黃埔水庫漿砌石重力壩抗滑穩定分析

呂石源

（福建省周寧縣水利局，福建 周寧 355400）

重力壩壩體基巖通常存在節理、裂隙或斷層等復雜地質結構［1，2］，很少為完整的巖體。由于壩基的地質缺陷很難被發現［3，4］，可能形成不可預知的滑動通道［5］，甚至出現嚴重的工程事故［6］。因此，對重力壩工程進行穩定性分析與安全評價具有重要意義［7］。傳統的重力壩穩定性分析一般有超載法或強度儲備法［8，9］，卻鮮有考慮超載及材料弱化等因素的影響［10］。

本文考慮超載及材料弱化因素對大壩的影響，綜合運用分項系數法與有限單元法，以加固后黃埔水庫漿砌石重力壩為研究對象，建立了加固后黃埔大壩仿真模型，開展了復雜條件下基于分項系數法的漿砌石重力壩抗滑穩定仿真分析，使得分項系數的有限元法含有可靠度的意義，計算結果更加準確、客觀。

1 工程概況

黃埔水庫壩址位于黃埔村上游2.5km處河道上，壩址控制流域面積16.5km2。水庫30年一遇設計洪水時，最高庫水位710.53m，200年一遇設計洪水時，最高庫水位711.00m，相應庫容108萬m3。大壩為漿砌石重力壩，最大壩高17.5m，壩頂長84.2m，溢洪方式為壩頂自由溢流，堰頂高程708m，4 孔溢流堰凈寬31.1m，堰上架設交通便橋。挑流消能，鼻坎高程697.8m，挑射角23.7°。壩體左岸地形上部為坡殘積砂質黏土覆蓋，下部為弱風化巖體出露，邊坡穩定；壩體右岸地形上部為坡殘積砂質黏土覆蓋，下部為強風化巖體出露，邊坡可能產生失穩。

2 水庫存在主要問題及措施

2.1 大壩壩體滲漏

黃浦水庫壩體混凝土局部強度較低，且壩體上部（正常蓄水位以上）存在有空洞，大壩增高培厚的過程中新舊壩體的黏結性較差，為防止新舊壩體直接接觸大壩壩體滲漏，需對大壩壩體進行補強灌漿及上游設置鋼筋混凝土防滲面板處理。補強灌漿范圍為全斷面灌漿，非溢流壩段孔距1.0m，灌漿孔從壩頂深入壩體至開挖面，灌漿壓力0.2～0.4MPa；溢流壩段從溢流面上上設補強灌漿孔，孔距1.0m，灌漿孔從壩頂深入壩體至開挖面，灌漿壓力0.2 ～0.4MPa；大壩防滲面板設置在大壩上游面，防滲面板厚度0.50m，防滲面板深入基礎1.0m，防滲面板每隔12m設置一分縫，分縫設置銅片止水。為保證防滲面板與大壩的充分結合，將大壩上面進行充分鑿毛，并在防滲面板與大壩之間設置連接錨桿，錨桿直徑φ25，錨桿入防滲面板0.50m，與防滲面板鋼筋網焊接，深入舊壩體1.50m。

2.2 大壩壩基滲漏

本次通過現場地質測繪發現，壩體左岸下游渠道內外邊坡潮濕，局部見有滲水；右岸下游山體702m高程見有滲水，其水量隨庫水位升高而增加。分析推測，由于壩體兩岸巖體發育NE和NW向高傾角節理，相互交切，而形成的滲漏通道。之前對壩基進行了全面固結澆灌漿，但未進行帷幕灌漿，右岸山體斷層、裂隙未完全處理到位，存在漏水通道，防滲效果較差。

綜上所述，壩體兩岸存在繞壩滲漏，需進行帷幕灌漿處理，處理深度為壩基以下8.0m，使大壩壩基形成一個閉合的防滲體系，以進行帷幕灌漿處理。帷幕灌漿孔孔距2.0m，孔深按壩基面以下8.0m控制。灌漿孔設置在壩頂中部，帷幕灌漿在壩體補強灌漿實施后進行；依據大壩存在繞壩滲漏隱患，帷幕灌漿往左岸延伸4孔及右岸延伸7孔，孔距2.0m。鉆孔灌漿按分序加密的原則分三序進行，采用自下而上分段灌漿法施工，接觸段長度不大于2m。

3 計算原理與方法

該壩壩高17.5m，只需進行單滑面深層抗滑穩定計算，安全系數為滑動面上阻滑力與滑動力之比，如式（1）：

式中 K′為抗滑穩定安全系數；f′為抗剪斷摩擦系數；W為自重（kN）；U為壩底揚壓力（kN）；（∑W-U）為抗滑力（kN）；c′為抗剪斷凝聚力（kN）；A為大壩與基巖接觸面積（m2）；∑P為滑動力（kN）。

引入各荷載及材料分項系數到式（1）中，求解安全度Kr的作用效應函數S（g）及抗力函數R（g），如式（2）式（3）：

式中 γP為荷載分項系數；γW為自重的分項系數；γU為揚壓力分項系數；γf′為摩擦系數分項系數；γc′為凝聚力分項系數；其他字母含義同上。

采用有限元法分析壩體抗滑穩定時，引入分項系數法，其具體步驟將壩體所受荷載乘以分項系數作為計算的荷載，①將材料力學參數除以材料性能分項系數作為的計算參數；②再采用強度儲備法求解得到壩體強度儲備系數作為壩體抗滑穩定安全度。

將得到抗滑穩定安全度Kr與目標安全度 ［K］作比較，便可對大壩抗滑穩定性進行評價，從而判定壩體是否能滿足抗滑穩定的要求。

4 模型建立

采用基于分項系數有限元法進行計算分析，計算時對模型進行了簡化。

4.1 模型計算坐標

X軸為順河向方向，Y軸為橫河向方向，Z軸為豎向。

4.2 基礎計算范圍

順河向河流上、下游各取1倍壩高，沿建基面向下取1倍壩高。

4.3 邊界條件

基礎側面施加法向鏈桿約束，底面全約束，6個自由度均設為零。

4.4 網格剖分

結合本工程實際，計算時對重要結構進行網格加密。模型離散為1253個單元，1517個節點。漿砌石非溢流壩段與非溢流壩段的有限元網格如圖1,圖2。

圖1 漿砌石非溢流壩段有限元網格

圖2 漿砌石溢流壩段有限元網格

4.5 計算荷載組合

作用在壩體上的荷載主要有壩體自重 （分項系數1.0）、靜水壓力（分項系數1.0）、水重（分項系數1.0）、揚壓力（分項系數1.1）、浪壓力（分項系數1.0）。

荷載組合如表1。

表1 計算荷載組合

4.6 計算物理力學參數

抗剪摩擦系數f=0.7（分項系數1.2），抗剪斷摩擦系數 f′=1.1 （分項系數1.1），抗剪斷凝聚力c=1 MPa（分項系數1.2），排水折減系數0.3（分項系數1.1），砌體容重2.3t/m3（分項系數1.0），淤沙內摩擦角20°（分項系數1.0），浮容重0.9t/m3（分項系數1.0）。

5 計算結果分析

5.1 擋水重力壩段穩定性

經計算可得，擋水重力壩段壩踵、壩址及壩體處均處于受壓狀態，均達到了重力壩設計規范的要求。其計算成果如表2。

表2 抗滑穩定計算成果

由表2可知，擋水重力壩抗滑安全系數Kr均小于目標安全度[K]，能夠滿足SL25—2006《漿砌石壩設計規范》［11］規定的要求，壩基最大壓應力為225.567kPa，小于壩基承載力。該工程擋水重力壩段抗滑穩定是安全的。

5.2 溢流壩段抗滑穩定性

經計算可得，溢流壩段壩踵、壩址及壩體處均處于受壓狀態，均達到了重力壩設計規范的要求。其成果如表3。

表3 抗滑穩定計算成果

由表3可知，溢流壩段抗滑安全系數Kr均小于目標安全度［K］，能夠滿足SL25—2006《漿砌石壩設計規范》［11］規定的要求，壩基最大壓應力254.447kPa，小于壩基承載力。該工程溢流壩段抗滑穩定是安全的。

6 結語

（1）針對水庫存在主要問題，提出了全面徹底除險加固應對措施。

（2）考慮超載及材料弱化因素對大壩的影響，綜合運用分項系數法與有限單元法，使得分項系數的有限元法含有可靠度的意義，計算結果更加準確、客觀。

（3）擋水重力壩與溢流壩段抗滑安全系數均小于目標安全度，擋水重力壩段與溢流壩段最大壓應力分別為225.567，254.447 kPa，均小于壩基承載力，大壩抗滑穩定是安全的，固后大壩可安全運行。