軟巖地基進水塔群的側(cè)向抗滑穩(wěn)定分析

李擎坤，崔煒，王洪亮，朱銀邦

（1.新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，新疆烏魯木齊830000；

2.中國水利水電科學(xué)研究院，北京100038）

軟巖地基進水塔群的側(cè)向抗滑穩(wěn)定分析

李擎坤1，崔煒2，王洪亮1，朱銀邦2

（1.新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，新疆烏魯木齊830000；

2.中國水利水電科學(xué)研究院，北京100038）

位于高地震烈度區(qū)的卡拉貝利水利樞紐工程，其聯(lián)合進水口的高大塔群坐落在軟巖之上，塔基形成有坡度的建基面，側(cè)向抗滑問題值得關(guān)注。塔基側(cè)向抗滑穩(wěn)定需考慮多個建筑物、構(gòu)筑物之間的荷載傳遞，給設(shè)計計算帶來困難。本文借鑒重力壩深層抗滑穩(wěn)定分析的“等安全系數(shù)法”原理，編制程序，計算得出抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，為解決塔群地基側(cè)向抗滑的設(shè)計計算提供了一種途徑，對類似工程的設(shè)計有借鑒意義。對影響抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的河床滑出塊底面傾角、巖-砼摩擦系數(shù)進行了敏感性分析。

進水塔；側(cè)向滑動；安全系數(shù)；軟巖

1 研究背景

新疆克孜河卡拉貝利水利樞紐是一座具有防洪、灌溉、發(fā)電等綜合效益的水利工程，工程規(guī)模為大（2）型、工程等別為Ⅱ等。聯(lián)合進水口布置在水庫左岸，由河岸到山里分別為1#泄洪排沙放空洞、2#泄洪排沙洞、引水發(fā)電洞（見圖1），進口底板高程依次為1 696 m、1 715 m、1 725 m，3個進水塔的主體高度依次為83.5 m、63.5 m、53.5 m。在1 745 m高程以下，進水塔兩側(cè)、下游側(cè)與正面邊坡連接處、2#塔和引水發(fā)電塔基底，回填了C15混凝土。聯(lián)合進水口基巖主要巖性為N2的砂巖、砂礫巖，呈厚-巨厚層狀構(gòu)造，層理不發(fā)育，遇水易軟化崩解，飽和狀態(tài)下的抗壓強度值很低，尚不足1.0 MPa。場地地震基本烈度為Ⅷ度（強），進水口建筑物按地震動峰值加速度0.3g進行抗震設(shè)計。

3個高大進水塔的排列基本沿橫河向布置，地基開挖后，左側(cè)形成了高度超過100 m的邊坡，右側(cè)靠近河床側(cè)的邊坡巖體出露高程較低，僅略高于河床，因3個進水塔的基底高程不同，形成有坡度的建基面，對側(cè)向抗滑不利。此外，由于聯(lián)合進水口地層的巖體強度低、抗滑和抗變形性能差，進水塔高大、場地地震烈度高，加劇了這種不利情況。塔群地基側(cè)向抗滑問題，在結(jié)構(gòu)上涉及3個進水塔和4個區(qū)域回填混凝土的聯(lián)合作用，在結(jié)構(gòu)構(gòu)成和荷載傳遞上均較為復(fù)雜。無法直接引用現(xiàn)有規(guī)范［1-4］所規(guī)定的計算公式來完成設(shè)計計算，需要專門的分析、研究。為此，本文提出了一種新的解決途徑，即借鑒重力壩深層抗滑穩(wěn)定分析的“等安全系數(shù)法”極限平衡法分析原理，完成塔群地基側(cè)向抗滑穩(wěn)定分析，以供類似問題的解決借鑒。

2 計算原理與模型

進水口設(shè)計規(guī)范［1］提出的進水塔基礎(chǔ)抗滑穩(wěn)定的抗剪斷和抗剪安全系數(shù)K計算公式，其力學(xué)原理與混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范［5］關(guān)于壩基穩(wěn)定抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)公式一致，即由基礎(chǔ)滑移面上的抗力與滑力之比得出抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。參考規(guī)范［5］規(guī)定的深層抗滑穩(wěn)定的公式“等安全系數(shù)法”，計算塔群基礎(chǔ)側(cè)向抗滑穩(wěn)定。規(guī)范［5］附錄E規(guī)定的滑移模式如圖2所示，圖中顯示的為壩基雙滑動面模式，多滑面的情況比較復(fù)雜，可參照雙滑面的計算式。

圖1 聯(lián)合進水口建筑物和側(cè)向滑動的7個滑塊示意

圖2 重力壩設(shè)計規(guī)范所列的滑移模式

根據(jù)以上原理，建立聯(lián)合進水口塔群地基側(cè)向滑動7個連續(xù)滑塊如圖1所示，與規(guī)范［5］的方法相對應(yīng)，則第1—6塊為“上游”塊，第7塊為“下游”滑出塊。

7個連續(xù)滑塊的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計算方程如下：

方程（1）中，系數(shù)ai、bi、ci、di（i=1，2，…，7）根據(jù)各滑塊已知的底面抗剪強度、幾何參數(shù)和荷載，由規(guī)范［5］公式（E.0.2-1）和（E.0.2-2）求得。對于各滑塊，抗剪強度指內(nèi)聚力c′、摩擦系數(shù)f′、幾何參數(shù)指滑塊底面積A、底滑面傾角α、β（僅右側(cè)滑出塊），荷載指滑塊受到的荷載水平向合力H、豎向合力V、底面揚壓力U等。

方程（1）中，未知量是塊體間作用力Q1～Q6和抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K，該方程為7元2次方程組。通過FORTRAN語言編制程序，求解各工況下的方程（1），可求得塔群相應(yīng)的側(cè)向抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K。依據(jù)進水口設(shè)計規(guī)范［1］的規(guī)定，驗證K值是否滿足要求。

3 計算成果及敏感性分析

3.1 基底抗滑穩(wěn)定狀態(tài)通過式（1）計算聯(lián)合進水口塔群建基面?zhèn)认蚩够€(wěn)定安全系數(shù)，工況設(shè)置見表1，水庫正常蓄水位、校核洪水位的高程依次為1 770.0 m、1 773.34 m，地震工況考慮正常蓄水位遇地震的情況，垂直向地震力考慮向上和向下兩種情況。飽和狀態(tài)下，砼/巖體抗剪斷強度值取c′= 0.23MPa、f′=0.67，為了設(shè)計安全起見，完建工況計算亦取該強度值。計算得出的安全系數(shù)見表1，均滿足規(guī)范要求。進水塔抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的要求［1］：對于2級建筑物，采用抗剪斷公式時，基本組合下的安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)為3.0、特殊組合下的標(biāo)準(zhǔn)為2.5。

3.2 影響抗滑穩(wěn)定的兩個因素分析滑動模型中的第7塊為靠近河床的滑出塊，存在沿巖體向河床剪出的可能，故研究其傾角對整體抗滑穩(wěn)定影響的敏感性。計算工況為地震（水平+向下）工況，第7塊傾角β取0°、4°、10°、20°、30°、39°時，整體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均大于2.8，見圖3。通過該規(guī)律曲線可見，當(dāng)?shù)?塊傾角為0°時，整體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)最高，K達(dá)到3.20，此滑移模式的底滑面面積較大，抗滑作用強；當(dāng)傾角增加至4°時，K值最小，其值為2.84；此后，隨著傾角增加至30°，K值略有增加，當(dāng)傾角超過30°以后，K值又降低。

表1 聯(lián)合進水口塔群地基側(cè)向抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K

勘查設(shè)計關(guān)注巖-砼摩擦系數(shù)f值對塔基抗滑的影響，故對此作了敏感性分析，所計算的工況為地震工況（水平+向下，河床臨空剪出傾角為4°），f值分別取0.4、0.45、0.5、0.55、0.6、0.67。計算得出f與K的關(guān)系曲線見圖4，二者呈正比例關(guān)系，當(dāng)f值為0.45時，K=2.4574，不滿足規(guī)范要求；由該曲線規(guī)律推斷，當(dāng)f值等于或大于0.47時，K值均滿足規(guī)范要求。地質(zhì)勘查得出的f值為0.67，此工況下得出K值約2.85，滿足規(guī)范要求。

圖3 抗滑穩(wěn)定系數(shù)K與河床塊的剪出角度關(guān)系

圖4 巖-砼摩擦系數(shù)f與K的關(guān)系

3.3 深層抗滑穩(wěn)定狀態(tài)設(shè)計計算過程中，還計算了塔基深層抗滑穩(wěn)定狀況。事先采用有限元強度折減法搜索出的深層滑動的滑面位置，巖體等效塑性應(yīng)變情況見圖5，隨著巖體強度的降低，整個邊坡有兩處明顯的塑性貫通性區(qū)，第一處為從坡頂至河床的深層滑動區(qū)，第二處為從坡頂至回填混凝土平臺的小區(qū)域滑動區(qū)，第一處為塔基可能出現(xiàn)深層滑動的滑面。將此滑面依建筑物的部位不同進行分割，同樣利用式（1）的原理，計算出塔基深層側(cè)向抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K，見表1，均滿足規(guī)范要求。整體而言，塔基深層抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)大于沿建基面的。

圖5 有限元強度折減法搜索出的深層滑動模式（等效塑性應(yīng)變區(qū)）

4 結(jié)語

在高地震烈度區(qū)、軟巖地基上建造高大進水塔群，工程特點鮮明，塔群建基面坡度大，側(cè)向抗滑穩(wěn)定問題突出。塔基側(cè)向抗滑穩(wěn)定需考慮多個建筑物、構(gòu)筑物之間的荷載傳遞，給結(jié)構(gòu)設(shè)計計算帶來困難。本文借鑒重力壩深層抗滑穩(wěn)定分析的“等安全系數(shù)法”極限平衡法分析原理，通過編制程序，計算得出抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，為解決進水塔地基側(cè)向抗滑的設(shè)計計算問題提供了一種新途徑。對影響塔基側(cè)向抗滑穩(wěn)定的河床滑出塊底傾角和巖-砼摩擦系數(shù)進行了敏感性分析，對塔基表層和深層側(cè)向抗滑穩(wěn)定進行了多工況復(fù)核計算，實現(xiàn)了安全的結(jié)構(gòu)抗滑設(shè)計。本文的成果對類似工程的設(shè)計計算分析有實用的借鑒意義。

［1］中華人民共和國水利部，水利水電工程進水口設(shè)計規(guī)范：SL285-2003［S］.北京：中國水利水電出版社，2003.

［2］中華人民共和國國家發(fā)展與改革委員會，水電站進水口設(shè)計規(guī)范：DL/T 5398-2007［S］.北京：中國電力出版社，2008.

［3］中華人民共和國水利部，水利水電工程邊坡設(shè)計規(guī)范：SL386-2007［S］.北京：中國水利水電出版社，2007.

［4］中華人民共和國水利部，水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范：SL203-97［S］.北京：中國水利水電出版社，1997.

［5］中華人民共和國水利部，混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范：SL319-2005［S］.北京：中國水利水電出版社，2005.

Base lateral sliding stability analysis of intake towers built in soft rock

LI Qingkun1，CUI Wei2，WANG Hongliang1，ZHU Yinbang2
（1.Xinjiang Investigation and Design Institute of Water Resources and Hydropower，Urumqi830000，China；
2.China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing100038，China）

The intake towers of Kalabeili Water Project is built on soft rock in high seismic intensity area，with a slope base.So，the base lateral sliding is concerned.It is difficult to calculate lateral sliding safety factor beacause the load transfer between 7 blocks is complicated.In this paper，a solution approach is pro?posed，referencing the equal safety factor method principle of gravity dam deep stability analysis，and later?al sliding safety factors of multi-load cases are calculated with computer program.This approach offers a valuable reference for similar project design.The base sliding stability sensitivities of riverbed block bottom surface inclination angle and rock-concrete friction coefficient are analysed.

intake tower；lateral sliding；safety factor；soft rock

X37

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2016.06.011

1672-3031（2016）06-0460-03

（責(zé)任編輯：李琳）

2016-04-11

李擎坤（1972-），男，山東人，高級工程師，主要從事水利水電勘測設(shè)計及科研研究。E-mail：lqkun181@sina.com

崔煒（1979-），男，內(nèi)蒙古敖漢旗人，教授級高級工程師，主要從事水工結(jié)構(gòu)科研及咨詢研究。E-mail：cuiwei@iwrh.com