電站壩基巖體評價及深層抗滑穩(wěn)定性分析

米 猛

（中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，成都 610072）

混凝土重力壩一直以來都是水利樞紐建設中主要的壩型之一，主要是依靠壩體自身重量于基礎之上產(chǎn)生的摩擦力及壩體與基礎之間的凝聚力來抵抗水壓力以滿足穩(wěn)定要求。所以混凝土重力壩基礎巖體必須具備足夠的強度、承載力，以滿足壩體對穩(wěn)定和強度的要求。一般情況下，不同巖性、不同程度風化卸荷的壩基巖體強度常常不同，且往往因復雜的節(jié)理裂隙、斷層或擠壓帶等地質構造而使壩基巖體結構完整性不均一。壩基巖體巖級的劃分對確定建基面承載力確定有重要的意義。

節(jié)理裂隙、斷層或擠壓帶等地質構造往往可以組合形成不可預知的滑移通道。蓄水后在庫水推力作用下，壩體可能連結某些區(qū)域的壩基巖體沿滑移通道而產(chǎn)生滑移失穩(wěn)，從而導致深層抗滑問題。如何對壩基巖體質量進行科學評價、采用何種方式準確分析壩基巖體深層抗滑穩(wěn)定性在水利水電建設中顯得尤為重要。

1 壩址工程地質條件簡介

水電站位于雅魯藏布江中游桑日至加查峽谷段出口處，壩型為混凝土重力壩，最大壩高116m，屬高壩。壩基基巖巖性為二長花崗巖，巖質較堅硬。巖體風化主要表現(xiàn)為礦物蝕變、裂面銹染等；巖體卸荷較明顯。弱風化巖體錘擊聲較清脆，水平深度一般 40～60m，河床垂直埋深(基巖面以下)為 9.0～35.7m；弱卸荷水平深度一般 20～40m，河床垂直埋深(基巖面以下)為 1.5～5.25m；強卸荷推測水平深度 3～10m；微新巖體：巖石新鮮，錘擊聲清脆。

2 壩基巖體質量評價

壩基巖體是存在于一定環(huán)境中的地質體，其形成和發(fā)展經(jīng)受過地質歷史時期各種內外動力地質作用的改造和影響，壩基巖體的質量直接影響大的的安全和經(jīng)濟。

壩基巖體質量是取決于巖質類型、巖體的風化卸荷、巖體結構類型、巖體緊密程度、巖體透水性等多種因素的綜合，各種因素對巖體力學性質的影響是不同的，任何單一因素的分類都不可能全面反映巖體的整體特性，必須采用多因素綜合評判的方法，考慮各種因素的相互影響，進行系統(tǒng)的分析評價，進而建立完整的工程巖體質量體系。其中壩基巖體構造發(fā)育程度對壩基巖體質量有著重要的影響。壩基巖體構造主要以節(jié)理裂隙、擠壓帶及小斷層為主，結構面類型以剛性結構面、軟弱結構面為主。

為準確查明巖體質量，主要采用以下工作方法。

2.1 巖體物理力學實驗

巖體物理力學實驗能定量反應不同風化卸荷強度巖體力學參數(shù)、不同類型結構面力學參數(shù)，對巖體質量評價及壩基巖體深層抗滑穩(wěn)定計算具有重要的意義。

2.2 工程地質編錄

工程地質編錄能于平面查明大壩基礎巖體風化卸荷強度、巖體結構及結構面發(fā)育狀況，其中針對結構面采用精測方式，并進行對比分析，對優(yōu)勢結構面、緩傾結構面則結合壩基巖體深層抗滑穩(wěn)定進行綜合分析。

2.3 地球物理勘探

地球物理勘探主要采用常規(guī)聲波測試、對穿聲波測試、鉆孔電視全景圖像及孔內變模測試等方式以查明大壩建基面下部空間巖體結構、風化卸荷深度及結構面發(fā)育狀況。大壩建基面下部空間巖體結構面發(fā)育狀況主要由鉆孔電視全景圖像解譯而來。

巖體質量分級評價標準：大壩基礎巖體質量分級評價標準，主要根據(jù)壩址區(qū)巖體(石)工程特性及物理力學試驗成果，并結合《水利水電工程地質勘查規(guī)范》（GB560287-99）及類似工程經(jīng)驗，將壩基工程巖體質量分為3大類，其中Ⅲ類巖體進一步劃分為Ⅲ1和Ⅲ2兩個亞類。

Ⅱ級巖體：微風化～新鮮，巖體結構呈次塊狀～塊狀，嵌合較緊密～緊密；巖體聲波縱波速度Vp=5100～5600m/s，波速曲線平順，起伏小，Kv=0.75～0.9，RQD=90%～100%。開挖爆破后面平直，半孔率達95%以上。開挖揭示Ⅱ級巖體裂隙不發(fā)育，呈塊～次塊狀結構。

Ⅲ1級巖體：弱風化、弱卸荷，巖體結構呈鑲嵌狀～次塊狀，嵌合中等緊密；巖體縱波速度Vp=4300～5100m/s，波速曲線小起伏，K v=0.55～0.75，RQD=60～85%。

Ⅲ2級巖體：弱（偏強）風化、弱卸荷，巖體結構呈鑲嵌碎裂狀結構，較松弛的二長花崗巖；弱風化、弱卸荷巖體中的擠壓破碎帶、裂隙密集帶、小斷層影響帶；巖體縱波速度Vp=3500～4300m/s，波速曲線呈鋸齒狀起伏大，Kv=0.35～0.55，RQD=30%～50%。

Ⅳ級巖體：弱風化、強卸荷，沿劈理化帶發(fā)育的弱偏強風化巖體；發(fā)育于弱風化、弱卸荷巖體中的小斷層。一般縱波速度Vp=2500～3500m/s， Kv=0.15～0.35，RQD＜25%。

根據(jù)大壩基礎巖體分級標準，結合大壩基礎工程地質編錄資料及地球物理勘探成果將大壩各壩段巖體質量分別統(tǒng)計，進行三維空間及二維平面展示。（圖1、圖2）

綜上所述，大壩基礎未見強風化巖體，淺表部位巖體以弱風化、弱卸荷為主，較大埋深巖體多微風化至新鮮。

Ⅲ2級、Ⅳ級巖體主要受構造控制、多沿小斷層、擠壓破碎帶、裂隙密集帶呈帶狀、束狀展布。

壩基巖體基本滿足大壩承載需要。

圖1 大壩基坑巖級分區(qū)三維展示圖

3 壩基深層抗滑穩(wěn)定分析

圖2 大壩基礎巖級分區(qū)平面示意圖

重力壩壩基滑動失穩(wěn)的基本形式有兩種：表面滑動和深層滑動。其中，壩基混凝土與基巖面所發(fā)生的滑動破壞稱為表面滑動；深層滑動包含兩種情況，第一種情況是發(fā)生于均質壩基，是一種滑動面近似弧形的剪切破壞，第二種情況是與壩體連接部分的壩基沿基礎巖體中結構面的滑動破壞。實際上，混凝土重力壩的抗滑穩(wěn)定性往往取決于基礎巖體中結構面，尤其是緩傾角結構面及軟弱夾層，即深層滑動往往是混凝土重力壩主要破壞模式。

3.1 混凝土重力壩深層滑動破壞類型

1）滑動面剪切破壞：在水平荷載作用下，壩體沿壩基內存在可能導致單斜面滑動或雙斜面滑動的結構面而發(fā)生剪切破壞。

2）抗力體擠壓破壞：當壩基內存在傾向下游的軟弱夾層或緩傾角結構面，下游尾巖內沒有傾向上游的軟弱夾層或緩傾角結構面時，不構成雙斜面滑動。在水平荷載作用下，壩踵處巖體可能產(chǎn)生拉裂破壞，與壩體連接部分基礎可能發(fā)生剪切破壞，同時傳給尾巖抗力體超過其承載能力的剩余推力，擠壓破壞產(chǎn)生。

3）抗力體隆起破壞：壩基巖體內存在軟弱夾層或緩傾角結構面，尾巖呈層狀，比較完整且?guī)r性堅硬。尾巖上部在水平荷載作用下產(chǎn)生拉伸區(qū)，并有向上的位移產(chǎn)生，也就有隆起破壞產(chǎn)生。

3.2 壩基深層抗滑工程地質條件

深層抗滑穩(wěn)定的有利條件為：未揭示較大的控制性緩傾角連續(xù)軟弱結構面，抗力體巖體為堅硬、較完整的花崗巖，具有較高的整體強度；深層抗滑穩(wěn)定的不利條件為：壩基局部發(fā)育緩傾角裂隙，延伸較長，特別是在建基面下伏的Ⅲ2級巖體中緩傾角裂隙相對較發(fā)育，連通率較高，性狀較差。

3.3 深層抗滑計算方法

主要結合壩基開挖揭示的工程地質條件，選取典型壩段，開展等系數(shù)法（等K法）及三維有限單元法進行深層抗滑穩(wěn)定計算分析，確定大壩深層抗滑穩(wěn)定性。

等系數(shù)法（等 K法）：重力壩深層抗滑穩(wěn)定計算較為復雜，計算公式隨邊界條件即滑動體的類型不同而異，主要由滑動面的產(chǎn)狀和組合形式所控制。根據(jù)重力壩深層滑動的產(chǎn)狀及組合的不同，一般可分為：單滑面傾向下游、單滑面傾向上游及雙滑動面。實際上，滑裂面往往不會貫穿上下游形成單斜面滑動形式，而是往往出現(xiàn)復雜的曲線或折線形狀。工程中常見雙滑動面破壞形式，將雙滑動面切割形成的塊體沿滑動面交點分割為兩塊體，分別采用剛體極限平衡法進行穩(wěn)定性計算分析，兩塊體安全系數(shù)相同。

有限單元法：一種有著堅實的理論基礎和廣泛的應用領域的數(shù)值分析方法。有限單元法的基本思想是將連續(xù)的求解區(qū)域離散為一組有限個、且按一定方式相互聯(lián)結在一起的單元的組合體。利用在每一個單元內假設的近似函數(shù)來分片地表示全求解域上待求的未知場函數(shù)。單元內的近似函數(shù)通常由未知場函數(shù)或及其導數(shù)在單元的各個結點的數(shù)值和其插值函數(shù)來表達。這樣，一個問題的有限元分析中，未知場函數(shù)或及其導數(shù)在各個結點上的數(shù)值就成為新的未知量（即自由度），從而使一個連續(xù)的無限自由度問題變成離散的有限自由度問題。一經(jīng)求解這些未知量，就可以通過插值函數(shù)計算出各個單元內場函數(shù)的近似值，從而得到整個求解域上的近似解。

3.4 壩基深層抗滑穩(wěn)定控制標準

等系數(shù)法（等K法）計算的穩(wěn)定安全系數(shù)要求正常蓄水位工況的計算值大于等于3.0，校核洪水位工況的計算值大于等于2.5，地震工況的計算值大于等于2.3；有限單元法計算的穩(wěn)定安全系數(shù)正常工況和設計地震工況下，壩體抗滑穩(wěn)定“抗力/作用力”大于1。

3.5 典型壩段深層抗滑穩(wěn)定計算

結合實際情況選取15#壩段進行深層抗滑穩(wěn)定計算。

滑移模式分析：15#壩段下可能構成危險滑移通道的裂隙為：①J7： N70～80°W/SW(NE)∠75～85°，②J36：，③ g16-2：N50～60°W/NE∠50～70°。在 15#壩段下未發(fā)現(xiàn)錯動帶。深層滑動計算的滑移通道見表1，具體滑移通道見圖3。

計算參數(shù)：壩基巖體3226.5m高程為Ⅱ類、Ⅲ1類，3217.65m高程主要為Ⅲ1類，局部為Ⅲ2類。巖體物理力學參數(shù)建議值以及各裂隙結構面抗剪斷指標地質取值如表2所示：

表1 15#壩段深層抗滑滑移模式表

計算成果：深層抗滑穩(wěn)定采用等K法計算。15#壩段深層抗滑穩(wěn)定計算成果見表3。

等K法計算成果表明，15#壩段的深層抗滑穩(wěn)定在兩種計算工況下都滿足規(guī)范要求。

圖3 15#壩段深層抗滑滑移通道計算示意圖

有限單元法：

有限元模型及計算參數(shù)：有限元模型見圖 4，整體采用六面體等參元進行網(wǎng)格劃分，局部采用四面體單元進行剖分。

靜力工況：自重+正常蓄水位及相應的尾水位+泥沙荷載+揚壓力+浪壓力

動力工況：自重+正常蓄水位及相應的尾水位+泥沙荷載+揚壓力+浪壓力+水平地震荷載（190.3cm/s2）

III1類巖體：f’=1.0，c’=1.1MPa

混凝土/基巖：f’=1.0，c’=0.9MPa

g16-1：f’=0.35，c’=0.05MPa

因按照 15號壩段地質縱剖圖和橫剖圖得到的擠壓帶g16-1的傾角和走向相差較大，其中橫剖面得到的g16-1截面該壩段深層抗滑穩(wěn)定相對較為不利，如圖5藍線圍成的截面所示。滑動模式：

表2 壩基巖體及結構面抗剪斷指標取值表

滑動模式1：不考慮14號壩段底部巖體的黏聚力，只考慮其摩擦力；上游在壩踵處沿J7拉裂，滑動沿g16-1斷層向下游滑出?？紤]g16-1右側建基面水平區(qū)域的黏聚力和摩擦力。

滑動模式2：不考慮14號壩段底部巖體的黏聚力及其摩擦力；上游在壩踵處沿J7拉裂，滑動沿g16-1斷層向下游滑出。考慮g16-1右側建基面水平區(qū)域的黏聚力和摩擦力。

表3 15#壩段深層抗滑穩(wěn)定計算成果

由于尾部巖體較大，按該種斷層傾向和走向計算得到壩體抗滑穩(wěn)定滿足相關規(guī)范要求，并且安全性較高。

表4 15號壩段深層抗滑穩(wěn)定計算結果

有限單元法計算成果表明，在靜力工況和設計地震工況下沿深層滑移路徑的抗滑穩(wěn)定均滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，并且有一定的安全裕度。

綜述，在壩基工程地質編錄資料及鉆孔全景圖像解譯成果基礎之上，對結構面統(tǒng)計分析，建立可能的深層滑移破壞模式，并采用等系數(shù)法（等 K法）、有限單元法對壩基巖體進行深層抗滑穩(wěn)定計算，并將計算成果對比分析，均滿足規(guī)范要求。其中有限單元法考慮了塊體側面壩基巖體水平區(qū)域的黏聚力和摩擦力，更能反映壩基巖體深層抗滑真實情況。

圖4 壩體有限元模型圖

圖5 g16-1的傾向、走向及塊體滑動模式示意圖

4 結論

混凝土重力壩作為水利水電工程建設中主要壩型之一，主要是依靠壩體自身重量于基礎之上產(chǎn)生的摩擦力及壩體與基礎之間的凝聚力來抵抗水壓力以滿足穩(wěn)定要求。

本文根據(jù)某水電站壩基工程實踐，從壩基工程地質條件著手，根據(jù)巖土物理力學實驗成果，并結合技施階段工程地質編錄資料及地球物理勘探成果，完成對壩基巖體質量評價；根據(jù)壩基開挖實測結構面，特別是緩傾結構面，結合鉆孔全景圖像對基礎下部巖體三維空間結構面解譯的成果確定重力壩壩基巖體深層抗滑穩(wěn)定的邊界條件、力學參數(shù)，并采取適宜的計算方法即等系數(shù)法（等 K法）、有限單元法進行深層抗滑穩(wěn)定計算。

[1] 王思敬. 壩基巖體工程地質力學分析[M]. 北京：科學出版社，1990.

[2] 諶文武. 巖體力學[M]. 甘肅：蘭州大學出版社，2000.