分解為沿滑動面的切向力和垂直于滑動面的法向力，并認為切向力為滑動力，法向力為抗滑力。其中，計算認為塊體所受外力包括拱端推力Pn、滑面滲壓U1、U2，塊體重力W（包括巖體自重和拱壩壩體壓在塊體上的重力）和假定的上游拉開面水壓力。

通過計算原理可以看出，當底滑面傾角較大時，塊體自重分解，沿滑面切向分力將增加，沿法向分力將減少，反映到壩肩穩定模型中則表現為滑動力增加、抗滑力減少。由于一般情況下自重在塊體所受各力中所占權重最大，因此塊體穩定性會因底滑面角度增加而顯著降低。在底滑面傾角大于25°以上時，按照此方法計算得出的穩定系數可能無法全面體現壩肩實際穩定性。

仍以高摩贊水電右岸緩傾角底滑面分析模型為例，在不考慮該模型上游拉裂面水壓力、底滑面和側滑面滲壓以及拱壩拱端推力的情況下，僅計算塊體自重對該模型抗滑穩定的影響。計算結果見表5。

結果表明，在不計上游拉裂面水壓力、底滑面和側滑面滲壓、拱壩拱端推力情況下，塊體穩定安全系數仍不滿足規范要求。說明滲透水壓力和拱推力對該模型影響較小，其穩定安全系數偏低正是由于底滑面傾角過大，計算采用傳統剛體極限平衡法的局限性所致。

3.2解決方法初探

針對此類問題，工程設計人員首先需要對壩肩整體穩定性做出宏觀的判斷，當壩肩存在傾向岸外傾角較大的緩傾角結構面時，需認識到壩肩穩定分析由于評價標準的局限可能會出現該問題。如果出現該類問題，若是由于模型塊體自重所占權重過大而導致穩定系數不滿足規范要求，可進一步結合三維有限元等數值方法和地質力學模型實驗等方法綜合分析研究拱壩壩肩的穩定性，并結合工程類比，綜合評價拱壩及壩肩的整體安全性。

4、總結

本文通過對高摩贊等兩個電站壩肩穩定實例分析，研究討論了當拱壩壩肩穩定計算模型以傾角較大并傾向岸外的緩傾角結構面為底滑面時，現行規范規定的評價標準有可能不能全面反映壩肩實際穩定狀態的工程問題。此問題會導致工程設計處理工程量大于實際需要，甚至影響到工程壩址壩型的選擇。

本文對此類問題的產生原因進行分析，明確了拱壩工程可能出現該類問題的外界條件，并對解決方法進行了初步的探討。首先正確判斷，其次采取數值方法和地質力學模型實驗等方法綜合分析，并結合工程類比的分析方法，以此綜合評價拱壩及壩肩的整體安全性。

參考文獻：

[1] 王仁坤等.混凝土拱壩設計規范（DL/T 5346-2006）.北京：中國電力出版社，2007；

[2] 雷艷等，巴基斯坦高摩贊水電站工程大壩及基礎工作性態靜力分析與壩肩處理綜合研究設計報告.西安：西北勘測設計研究院，2013。