某水電站重力壩深層抗滑穩(wěn)定分析

趙夢(mèng)巖，付培祥

（中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222）

在重力壩設(shè)計(jì)時(shí)，大壩在巖基上沿軟弱夾層的滑動(dòng)穩(wěn)定問(wèn)題，是影響大壩安全的重要問(wèn)題。經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)大量工程實(shí)例證明，使用SL319—2018《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》中的剛體平衡法，對(duì)壩基存在軟弱結(jié)構(gòu)面、緩傾角裂隙的壩體，進(jìn)行深層抗滑穩(wěn)定分析簡(jiǎn)便可行。但是此種計(jì)算方法在國(guó)外的實(shí)用案例較少，本文以某水電站為例，采用剛體平衡法對(duì)壩體深層抗滑穩(wěn)定進(jìn)行計(jì)算，從而為同類型工程遇到相似地質(zhì)條件時(shí)提供設(shè)計(jì)參考。

1 工程概況

某水電站工程主要建筑物為：攔河壩、沖沙閘、發(fā)電引水建筑物、電站主副廠房、GIS開(kāi)關(guān)站及電站運(yùn)行村等。攔河壩軸線呈直線布置，由溢流壩和非溢流壩兩部分組成，為細(xì)石混凝土砌石重力壩，溢流壩和非溢流壩壩頂全長(zhǎng)185m，沖沙閘20m，壩軸線總長(zhǎng)205m。

大壩共分8個(gè)壩段，從左至右，1#壩段為非溢流壩段，長(zhǎng)30m；2#壩段為沖沙閘壩段，長(zhǎng)20m；3#~5#為溢流壩段，長(zhǎng)96.9m；6#壩段為生態(tài)溢流壩段，長(zhǎng)12m；7#~8#為非溢流壩段，長(zhǎng)21.1m。

非溢流壩位于河床左、右岸，壩頂總長(zhǎng)76.1m，壩體為漿砌石，外包混凝土，下游表面混凝土厚度0.3m，上游折點(diǎn)以上為0.5m厚，折點(diǎn)以下為0.5~0.93m。非溢流壩壩頂高程359.80m，最低建基面高程337.00m，最大壩高22.80m，壩頂寬度3.50m。選取1#壩段作為非溢流壩段的代表壩段，進(jìn)行壩體深層抗滑穩(wěn)定分析，如圖1。

圖1 1#壩段典型斷面

2 計(jì)算條件

2.1 地質(zhì)條件

壩址區(qū)出露地層有上元古界地層及第四系松散堆積物。壩基主要巖體力學(xué)指標(biāo)設(shè)計(jì)值如表1。

表1 壩基主要巖體力學(xué)指標(biāo)

在壩基建基面高程330m以上邊坡部位發(fā)現(xiàn)有層間破碎夾層，厚度在1～5cm，波狀起伏，在壩基范圍連續(xù)分布。1#非溢流壩段在336.00m高程發(fā)育CJ7層間破碎夾層，總體以巖屑夾泥型為主，圍巖界面起伏大，部分地段起伏差大于夾層厚度。夾層照片如圖2～圖3。

圖2 CJ7層間破碎夾層01

圖3 CJ7層間破碎夾層02

根據(jù)CJ7夾層性狀特征，參考規(guī)范要求及類似工程經(jīng)驗(yàn)，提出夾層抗剪強(qiáng)度指標(biāo)建議值：f′=0.40～0.45；c′=0.08～0.10MPa。

本工程區(qū)場(chǎng)地地震動(dòng)峰值加速度不超過(guò)0.05g，相應(yīng)地震基本烈度小于Ⅵ度，可不進(jìn)行抗震計(jì)算。

2.2 設(shè)計(jì)基本資料

砌石容重22kN/m3；（對(duì)應(yīng)密度2.25g/cm3）；混凝土容重24kN/m3；（對(duì)應(yīng)密度：2.45g/cm3）；重力加速度g=9.78m3/s。

3 大壩深層抗滑穩(wěn)定

3.1 計(jì)算方法

3.1.1 滑動(dòng)面選取

根據(jù)地質(zhì)勘察資料，存在的CJ7層間破碎夾層沿層面發(fā)育，產(chǎn)狀為：樁號(hào)河0-002.6～0+021，走向NW320°～340°，傾NE或SW，傾角3°～10°。因此，通過(guò)概化后，選取滑動(dòng)面從上游傾下下游，傾角10°。該軟弱夾層到下游壩腳后即消失了，因此最可能的滑出面應(yīng)沿下游的巖體一個(gè)假定滑裂面滑出，其中較危險(xiǎn)的一個(gè)滑動(dòng)面應(yīng)是與上游對(duì)稱的10°。

通過(guò)以上概化和假定，采用雙滑動(dòng)面進(jìn)行分析計(jì)算。1#壩段的基礎(chǔ)深層抗滑穩(wěn)定的滑動(dòng)面如圖4。

圖4 雙滑動(dòng)面計(jì)算模型

3.1.2 深層抗滑穩(wěn)定分析方法

采用剛體平衡法，對(duì)壩基堰體內(nèi)存在軟弱結(jié)構(gòu)面、緩傾角裂隙的壩體，進(jìn)行深層抗滑穩(wěn)定分析。根據(jù)SL319—2018《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》，深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算采用等安全系數(shù)法，按抗剪斷強(qiáng)度公式計(jì)算。采用附錄E中的計(jì)算公式E.0.2-1及E.0.2-2，

以ABD塊的穩(wěn)定，力平衡方程如下：

以BCD塊的穩(wěn)定，力平衡方程如下：

式中 K′1，K′2為按抗剪斷強(qiáng)度計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；W為作用于壩體上全部荷載（不含揚(yáng)壓力）的垂直分值（kN）；H為作用于壩體上全部荷載（不含揚(yáng)壓力）的水平分值（kN）；G1，G2為巖體ABD/BCD重量的垂直作用力（kN）；f′1，f′2為AB/BC滑裂面上的抗剪斷摩擦系數(shù)；c′1，c′2為AB/BC滑裂面上的抗剪凝聚力（kPa）；A1，A2分別為AB/BC面的面積（m2）；α，β分別為AB/BC面與水平面的夾角；U1，U2，U3分別為AB/BC/BD面上的揚(yáng)壓力（kN）；Q為BD面上的作用力（kN）；φ為BD面上的作用力Q與水平面的夾角；從安全考慮φ=0。

3.2 荷載及荷載組合

3.2.1 荷載

基本荷載主要考慮自重、上游水壓力、下游水壓力、泥沙壓力及揚(yáng)壓力。

3.2.2 荷載組合

大壩穩(wěn)定計(jì)算荷載組合如表2。

表2 大壩深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算荷載組合

3.3 深層抗滑穩(wěn)定分析結(jié)果

根據(jù)CJ7夾層性狀特征，參考規(guī)范要求及類似工程經(jīng)驗(yàn)，地質(zhì)工程師提出其抗剪強(qiáng)度指標(biāo)建議值：f′=0.40～0.45；c′=0.08～0.10MPa。為了偏于安全，上游滑動(dòng)面的抗剪強(qiáng)度參數(shù)取小值，即f′1=0.4，但對(duì)于凝聚力在壩基進(jìn)行灌漿之后會(huì)得到改善，可以取大值，即c′1=0.1MPa。

對(duì)于下游滑動(dòng)面，由于壩體下游沒(méi)有發(fā)現(xiàn)出露的軟弱夾層，則假定下游也按照與上游同樣傾角10°進(jìn)行計(jì)算。但巖體的抗剪參數(shù)按照地質(zhì)建議值中的數(shù)值選取，考慮到是河床上部，按照強(qiáng)風(fēng)化層，IV巖體取值，并考慮偏于安全，取下限值，即：f′2=0.6，c′2=0.4MPa。

并假定以下計(jì)算條件：

（1）假定上游側(cè)壩體滑動(dòng)按照勘察的軟弱夾層滑動(dòng)，下游按照假定的滑動(dòng)面滑動(dòng)，下游滑動(dòng)面的參數(shù)按照巖體力學(xué)指標(biāo)取值；f′1=0.4，f′2=0.6，c′1=0.1kPa，c′2=0.4kPa。

（2）根據(jù)地質(zhì)勘察，假定上游滑動(dòng)面與水平面夾角為10°。

（3）假定兩個(gè)滑動(dòng)塊之間的力Q與水平面夾角為0°。

（4）沿軟弱夾層滑動(dòng)面的揚(yáng)壓力不折減。

（5）取一個(gè)壩段的單寬進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)大壩體型及地質(zhì)資料，假定滑動(dòng)塊ABD、BCD體型相同。AD=DC=25m，α=β=10°。根據(jù)規(guī)范要求，令K′1=K′2=K′，聯(lián)立方程組，求得相應(yīng)的K′1/K′2及Q。計(jì)算得出各工況下K′值。

各荷載組合下的計(jì)算過(guò)程如表3。

表3 1#壩段壩基深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算

續(xù)表3

從表中結(jié)果可以看出，3種工況下的安全穩(wěn)定系數(shù)分別為4.96，4.54，4.23，均滿足規(guī)范要求。壩基深層抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的規(guī)定值如表4。

表4 大壩深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算荷載組合

4 結(jié)語(yǔ)

（1）結(jié)果表明，壩段在各個(gè)工況下均滿足規(guī)范中對(duì)壩基抗滑安全系數(shù)的要求，壩基基礎(chǔ)沒(méi)有出現(xiàn)拉應(yīng)力，尚有一定富裕。本工程大壩抗滑穩(wěn)定是安全的。

（2）總結(jié)某水電站深層抗滑穩(wěn)定分析的工程經(jīng)驗(yàn)，相比其他工程案例，此地區(qū)地質(zhì)資料普遍缺失，相關(guān)類似工程經(jīng)驗(yàn)較少，對(duì)地質(zhì)工程師的經(jīng)驗(yàn)判斷能力要求很高，本次計(jì)算過(guò)程表明，地質(zhì)參數(shù)的選取對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響至關(guān)重要。在本工程實(shí)例中地質(zhì)工程師根據(jù)CJ7夾層性狀特征，提出其上游滑動(dòng)面的抗剪強(qiáng)度參數(shù)取小值，凝聚力在壩基進(jìn)行灌漿之后會(huì)得到改善可以取大值的建議，做出這種判斷需要地質(zhì)工程師具有豐富的工程經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)最終壩體位移的實(shí)際測(cè)量結(jié)果，證明本次壩體穩(wěn)定計(jì)算成果是準(zhǔn)確的。如遇類似工程，除了開(kāi)展必要的前期查勘工作，更應(yīng)該盡力收集當(dāng)?shù)匾呀üこ痰牡刭|(zhì)資料，這是提高計(jì)算準(zhǔn)確性的有效方法。