RCC重力壩地質缺陷壩基處理方案優化及加固效果評價研究

黃 靜 美， 趙 蕾 蕾， 謝 紅 強

(1. 重慶鐵路投資集團有限公司，重慶 江北區 400023；2. 河南省水利勘測設計研究有限公司，河南 鄭州 450000；3. 四川大學 水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室 水利水電學院，四川 成都 61006)

1 概 述

天然的壩基中總是存在斷層、節理、裂隙和軟弱夾層等地質缺陷，這通常是影響壩基不均勻沉降、抗滑穩定、塌陷的關鍵問題。因此，壩基的處理加固效果對壩體的穩定性至關重要。據統計，在有記載的重力壩失事案例中，40%是由于壩基失穩所致[1]，地基的加固不僅關系到水利水電工程的安全建設，也與生命財產安全密切相關，其一直是壩工界十分關注的問題。

對于壩基的處理措施主要有清挖回填、固結灌漿兩種方式，一般同時采用兩種方式對地基進行處理，有助于減少地基的地質缺陷并能提高地基的承載能力。壩基處理措施效果的評價是壩工設計的主要內容，其目的是核算壩體在相應處理方案下的安全度，為施工設計提供科學的依據。對具有潛在滑動面的地基主要采用剛體極限平衡法、有限單元法以及地質力學模型試驗法進行壩基抗滑安全系數的計算，并且對加固措施進行評價。此外，強度儲備系數、超載安全度、綜合穩定安全系數以及應力位移對比方法等也常應用于壩基安全性及其處理措施評價。如方朝陽等[2]利用強度儲備法對隘口瀝青混凝土心墻堆石壩巖溶壩基的穩定性及處理措施進行了研究；寧宇等[3]通過三維數值計算對壩肩、壩基巖體及壩體的應力、位移對比，定量分析主要地質缺陷的影響以及工程處理措施的效果；張林等[4-6]采用地質力學模型試驗法，在連續加荷或降低材料力學參數的狀態下開展試驗研究，對加固措施進行評價和優化。尤其對沒有潛在滑動面的復雜地基處理措施的評價，壩體的破壞、位移、應力分布等將成為評價、優化處理措施的研究對象。

2 研究對象

某碾壓混凝土重力壩最大壩高120 m，壩頂長727 m，庫容5.72億m3，壩區內主要為構造剝蝕～溶蝕地貌，大部分地基持力層為白云巖，弱風化狀態，屬AⅢ2巖體；少部分壩基為瀝青質白云巖，弱風化狀態，屬AⅢ2巖體。但巖體層內擠壓現象嚴重，存在層間錯動帶、斷層、構造裂隙。此外，壩基內還存在規模較大的溶蝕大廳、落水洞以及隱伏洞穴區地質缺陷，嚴重影響壩體的穩定性。

本文選取該碾壓混凝土重力壩24號壩段開展加固處理措施研究，針對復雜缺陷地基提出四種不同的處理措施，基于有限元超載法研究碾壓混凝土重力壩在不同加固方案條件下壩基接觸面的應力、位移以及壩體破壞發展狀態，評價不同處理措施的加固效果。

3 計算模型及加固處理措施

3.1 計算模型及力學參數

24號壩段的地質剖面見圖1，為準確模擬壩體與基巖的相互作用，從壩軸線向上游取壩高的2.5倍，向下游取壩高的3.3倍，建基面以下巖體范圍取至480 m高程，深度是壩高的三倍，有限元模型見圖2。計算模型中充分反映不同巖體、斷層、溶洞等的空間位置及巖性。巖體材料計算參數見表1 。

表1 24號壩段壩址區巖體物理力學參數

圖1 24號壩段地質剖面圖

圖2 有限元模型圖

3.2 壩基加固處理措施

從圖1中的地質剖面圖可以看出，在壩基中有規模較大的K111溶蝕大廳，在其下游側20 m范圍內存在溶洞K1、溶洞K2、裂隙JC22-B、裂隙JC1-C，K1與K2都傾向上游且與K111溶蝕大廳連通，兩條裂隙也是傾向上游。K111大廳頂部到24號壩段建基面的巖體厚度較小，約5～10 m，其中分布了JC19-B、JC21-C、JC20-B三條裂隙，且受開挖壩基爆破影響，洞頂以上巖體存在松動圈，K111溶洞向下發育深度較大，約40 m，嚴重影響壩體的穩定性。

為保證并提高壩基的承載能力以及壩體的整體穩定安全度，提出并采用了以下4種工程處理方案：

(1)直接對K111溶蝕大廳空腔進行混凝土C15回填，K1，K2也進行回填灌漿，裂隙進行固結灌漿；(2)對K111溶蝕大廳底部的堆積物(高程590 m)進行5 m的清理后進行溶洞的混凝土C15回填，K1，K2回填灌漿，裂隙進行固結灌漿；

(2)對K111溶蝕大廳底部的堆積物(高程590 m)進行15 m的清理后進行溶洞的混凝土C15回填，K1，K2回填灌漿，裂隙進行固結灌漿；

(3)對K111溶蝕大廳底部的堆積物(高程590 m)進行25 m的清理，即底部堆積物完全清除后進行溶洞的混凝土C15回填，K1，K2回填灌漿，裂隙進行固結灌漿。

有限元計算工況采用正常運行工況，上游正常蓄水位658 m，下游水位572.5 m?？紤]到荷載包括壩體及巖體自重、上下游水壓力、揚壓力等，每種工程處理方案均采用相同的超載安全系數Kc(超載倍數)水平開展研究。擬定超載系數Kc取1、1.5、2、2.5、3五個水平，分別研究在不同計算條件下壩體應力、變形及壩基的破壞連通率。

4 壩體應力變形及破壞特性

4.1 壩基接觸面應力分布特性

不同超載系數Kc條件下的壩基接觸面主應力曲線，見圖3。從圖中可知，在不同的超載系數下，壩基接觸面上的主應力分布規律基本一致，壩趾處大主應力較大，而壩踵處小主應力值較大；隨著超載系數的增大，壩踵處的大主應力減小，從壓應力向拉應力轉變，壩趾處的壓應力逐漸變大；在正常荷載(Kc=1.0)條件下，壩基接觸面的最小主應力分布比較均勻，在-0.25 MPa～0.25 MPa，最大主應力基本處于壓應力范圍；當超載系數從1增加大3時，壩踵處的小主應力從0.25 MPa減小到-2.60 MPa，而壩趾處的小主應力從-0.10 MPa減小到-0.30 MPa，壩踵處小主應力的變化幅度遠遠大于壩趾處的變化幅度。由此可知：壩體上游水推力的增加會對壩踵拉應力和壩趾壓應力造成較大變化，可能引起壩踵的拉裂破壞，以及壩趾的壓剪破壞。

4.2 壩體豎向位移特性

在不同超載系數下的壩基豎向相對位移值(不包含自重位移)見圖4。從圖中可知，壩體在上游水荷載產生的彎矩作用，壩基接觸面靠壩踵部位豎向位移鉛直向上，靠壩趾部位豎向位移鉛直向下；超載系數Kc從1增大到3，壩體接觸面的位移值逐漸增大，而且壩踵部位位移變化大于壩趾，與超載系數增大過程中壩踵部位拉應力增長率較大的結論一致。

4.3 壩體破壞分布特性

采用逐級降低材料的黏聚力和摩阻系數，可以對壩體的破壞區域及破壞發展規律進行預測分析。在降強倍數相同，不同超載系數Kc下壩體的破壞分布，見圖5。從圖中可知，壩體的破壞主要出現在壩踵和壩趾部位，壩踵以拉裂破壞為主，壩趾以壓剪破壞為主。當超載系數Kc為1和1.5時，壩基接觸面靠上游局部產生了少量的拉裂破壞，隨著超載系數的增大，壩踵處的拉裂破壞逐漸向下游和壩內發展。當超載系數為3時，壩踵部位的拉裂破壞發育深度達到5.5 m，在壩趾附近也產生了塑性破壞。

(a)大主應力 (b)小主應力圖3 不同超載倍數Kc下的壩基接觸面主應力曲線

圖4 不同超載系數下壩基接觸面豎向位移曲線

由此可知：壩體在超載情況下，壩踵處會產生較大的拉應力，壩趾處的混凝土是處于受壓狀態，壩踵處材料的拉應力超過抗拉強度值。首先屈服產生拉裂破壞，隨著荷載的增大，壩踵處的拉裂破壞進一步向壩體內發展，壩趾處的壓應力增大并產生壓剪破壞，當超載達到一定程度，壩踵、壩趾處的破壞區域繼續向壩體內擴展，直至失穩潰壩。

圖5 不同超載系數Kc下壩體的破壞分布圖

5 復雜壩基加固方案評價

為評價24號壩基的處理措施加固效果，對各地基處理方案不同超載系數下的豎向位移進行比較，見圖6～9。從不同地基處理方案的壩底位移曲線可知：方案一的壩體豎向位移最大，方案二的壩體豎向位移其次，方案三的壩體豎向位移較小，方案四的壩體豎向位移最小。而且從圖中可看出：在地基處理方案一條件下，壩基接觸面產生豎直向上位移的范圍最大，說明接觸面受拉區域較大。在壩基處理方案四下的壩基接觸面產生向上位移的區域最小，壩基受拉面較小。如果壩踵和壩址的位移差越大，則壩體接觸面的受力越不均勻，壩體向下游傾倒潰壩的可能性越大。從壩基接觸面的位移分布以及壩踵壩址的位移差都充分說明處理方案四比其他三種處理方式更具有優勢，壩基接觸面產生的位移較小且壩基接觸面上下游位移差異較小，使壩體具有更高的穩定性和安全性。

圖6 超載系數Kc=1.0時壩體豎向位移曲線

圖7 超載系數Kc=2時壩體豎向位移曲線

圖8 超載系數Kc=2.5時壩體豎向位移曲線

圖9 超載系數Kc=3時壩體豎向位移曲線

6 結 語

本文通過有限元超載法對碾壓混凝土重力壩的地質缺陷壩基接觸面應力、位移及壩體破壞進行分析，評價不同地基處理措施的加固效果。 研究得知：隨著超載系數的增大，壩基接觸面上游部位的拉應力和下游部位的壓應力均增大，且壩踵拉應力增長幅度大于壩趾壓應力的增長幅度。在水推力作用下，壩基接觸面上游部位向上變形，下游部位產生向下的位移；隨著超載系數的增加，壩基豎向位移增大，壩踵與壩址的位移差也隨之增大。超載系數的增大使壩體壩踵處的拉裂破壞區域增大，壩趾處也會出現壓剪破壞。

通過不同地基處理方案壩基豎向位移的對比發現，在相同荷載條件下壩基處理方案四的壩基位移最小，且壩踵與壩趾位移差小，地基處理方案四較其他三種地基處理方案加固效果更具優勢，使壩基具有更高的承載能力和穩定性。