某重力壩壩基緩傾斷層影響分析及處理措施研究

章宏生，朱瑞晨，吳世勇，盧 乾

(1.中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.中國電建集團中南勘測設(shè)計研究院有限公司，湖南 長沙 410000)

1 概 述

1.1 工程概況

西部某水電站位于高海拔寒冷地區(qū)，壩址區(qū)控制流域面積約16萬km2。水電站為II等大(2)型工程，開發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主，電站裝機容量為660 MW，多年平均發(fā)電量32.045億kWh，保證出力(P=5%)173.43 MW，水庫具有日調(diào)節(jié)性能。

樞紐建筑物主要由混凝土重力壩、壩身泄洪、右岸壩后式引水發(fā)電系統(tǒng)及升壓站等建筑物組成。攔河壩為碾壓混凝土重力壩，發(fā)電廠房采用壩后式布置，主要由主廠房、副廠房、變電站等組成，主廠房尺寸163.00 m×29.50 m×63.50 m(長×寬×高)，安裝4臺單機容量165 MW的混流式水輪發(fā)電機組。

1.2 地質(zhì)條件

壩址處河段為高山峽谷地貌，呈“V”字形，兩岸地形較陡峭，坡度一般為40°～50°，局部為陡崖，沿坡腳岸邊及沖溝口分布有堆積臺地。地層巖性為喜山期黑云母花崗閃長巖，局部夾黑云母角閃石英閃長巖條帶狀巖脈，厚約30～50 cm，局部3～5 m，兩者多呈裂隙接觸，局部呈熔融接觸。

壩址區(qū)構(gòu)造發(fā)育，主要構(gòu)造形式有斷層、節(jié)理等。主要以NNW、NNE向為主，多為陡傾角結(jié)構(gòu)面，帶內(nèi)一般由碎塊巖、碎裂巖、巖屑及少量泥膜組成。

右岸13～14號廠房壩段壩基發(fā)育緩傾坡內(nèi)F3斷層，如圖1所示。F3斷層沿右岸壩基由上游向下游延展，斷層產(chǎn)狀為N30-40°E，SE∠20-30°，帶寬0.4～3.5 m。其中壩基范圍內(nèi)樁號壩下0 m～壩下5 m、壩下13 m～壩下21 m處帶寬0.4～0.6 m，樁號壩下5 m～壩下13 m處帶寬1.0～1.5 m，壩下21 m～壩下28.3 m處帶寬1.30～1.60 m。帶內(nèi)為碎塊巖、碎裂巖、巖屑充填，發(fā)育4～5條灰白色泥化條帶，厚約0.5～2 cm，帶內(nèi)巖體破碎、呈強風(fēng)化，為巖屑夾泥型[1]。F3斷層在壩體建基面出露情況見圖2。

圖1 13號廠房壩段剖面圖

圖2 F3斷層在壩體建基面出露情況

1.3 存在問題

據(jù)記載[2]，重力壩失事案例中40%是由于地質(zhì)問題造成，地質(zhì)條件是造成重力壩失事的主要原因。1911年，奧斯丁壩失事的根本原因是壩基下砂、頁巖互層層面間抗剪強度過低，基礎(chǔ)嵌深過淺，大壩沿軟弱層面產(chǎn)生滑動。1928年，美國圣弗朗西斯壩因為壩基順河向斷層透水，斷層上盤第三系礫巖遇水崩解，斷層下盤云母片巖軟弱破碎，在水的作用下，壩基巖體喪失必需的承載力導(dǎo)致壩體失事。

重力壩壩基破壞主要有3種情況[3]，重力壩體與基巖接觸面發(fā)生剪切破壞而形成的淺層滑動；重力壩和壩基一部分巖體共同沿壩基深層軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生剪切破環(huán)而形成的深層滑動問題；介于淺層滑動與深層滑動之間的混合滑動問題。

F3斷層距離建基面最近約6～7 m，壩基開挖后，巖體卸荷回彈，澆筑壩體混凝土后，該斷層在大壩混凝土的壓重下，應(yīng)力變形情況對壩基穩(wěn)定有重要影響。目前，重力壩壩基抗滑穩(wěn)定評價仍以剛體極限平衡法為主，有限元計算為輔[4]。但該壩段壩基采用臺階面開挖，F(xiàn)3斷層的剪出口位于臺階狀壩基的斜坡面，壩基存在深層和淺層的組合滑動問題，采用有限元計算方法不僅滿足受力平衡，適應(yīng)巖土體的應(yīng)力變形關(guān)系，也更接近壩基滑動真實情況[5-13]。為了深入研究F3斷層對大壩應(yīng)力變形以及穩(wěn)定的影響，筆者采用非線性有限元方法計算水庫蓄水后大壩及壩基的應(yīng)力變形[14]，采用強度折減法，進(jìn)一步分析壩基的安全儲備系數(shù)，并對該斷層提出處理措施，以滿足工程的安全性和經(jīng)濟性。

2 壩基數(shù)值計算分析

2.1 計算模型

13號壩段壩基部位斷層上盤巖體較薄，對壩基應(yīng)力位移、穩(wěn)定較為不利，因此計算選取13號壩段作為計算模型。采用8節(jié)點等參單元剖分網(wǎng)格，建立壩體和壩基巖體、斷層共同作用的三維模型。計算上下游分別取2倍壩高(200 m)，豎直方向開挖面以下取2倍壩高(200 m)，計算模型如圖3所示。模型底面采用固定支座，各側(cè)面采用約束水平位移的滾動約束。

圖3 有限元計算網(wǎng)格

2.2 壩基巖土力學(xué)參數(shù)

壩基范圍F3斷層上盤面充填1～2 cm泥質(zhì)，帶內(nèi)夾碎塊巖、碎裂巖、片狀巖。壩基巖性為黑云母花崗閃長巖，結(jié)構(gòu)稍密～中密。壩基巖層的地質(zhì)力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 壩基巖體物理力學(xué)計算參數(shù)

2.3 應(yīng)力變形計算分析

筆者利用通用有限元軟件ABAQUS，采用增量法，將每個荷載分成若干個荷載增量步施加在模型上計算大壩及壩基的應(yīng)力變形。

計算分析共分為三步。第一步，不考慮大壩混凝土的影響，僅考慮開挖后壩基巖體自重，將巖體自重應(yīng)力場作為初始地應(yīng)力場；第二步，清除第一步初始應(yīng)力場產(chǎn)生的位移，考慮澆筑后壩體自重，計算分析壩體混凝土與巖體共同作用的應(yīng)力變形情況；第三步，考慮蓄水后，施加上下游水壓力以及揚壓力等荷載的情況，分析計算壩體混凝土與巖體共同作用的應(yīng)力變形情況。通過以上三步分析大壩運行后，F(xiàn)3斷層對壩基的影響。蓄水后大壩及基礎(chǔ)位移見圖4，大壩及基礎(chǔ)豎向應(yīng)力見圖5，F(xiàn)3斷層位移變形見圖6，壩基塑性屈服區(qū)分布見圖7。

圖4 蓄水后大壩及壩基位移云圖

圖5 蓄水后大壩及壩基豎向應(yīng)力云圖

圖6 蓄水后壩基F3斷層位移云圖

圖7 蓄水后壩基塑性屈服區(qū)分布云圖

計算結(jié)果表明，水庫蓄水后，大壩最大位移為1.8 cm，位于大壩壩頂。壩基F3斷層最大位移為0.38 cm，位于壩軸線部位。壩基及F3斷層部位無豎向拉應(yīng)力，壩基范圍等效塑性應(yīng)變值均很小，大壩處于穩(wěn)定狀態(tài)，為進(jìn)一步分析大壩的穩(wěn)定安全儲備能力，下文采用強度折減法進(jìn)一步分析計算大壩的穩(wěn)定安全儲備系數(shù)。

2.4 強度折減法分析

利用ABAQUS軟件中的場變量，分別建立場變量、增量步時間、材料參數(shù)的函數(shù)關(guān)系，采用強度折減法分析計算F3斷層對該重力壩穩(wěn)定的影響。考慮非關(guān)聯(lián)準(zhǔn)則，剪脹角設(shè)為0。逐步地降低壩基巖體及大壩混凝土的抗剪強度參數(shù)，進(jìn)行迭代計算，研究壩基失穩(wěn)的漸進(jìn)破壞過程，得到強度儲備系數(shù)k[15]。

計算完成后，提取壩頂下游特征點的水平位移、強度折減系數(shù)，繪制相關(guān)曲線，如圖8所示，由圖8可知，隨著折減系數(shù)的增大，特征點的水平位移逐步增大，當(dāng)折減系數(shù)達(dá)到3.5時，特征點的水平位移突然增大，對應(yīng)壩基安全儲備系數(shù)為3.5。壩基塑性屈服區(qū)分布如圖9所示，當(dāng)折減系數(shù)達(dá)到3.5時，大壩與基巖接觸面、F3斷層上下游塑性屈服區(qū)貫通。

圖8 壩頂特征點位移-強度折減關(guān)系曲線

圖9 不同強度折減系數(shù)下壩基塑性屈服分布云圖

3 壩基處理措施

由于F3斷層對壩基穩(wěn)定有重要影響，結(jié)合工程經(jīng)驗，建議對該壩段壩踵部位采取固結(jié)灌漿。F3斷層上盤面充填1～2 cm泥質(zhì)，帶內(nèi)夾碎塊巖、碎裂巖、片狀巖，易成為滲漏通道，且斷層距離該壩段建基面最大距離為16 m，距壩基近，若發(fā)生滲水，則產(chǎn)生較大揚壓力，對壩基穩(wěn)定產(chǎn)生重大影響，為防止帷幕灌漿無法完全阻滲，對該壩段F3斷層采用混凝土防滲墻進(jìn)行防滲處理，防滲墻底高程位于F3斷層下盤1～2 m，同時加強對該壩段蓄水后的壩基揚壓力監(jiān)測，確保防滲措施的穩(wěn)定可靠。

4 結(jié) 語

1)采用強度折減法計算分析，得到的壩基安全儲備系數(shù)較高，滿足規(guī)范要求。

2)對于地質(zhì)條件較為復(fù)雜的重力壩壩基穩(wěn)定問題，有必要進(jìn)行有限元計算分析，為壩基處理提供依據(jù)。為進(jìn)一步保證大壩永久運行安全，對壩踵塑性屈服區(qū)處加強固結(jié)灌漿。F3斷層上盤至建基面巖體采用混凝土防滲墻防滲。該處理措施可供類似重力壩壩基緩傾斷層處理時參考、借鑒。

3)大壩蓄水運行后，仍應(yīng)加強對該壩段壩基揚壓力的監(jiān)測，確保F3斷層無滲漏通道。