重力壩沿巖層結構面的抗滑穩定分析研究

王 倩

(河北省水利水電勘測設計研究院，天津 300250)

1 概述

重力壩抗滑穩定分析通常采用剛體極限平衡法，而最危險的滑移往往存在于基巖內部，當基巖內有緩傾角軟弱結構面時，壩體連同部分基巖在外荷載影響下將共同沿軟弱結構面發生滑移[1]。在我國已完工或正在施工的大、中型閘壩工程中，有近1/3的基巖存在軟弱夾層。某些工程由于前期的勘察階段未能清楚判斷壩址地質情況導致施工時出現了較嚴重的問題，因此，在工程前期的勘察、設計階段及后期的施工階段均應高度重視深層抗滑穩定問題[2]，并采取有效的處理措施，從而保證大壩的安全與穩定。

2 壩體沿巖層結構面的抗滑穩定

2.1 沿巖層結構面的抗滑穩定分析

根據SL 319—2018混凝土重力壩設計規范[3]，壩體沿巖層結構面抗滑穩定按抗剪斷式(1)進行計算。

(1)

若巖層傾角為傾向上游，故計算公式演變為：

(2)

其中，f′為壩體混凝土與壩基接觸面抗剪斷摩擦系數；c′為壩體混凝土與壩基接觸面抗剪斷凝聚力,kN/m2；∑W為全部鉛直荷載,kN；∑P為全部水平向荷載,kN；A為壩基接觸面截面積，m2。

壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪斷摩擦系數f′=1.0，抗剪斷凝聚力c′=900 kPa；巖層結構面的抗剪斷摩擦系數f′=0.8，抗剪斷凝聚力c′=300 kPa。

攔河壩為整體壩結構，兩側岸坡開挖較陡，對兩側岸坡采取了固結、接觸灌漿處理，岸坡混凝土與壩基接觸面抗剪斷凝聚力考慮以下幾種情況：

1)沿巖層結構面滑動,只考慮滑動面、開挖馬道c′值。

2)沿巖層結構面滑動，考慮滑動面、開挖馬道及岸坡c′值。

3)沿巖層結構面滑動，考慮滑動面、開挖馬道及岸坡垂直投影面積的c′值。

2.2 不同情況的計算分析流程

1)沿巖層結構面滑動，只考慮滑動面、開挖馬道c′值。

當只考慮巖層結構滑動面、開挖馬道的c′值而不考慮岸坡c′值時，滑動面與巖層的抗剪斷摩擦系數f′=0.8，抗剪斷凝聚力c′=300 kPa；開挖馬道與巖體接觸面的抗剪斷凝聚力c′=900 kPa，將荷載值代入式(2)進行計算，看計算得到的抗滑穩定安全系數K′是否滿足規范要求。

2)沿巖層結構面滑動，考慮滑動面、開挖馬道及岸坡c′值。

當考慮滑動面、開挖馬道及岸坡的抗剪斷凝聚力c′值時，滑動面與巖層的抗剪斷摩擦系數f′=0.8，抗剪斷凝聚力c′=300 kPa，開挖馬道與巖體接觸面的抗剪斷凝聚力c′=900 kPa，而岸坡與巖體接觸面的抗剪斷凝聚力c′按n倍的c′進行試算，將荷載值代入式(2)對n值進行試算，然后經反算得出當n為何值時，即岸坡c′為何值時，抗滑穩定安全系數K′=3.0滿足規范要求。

3)沿巖層結構面滑動，考慮滑動面、開挖馬道及岸坡垂直投影面積的c′值。

當考慮滑動面、開挖馬道及岸坡垂直投影面積的抗剪斷凝聚力c′值時，滑動面與巖體的抗剪斷摩擦系數f′=0.8，滑動面與巖體的抗剪斷凝聚力c′=300 kPa，開挖馬道及岸坡垂直投影面積與巖體接觸面的抗剪斷凝聚力c′=900 kPa，若考慮滑動面、開挖馬道與岸坡垂直投影面積的抗剪斷凝聚力c′，計算得到的抗滑穩定安全系數K′是否滿足規范要求。若滿足，那么此時岸坡垂直投影面積為岸坡總面積的m倍，當取岸坡投影面積為m1倍的岸坡面積時，計算得到抗滑穩定安全系數應滿足要求。

2.3 處理措施

根據上述計算可知，若不滿足規范要求，需要c′A的力，抗滑穩定安全系數才能滿足規范要求。因此，對壩體下方掛某一厚度的巖體進行試算，并考慮25%側阻力[4]和考慮壩后巖石壓重兩種情況進行計算，當抗滑穩定安全系數滿足規范要求時為止。

但因無確切的資料作為參考，故岸坡混凝土與巖體間的抗剪斷凝聚力c′考慮上述計算值時的合理性存在疑問，因此為安全計，不再考慮岸坡混凝土與巖體間的抗剪斷凝聚力c′，但是抗滑穩定安全系數若要滿足規范要求，就需要c′A的力，因此對壩體下方掛某一厚度巖體進行試算。

3 工程實例

3.1 工程概況

某重力壩根據實際揭露的地質條件，大壩建基面整體性和完整性較好，基巖巖層雖傾向上游，但傾角較緩，層面較為明顯，建基面順水流方向長度58.12 m，垂直水流方向寬度22 m；左岸分四級開挖，開挖邊坡1∶0.25，開挖馬道寬度自下而上分別為2 m，2 m，4 m；右岸分四級開挖，開挖邊坡高程749 m以下為1∶0.25，高程749 m以上為1∶0.5，開挖馬道寬度自下而上分別為2 m，2 m，4 m。正常蓄水位783 m，建基面上游高程為721 m、下游高程為723 m，壩前正常蓄水深度為62 m，30年淤積高程為779 m。

3.2 計算工況及荷載

計算荷載主要包括正常蓄水位工況下，荷載主要包括壩體自重G1、巖體自重G2、靜水壓力P、揚壓力U、淤沙壓力Ps；正常蓄水位+地震工況下，荷載主要包括壩體自重G1、巖體自重G2、靜水壓力P、揚壓力U、淤沙壓力Ps、動水壓力F0及地震慣性力Fi；壩體混凝土容重為25 kN/m3，巖體容重為28.3 kN/m3。計算荷載組合表如表1所示，工況荷載表如表2，表3所示。

表1 計算荷載組合表

表2 正常蓄水位工況荷載表 kN

表3 正常蓄水位+地震工況荷載表 kN

3.3 計算成果與分析

對沿巖層結構面滑動,只考慮滑動面、開挖馬道c′值;沿巖層結構面滑動，考慮滑動面、開挖馬道及岸坡c′值;沿巖層結構面滑動，考慮滑動面、開挖馬道及岸坡垂直投影面積的c′值三種情況在正常蓄水位工況和正常蓄水位+地震兩種工況下按式(2)分別進行計算。計算結果見表4～表9。

1)沿5°巖層結構面滑動，只考慮滑動面、開挖馬道c′值計算成果。

表4 正常蓄水位工況下的抗滑穩定計算成果(一)

表5 正常蓄水位+地震工況下的抗滑穩定計算成果(一)

2)沿5°巖層結構面滑動，考慮滑動面、開挖馬道及岸坡c′值計算成果。

表6 正常蓄水位工況下的抗滑穩定計算成果(二)

表7 正常蓄水位+地震工況下的抗滑穩定計算成果(二)

經反算可知，在正常蓄水位工況下，當n=0.23，即岸坡c′=207 kPa時，抗滑穩定安全系數K′=3.0滿足規范要求；在正常蓄水位+地震工況下，當n=0.15，即岸坡c′=135 kPa時，抗滑穩定安全系數K′=2.3滿足規范要求。

3)沿5°巖層結構面滑動，考慮滑動面、開挖馬道及岸坡投影c′值計算成果。

表8 正常蓄水位工況下的抗滑穩定計算成果(三)

表9 正常蓄水位+地震工況下的抗滑穩定計算成果(三)

經過分別對1)，2)，3)三種情況的計算，可知正常蓄水位工況及正常蓄水位+地震兩種工況下，若考慮岸坡c′A,只需岸坡混凝土與巖體間的抗剪斷凝聚力c′取為207 kPa，135 kPa，計算得到的抗滑穩定安全系數K′就滿足規范要求，但是，因未找到工程實例作為參考，故岸坡混凝土與巖體間的抗剪斷凝聚力c′考慮上述計算值時的合理性存在疑問，因此，為安全起見，不再考慮岸坡混凝土與巖體間的抗剪斷凝聚力c′，但是，根據情況1)的計算可知，若不考慮岸坡混凝土與巖體間的抗剪斷凝聚力c′，抗滑穩定安全系數就不滿足要求，根據2)與1)的對比計算可知，需要c′A=900×0.23×3 676.5=761 035.5 kN的力，才能滿足規范要求。因此對壩體下方掛巖體進行試算，計算結果如表10所示。

表10 壩體下方掛巖體計算成果

由表10可知，壩體下方掛5 m巖體時，在正常蓄水位與正常蓄水位+地震兩種工況下，無論是考慮25%側阻力[4]還是考慮壩后巖石壓重，抗滑穩定安全系數均滿足規范要求。

因此，對攔河壩基礎采取如下處理措施：

在河床部位下游壩腳和兩側高程735.0 m以下岸坡增設抗滑齒槽，其中河床部位齒槽底寬9.5 m，底高程718.0 m，上游側開挖邊坡坡比為1∶1.0，下游側為1∶0.5，左、右側為1∶0.25。齒槽回填混凝土等級同壩體基礎回填混凝土，并在相應部位增設基礎角筋。

4 結語

本文通過考慮：1)沿巖層結構面滑動,只考慮滑動面、開挖馬道c′值；2)沿巖層結構面滑動，考慮滑動面、開挖馬道及岸坡c′值；3)沿巖層結構面滑動，考慮滑動面、開挖馬道及岸坡垂直投影面積的c′值三種情況在正常蓄水位工況和正常蓄水位+地震兩種工況下的壩體沿巖層結構面滑動的計算結果，采取了下掛巖體，并考慮側阻力和巖石壓重的處理措施，從而保證大壩的安全與穩定。