拉路河水庫工程大壩深層抗滑穩(wěn)定分析及處理措施

姜彥作，王兆括，陳仁宏

（中國電建集團(tuán)貴陽勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴陽 550081）

1 工程概況

貴州省織金縣拉路河水庫位于織金縣東部牛場(chǎng)鎮(zhèn)拉路河村境內(nèi)，長(zhǎng)江流域?yàn)踅等砗右患?jí)支流拉路河上，擬建壩址距牛場(chǎng)鎮(zhèn)政府所在地約2.3 km，距織金縣城約47 km，距貴陽市110 km。水庫建成后為織東協(xié)作發(fā)展區(qū)和龍場(chǎng)鎮(zhèn)14 萬城鎮(zhèn)居民生活生產(chǎn)供水。壩址以上控制流域面積151 km2，主河道河長(zhǎng)28.1 km，主河道比降9.04‰，壩址處多年平均流量4.09 m3/s，多年平均年徑流量1.29 億m3。水庫校核洪水位1 256.20 m，相應(yīng)的總庫容為2172 萬m3，正常蓄水位1 255.00 m，相應(yīng)的庫容為2034萬m3，死水位1235 m，死庫容494萬m3，興利庫容1540 萬m3，調(diào)節(jié)庫容1540 萬m3，庫容系數(shù)0.12，為年調(diào)節(jié)水庫。工程規(guī)模為中型，混凝土重力壩是該水利工程的主體建筑物。

2 工程地質(zhì)條件

壩址區(qū)河段兩岸基巖裸露，強(qiáng)～弱風(fēng)化，完整性較差～較好，河床及兩岸谷坡廣泛分布有崩坡積、殘坡積層和沖洪積物。庫區(qū)內(nèi)的主要出露第四系沖積層（Q），基巖僅三疊系夜郎組二段（T1y2）地層出露，多分布于兩岸陡崖峭壁及河床部位，巖性為深灰～灰黑色薄層至中厚層灰?guī)r，局部夾極薄層的泥巖、炭質(zhì)泥巖。

壩址區(qū)出露基巖地層整體產(chǎn)狀N53°W/NE∠4°～6°，傾向上游偏左岸。壩址區(qū)內(nèi)節(jié)理裂隙發(fā)育，主要發(fā)育3組節(jié)理：第I組節(jié)理平均產(chǎn)狀為N50°W/SW∠75°，節(jié)理密度為3～5 條/m，為優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面；第II 組節(jié)理平均產(chǎn)狀為N35°E/SE∠78°節(jié)理密度為1～2 條/m；第III組節(jié)理平均產(chǎn)狀為N55°W/NE∠75°，節(jié)理密度為1～3 條/m。壩址區(qū)內(nèi)第I 組、第II 組、第III 組，結(jié)構(gòu)面為陡傾結(jié)構(gòu)面，緩傾角結(jié)構(gòu)面為層面。根據(jù)層面與裂隙的組合，壩基抗滑穩(wěn)定主要可能發(fā)生深層抗滑穩(wěn)定問題。

3 深層抗滑穩(wěn)定分析

3.1 深層抗滑分析

壩址區(qū)存在3 組裂隙，但均不構(gòu)成重力壩潛在滑移面的風(fēng)險(xiǎn)。由于巖層結(jié)構(gòu)面基本呈平層，傾角為0.37°，造成重力壩有沿著巖層結(jié)構(gòu)面進(jìn)行滑動(dòng)的可能，從而剪斷下游巖體，發(fā)生失穩(wěn)破壞[1，2]。

3.2 滑動(dòng)模式

深層滑動(dòng)模式，上游拉裂巖體或沿垂直河向裂隙面（II組）為上游拉裂面，以順河向裂隙第I、III 組節(jié)理面為側(cè)向切割面，以巖層層面為底滑面，下游剪斷巖體。深層滑動(dòng)模式為雙滑動(dòng)模式[3，4]（見圖1）。根據(jù)圖1，層面為T1y2-1碳質(zhì)泥巖夾層層面，下游剪斷巖體為T1y2-1薄層灰?guī)r。

3.3 計(jì)算假定和計(jì)算方法

計(jì)算深層抗滑穩(wěn)定方法為剛體極限平衡法。

深層滑移模式計(jì)算公式：

圖1 重力壩深層滑動(dòng)模式

式中：K為抗滑安全系數(shù)；W為作用在壩體上的全部豎向荷載（不含揚(yáng)壓力）；G為巖體ABC的自重；U為作用在BC 面上的揚(yáng)壓力；C′為滑面的抗剪斷粘聚力，該工程取50 kPa；A為滑面面積；f′為滑面的抗剪斷摩擦系數(shù)；α為滑面與水平面夾角，本工程巖層傾向上游約0.37°（視傾角），因此計(jì)算時(shí)偏安全考慮α取0.37°。

3.4 計(jì)算工況和相關(guān)參數(shù)

3.4.1 計(jì)算工況

本工程壩體深層穩(wěn)定分析的荷載組合分基本組合、特殊組合兩種：

（1）基本組合。工況①：水庫正常蓄水位+相應(yīng)下游水位+自重+靜水壓力+揚(yáng)壓力+淤沙壓力+浪壓力+下游巖體自重；工況②：水庫設(shè)計(jì)洪水位+相應(yīng)下游水位+自重+靜水壓力+揚(yáng)壓力+淤沙壓力+浪壓力+下游巖體自重。

（2）特殊組合。工況③：水庫校核洪水位+相應(yīng)下游水位+自重+靜水壓力+揚(yáng)壓力+泥沙壓力+浪壓力+下游巖體自重。

3.4.2 水位及淤沙參數(shù)

本工程校核水位為1 256.20 m，下游水位1 220.16 m，設(shè)計(jì)和正常水位為1 255.00 m，下游水位分別為1 218.14 m 和1 217.43 m；淤沙高程為1 229.70 m，淤沙浮容重為1.2 g/cm3，內(nèi)摩擦角為8°；壩體混凝土容重為2.4 g/cm3。

3.4.3 巖體力學(xué)參數(shù)

拉路河水庫巖體物理力學(xué)參數(shù)見表1，結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)見表2。

表1 拉路河水庫壩址區(qū)巖體物理力學(xué)參數(shù)建議值

表2 拉路河水庫壩址區(qū)結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)建議值

3.5 計(jì)算結(jié)果

滑動(dòng)模型見圖2。首先搜索下游剪斷巖體最危險(xiǎn)角度β，本工程深層抗滑具有雙滑動(dòng)面，AB 面為近水平的巖層層面，BC 面為剪斷基巖面，β 角為經(jīng)搜索計(jì)算出的最危險(xiǎn)滑面角度，在該角度下抗滑安全系數(shù)最小。

圖2 壩基深層滑移模式詳圖（不設(shè)齒槽）

若剪斷基巖滑出，當(dāng)下游抗力體所提供的抗力最小時(shí)，所對(duì)應(yīng)的滑出角度為最危險(xiǎn)滑面角度，經(jīng)試算，河床壩段抗滑安全系數(shù)最小的滑出角度為35°（與水平面的夾角β值）。計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 下游巖體最危險(xiǎn)滑動(dòng)角度β計(jì)算結(jié)果

由表3 可知，最危險(xiǎn)滑面角度為35°，同時(shí)給出各工況下沿危險(xiǎn)滑移角度滑動(dòng)的安全系數(shù)。計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 壩基深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果表（未設(shè)齒槽）

計(jì)算結(jié)果表明：未對(duì)大壩基礎(chǔ)進(jìn)行處理時(shí)，各工況重力壩深層抗滑安全系數(shù)均小于規(guī)范要求最小值，無法滿足穩(wěn)定要求。

4 處理措施

4.1 鋼筋樁方案

鋼筋樁方案施工工期長(zhǎng)，施工難度大，無法在一個(gè)施工期完成基礎(chǔ)施工，且鋼筋樁安全裕度無法保證，因此，本階段放棄鋼筋樁基礎(chǔ)處理方案。

4.2 預(yù)應(yīng)力錨束方案

該工程相對(duì)國內(nèi)其他大型工程而言，其工程規(guī)模較小，資金投入少，采用預(yù)應(yīng)力錨束方案，須要求專業(yè)施工隊(duì)伍，且工程處理費(fèi)用較大。因此，放棄了用預(yù)應(yīng)力錨束進(jìn)行基礎(chǔ)處理的方案。

4.3 齒槽方案

采用齒槽方案[5]進(jìn)行處理的最大優(yōu)點(diǎn)在于：處理方案穩(wěn)妥，施工方法簡(jiǎn)便，無須專業(yè)施工隊(duì)伍，且本工程齒槽尺寸不大，可以保證在一個(gè)枯水期完成齒槽開挖，保證施工進(jìn)度。因此，本工程推薦齒槽方案，由于巖層傾向上游，故在壩趾處設(shè)置齒槽。齒槽方案重力壩剖面圖見圖3。設(shè)置齒槽后，穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 壩基深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果表（設(shè)齒槽）

計(jì)算結(jié)果表明：設(shè)置齒槽后，各工況重力壩深層抗滑安全系數(shù)均大于規(guī)范要求最小值，滿足穩(wěn)定要求。

5 結(jié)語

（1）經(jīng)過試算，當(dāng)下游滑出角β 在35°時(shí)，本工程重力壩深層抗滑安全系數(shù)最小。

（2）通過深層抗滑穩(wěn)定和方案比選，最終確定齒槽加固方案。通過在重力壩壩趾處設(shè)置齒槽，更好的保證大壩深層抗滑穩(wěn)定。

圖3 齒槽方案重力壩剖面圖

（3）重力壩是按照剛體極限平衡法，作為平面問題來計(jì)的。沒有考慮巖體側(cè)向切割面上的抗切力，這樣可使得計(jì)算的結(jié)果有一定的安全富余，對(duì)重力壩穩(wěn)定是有利的。