坡月水庫重力壩岸坡壩段側向穩定計算分析

劉惠娟

（廣西水利電力職業技術學院，南寧 530023）

1 工程概況

坡月水庫位于巴馬縣甲篆鄉坡月村境內，設計正常蓄水位為385.5 m，有效庫容140萬m3，總庫容173萬m3，是一座以給下游村鎮供水為主，兼顧灌溉的綜合利用小（1）型水庫。大壩為混凝土重力壩，由左岸重力壩段（壩塊編號1#～5#）、溢流壩段（壩塊編號6#～8#）、右岸重力壩段（壩塊編號9#～12#）組成。壩頂高程389.5 m，最大壩高64.5 m，壩頂長145 m，壩頂寬5 m，對其重力壩岸坡壩段進行抗滑穩定性能校驗是保證工程安全的重要手段之一[1]。

2 工程地質條件

水庫壩區的地質節理短小且不發育，不能形成貫通性結構面，因此對壩基抗滑穩定影響不大。存在兩條斷層F1與F2：坡月-弄銳區斷層F1從右壩肩右側經過，斜插右岸壩基，距右壩肩50～60 m，走向與壩軸線呈大角度相交（夾角為70°～80°）且為陡傾角；順河斷層F2沿壩線河床發育，屬陡傾角張扭性斷層，走向與壩線近垂直相交。斷層均對壩基抗滑穩定影響不大。

壩基巖體主要為長石石英砂巖、泥質粉砂巖及粉砂質頁巖等，巖石軟硬相間，總體均勻性較好，基本不存在不均勻沉降問題。但各壩基巖體存在不同程度的風化：強～弱風化巖體較破碎，工程地質分類為CⅣ～CⅤ類；微風化巖體完整性相對較好，工程地質分類為CⅣ～AⅢ類。不同風化程度的各壩基巖體的力學性能差異明顯，其取值決定了各壩塊側向穩定計算時采用的剪切面假定與計算方法，是壩基側向抗滑穩定計算的主要影響因素之一。基于實際工程地質條件，各壩基巖體抗剪強度建議值見表1，表中f′和f分別表示抗剪斷摩擦系數和抗剪摩擦系數，c′為抗剪斷凝聚力。

表1 壩基巖體抗剪強度建議值

3 不同剪切面的側向穩定計算

由《混凝土重力壩設計規范》（SL319-2018）可知：當壩體的基礎巖石較完整且無明顯薄弱結構面時，僅需考慮壩體混凝土與基礎巖石進行滑動（即剪切面為巖石/混凝土面），可使用側向抗滑穩定計算方法；當壩體的基礎地質存在軟弱結構面或緩傾角裂隙時，除壩體混凝土與基礎巖石進行滑動外，也同時存在剪斷巖石沿巖石面進行滑動的可能（即剪切面由巖石/混凝土面和巖/巖面共同組成），需使用深層側向抗滑穩定計算方法。

3.1 側向抗滑穩定

根據工程地質勘察報告，重力壩岸坡壩段的基礎巖石多為微風化～弱風化中部巖體，完整性較好且無明顯薄弱結構面，故可采用文獻[1～3]的方法對重力壩岸坡壩段進行側向抗滑穩定計算。假定斜坡壩段沿視作膠結面的壩基面（假定的剪切面為巖石/混凝土面）滑動，考慮上平段剪斷壩體混凝土（上平段及抗力段采用了混凝土/混凝土間的抗剪斷強度參數）與阻滑力的作用，岸坡壩段側向抗滑穩定受力計算簡圖如圖1所示。

圖1 岸坡壩段側向穩定計算受力簡圖

基于剛體極限平衡法，側向抗滑穩定安全系數K可按式（1）計算。

式中：W為作用在壩段的總垂直力；Q為作用與壩段上總順水流方向水平推力；U為作用在壩段上的浮托力；f′為壩段混凝土與壩基接觸面的抗剪斷摩擦系數；c′為壩段混凝土與壩基接觸面的抗剪斷凝聚力，kPa；A為壩段壩基接觸面截面積。

3.2 深層側向抗滑穩定

由表1可知，重力壩岸坡壩段巖體的巖/巖的抗剪斷強度較低（巖/巖的抗剪斷強度參數與混凝土/混凝土間的抗剪斷強度參數相當），如右岸8#、9#非溢流壩段基礎巖性為抗剪強度較低的薄～中厚層狀泥質砂巖夾薄層狀頁巖，且屬微風化層。故存在巖石剪斷、壩塊沿巖石面進行滑動的可能性，即假定的剪切面由巖石/混凝土面和巖/巖面共同組成。根據《混凝土重力壩設計規范》（SL319-2018）的條款規定，需進一步采用深層抗滑穩定計算方法對岸坡壩段進行深層側向抗滑穩定分析。對于沿巖石及建基面的組合滑動面的側向穩定，該計算方法考慮了壩段上下游側滿堂澆筑壩體與巖石接觸面之間的凝聚力作用。岸坡壩段深層側向抗滑穩定受力計算簡圖見圖2。

圖2 岸坡壩段深層側向抗滑穩定計算受力簡圖

深層側向抗滑穩定安全系數K′的計算公式按式（2）。

其中，

式中：T為下平段臺階及其上方壩體提供的阻滑力（下平段臺階及其上方壩體不產生滑動力）；W1、W2為滑動段及抗力段自重；U1、U2為滑動段及抗力段的浮托力；A1、A2為滑動段及抗力段壩基或巖基接觸面面積；f′1、c′1為滑動段巖/巖間的抗剪斷摩擦系數及凝聚力；f′2、c′2為抗力段建基面巖/混凝土間的抗剪斷摩擦系數及凝聚力。

4 計算結果的對比與分析

4.1 計算結果對比

由于不同工況下各壩體受到的荷載作用不同，分別按正常工況、設計工況、校核工況和完建工況共4種不同工況對岸坡壩段的9個壩塊進行了抗滑穩定計算。按側向抗滑穩定計算方法計算的結果見表2，按深層側向抗滑穩定計算方法計算的結果見表3。

表2 岸坡壩段各壩塊的側向抗滑穩定計算結果

表3 岸坡壩段各壩塊的深層側向抗滑穩定計算結果

4.2 計算成果分析

表1的計算結果表明：在正常工況、設計工況下重力壩岸坡壩段的側向穩定安全系數K均大于3.0，校核工況、完建工況各壩塊側向穩定安全系數K均大于2.5，均能滿足《混凝土重力壩設計規范》（SL319-2018）的抗滑穩定要求。表3的計算結果表明：考慮巖/巖的抗剪斷強度參數較低的情況，采用深層側向抗滑穩定計算方法進行計算并考慮壩體滿堂澆筑接觸面的作用時，各工況作用下重力壩岸坡壩段的深層抗滑穩定安全系數K′亦均滿足《混凝土重力壩設計規范》（SL319-2018）的抗滑穩定要求。

對比表2和表3的抗滑穩定系數計算結果可知，各工況下的計算結果K′總體略高于K。這是由于在本工程中采用剪切面由巖石/混凝土面和巖/巖面共同組成的假定存在幾點不足：一是巖/巖間力學參數的取值參數偏于保守；二是壩基基礎巖石較完整且無明顯薄弱結構面，認為沿建基面滑動較剪斷巖石滑動的可能性更大；三是假定剪斷巖石沿巖石面及下平段臺階面滑動，會導致將上平段視為滑動段的一部分從而忽略了其阻滑作用；四是計算中雖考慮了壩體滿堂澆筑接觸面的凝聚力作用，但未考慮因順水流向水壓力推擠滿堂澆筑接觸面巖體時巖體對壩體存在的反作用力。以1#壩塊為例，其為整體滿堂澆筑壩塊，一般認為滑動的可能性較小，但按剪斷巖石的計算假定（深層側向抗滑穩定計算方法）進行計算時，將視其高程為373 m、寬度為1.5 m的下平段為抗力段，視剩余寬度為14 m的壩體為滑動段，在巖/巖間的抗剪斷強度參數偏保守的情況下，計算出的抗滑穩定安全系數較低，導致計算結果與一般認識相差較大。

綜上可知，采用不同的剪切面假定及計算方法，對重力壩岸坡壩段的側向抗滑穩定計算結果影響較大。當壩體的基礎巖石較完整且無明顯薄弱結構面時，推薦采用以巖石/混凝土面為剪切面的側向抗滑穩定計算方法；當基礎地質存在軟弱結構面或緩傾角裂隙時，推薦采用以巖石/混凝土面和巖/巖面共同組成剪切面的深層側向抗滑穩定計算方法。建議設計單位在施工圖階段，應根據開挖地質的實際情況分析壩基巖體物理力學性質，并選用合適的剪切面假定及計算方法，對重力壩岸坡壩段各壩塊的側向抗滑穩定進行合理分析。

5 結論

以坡月水庫為例，說明了不同的剪切面假定及計算方法對岸坡壩段的側向抗滑穩定計算結果的影響是較大的。因此需根據開挖實際情況確定地質參數，采用合適的剪切面假定及計算方法，對岸坡壩段各壩塊側向抗滑穩定進行合理計算。本文對采用不同剪切面假定下的岸坡壩段側向穩定計算結果進行了比較與分析，為其他類似工程的計算提供參考。