坡月水庫重力壩岸坡壩段側(cè)向穩(wěn)定計(jì)算分析

劉惠娟

（廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南寧 530023）

1 工程概況

坡月水庫位于巴馬縣甲篆鄉(xiāng)坡月村境內(nèi)，設(shè)計(jì)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(zhèn)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(hào)1#～5#）、溢流壩段（壩塊編號(hào)6#～8#）、右岸重力壩段（壩塊編號(hào)9#～12#）組成。壩頂高程389.5 m，最大壩高64.5 m，壩頂長(zhǎng)145 m，壩頂寬5 m，對(duì)其重力壩岸坡壩段進(jìn)行抗滑穩(wěn)定性能校驗(yàn)是保證工程安全的重要手段之一[1]。

2 工程地質(zhì)條件

水庫壩區(qū)的地質(zhì)節(jié)理短小且不發(fā)育，不能形成貫通性結(jié)構(gòu)面，因此對(duì)壩基抗滑穩(wěn)定影響不大。存在兩條斷層F1與F2：坡月-弄銳區(qū)斷層F1從右壩肩右側(cè)經(jīng)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(fā)育，屬陡傾角張扭性斷層，走向與壩線近垂直相交。斷層均對(duì)壩基抗滑穩(wěn)定影響不大。

壩基巖體主要為長(zhǎng)石石英砂巖、泥質(zhì)粉砂巖及粉砂質(zhì)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(fēng)化：強(qiáng)～弱風(fēng)化巖體較破碎，工程地質(zhì)分類為CⅣ～CⅤ類；微風(fēng)化巖體完整性相對(duì)較好，工程地質(zhì)分類為CⅣ～AⅢ類。不同風(fēng)化程度的各壩基巖體的力學(xué)性能差異明顯，其取值決定了各壩塊側(cè)向穩(wěn)定計(jì)算時(shí)采用的剪切面假定與計(jì)算方法，是壩基側(cè)向抗滑穩(wěn)定計(jì)算的主要影響因素之一。基于實(shí)際工程地質(zhì)條件，各壩基巖體抗剪強(qiáng)度建議值見表1，表中f′和f分別表示抗剪斷摩擦系數(shù)和抗剪摩擦系數(shù)，c′為抗剪斷凝聚力。

表1 壩基巖體抗剪強(qiáng)度建議值

3 不同剪切面的側(cè)向穩(wěn)定計(jì)算

由《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL319-2018）可知：當(dāng)壩體的基礎(chǔ)巖石較完整且無明顯薄弱結(jié)構(gòu)面時(shí)，僅需考慮壩體混凝土與基礎(chǔ)巖石進(jìn)行滑動(dòng)（即剪切面為巖石/混凝土面），可使用側(cè)向抗滑穩(wěn)定計(jì)算方法；當(dāng)壩體的基礎(chǔ)地質(zhì)存在軟弱結(jié)構(gòu)面或緩傾角裂隙時(shí)，除壩體混凝土與基礎(chǔ)巖石進(jìn)行滑動(dòng)外，也同時(shí)存在剪斷巖石沿巖石面進(jìn)行滑動(dòng)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(cè)向抗滑穩(wěn)定計(jì)算方法。

3.1 側(cè)向抗滑穩(wěn)定

根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告，重力壩岸坡壩段的基礎(chǔ)巖石多為微風(fēng)化～弱風(fēng)化中部巖體，完整性較好且無明顯薄弱結(jié)構(gòu)面，故可采用文獻(xiàn)[1～3]的方法對(duì)重力壩岸坡壩段進(jìn)行側(cè)向抗滑穩(wěn)定計(jì)算。假定斜坡壩段沿視作膠結(jié)面的壩基面（假定的剪切面為巖石/混凝土面）滑動(dòng)，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(qiáng)度參數(shù)）與阻滑力的作用，岸坡壩段側(cè)向抗滑穩(wěn)定受力計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 岸坡壩段側(cè)向穩(wěn)定計(jì)算受力簡(jiǎn)圖

基于剛體極限平衡法，側(cè)向抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K可按式（1）計(jì)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?biāo)鞣较蛩酵屏Γ籙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(shù)；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(cè)向抗滑穩(wěn)定

由表1可知，重力壩岸坡壩段巖體的巖/巖的抗剪斷強(qiáng)度較低（巖/巖的抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)與混凝土/混凝土間的抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)相當(dāng)），如右岸8#、9#非溢流壩段基礎(chǔ)巖性為抗剪強(qiáng)度較低的薄～中厚層狀泥質(zhì)砂巖夾薄層狀頁巖，且屬微風(fēng)化層。故存在巖石剪斷、壩塊沿巖石面進(jìn)行滑動(dòng)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(jù)《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL319-2018）的條款規(guī)定，需進(jìn)一步采用深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算方法對(duì)岸坡壩段進(jìn)行深層側(cè)向抗滑穩(wěn)定分析。對(duì)于沿巖石及建基面的組合滑動(dòng)面的側(cè)向穩(wěn)定，該計(jì)算方法考慮了壩段上下游側(cè)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(cè)向抗滑穩(wěn)定受力計(jì)算簡(jiǎn)圖見圖2。

圖2 岸坡壩段深層側(cè)向抗滑穩(wěn)定計(jì)算受力簡(jiǎn)圖

深層側(cè)向抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K′的計(jì)算公式按式（2）。

其中，

式中：T為下平段臺(tái)階及其上方壩體提供的阻滑力（下平段臺(tái)階及其上方壩體不產(chǎn)生滑動(dòng)力）；W1、W2為滑動(dòng)段及抗力段自重；U1、U2為滑動(dòng)段及抗力段的浮托力；A1、A2為滑動(dòng)段及抗力段壩基或巖基接觸面面積；f′1、c′1為滑動(dòng)段巖/巖間的抗剪斷摩擦系數(shù)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(shù)及凝聚力。

4 計(jì)算結(jié)果的對(duì)比與分析

4.1 計(jì)算結(jié)果對(duì)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(shè)計(jì)工況、校核工況和完建工況共4種不同工況對(duì)岸坡壩段的9個(gè)壩塊進(jìn)行了抗滑穩(wěn)定計(jì)算。按側(cè)向抗滑穩(wěn)定計(jì)算方法計(jì)算的結(jié)果見表2，按深層側(cè)向抗滑穩(wěn)定計(jì)算方法計(jì)算的結(jié)果見表3。

表2 岸坡壩段各壩塊的側(cè)向抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

表3 岸坡壩段各壩塊的深層側(cè)向抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

4.2 計(jì)算成果分析

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

對(duì)比表2和表3的抗滑穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果可知，各工況下的計(jì)算結(jié)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(diǎn)不足：一是巖/巖間力學(xué)參數(shù)的取值參數(shù)偏于保守；二是壩基基礎(chǔ)巖石較完整且無明顯薄弱結(jié)構(gòu)面，認(rèn)為沿建基面滑動(dòng)較剪斷巖石滑動(dòng)的可能性更大；三是假定剪斷巖石沿巖石面及下平段臺(tái)階面滑動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致將上平段視為滑動(dòng)段的一部分從而忽略了其阻滑作用；四是計(jì)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?biāo)飨蛩畨毫ν茢D滿堂澆筑接觸面巖體時(shí)巖體對(duì)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(rèn)為滑動(dòng)的可能性較小，但按剪斷巖石的計(jì)算假定（深層側(cè)向抗滑穩(wěn)定計(jì)算方法）進(jìn)行計(jì)算時(shí)，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(dòng)段，在巖/巖間的抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)偏保守的情況下，計(jì)算出的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)較低，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果與一般認(rèn)識(shí)相差較大。

綜上可知，采用不同的剪切面假定及計(jì)算方法，對(duì)重力壩岸坡壩段的側(cè)向抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果影響較大。當(dāng)壩體的基礎(chǔ)巖石較完整且無明顯薄弱結(jié)構(gòu)面時(shí)，推薦采用以巖石/混凝土面為剪切面的側(cè)向抗滑穩(wěn)定計(jì)算方法；當(dāng)基礎(chǔ)地質(zhì)存在軟弱結(jié)構(gòu)面或緩傾角裂隙時(shí)，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(cè)向抗滑穩(wěn)定計(jì)算方法。建議設(shè)計(jì)單位在施工圖階段，應(yīng)根據(jù)開挖地質(zhì)的實(shí)際情況分析壩基巖體物理力學(xué)性質(zhì)，并選用合適的剪切面假定及計(jì)算方法，對(duì)重力壩岸坡壩段各壩塊的側(cè)向抗滑穩(wěn)定進(jìn)行合理分析。

5 結(jié)論

以坡月水庫為例，說明了不同的剪切面假定及計(jì)算方法對(duì)岸坡壩段的側(cè)向抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果的影響是較大的。因此需根據(jù)開挖實(shí)際情況確定地質(zhì)參數(shù)，采用合適的剪切面假定及計(jì)算方法，對(duì)岸坡壩段各壩塊側(cè)向抗滑穩(wěn)定進(jìn)行合理計(jì)算。本文對(duì)采用不同剪切面假定下的岸坡壩段側(cè)向穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較與分析，為其他類似工程的計(jì)算提供參考。