復雜地質條件下重力壩岸坡抗滑穩定分析

鄧西標

（安徽省水利水電勘測設計研究總院有限公司 合肥 230088）

1 工程概況

牛嶺水庫地處徽水河中下游，控制流域面積850km2，約占徽水流域總面積的80%。牛嶺水庫規模為大（2）型水庫，工程等別為Ⅱ等，是一座以防洪為主，結合供水，兼顧發電、灌溉等綜合利用的水利樞紐工程。水庫總庫容1.67 億m3，電站裝機容量19MW。水庫死水位95.0m（吳淞高程系、下同），汛限水位114.5m，正常蓄水位117.0m，20年一遇洪水位117.5m，50年一遇防洪最高水位為120.5m，相應防洪庫容0.5 億m3，100年一遇設計最高洪水位121.0m，1000年一遇校核標準洪水位為121.98m，最大壩高59.0m。樞紐工程由混凝土重力壩、壩頂泄洪表孔、壩身泄洪中孔、壩內埋管式發電引水系統、壩后式發電廠房和升壓開關站、魚道、放空底孔等建筑物組成。

2 抗滑穩定計算

2.1 計算理論

壩基面抗滑穩定安全系數采用《混凝土重力壩設計規范》（SL319-2018）公式6.4.1-1 計算：

式中：

K'—按抗剪斷強度計算的抗滑穩定安全系數；

f'—巖體間的抗剪斷摩擦系數；

C'—巖體間的抗剪斷凝聚力；

A—壩基接觸面截面積，m2；

∑W—作用在底板以上的全部豎向荷載，kN；

∑P—作用在建筑物上的全部水平荷載，kN。

2.2 計算成果

壩基巖體主要為石英細砂巖和砂質頁巖，以石英細砂巖所占的比例較大，右岸壩基的建基面一般分布在弱風化巖體上。為安全起見，計算采用表1參數的下限值：f'=0.8，c'=0.55MPa；抗滑穩定安全系數計算成果見表2，岸坡壩段計算為按整個壩段考慮三向荷載的合力方向分析計算的抗滑穩定結果，結果均滿足規范要求。

表1 壩址巖體物理力學性質指標建議值表

表2 岸坡壩段壩基面抗滑穩定安全系數（三向穩定）計算結果表

3 壩基深層抗滑穩定計算

3.1 計算理論

根據《混凝土重力壩設計規范》（SL319-2018）附錄C，深層抗滑穩定計算采用等安全系數法，按抗剪斷強度公式進行計算，示意圖見圖1，計算公式如下：

圖1 壩體深層抗滑穩定示意圖

考慮ABD 塊的穩定，則有：

考慮BCD 塊的穩定，則有：

式中：

K1'、K2'—按抗剪斷強度計算的抗滑穩定安全系數；

W—作用于壩體上全部荷載(不包括揚壓力，下同)的垂直分值，kN；

H—作用于壩體上全部荷載的水平分值，kN；

G1、G2—巖體ABD、BCD 重量的垂直作用力，kN；

f1'、f2'—AB、BC 滑動面的抗剪斷摩擦系數；

c1'、c2'—AB、BC 滑動面的抗剪斷凝聚力，kPa；

A1、A2—AB、BC 面的面積，m2；

α、β—AB、BC 面與水平面的夾角；

U1、U2、U3—AB、BC、BD 面上的揚壓力，kN；

Q—BD 面上的作用力，kN；

3.2 計算成果

根據地勘報告，右岸壩基上、下游分布有F5、F6、F27、F28以及F29等陡傾角斷層，巖層層面產狀為20°～25°，為緩傾角，傾向河床偏下游，壩基（Ss1+Sh）-Ⅱ巖組內分布一條層間錯動帶Z5，寬0.6～0.8m，為灰白夾黃色強風化巖石，局部夾泥，工程性質較差，則由層間錯動帶Z5為滑動面，由F5或F29為拉裂面，以F6或F27為側向切割面，則構成了右壩基的不穩定體，對右岸壩基抗滑穩定不利，如圖2 所示。

圖2 右岸主要地質構造分布簡圖

Z5層間錯動帶層面走向為N40°～55°E，傾角為NW20°～25°，根據走向及傾角的不同組合，右岸岸坡壩段深層抗滑穩定做敏感性分析，尋找最危險滑動面。

3.2.1 沿Z5 層間從壩基下游山體滑出

①以F29為其上游切割面，以Z5層間錯動帶為底滑面，假定壩基下游巖體抗力不足，沿巖體發生剪切破壞，從壩基下游山體滑出，滑動面傾角假定為25°，計算簡圖見圖3。

圖3 壩基深層抗滑穩定計算簡圖一

上游切割面F29為拉裂面，不考慮c′及f′值。底滑面Z5假定連通率為100%，按巖屑夾泥考慮，f′擬取0.35，c′取0.05MPa，下游滑動面沿巖體發生剪切破壞，假定弱風化巖體占比為50%，強風化巖體占比亦為50%，其中弱風化巖體包含有Ⅱ、Ⅲ類巖組，按各占50%考慮，而強風化巖體為Ⅲ類巖組，綜合加權后下游滑動面摩擦系數f′為0.70，內聚力c′取0.45MPa。

根據地勘成果及大壩建基面開挖設計成果，壩基范圍內④號壩塊及④號壩塊左岸壩段下伏Z5層間錯動帶均已被挖除，斷層F29與Z5層間錯動帶的滑動組合對右岸①、②及③號壩塊深層抗滑穩定產生影響。參照《混凝土重力壩設計規范》 （SL319-2018），采用等安全系數法對上述三個壩塊按抗剪斷強度公式進行計算，計算結果見表3。

表3 右岸岸坡壩段深層抗滑穩定安全系數計算結果表

3.2.2 沿Z5 層間向河床方向滑出

②以F29為上游切割面（拉裂面），以Z5層間錯動帶為滑動面，F6為下游側向切割面，向河床方向滑出，滑動面傾角23°～25°，計算簡圖見圖4。

圖4 壩基深層抗滑穩定計算簡圖二

上游切割面F29為拉裂面，不考慮c′及f′值，滑動面Z5假定連通率為100%，按巖屑夾泥考慮，f′擬取0.35，c′取0.05MPa，下游切割面F6，根據描述為膠結較好的強～弱風化角礫巖夾1～3cm 巖屑，按巖塊巖屑考慮，f′擬取0.50，c′取0.10MPa。

根據地勘成果及大壩建基面開挖設計成果，壩基范圍內④號壩塊及④號壩塊左岸壩段下伏Z5層間錯動帶均已被挖除，斷層F29、F6與Z5層間錯動帶的滑動組合僅對右岸③號壩塊深層抗滑穩定產生影響。參照《混凝土重力壩設計規范》（SL319-2018），采用剛體極限平衡法對③號壩塊按抗剪斷強度公式進行計算，計算結果見表4。

由表4 可見，右岸岸坡壩段沿Z5層間錯動帶，各工況順河向深層抗滑穩定由于考慮了壩后巖體的聯合阻滑作用，計算結果滿足規范要求；③號壩塊河床向沿Z5層間錯動帶深層抗滑穩定不滿足規范要求。

Z5層間錯動帶位于壩基（Ss1+Sh）-Ⅱ巖組內，于右岸PD1 勘探平洞揭露，走向N40°～55°E，傾角NW20°～25°，寬度0.60～0.80m。根據大壩布置，右岸岸坡段大壩建基面71.0m 高程以下（④號壩塊），Z5層間錯動帶基本被挖除，71.0m 高程以上該錯動帶深入山體，③號壩塊壩趾處最大埋深約9.62m，挖除施工難度較大。考慮到下部巖體深部掏挖，上部壩塊（主要為①～③壩塊）基巖形成橫河向臨空面，在Z5層間錯動帶及斷層、裂隙組的切割下，容易形成空間不穩定體，因此，擬于右岸岸坡段下伏Z5層間錯動帶大壩建基面范圍內設置抗滑錨桿，根據計算，錨桿采用Φ28@1000mm×1000mm，梅花形布置。由表4 可見，考慮基礎抗滑錨桿作用后，河床向沿Z5層間錯動帶深層抗滑穩定滿足規范要求。

表4 右岸③號壩段河床向深層抗滑穩定安全系數計算結果表

4 結論

通過上述抗滑穩定分析和深層抗滑穩定分析，得到牛嶺水庫右岸壩段①、②、③壩段的穩定計算結果。上述計算僅考慮單獨壩塊各工況下的深層抗滑穩定，未計入相鄰壩塊的阻滑作用，因此，右岸岸坡各壩段深層抗滑穩定在實際運行工況下是滿足穩定要求的，但應注意在施工過程中，做到隨層開挖、隨層支護、隨層噴錨，確保施工期邊坡穩定及施工安全■