東石嶺水庫(kù)壩肩抗滑穩(wěn)定分析淺議

1.引言

東石嶺水庫(kù)位于河北省沙河市，控制流域面積169km2，水庫(kù)總庫(kù)容6840萬(wàn)m3。水庫(kù)始建于1969年11月，1978年6月主體工程竣工。攔河壩為單曲重力漿砌石拱壩，壩頂高程383.0m，最大壩高81.0m，壩頂長(zhǎng)度252.0m，壩頂寬8.0m。

大壩兩壩肩基巖為石英砂巖，由于NE40°～50°和NW310°～330°兩組裂隙發(fā)育，兩壩頭上下游裂隙密集，在高水頭作用下，裂隙中的充填物被滲水帶走形成滲漏通道致使?jié)B漏嚴(yán)重。據(jù)水庫(kù)管理處1989年觀測(cè)，右壩頭繞壩滲流量為2 L/s。。左壩頭滲漏更加嚴(yán)重，泄洪洞內(nèi)壁大面積滲水，多處有集中滲漏，在進(jìn)口工作閘門(mén)關(guān)閉情況下，常年有滲水流出，影響大壩壩體安全。

針對(duì)東石嶺水庫(kù)存在的安全問(wèn)題，2004年至2006年間實(shí)施了東石嶺水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程，對(duì)大壩左右壩肩采取了帷幕和固結(jié)灌漿，并在下游壩肩山體布設(shè)排水孔等措施，本文就大壩加固工程實(shí)施前后的壩肩抗滑穩(wěn)定進(jìn)行了分析論證。

2.壩肩地質(zhì)條件

大壩兩壩肩置于由長(zhǎng)城系石英砂巖夾砂質(zhì)頁(yè)巖、玄武巖組成的陡崖中。壩肩石英砂巖多呈薄板、薄層和中厚層狀，層厚大多在10～30cm之間，致密堅(jiān)硬。砂質(zhì)頁(yè)巖呈薄層狀，層厚多在0.5～3cm之間。巖層走向NE30°～40°，傾向SE110°～140°，傾角5°～8°，傾向壩后下游，傾角低緩。節(jié)理裂隙較為發(fā)育。

壩肩巖體節(jié)理裂隙非常發(fā)育，以NE向和NW向的節(jié)理裂隙最為發(fā)育。庫(kù)區(qū)及左右壩肩的巖體陡壁基本沿這兩個(gè)方向的節(jié)理面形成。

左壩肩巖體形狀近于長(zhǎng)方體狀，壩后巖體順?biāo)飨蜷L(zhǎng)約170m左右。巖體地表以下30m 以下范圍內(nèi)多呈強(qiáng)～弱風(fēng)化。主要發(fā)育NE和NW向傾角較陡的節(jié)理和層間節(jié)理，在近陡壁和地表以下較深范圍內(nèi)NE和NW向節(jié)理多呈張開(kāi)狀態(tài)，NE向節(jié)理多密集成帶。

右壩肩工程地質(zhì)特征與左壩肩大致相近，巖體為山脊外延的突出部分，巖體較左壩肩渾厚，在壩肩后部170m處為一深切沖溝分割。巖體在近陡壁10m內(nèi)多呈強(qiáng)～弱風(fēng)化。節(jié)理裂隙發(fā)育，主要發(fā)育NE和NW向傾角較陡的節(jié)理和層間節(jié)理。

左右壩肩近陡壁處巖體風(fēng)化程度較高，NE和NW向節(jié)理比較發(fā)育，多呈張開(kāi)狀態(tài)貫穿于陡壁，其中NW向裂隙與水流方向基本相近。裂隙面與層面的組合形態(tài)不利于巖體的穩(wěn)定。砂質(zhì)頁(yè)巖夾層力學(xué)性質(zhì)較石英砂巖差，風(fēng)化程度較石英砂巖強(qiáng)；輝石玄武巖層近陡壁部分風(fēng)化強(qiáng)烈，局部呈松散狀態(tài)，且滲漏較嚴(yán)重，呈飽和狀態(tài)。以上兩類(lèi)巖層為相對(duì)軟弱層，其性狀不利于巖體穩(wěn)定。在庫(kù)水位較高狀態(tài)下，壩肩后側(cè)巖體滲漏范圍較大，滲徑較長(zhǎng)，裂隙水多沿NE和NW向裂隙和輝石玄武巖層運(yùn)移至陡壁外側(cè)層面或裂隙滲出，砂質(zhì)頁(yè)巖夾層長(zhǎng)期受水浸泡局部已軟化，強(qiáng)度降低不利于巖體的穩(wěn)定，而且在較大滲透壓力下，裂隙內(nèi)和層面的泥質(zhì)被不斷帶出，使結(jié)構(gòu)面的抗滑能力減弱。隨著時(shí)間的推移，滲漏對(duì)巖體穩(wěn)定的影響程度會(huì)不斷加劇。

3.壩肩抗滑穩(wěn)定分析

東石嶺水庫(kù)攔河壩壩肩巖體巖層產(chǎn)狀近水平，而與水流方向相近的一組裂隙垂向延伸較深且近于直立，壩肩穩(wěn)定采用剛體極限平衡法進(jìn)行平面分層穩(wěn)定驗(yàn)算。水庫(kù)攔河壩位于U型河谷，假設(shè)側(cè)向滑移面為鉛直面而底部滑移面為水平面，并考慮側(cè)向滑移面的滲透壓力U1及上下巖層間的滲透壓力U2，則計(jì)算公式如下：

N及S——由拱端傳來(lái)的軸向力H和剪力V在側(cè)向滑移面的法向壓力和滑移力；f1——側(cè)向滑移面的摩擦系數(shù)；f2——上下巖層間的摩擦系數(shù)；U1——側(cè)向滑移面的滲透壓力；U2——上下巖層間的滲透壓力；W2——抗滑巖體的重量。

選取壩體壩基物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 壩體壩基物理力學(xué)指標(biāo)表

壩體彈性模量

（t/m2）壩體線(xiàn)膨脹

系數(shù)（/。C）壩基基巖彈性

模量（t/m2）壩體容重

（t/m3）壩基石英砂巖

巖石間摩擦系數(shù)（f）壩基頁(yè)狀砂巖及

頁(yè)巖巖石間摩擦系數(shù)（f）壩肩巖體裂隙面

間摩擦系數(shù)（f）

9×1058×10-615×1052.350.40.280.25

拱壩特征值見(jiàn)表2。

表2 拱壩壩體特征指標(biāo)表

拱圈高程（m）壩體厚度（m）壩軸半徑（m）半中心角（度）

3789.6120.254.29

36815.2117.450.67

35820.8114.644.90

34826.6111.740.32

33832.6108.736.79

東石嶺水庫(kù)攔河壩工程壩肩巖體層面近水平分層，而與水流方向相近的一組裂隙垂向延伸較深且近于直立，因此壩肩抗滑穩(wěn)定沿高度方向選取單位高度進(jìn)行分層壩肩抗滑穩(wěn)定分析計(jì)算。

根據(jù)地質(zhì)資料分析，大壩壩肩巖體較單薄，由長(zhǎng)城系石英砂巖夾砂質(zhì)頁(yè)巖、礫巖、粘土巖及輝石玄武巖組成，巖層呈層狀。巖層傾向壩后下游，傾角低緩近于水平。部分巖體長(zhǎng)期受基巖裂隙水的影響，存在軟弱層，巖體NE和NW節(jié)理發(fā)育，NE向節(jié)理多密集成帶，兩組節(jié)理在近陡壁和地表以下較深范圍內(nèi)多呈張開(kāi)成裂隙甚至為較寬的裂縫，在拱推力作用下，有形成水平層狀滑移的可能，因此，應(yīng)著重分析大壩壩肩分層水平抗滑的穩(wěn)定性。左壩肩抗滑計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3：

表3 壩肩穩(wěn)定計(jì)算成果表

壩肩灌漿處理之前抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)壩肩灌漿處理之后抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

方案左壩肩分層計(jì)算最小安全系數(shù)右壩肩分層計(jì)算最小安全系數(shù)左壩肩分層計(jì)算最小安全系數(shù)右壩肩分層計(jì)算最小安全系數(shù)允許最小安全系數(shù)

設(shè)計(jì)情況1.361.431.711.781.30

校核

情況0.790.951.331.401.1

最高蓄水位+地震1.451.521.821.841.0

分析表3壩肩穩(wěn)定計(jì)算成果，可以確定壩肩滲漏對(duì)壩肩穩(wěn)定產(chǎn)生了很不利的影響，在校核洪水位時(shí)，兩岸壩肩局部高程抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)已低于規(guī)范要求最小值，進(jìn)行壩肩處理后，均能滿(mǎn)足要求。因此進(jìn)行壩肩灌漿、下游壩肩山體布設(shè)排水孔等處理措施是十分必要的。

結(jié)語(yǔ)

（1）揚(yáng)壓力折減系數(shù)對(duì)大壩壩肩抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)影響較大，本工程因左右壩肩下游滲漏明顯可見(jiàn)，揚(yáng)壓力折減按實(shí)測(cè)或預(yù)測(cè)的壩后滲水高程確定，成果較為準(zhǔn)確可靠。

（2）本工程采取平面穩(wěn)定分析方法確定了各高程壩肩基巖的穩(wěn)定性，計(jì)算較為簡(jiǎn)便，對(duì)壩肩巖體呈層狀分布且存在軟弱夾層，巖體裂隙帶近于垂直的中小型拱壩計(jì)算成果較為準(zhǔn)確，可在類(lèi)似工程中廣泛采用。

參考文獻(xiàn)：

[1]王毓泰 周維垣 毛健全 顧 悅 拱壩壩肩巖體穩(wěn)定分析.貴州人民出版社.

[2]華東水利學(xué)院 四川省水利電力局 廣西大學(xué) 砌石壩設(shè)計(jì) 水利出版社.

作者簡(jiǎn)介：

孫志江，河北省水利水電第二勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，正高級(jí)工程師。