大藤峽水利樞紐工程泄水閘基礎穩定性研究

王德庫,譚 春,隋 偉

(1.中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林 長春 130000； 2.水利部寒區工程技術研究中心，吉林 長春 130000)

1 工程概況

大藤峽水利樞紐工程水庫正常蓄水位61.00 m，汛期限制水位47.60 m，防洪運用最低水位44.00 m，設計低水位47.60 m。水庫總庫容為34.79億m3，防洪和補水壓咸庫容均為15億m3，設置完全低于正常蓄水位。船閘規模為3 000 t級。電站裝機容量1 600 MW，8臺機組，多年平均發電量60.55億kW·h，保證出力366.9 MW。

大藤峽水利樞紐的選定壩址具有以下特點：1)壩址處河床覆蓋層薄，巖層較薄且緩傾向下游偏左岸，呈泥巖與砂層軟硬互層產出。2)軟弱夾層、斷層發育且連續性較好，軟弱夾層產狀與巖層產狀基本一致，斷層陡傾。3)砂巖節理裂隙發育，包括兩組陡傾共軛節理。大藤峽水利樞紐的泄水閘閘門推力較大，采用兩孔一聯的結構布置，結構相對單薄，初步分析壩基滑移模式以深層滑動為主，前段可沿軟弱夾層發展，而滑移后段無明顯貫穿地表的緩傾結構面，故在壩基推力及重力的作用下，下游巖層可能剪斷巖石，也有可能沿上述陡傾共軛節理折斷，進而產生貫通性破壞面，影響壩體的整體穩定性。

2 三維裂隙網絡模擬

巖體中的結構面對巖體的強度與變形的重要作用早已為業界認識，但是現場實測的裂隙僅是在露頭面上采集的，是二維的，僅用露頭面這部分裂隙是無法完整地反映出巖體內部裂隙在三維空間中的發育特征。三維裂隙網絡模擬則可以求解出裂隙的一些參數，如平均跡長、平均產狀、密度等，從而獲得三維空間內裂隙的展布特征。

根據現場收集的地質特征資料，針對D1y1-2與D1y1-3地層進行了三維裂隙網絡模擬，模擬結果示意圖如圖1所示。

在三維裂隙網絡中建立了若干與壩軸線垂直的裂隙連通率計算剖面，采用Dijkstra算法搜索最短路徑的方法，算得D1y1-2與D1y1-3地層的裂隙連通率為(40±5)%。利用計算出的連通率數據，確定了斷續裂隙的等效力學參數，如表1所示。

表1 斷續裂隙的等效力學參數表

對于切向剛度、法向剛度、水力學參數等參數，我們直接采用結構面的相應參數作為斷續裂隙的等效參數。這是因為，這些參數受裂隙的分布影響非常大，且巖體內部裂隙分布具有高度隨機性與復雜性。為工程安全起見，我們不采用完整巖石與裂隙的參數加權，而是直接使用裂隙參數進行后續分析計算。

3 數值模擬計算

本節采用UDEC6.0軟件進行數值模擬。面對含有結構面系統并且地質條件相對復雜的大壩壩基，很難在三維層面對其全面了解，因此決定利用UDEC6.0軟件在二維尺度建立模型。并且諸多學者研究證明，二維分析結果是更為保守的。由現場工程地質條件可知，28號壩段節理裂隙十分發育，且傾向垂直于壩軸線，對壩段的穩定性造成十分不利的影響，所以最終選了28號壩段進行穩定性分析。在UDEC6.0軟件中建立對應的泄水閘與天然地質體，數值模型如圖2所示。

3.1 正常工況模擬

按照設計要求，正常蓄水工況的水位如表2所示。

表2 正常工況水位表 m

根據常規的判別方式，當出現以下兩種情況時可以認為該結構處于達到極限平衡：1)最大不平衡力穩定并趨近于零；2)所有監測點變形值穩定至一常數，并最后保持不變。按照上述準則進行模擬。

計算過程中，為了確保計算結果的準確性設置了大量的監測點，其中選取了5個關鍵監測點，分別用A，B，C，D，E表示5個所選關鍵監測點的位置，以便于表達關鍵監測點的具體位置和下文的描述，如圖3所示。

這5個關鍵監測點是最有可能發生破壞的區域，分別是閘室及其底部基巖、左右齒槽基巖以及下游近地表基巖，監測其x,y方向位移的變化。計算結果為關鍵監測點位移變化值隨計算時步的變化曲線，結果表明三個工況下模型均達到了穩定平衡狀態。

3.2 超載工況模擬

壩基穩定性可以用超載系數表征。作用于壩上的外荷載強度由于特殊原因可能超過設計荷載，因此使混凝土壩失穩或遭到破壞。建筑物失穩或遭到破壞時的外荷載與設計正常荷載強度之比，即KP=P/P0，稱為結構超載系數，用KP表示。超載法計算的基本方法需要以如下假定為基礎：假定壩基巖體強度參數不變、假定結構面強度參數不變。計算過程為逐級超載加載上游水荷載，分析壩基變形直至破壞的演變發展過程與超載倍數的關系，確定壩基在失穩時相應的超載倍數。

在正常蓄水工況下，即上游水位61 m，下游水位22.71 m，通過逐倍超載上游水壓力荷載，分別模擬28號壩段在正常荷載(1倍荷載)、2倍荷載、3倍荷載等下壩基的穩定性，荷載加載方式示意圖如圖4所示。逐級加載，直到整體發生破壞，模型破壞的判定依據是從位移變形和最大不平衡力這兩個方面考慮的，最后分析研究其穩定性水平。

結果表明，當超載系數KP=1.0，2.0，3.0時，其最大不平衡力曲線最終都趨于零，且模型沒有出現塑性區，模型內各點位移也都很小，最后都趨于一個數穩定，說明模型沒有發生破壞。隨著超載系數的逐級增加，當超載系數KP=7.0時，模型的x向和y向位移都有所增加，相比KP=6.0，其中閘室、兩齒槽基巖的位移增加速率有所增大，但最后的位移亦都趨于一個穩定值。當超載系數KP=8.0時，模型整體發生破壞。當超載系數KP=8.0時，從圖5可以看出，在計算過程中其最大不平衡力不再處于相對穩定狀態，而是波動明顯，說明該結構已發生破壞失穩。

4 結論

1)壩基巖體的軟弱夾層與節理裂隙對于泄水閘破壞起到決定性作用。其中，軟弱夾層間距2 m～5 m，產狀與層面產狀一致。而壩基的節理裂隙中發育大量近垂直于剖面的裂隙，總體傾向上游，傾角為79°，間距為2 m，對泄水閘穩定性起到關鍵作用。

2)以三維裂隙網絡模擬手段為基礎，生成了D1y1-2與D1y1-3地層內的三維裂隙，采用Dijkstra算法確定了D1y1-2與D1y1-3地層的連通率為(40±5)%，進而確定了斷續裂隙的等效力學參數。

3)在超載階段，數值模擬位移值隨著超載量的增大逐步增加。當KP=4.0時，泄水閘模型產生塑性形變;當KP=8.0時，泄水閘模型發生大位移，整體發生破壞。泄水閘與地基整體穩定性較好。