瑞士洪格林拱壩壩肩穩(wěn)定性評估

［瑞士］ A.科利伊等

洪格林(Hongrin)壩的布局極不尋常，因為在洪格林河谷中，有兩座大壩攔蓄河水，從而形成了一座人工湖。兩座壩均為拱壩，其中北壩高125 m，南壩高90 m。兩壩交匯于基底位于河谷分水脊上的止推座上，且均屬薄壩。

洪格林水庫緊鄰日內(nèi)瓦湖(亦稱萊芒湖)，庫容為5320萬m3，系維多克斯(Veytaux)抽水蓄能電站的上庫，日內(nèi)瓦湖為下庫，電站裝機容量為240 MW。目前該工程正在擴建，通過修建第2座電站，可以增加240 MW的容量，擴建工程預計于2014年底完工。

兩座壩均建于1965～1969年。經(jīng)過40多年的連續(xù)運行，目前北壩需要維修，主要為中央止推座與底孔。必要的維修工作盡可能與維多克斯電站的擴容工程并列進行，力求于2014年前完成。依照瑞士大壩安全機構(gòu)—瑞士聯(lián)邦能源辦公室(SFOE)發(fā)布的相關(guān)規(guī)定，目前正在對大壩及其喇叭口溢洪道建筑物進行地震災害檢查。北壩右岸的穩(wěn)定性也成為令人關(guān)注的焦點，因為該區(qū)域發(fā)生滲漏等現(xiàn)象已長達40 a之久。本文將參考地質(zhì)學、水文地質(zhì)學及巖石力學等一系列完整數(shù)據(jù)，對大壩存在的問題進行認真研究，旨在對大壩右肩的穩(wěn)定性作出評估。在目前開展的研究中，將對涉及大壩穩(wěn)定性的整個壩肩的作用進行分析。

1 地質(zhì)特征

1.1 地質(zhì)學與巖土力學研究

洪格林兩座壩基巖的大部分由奧尼科姆階石灰?guī)r構(gòu)成。北壩與南壩之間中央壩肩的上部沉積層，由被稱作紅層(Couches Rouges)的土侖階泥灰質(zhì)石灰?guī)r組成。層面向上游方向傾斜40°～50°，因而對兩座壩的綜合穩(wěn)定性較為有利。

尼奧科姆階巖石呈現(xiàn)層厚為厘米級至分米級的灰色石灰?guī)r與極薄層黑片巖夾層，并帶有大量燧石結(jié)核。已確認壩址處的節(jié)理系含有5個主節(jié)理組。

北壩右壩肩的構(gòu)造特征比壩基其他部位更為明顯。大壩右岸內(nèi)的變形不均勻。據(jù)觀察，在大塊巖石與破損帶之間存在漸進相變及不連續(xù)相變，該變形具有下列特征:存在大量各種規(guī)模的不連續(xù)面，局部為膠結(jié)角礫巖及縫合線(stylolithes)(受壓碳酸鹽巖石溶解氧化物標志)。觀察中未發(fā)現(xiàn)非凝聚性碎裂斷層巖(角礫破碎巖)。

可以概括地將這些變形看成是均勻的，但大壩右肩與壩基其他部分不同。其差異主要為:

(1)右岸不連續(xù)性發(fā)生的變形更為頻繁。

(2)1969年帷幕灌漿時所作的水壓測試(呂榮型)及2006年的滲透測試(平均值為2×10-7m/s比2×10-8m/s，比率為10)結(jié)果表明，右岸水滲透系數(shù)高于其他部位。

(3)現(xiàn)場試驗確定的巖體力學性能較低(右岸與其他地方平均變形模量分別為9 GPa與22 GPa)。

此外，右壩肩順層向峽谷方向輕微傾斜也產(chǎn)生了潛在的不穩(wěn)定性。由于巖石底檻存在這種弱點，為避免巖體潛在的不穩(wěn)定，1965～1969年大壩施工時對右肩進行了巖錨加固。施工所用的預應力錨桿至少有57根，承載力范圍為150～1600 kN，錨固到巖體內(nèi)的深度達37 m。

對巖石邊坡的局部坑洼，采用了混凝土填堵，并采用42根預應力錨桿進行支護(承載力范圍同上)。除支護系統(tǒng)外，還設計了深鉆孔排水網(wǎng)。遺憾的是，據(jù)現(xiàn)場觀察，大部分排水網(wǎng)并沒有按設計要求實施。另外，由于施工時未安裝監(jiān)測設備，目前對所有預應力錨桿的實際狀況一無所知。畢竟已使用了40 a，錨桿的松弛效應很可能已使部分預應力損失。

為進一步鑒定巖層的性質(zhì)，2006年對壩址勘測時作了巖土力學試驗，包括現(xiàn)場的膨脹儀試驗與實驗室試驗(單軸壓縮試驗、三軸試驗及直剪試驗)。勘測結(jié)果對此前大壩施工時的現(xiàn)場數(shù)據(jù)(液壓千斤頂加載試驗)進行了補充。試驗結(jié)果已用于對本研究中數(shù)值模型材料屬性的研究工作。

1.2 水文地質(zhì)學研究

水庫蓄水后，發(fā)現(xiàn)右壩肩有滲透水外流。根據(jù)觀察，對灌漿帷幕與排水網(wǎng)的有效性產(chǎn)生了懷疑。因此在過去10 a間，對右肩作了水文地質(zhì)學專門研究以評估其狀態(tài)。在研究的第1階段(1998～2004年)，建立了地下水流概念模型。由于在灌漿階段采用了減壓措施，從而導致帷幕淺層出現(xiàn)由少量滲流形成的滲流泉。概念模型基于下列觀測。

(1)化學分析結(jié)果顯示，泉水與湖水相似。

(2)監(jiān)測結(jié)果顯示，泉水滲流量與水庫水位關(guān)聯(lián)性極強。

(3)利用簡化數(shù)值水流模型(有限元建模)對壩肩進行試驗的結(jié)果與觀察結(jié)果一致。由于灌漿帷幕存在無法避免的缺陷，致使?jié)B水出流。

滲漏不算嚴重(平均值約30 L/min)，但壩肩內(nèi)產(chǎn)生的水壓力會增大巖體潛在的不穩(wěn)定性。應當指出，對排水系統(tǒng)的監(jiān)測也顯示其存在嚴重缺陷。數(shù)值模型計算得出壩肩內(nèi)的水壓力大約為4 bar。

在第2階段(2006年)，在壩肩內(nèi)鉆了6個孔，安裝了16個壓力傳感器監(jiān)測地下水壓力?？辈旒氨O(jiān)測結(jié)果(2006年至今)證實了概念模型的有效性。

(1)鉆孔巖心顯示，層理面有地下水流痕跡。層理面開口很小，因而限制了流量。在有些不連續(xù)部位可以發(fā)現(xiàn)一些較大的孔縫(達1 cm)，局部有厘米級的喀斯特漏水通道。然而，與地面露頭觀察情況類似，未發(fā)現(xiàn)大型的喀斯特特征;鉆孔中流量計的記錄證實沒有分散的地下水流;呂榮試驗結(jié)果顯示離散度較低(右壩肩處K=2×10-7m/s，標準偏差=5×10-7m/s)。

(2)水壓力監(jiān)測結(jié)果證實壩肩內(nèi)最大水壓力大約為0.4 MPa。

(3)水頭梯度證實有地下水流穿過灌漿帷幕上部，甚至在壩肩下游區(qū)可以觀察到水頭與水庫水位變化的關(guān)聯(lián)度較高。

(4)利用二維數(shù)值模型作出的敏感性分析證實帷幕上部存在一個缺陷區(qū)，在模型中，缺陷區(qū)可以沿著該帷幕移動，只有采用該方法才能正確模擬現(xiàn)場水壓力。

基于水文地質(zhì)數(shù)據(jù)分析，可以得出結(jié)論:將巖體看成是水文地質(zhì)屬性的連續(xù)介質(zhì)。為了達到巖土力學數(shù)值模擬的目的，有理由認為，如同從水文地質(zhì)研究中推斷出的結(jié)果一樣，沿節(jié)理及在主、次滲流泉區(qū)均存在水壓力。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型的建立

近年來各種各樣數(shù)值模型，包括有限元、邊界元及有限差分法，已被有效地應用于處理巖土工程技術(shù)問題，如邊坡的穩(wěn)定性分析。但其應用主要是基于連續(xù)體，而在處理復雜的巖土力學問題時，效果不明顯。有人曾采用所謂的離散單元法，因為該方法允許可變形的離散體有有限的位移，并能識別任何新組合中離散體之間可變形的新接觸面。

在本研究中，已應用離散元程序—3D EC(一種三維離散元編碼)進行巖質(zhì)邊坡數(shù)值模擬?？紤]到母巖的可變形性、巖塊運動力學特征以及節(jié)理組附近巖塊之間的相互作用，3D EC是應用連續(xù)與不連續(xù)介質(zhì)的混合配置。

目前已利用現(xiàn)場數(shù)字高程模型擬定了模型的幾何形狀。通過地表地質(zhì)圖，將最主要的地質(zhì)節(jié)理組挑選出來，并在模型中合并為通過巖體單元的不連續(xù)節(jié)理(面)。

根據(jù)現(xiàn)場試驗，將巖體作為具有等效變形模量值為9 GPa和泊松系數(shù)為0.22的線彈性體來加以模擬。在該模型中，節(jié)理性能受庫倫滑動本構(gòu)模型的支配，實驗室?guī)r體節(jié)理剪切試驗推算出的摩擦角為 33°，內(nèi)聚力為 60 kPa。

對地下水壓力試驗是通過對興趣區(qū)的節(jié)理施加水壓力，并將水文地質(zhì)數(shù)據(jù)加入到模型中。因為水壓力各向同性，施加的節(jié)理水壓力作用，可以減小巖塊間節(jié)理的接觸力，從而避免其影響分析結(jié)果。

利用壩肩的等效節(jié)點荷載來考慮大壩的反力。從為了單獨研究大壩靜態(tài)及動態(tài)性能而建立的有限元模型中，已經(jīng)獲得了大壩與巖基之間的力。

為進一步研究，利用3D EC提供的結(jié)構(gòu)單元特性，在模型中添加了巖石錨桿。建議的支護錨桿公式表達的是只考慮巖石錨桿穿過現(xiàn)有不連續(xù)部位的局部作用，并得到了基于實驗室錨桿穿過不連續(xù)部位應變集中的實驗室結(jié)果的證實。

對巖錨模擬時，是將其作為具有等效總承載能力的多個分散的結(jié)構(gòu)單元進行的。由于對其實際狀況與承載能力缺乏相應的了解，因此進行了敏感性分析。

2.2 穩(wěn)定性分析

本研究旨在對巖石邊坡與壩肩不同巖塊的穩(wěn)定性進行評估，因此大壩安全系數(shù)(FOS)成為研究的重點。3D EC具有的分析特點，使之有可能通過添加或排除感興趣的參數(shù)來對大壩安全系數(shù)進行計算。如前所述，研究的問題主要是受對層理面不連續(xù)的復雜體系所支配，且層理面極可能會產(chǎn)生破壞機理。本模型中的巖體性能是作為線彈性材料來模擬的，其被認為對穩(wěn)定性的影響不大，因而被排除在FOS分析之外。

基于道森等人提出的強度折減法，完成穩(wěn)定性分析。在該方法中，通過一個折減系數(shù)，抗剪強度參數(shù)逐步減小直至破壞。因此當系統(tǒng)再也不能達到平衡時，即不平衡力超過給定的容許數(shù)值時，安全系數(shù)則等于折減系數(shù)。最終平衡時的位移及應變結(jié)果，可以為破壞機理提供有用的說明。

對洪格林北壩右肩穩(wěn)定性的評估分3個基本步驟完成。首先，對巖石邊坡進行無水壓力及巖石支護分析;其次，施加節(jié)理水壓力并檢查其穩(wěn)定性;最后，附加巖石支撐系統(tǒng)并作有水壓力與無水壓力分析。后者旨在評估巖錨與增設排水溝的綜合效應。

為評估層理面間距、大壩反力及巖錨承載能力的影響，采用上述幾個基本步驟作了多組次分析。

2.3 結(jié)果與探討

不考慮大壩的推力作用，分析結(jié)果顯示，在既無水壓力也無巖石支護的自然狀態(tài)下，巖石邊坡的綜合安全系數(shù)為1.06，略呈不穩(wěn)定狀態(tài)。表明如同考慮大壩施工措施一樣，設置巖石支護系統(tǒng)很有必要。在考慮節(jié)理水壓力的情況下，安全系數(shù)降至0.72。安全系數(shù)的減小，主要是由節(jié)理上的有效接觸應力減小所引起，而有效接觸應力的減小，隨后又導致抵抗沿節(jié)理滑動的摩擦阻力減小。

觀察發(fā)現(xiàn)，通過破壞模式下的位移情況可以更好地了解破壞機理。不出所料，隨著節(jié)理接觸力的不斷累積，巖塊失穩(wěn)的潛力從上至下逐漸減弱。模型中不穩(wěn)定區(qū)與施工時已探明的潛在不穩(wěn)定區(qū)(后納入地質(zhì)學研究)的情況一致。在識別破壞機理和由此確定大壩安全系數(shù)計算的關(guān)鍵參數(shù)方面，該證據(jù)也驗證了模型的一致性。

通過觀察節(jié)理破壞模式的關(guān)鍵點，可以進一步評估巖石的破壞機理。一些觀察結(jié)果表明，在破壞處，滑動通常是沿著不穩(wěn)定巖塊下面的層理面發(fā)生。這意味著盡管陡坡區(qū)的節(jié)理可能存在拉伸破壞，但在已確認失穩(wěn)可能性較高的區(qū)域破壞模式中，滑動摩擦模式仍占主導地位。

在壩肩區(qū)域，增加大壩推力做點荷載試驗，以便進行同樣的分析。分析結(jié)果表明，無論是大壩的安全系數(shù)還是破壞機理，都不受大壩推力的影響，這是由大壩與不穩(wěn)定區(qū)的相對位置所決定的。由于不穩(wěn)定區(qū)(錨固區(qū))靠近壩肩的最低部分，因而大壩推力不僅不會對該區(qū)域產(chǎn)生影響，反而很可能會在該不穩(wěn)定區(qū)的后面產(chǎn)生一個應力集中增大的區(qū)域。無論怎樣，邊坡的穩(wěn)定性與大壩推力無關(guān)并不一定意味著可以互換，而壩肩的不穩(wěn)定是否會對大壩本身的穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著影響，仍有待進一步研究。

針對在潛在不穩(wěn)定區(qū)增加巖石支護系統(tǒng)作了進一步研究。結(jié)果表明，通過增加支護系統(tǒng)，大壩安全系數(shù)顯著增大，可達3.53，足以顯示巖石支護系統(tǒng)在邊坡穩(wěn)定性方面的重要作用。由于對巖錨實際狀態(tài)及承載能力了解有限，因而對其承載能力的參數(shù)進行研究就顯得很有必要。

參數(shù)研究中，假設幾種錨桿承載能力從最大值遞減至最小值，每一步都需要對安全系數(shù)進行計算。由上述試驗研究可以看出，最初的安全系數(shù)保持恒定，不受錨桿承載能力下降的影響，說明巖石錨桿的初始承載能力高于穩(wěn)定所需的承載力，因而只需動用錨桿的部分承載能力應對安全問題。研究中，曲線的演變從較低的等效承載力開始，它與巖石支護系統(tǒng)在巖塊安全中發(fā)揮重要作用的臨界值對應。從該臨界值開始，可以觀察到安全系數(shù)與巖石錨桿承載力有重要的相關(guān)性。分析結(jié)果顯示，一般情形下，巖石錨桿在巖石邊坡穩(wěn)定方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

應當注意，實際上，巖石錨桿的任何性能降低或松弛都會降低其實際承載力。因此，應當采取適當措施，以獲取有關(guān)巖石錨桿實際狀況的準確信息。

3 結(jié)語

自20世紀60年代施工以來，洪格林北壩右肩就一直有潛在的不穩(wěn)定跡象，因而必須在壩肩下游采用預應力錨桿進行巖石加固。由于缺乏監(jiān)測裝置，故錨桿在使用40多年后的狀態(tài)很難估測。為了評估巖石邊坡的穩(wěn)定性及其與預應力錨桿的關(guān)聯(lián)性，很有必要進行專門研究。

在上述研究模擬評估工作中，首先是考慮壩肩右岸地質(zhì)學與水文地質(zhì)學方面的問題。通過壓力計獲得最新的測量數(shù)據(jù)，以此對水文地質(zhì)模型進行校準，這樣就可以對壩肩下游的滲漏及巖體內(nèi)普遍存在的揚壓力場進行解釋與理解。

其次是采用地質(zhì)與水文地質(zhì)數(shù)據(jù)和離散元法建立地質(zhì)力學數(shù)值模型，以便進行穩(wěn)定性分析。

分析結(jié)果顯示，預應力錨桿對壩肩的穩(wěn)定(尤其在有節(jié)理水壓力情況下)發(fā)揮了關(guān)鍵性的作用，同時表明，單設輔助排水系統(tǒng)并不能排除對巖石錨桿的需求，而且由大壩結(jié)構(gòu)施加到巖基中的推力，也不會對可能不穩(wěn)定巖體的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

總之，通過研究，揭示了解決巖錨問題的必要性，或?qū)ふ倚路椒▽﹀^桿的殘余承載力進行合適評估，或采取保守觀點，認為錨桿已經(jīng)失效，用新預應力錨桿替代。在對整座大壩基礎(chǔ)的后續(xù)研究中，將評估洪格林北壩右肩在大壩穩(wěn)定性方面發(fā)揮的作用。