金珠水庫拱壩壩肩抗滑穩定分析論證

石從浩，楊 柳，馬富強

（貴州省水利水電勘測設計研究院，貴州 貴陽 550002）

1 概況

金珠水庫位于納雍縣西北部約72 km的昆寨鄉凹豬河村上，距離昆寨鄉政府約3km。水庫樞壩址以上流域面積為26.7km2，多年平均流量0.546 m3/s，水庫總庫容1100萬m3,興利庫容834萬m3。推薦壩型為碾壓混凝土拱壩方案。壩頂高程為1599 m，水庫正常蓄水位為1595 m，最大壩高68.5 m。工程等別為Ⅲ等，工程規模屬中型。

其中大壩為碾壓混凝土雙曲拱壩，壩頂高程1599 m，河床建基面高程1530.5 m，最大壩高68.5 m；頂壩弧線長度為198.76 m，壩頂弦線長度為179 m，頂拱中心角75°；壩頂寬5.5 m，拱冠梁處最大拱厚18 m，大壩厚高比0.263。大壩主體C9020W6F50三級配碾壓混凝土；大壩上游迎水面采用50 cm厚C9020W6F50二級配變態混凝土；變態砼層之后采用C9020W6F50二級配碾壓混凝土防滲層。

2 計算方法

拱壩壩肩抗滑穩定分析有多種方法，常用的方法有剛體極限平衡法、有限元計算法和地質力學模型實驗法。其中在拱壩壩肩抗滑穩定分析方法中，剛體極限平衡法為基本方法，剛體極限平衡方法有二維的剛體極限平衡法和三維的剛體極限平衡法。

二維的剛體極限平衡法進行壩肩抗滑穩定分析，一般采用單位高度的水平拱來計算各個高程的壩肩基巖穩定，并確定各個高程必需的壩肩基巖等高線范圍。在計算中不考慮壩體和巖體鉛直重量的抗滑作用，如果各個高程的水平拱的壩肩穩定都能滿足設計要求，就可以保證整個壩肩基巖穩定。

三維剛體極限平衡法進行壩肩抗滑穩定分析，視滑動體為剛體，不考慮各部分的相對位移進行拱端的整體穩定分析。

2.1 二維剛體極限平衡法

采用《拱壩壩肩巖體穩定分析》(王毓泰，周維桓等編著)[1]中計算方法，取單位高度（z=1 m）的拱圈作為計算單元對壩肩抗滑巖體進行平面穩定分析。計算時選擇一個底滑面和側滑面組成的滑動模式。

圖1 二維剛體極限平衡法計算簡圖計算公式如下：

計算簡圖見圖1。式中：N及S為由拱端傳來的軸向推力Ha和剪力Va在側向滑移面AC上的法向力及滑移力；β為滑移面與Ha的夾角；W2為抗滑巖體ABC的重量；U1、U2為陡、緩結構面上的滲透壓力；H為滑移面的平均水頭（上下游水位差）；γ0為水容重；L為滑移面的長度；α0為高傾角結構面的傾角；θ為緩傾角結構面的傾角；α 為滲透壓力系數，一般 α=0.4～0.5，取 α=0.4；c1為陡傾角結構面的粘著力；c2、A為緩傾角結構面的粘著力及面積；f1、f2為陡、緩結構面上的摩擦系數。

2.2 三維剛體極限平衡法

圖中的ABGF為拱壩建基面，AEJF為拱端上游拉裂面(簡稱P1)，作用荷載為水壓力，EDIJ為側滑面(簡稱P2)，FGHIJ為底滑面(簡稱P3)，塊體上的作用有：Ha為拱端軸向力，位于水平面內；Va為徑向剪力，位于水平面內；V’c(=Vctanθ)為梁底剪力，位于水平面內；U1為垂直作用于P1面的滲透壓力；U2為垂直作用于P3面的滲透壓力；U3為垂直作用于凡面的滲透壓力；W為壩體及壩基滑塊的總重量，垂直向下，W=W1tanθ+W2，W1tanθ為作用在塊體上的壩體和水體自重W2為塊體自重[2]。

圖2 三維剛體極限平衡法計算簡圖首先計算側滑面和底滑面上的反力R2和R3，以及沿側滑

計算簡圖見圖2。面P2和底滑面P3交線方向J的分力S；壩肩滑塊抗滑穩定安全系數K1利用下式求解：

式中：f2、c2、A2為側滑面P1上的摩擦系數、黏聚力、滑動面積；f3、c3、A3底滑面 P3上的摩擦系數、黏聚力、滑動面積。

3 地質條件和地質參數

址區為單斜構造，無大斷裂構造發育，巖層產狀305°～315°∠70°～85°，右岸巖層傾角變化較大，左岸變化較小，多在80°以上，壩區巖性為砂質泥巖、含泥質細粒粉砂巖，黃色泥巖，節理裂隙較發育。

3.1 結構面參數

表1 巖體物理力學參數建議值

3.2 地質裂隙統計

壩址區裂隙發育統計情況見表2。3.3 分析對象及巖體物理力學參數

以拱壩的左壩肩為抗滑穩定分析對象，底滑面采用巖層層面的抗剪斷參數，側滑面抗剪斷參數是由巖石/巖石和裂隙面按連通率加權平均計算所得，見表3。

表2 壩址區裂隙發育統計表

表3 左壩肩抗滑巖體物理力學參數換算表

4 壩肩穩定計算分析

4.1 滑動面的選取

二維和三維剛體極限平衡法滑動面選取的原則一致，左岸側滑面和底滑面選取如下：

左岸側裂面4組裂隙中裂隙③50°～60°/∠80°～85°與各層拱圈拱端徑向均成較小夾角，對壩肩抗滑穩定最不利，以裂隙③作為右壩肩的抗滑穩定計算的側裂面。

左岸底滑面壩址巖層產狀為310°∠80°，巖層傾角80°較陡不能作為底滑面；分析實際存在的裂隙組合，發現左岸的裂隙組合均傾角較陡，不能作為底滑面；因此，假定一組層面作為底畫面，該底滑面傾角按0°處理，底滑面的地質參數取弱風化巖體參數。

4.2 二維剛體極限平衡法計算成果（表4）

表4 二維剛體極限平衡法穩定計算成果表

4.3 三維的剛體極限平衡法計算成果（表5）

表5 三維剛體極限平衡法穩定計算成果表

4.4 兩種計算方法對比評價

從上述計算結果可知，按照二維剛體極限平衡法，其穩定系數大于二維的剛體極限平衡法計算成果。計算結果是偏于不安全。當采用二維分層穩定計算方法每個高程的層面都考慮了底滑面的抗剪因素，而三維分層穩定計算方法只考慮一個底滑面的抗剪因素，三維剛體極限平衡法更加接近拱壩壩肩的破壞模式，因此在實際工程運用中，應該采用多種方法進行拱壩的壩肩穩定分析，更好地評價拱壩的壩肩穩定。

5 結語

通過上述兩種計算方法，對金珠水庫大壩壩肩抗滑穩定做了一個較為全面的分析論證，計算結果表明，在各個工況下，壩肩抗滑穩定安全系數均滿足《混凝土拱壩設計規范》SL 282-2018[3]的要求。