拱壩壩肩向斜巖體結(jié)構(gòu)抗滑穩(wěn)定系數(shù)的計(jì)算方法

顏加珍

（中國(guó)電建集團(tuán)貴陽勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州貴陽550081）

?

拱壩壩肩向斜巖體結(jié)構(gòu)抗滑穩(wěn)定系數(shù)的計(jì)算方法

顏加珍

（中國(guó)電建集團(tuán)貴陽勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州貴陽550081）

摘要：拱壩壩肩有一個(gè)向斜巖體結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由于拱壩推力，會(huì)發(fā)生滑動(dòng)破壞的可能性。通過有限元對(duì)壩肩、壩基滲流場(chǎng)與從拱壩向壩肩傳遞的推力進(jìn)行計(jì)算，并通過三維極限抗滑穩(wěn)定計(jì)算法，對(duì)向斜結(jié)構(gòu)在各工況下的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，采用錨索加固滑動(dòng)體，對(duì)于規(guī)范要求相滿足且抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)所需錨索數(shù)量進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)計(jì)算分析抗滑穩(wěn)定中錨索施加角度的影響。

關(guān)鍵詞：拱壩壩肩；水工結(jié)構(gòu)工程；巖體結(jié)構(gòu)；抗滑穩(wěn)定；計(jì)算方法

前言

某水利樞紐主要分為電站、壩身泄水建筑物及拱壩，為三等工程，這一水利樞紐最大壩的高度大約為70m，323m的壩頂高程，190.6m的壩頂弧長(zhǎng)，壩體底部厚度最大為10.5m，2.5m的壩頂厚度，將三孔溢流堰設(shè)于壩頂，317.5m的堰頂高程，壩底部分別于高程265.6m與中心高程257.5m處創(chuàng)建一個(gè)放空底孔（φ1.2m）與一個(gè)導(dǎo)流底孔（2m× 2m），因?yàn)楦哂诟叱?90.0m，減小了右岸岸坡坡度，所以，將重力墩設(shè)于右岸高程大約290.0m之上。該大壩處在“V”型河谷拐彎處，從平面上看，右岸呈向左岸凸出的鼓型山包。泥盆系中陸相沉積的碎屑巖共同組成右壩肩底層，主要是石英砂巖、砂巖以及粉砂巖夾頁巖等，巖性軟硬相間，而且層間破碎夾層與泥化夾層發(fā)育良好。因?yàn)橄蛐苯Y(jié)構(gòu)面中含有泥化夾層，具有比較低的抗剪強(qiáng)度，而且下游側(cè)為沖溝，共同組成一個(gè)臨空面，由于拱壩推力與繞壩滲流作用的不斷加強(qiáng)，很可能會(huì)出現(xiàn)向斜結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的情況，對(duì)大壩安全造成嚴(yán)重危害，所以，應(yīng)該計(jì)算分析拱壩壩肩向斜巖體結(jié)構(gòu)抗滑穩(wěn)定系數(shù)。本文通過有限元措施計(jì)算巖體滲流場(chǎng)，以此對(duì)從重力墩向向斜結(jié)構(gòu)傳遞的推力進(jìn)行計(jì)算，對(duì)向斜抗滑穩(wěn)定性予以計(jì)算，最后計(jì)算拱壩壩肩錨索加固數(shù)量。

1　拱壩壩肩地質(zhì)情況

圖1為拱壩壩肩地質(zhì)斷面示意圖，由圖1可知，右壩肩重力墩右側(cè)有一個(gè)向斜結(jié)構(gòu)。河谷一側(cè)（左翼）巖層產(chǎn)狀為NW∠42°-46°，N5°-20°E與NW∠30°-35°，N5°-20°E；山坡一側(cè)（右翼）巖層產(chǎn)狀為NW∠46°-56°，N0°-25°E，也就是下部分比較緩，上部分比較陡。上部巖層大多在強(qiáng)風(fēng)化區(qū)，高于299.0m高程處，具有較低的泥化夾層抗剪強(qiáng)度，由此會(huì)對(duì)向斜結(jié)構(gòu)本身所具有的抗滑穩(wěn)定性產(chǎn)生一定影響。

圖1　右肩壩地質(zhì)斷面圖

2　大壩應(yīng)力及滲流計(jì)算

通過有限元法對(duì)大壩壩體應(yīng)力與巖體滲流進(jìn)行計(jì)算，圖2為有限元計(jì)算網(wǎng)格，以八節(jié)點(diǎn)等參為網(wǎng)格單元23951個(gè)，節(jié)點(diǎn)27939個(gè)，大壩和上游邊界之間的距離相當(dāng)于壩高的1.5倍，大壩和下游邊界之間的距離相當(dāng)于壩高的2.0倍，地表面屬于自由面，213.0m的底面高程，與拱壩的距離為壩高的2.0倍，設(shè)定坐標(biāo)系為：Y軸：指向左岸；X軸：指向下游，平行于拱壩中心線，處在0m高程；Z軸：垂直向上［1］。

圖2　有限元計(jì)算網(wǎng)格

計(jì)算滲流時(shí)，大壩滲透性不必考慮。將帷幕設(shè)計(jì)在壩肩與拱壩壩基，于左壩肩與壩基設(shè)一排帷幕，2m的有效厚度，基巖深入大約35m，右壩肩設(shè)兩排帷幕，4m的有效厚度，基巖深入大約52m，對(duì)死水位、正常水位及校核水位滲流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算。死水位、正常水位及校核水位分別為283.0m、317.5m和321.9m，下游水位相應(yīng)分別為266.5m、366.5m和271.6m［2-3］。

計(jì)算拱壩應(yīng)力的工況主要分為4種：工況1：正常溫升溫度荷載設(shè)計(jì)+尾水位和正常蓄水位揚(yáng)壓力+自重+靜水壓力+泥沙壓力；工況2：正常溫升溫度荷載設(shè)計(jì)+尾水位和水庫死水位揚(yáng)壓力+自重+靜水壓力+泥沙壓力；死水位大多發(fā)生在9～10月；工況3：正常溫升溫度荷載設(shè)計(jì)+尾水位和校核洪水位靜水壓力+自重+靜水壓力+泥沙壓力；工況4：正常溫升溫度荷載設(shè)計(jì)+尾水位和蓄水位靜水壓力+自重+靜水壓力+泥沙壓力［4］。通過彈塑性有限元對(duì)應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算應(yīng)力變形后，通過積分方式對(duì)拱壩向壩肩傳遞的推力進(jìn)行計(jì)算。

3　向斜結(jié)構(gòu)抗滑穩(wěn)定性的計(jì)算

通過抗剪公式對(duì)抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，公式為：

公式（1）中，N表示與滑動(dòng)面相垂直的法向力；K表示抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，f表示抗剪摩擦因數(shù)，T表示沿滑動(dòng)方向滑動(dòng)力［5］。在計(jì)算過程中，應(yīng)該對(duì)以下情況加以考慮：a.側(cè)、底滑面垂向合力大于0，為雙面滑動(dòng)型，順著側(cè)面與底面棱線滑動(dòng)為實(shí)際滑動(dòng)方向；b.側(cè)、底滑面垂向合力小于0，為單面滑動(dòng)，順著底滑面滑動(dòng)為實(shí)際滑動(dòng)方向。

3.1 忽略加固情況計(jì)算抗滑穩(wěn)定

根據(jù)綜合坡度對(duì)重力墩和向斜結(jié)構(gòu)交界面加以考慮，由于向斜結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀存在變動(dòng)范圍，而且產(chǎn)狀會(huì)影響到計(jì)算結(jié)構(gòu)，所以，應(yīng)該取最大相交棱線傾角、最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)相對(duì)的產(chǎn)狀實(shí)施計(jì)算，軟弱面摩擦因數(shù)大約為0.20，抗滑穩(wěn)定計(jì)算中，依照水頭值對(duì)在底滑面與側(cè)滑面作用的滲透壓力進(jìn)行計(jì)算。重力墩一側(cè)，重力墩傳遞的力作用于向斜結(jié)構(gòu)。計(jì)算滑動(dòng)塊體模型為：重力墩和上游脫離面的上游面齊平，在300.0～323.0m范圍內(nèi)，側(cè)滑面與底滑面交點(diǎn)高程范圍內(nèi)有所變化，靠近河谷的一側(cè)和重力墩相接［6］。由此所計(jì)算塊體穩(wěn)定的算結(jié)果如表1所示，299.0m底部高程相對(duì)應(yīng)的塊體形狀如圖3所示。

表1　抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

圖3　299.0底高程中向斜結(jié)構(gòu)形狀

從表1計(jì)算結(jié)果可知：大于323.0m高程，因?yàn)椴粫?huì)受到重力墩傳遞力、上游水壓力、滲透力作用，所以其安全系數(shù)與規(guī)范要求相滿足。小于該高程，校核水位與正常水位工況下，其抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均比規(guī)定值?。?05.0～323.0m高程，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)會(huì)由于滑動(dòng)塊體底部高程的降低而隨之下降，低于305.0m高程，河谷側(cè)巖層傾角下降，對(duì)滑動(dòng)塊體抗滑系數(shù)的增加極為有利，可見拱壩壩肩向斜巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀對(duì)滑動(dòng)塊體本身所具有的穩(wěn)定性有著直接性影響。

3.2 考慮加固計(jì)算抗滑穩(wěn)定

依照滑動(dòng)板塊地形現(xiàn)狀，錨索唯有穿過側(cè)滑面施工，所以右翼陡傾角畫面和錨索參數(shù)存在關(guān)聯(lián)性，因?yàn)槭┕な芟蓿诨娣ň€方向，該法線和錨索夾角于0°與上游方向大約10°處實(shí)施計(jì)算分析，從表1可以看出，校核水位與正常水位狀態(tài)下的安全系數(shù)無法與向斜巖體穩(wěn)定性要求相滿足?；谝陨蟽煞N情況的計(jì)算結(jié)果如表2、3所示。

表2　抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

表3　抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

分析計(jì)算結(jié)果可知：增加錨索數(shù)量有利于提高滑塊安全系數(shù)，對(duì)其安全系數(shù)變化進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，溫升工況+正常水位會(huì)對(duì)錨索加固量產(chǎn)生影響；因夾層結(jié)構(gòu)面具有較低的強(qiáng)度參數(shù)，陡傾畫面與錨索施加方向?yàn)楸舜舜怪睜顟B(tài)，要想使其抗滑穩(wěn)定系數(shù)提升往往比較難，若使錨索方向稍微偏轉(zhuǎn)，使其與施工呈10°的夾角，則有利于提升其抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，可使向斜結(jié)構(gòu)抗滑穩(wěn)定值得到有效提升，減少錨索數(shù)量。

4　結(jié)語

在壩頂之上位置，因?yàn)橹亓Χ丈喜肯蛐苯Y(jié)構(gòu)未受到揚(yáng)壓力、上游水壓及拱端推力作用，因此具有穩(wěn)定性，然而，對(duì)于低于壩頂高程的巖層，除了死水位工況，正常水位與校核水位均無法滿足穩(wěn)定要求。巖層產(chǎn)狀會(huì)影響到計(jì)算結(jié)果，應(yīng)該在這一巖體結(jié)構(gòu)中增加錨索數(shù)量，同時(shí)還要保證加固位置橫穿側(cè)滑面巖層，偏轉(zhuǎn)錨索到上游方向，對(duì)提高錨索加固效果有很大幫助。

參考文獻(xiàn)

［1］楊志華.山口巖拱壩碾壓混凝土現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)設(shè)計(jì)［J］.水利技術(shù)監(jiān)督，2013（05）：111-112.

［2］楊強(qiáng)，朱玲，翟明杰.基于三維非線性有限元的壩肩穩(wěn)定剛體極限平衡法機(jī)理研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005（19）：165-166.

［3］張林，費(fèi)文平，李桂林，等.高拱壩壩肩壩基整體穩(wěn)定地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005（19）：147-148.

［4］李建林，劉杰.隔河巖水電站廠房后邊坡與拱壩的相互作用研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007（03）：187-188.

［5］劉先珊，周創(chuàng)兵，盛永清，等.高拱壩動(dòng)力分析及壩肩穩(wěn)定性研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007（S1）：132-133.

［6］趙瑜，李曉紅，盧義玉，等.巖體三維非穩(wěn)定滲流模型及數(shù)值模擬［J］.中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2006（01）：101-102.

作者簡(jiǎn)介：顏加珍（1982年—），女，工程師。

收稿日期：2015-01-28

DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.02.020

中圖分類號(hào)：TV642.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-2469（2016）02-0054-02