基于有限元法的古償河水庫大壩1#～3#壩塊壩基抗滑穩定分析

吳 健，張小飛，田 羽，覃 培，肖天培

(廣西大學土木建筑工程學院，廣西 南寧 530000)

1 工程概況

古償河水庫位于柳州市鹿寨縣黃冕鄉古償村上游3 km的古償河上，是以供水為主，兼顧灌溉的綜合性利用工程。工程由大壩、輸水系統等建筑物組成，屬中型工程。大壩為碾壓混凝土重力壩，最大壩高77.5 m，壩頂總長為192.375 m，采用誘導縫分為8個壩塊，其中1#～3#為右岸非溢流重力壩段，長72.625 m；4#～5#為溢流重力壩段，長46.0 m；6#～8#為左岸非溢流重力壩段，長73.75 m。根據施工階段揭露情況，壩址區右岸巖性以弱風化泥質粉砂巖為主，巖層呈互層狀～中厚層狀，巖層產狀NW72°～85°，傾向南西或南東，傾角12°～14°；巖石節理裂隙發育，完整性差，層面傾向河床偏下游，局部夾0.1 cm～0.2 cm巖屑，對壩基抗滑穩定不利。受開挖卸荷及開挖爆破影響，邊坡存在卸荷拉裂現象，開挖過程裂隙張開度明顯增大，可見局部崩塌、掉塊現象，壩基處理進行了固結灌漿。

根據分析，壩址區的地質條件對右岸壩段抗滑穩定不利，大壩建成后存在壩體連同部分壩基沿緩傾巖層接觸面滑動的可能，同時1#和2#壩塊右岸壩基的開挖邊坡為1∶0.5，開挖邊坡較陡，也存在壩體沿壩基面側向滑動的可能。為對右岸壩段的穩定性作出分析判斷，本文選取1#～3#壩塊進行有限元計算分析。

2 有限元模型構建與參數選擇

2.1 模型構建

本文采用三維有限元法對古償河水庫大壩右岸1#～3#壩塊的穩定性進行分析，具體分析采用ANSYS軟件實現。模型左側以3#非溢流壩塊左側截面作為模型的左邊界，右側從右壩頭向右方向取70 m作為模型右側邊界，上游方向取至壩踵上游80 m處，下游方向取至3#壩塊左側壩趾下游80 m處。由于右岸壩基內的13、14和15號軟弱夾層在工程上已進行了處理，本次三維有限元計算不考慮13、14和15號軟弱夾層的影響，而且由于右岸壩基內巖層較多，如果每個層面均進行模擬工作量太大，所以，本次三維有限元計算從可能滑動和代表性兩方面考慮選擇5個層面進行模擬分析，選擇的5個層面見圖1(圖截自古償河水庫壩軸線工程地質縱剖面圖)。大壩為碾壓混凝土重力壩，1#～3#非溢流壩塊之間的橫縫采用的是誘導縫，計算中橫縫也按誘導縫模擬(按連通率降低縫間混凝土的彈性模量，考慮縫間傳力)。

圖1 計算模擬的5個巖層面位置圖

計算模型采用笛卡爾坐標系，X向右岸為正，Y向下游為正，Z向上為正的右手坐標系，應力符號與彈性力學規定一致，即拉為正，壓為負。壩基模型底部為固端約束，其他側面為單向連桿約束，考慮到3#壩塊左側并不臨空，正常情況下會受到來自4#壩塊的側向(X向)約束，因此將3#壩塊左側也進行單向連桿約束。模型整體采用的實體單元類型為SOLID185單元，在壩體與壩基的接觸面及壩基的5個巖層面間分別設置接觸單元。整個模型剖分為64432個單元、83284個節點，其中，實體單元50166個，接觸單元14266個。單元劃分見圖2。

圖2 1#～3#非溢流壩塊整體單元圖

2.2 計算工況與荷載組合

根據水庫的運行情況，計算分析正常蓄水位、設計洪水位和校核洪水位三種工況，各工況的特征水位與荷載組合見表1。

表1 計算工況與荷載組合

2.3 材料的物理力學參數

模型主要包括壩體和壩基兩大部分，壩體采用C15混凝土，壩體材料物理力學參數見表2，壩基、壩基面和巖層層面物理力學參數見表3。

表2 C15混凝土物理力學參數表

表3 各壩塊巖體工程地質參數表

3 穩定分析

目前，重力壩深層抗滑穩定問題的計算分析方法主要包括剛體極限平衡法、有限元法和模型試驗法等，為解決傳統的剛體極限平衡法在確定滑動體的邊界和滑動面上的作用力時遇到的困難，常將有限元法和剛體極限平衡法結合[1-2]，核算的安全系數以整體安全度為主，輔以局部安全度的檢查[2-3]，本文將有限元法與剛體極限平衡方法結合，采用應力代數和法對古償河水庫大壩右岸1#～3#壩塊進行整體穩定分析，分析中，對壩體-壩基接觸面及巖層間接觸面采用抗剪斷強度公式進行計算，為保證計算精度，在應力代數和法中引入了單元面積作權重，計算公式如下：

(1)

式中：f′為抗剪斷摩擦系數；c′為抗剪斷凝聚力；σi為單元面上的法向壓應力；τi為單元面上的切向剪應力；ΔAi為接觸面單元的面積。

巖層間滑動面的考慮范圍為：上游從壩踵鉛垂面開始；由于在下游壩趾附近沒有發現明顯的抬起和拉裂，層間滑動面下游取至壩趾下游10 m；右側取至右岸壩頭外5 m；左側取至3#壩塊左側，具體由各巖層層面的出露位置決定。各巖層層間滑動面的考慮范圍見圖3。

(a)第一層滑動面考慮范圍

3.1 壩基面抗滑穩定分析

三種工況的荷載組合下，根據有限元計算結果，采用加權應力代數和法對各壩塊壩基面的抗滑穩定安全系數進行計算，計算結果見表4。

表4 三種工況壩基面抗滑穩定安全系數值

由表4得知，正常蓄水位工況和設計洪水位工況荷載組合下，1、2、3號面的抗滑穩定安全系數均大于3.0，但1號面的富余度很小，校核洪水位工況1、2、3號面的抗滑穩定安全系數均大于2.5，三種工況下整個壩基面的抗滑穩定安全系數均大于3.0或2.5，且有一定富余。

3.2 巖層層面抗滑穩定分析

各巖層層面的抗滑穩定安全系數計算結果見表5。由計算結果可得，沿本計算所分析的壩基1～5可能滑動面的抗滑穩定安全系數KS′值正常蓄水位工況和設計洪水位工況均大于3.0，校核洪水位工況大于2.5，且均有一定富余。

表5 三種工況巖層層面可能滑動區域抗滑穩定安全系數

4 結論

本文將有限元法與剛體極限平衡方法結合，采用應力代數和法對古償河水庫大壩右岸1#～3#壩塊進行整體穩定分析。分析結果表明：

1)在計算分析的3種工況下，當考慮各壩塊單獨沿壩基面的抗滑穩定時，1#～3#壩塊的抗滑穩定安全系數正常蓄水位和設計洪水位工況均大于3.0，校核洪水位工況大于2.5，滿足規范要求，但1#壩塊富余很小，3#壩塊富余較大。當把3個壩塊作為整體計算其沿壩基面的抗滑穩定安全系數時，3種工況的抗滑穩定安全系數均滿足規范要求，且有一定富余。壩體分塊采用透導縫增加壩體整體性，對提高壩體的穩定有利。

2)在計算分析的3種工況下，所分析的5個巖層層面的抗滑穩定安全系數正常蓄水位和設計洪水位工況均大于3.0，校核洪水位工況均大于2.5，滿足規范的要求。