水位下降對復(fù)雜地基重力壩深層抗滑穩(wěn)定分析
——以武都水庫重力壩19#壩段為例

劉 詠 梅

(湖南省水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 湖南 長沙 410131)

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水位下降對復(fù)雜地基重力壩深層抗滑穩(wěn)定分析
——以武都水庫重力壩19#壩段為例

劉 詠 梅

(湖南省水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 湖南 長沙 410131)

武都重力壩基巖地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，對壩體深層抗滑穩(wěn)定極為不利。為了研究水位下降對武都重力壩抗滑穩(wěn)定性的影響，以武都水庫重力壩19#壩段為例，采用有限元法計算了壩體在庫水位下降過程中的應(yīng)力應(yīng)變特性，重點研究壩基塑性破壞區(qū)的發(fā)展規(guī)律、壩體位移變化趨勢以及壩體抗滑穩(wěn)定性。結(jié)果表明：壩基塑性區(qū)主要分布在斷層10f2兩側(cè)，隨著上游水位的降低，塑性區(qū)的分布范圍逐漸減小，重力壩和壩基發(fā)生逆時針方向的傾倒變形，壩頂最為明顯；上游水位降低導(dǎo)致?lián)P壓力減小，壩體抗滑穩(wěn)定系數(shù)增大，在死水位時穩(wěn)定系數(shù)最大為3.0。說明隨著庫水位下降，重力壩抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)將逐漸增大。

抗滑穩(wěn)定；有限元法；塑性區(qū)；安全系數(shù)

武都水庫工程是武引二期的龍頭骨干工程，位于四川省江油市武都鎮(zhèn)上游4 km的涪江干流，主要建筑物有攔河大壩和壩后式廠房。攔河大壩為碾壓混凝土重力壩，最大壩高120 m，壩頂長727 m，設(shè)計庫容5.72億m3，屬國家大(Ⅰ)型水利工程，具有防洪、灌溉、生態(tài)供水、發(fā)電和旅游五大綜合效益。

由于武都水庫工程區(qū)位于龍門山褶斷帶前山構(gòu)造帶的北段，庫尾和庫首段分別有龍門山主中央斷裂和前山斷裂通過，且壩基巖溶洞穴、次級斷層破碎帶和層間錯動帶等軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育[1]。因此，武都水庫重力壩地質(zhì)條件十分復(fù)雜，且壩體跨度很大，導(dǎo)致重力壩的抗滑穩(wěn)定影響因素難以確定。

陳建葉等[2]以模型試驗為基礎(chǔ)，研究了武都碾壓混凝土重力壩17#壩段壩基整體失穩(wěn)的破壞過程、破壞形態(tài)和破壞機制，揭示影響壩基穩(wěn)定的控制性因素，獲得該壩段的滑動破壞機制與穩(wěn)定系數(shù)；張艷紅等[3]對武都重力壩混凝土進行彎拉強度和破壞過程的非線性分析，發(fā)現(xiàn)不同級配混凝土受初始靜載、加載速率的影響不同；李桂林等[4]采用ANSYS軟件對武都重力壩16#壩段、17#壩段剖面進行平面有限元分析，計算了庫空和運行工況下16#壩段、17#壩段壩體與地基的安全系數(shù)分別為2.8和2.2。

已有的武都重力壩研究主要針對壩體滑動破壞機制與穩(wěn)定性分析，而對于水位下降過程中壩基巖體塑性破壞區(qū)發(fā)展規(guī)律、壩體位移和壩基抗滑穩(wěn)定系數(shù)的研究還很少。因此，本文以武都重力壩19#壩段為例，計算了庫水位從校核洪水位開始下降的4種不同工況，旨在發(fā)現(xiàn)水位下降過程中重力壩底部基巖塑性破壞區(qū)的發(fā)展規(guī)律、壩體位移變化趨勢以及壩體抗滑穩(wěn)定性大小的變化規(guī)律，為大壩在各類運行工況下的穩(wěn)定性評估提供參考。

1　抗滑穩(wěn)定分析方法

目前，在重力壩設(shè)計中，計算不同運行工況的抗滑穩(wěn)定系數(shù)是一項重要內(nèi)容。工程上常采用傳統(tǒng)的剛體極限平衡法進行計算，即通過計算各壩段不同水平截面上的外加荷載及應(yīng)力，得出抗剪和抗剪斷穩(wěn)定安全系數(shù)。此法可用于地質(zhì)條件較好及巖層走向規(guī)律的重力壩計算，但對于包含了大量節(jié)理裂隙等復(fù)雜結(jié)構(gòu)面的基巖，極限平衡法計算量大增甚至無法計算[5-7]。

由于武都重力壩地基中分布有大量斷層和錯動帶，極限平衡法無法考慮大量不利結(jié)構(gòu)面。相比于傳統(tǒng)剛體極限平衡法，有限元法可以同時建立多個結(jié)構(gòu)面，還可以得到巖體的應(yīng)力應(yīng)變特征，更適合于地基復(fù)雜的重力壩深層抗滑穩(wěn)定分析[8-11]。因此，本文選用有限元法計算武都水庫重力壩的抗滑穩(wěn)定，計算采用的材料模型為常用的摩爾-庫倫模型[12-13]。

Zienkiewics O C等[14]在土工彈塑性分析中首次提出了強度折減法，此后廣泛應(yīng)用于各類巖土工程的穩(wěn)定性分析。強度折減法是指將壩基巖體的真實抗剪強度(黏聚力和內(nèi)摩擦角)除以一個折減系數(shù)F后再進行塑性計算，并以一定梯度逐漸增加F的大小，直到達到極限破壞狀態(tài)為止，即塑性區(qū)貫通重力壩壩基滑裂面，認為此時壩體失穩(wěn)，此時的折減系數(shù)即為重力壩的抗滑穩(wěn)定系數(shù)[15-17]。其計算公式為：

(1)

(2)

式中：c和φ為折減前巖體的黏聚力和內(nèi)摩擦角；c′和φ′為折減后的黏聚力和內(nèi)摩擦角。

2　武都重力壩19#壩段模型建立

根據(jù)地質(zhì)勘探測量報告得到了重力壩巖層走向及分布，發(fā)現(xiàn)基巖中存在較多的斷層等不利結(jié)構(gòu)面，對重力壩的深層抗滑穩(wěn)定不利，鑒于目前對于19#壩段的研究較少，本文選用19#壩段進行建模。為了更精確的反映19#壩段的地質(zhì)條件，構(gòu)建模型時考慮了重力壩底部的4條主要斷層，分別是F31、10f2、f115和f114。

最終重力壩19#壩段模型高110 m，基巖長500 m，寬180 m。模型建立后，網(wǎng)格劃分時注意將壩體與壩基附近巖體網(wǎng)格進行加密處理，模型含1 505個單元，12 247個節(jié)點，具體見圖1。

圖1武都重力壩19#壩段模型

根據(jù)相關(guān)資料，選取了重力壩基巖巖體力學(xué)參數(shù)和壩體參數(shù)，其中斷層組成物質(zhì)為斷層角礫巖、泥夾巖屑等，4條斷層巖性相差不大，因此材料參數(shù)取相同值，如表1所示。

表1　重力壩19#壩段模型有限元力學(xué)參數(shù)

本文的計算流程是按照上游庫水位從高程661 m(校核洪水位)開始，逐漸下降至658 m(正常蓄水位)、650 m和624 m(死水位)，分為共4個階段，并標(biāo)記為工況1～工況4，上游壩基高程559 m。相應(yīng)的水位設(shè)置見表2。

表2　相關(guān)計算工況設(shè)置

3　計算結(jié)果分析

3.1塑性破壞區(qū)分析

首先，根據(jù)表1中的參數(shù)進行有限元計算，得到了4種工況下不同水位時重力壩壩基的塑性破壞區(qū)，如圖2所示。

圖2不同工況下重力壩基巖塑性破壞區(qū)分布

由圖2可看出，4種工況下重力壩底部壩基的塑性區(qū)主要分布在斷層10f2上部兩側(cè)，以工況1校核洪水位為例，見圖2中(a)圖，塑性區(qū)左側(cè)與斷層F31相連，右側(cè)通過斷層10f2并一直延伸到重力壩與基巖相交處，塑性點集中區(qū)右側(cè)終止于壩體的中下底部位置，在下游壩基表層少量分布，而斷層f115并未發(fā)生塑性破壞。根據(jù)以往資料顯示，武都水庫重力壩19#壩段的失穩(wěn)模式是沿著斷層10f2和f115深層滑動破壞的，雖然上游壩基斷層10f2附近塑性區(qū)分布范圍較廣，但是并未與斷層f115形成貫通，所以可認為壩體的抗滑穩(wěn)定性良好。

此外，進一步分析4種工況下塑性區(qū)的發(fā)展趨勢，發(fā)現(xiàn)隨著上游水位的逐漸降低，塑性區(qū)的分布范圍也逐漸縮小。主要體現(xiàn)在斷層10f2兩側(cè)的塑性點明顯減少，下游壩基表面的塑性點基本消失。說明水位下降有利于提高武都水庫重力壩的壩基深層抗滑穩(wěn)定性。

3.2大壩位移分析

本文研究的4種工況是從校核洪水位開始的，因此，在分析水位下降對壩體位移變化的影響前，應(yīng)將初始時刻校核洪水位時壩體的位移做歸零處理。最終，得到了庫水位從校核洪水位下降后3種工況重力壩發(fā)生的水平位移，見圖3。

由于篇幅限制，僅給出工況2和工況4水平方向位移云圖，并規(guī)定水平位移向下游為正，向上游為負。分析可知，隨著水位的下降，壩體將發(fā)生偏向上游的水平位移，且壩頂變形最大，越往下變形越小。上游水深從校核洪水位時的102 m下降至99 m后，壩體將發(fā)生向左的水平位移，最大值位于壩頂，約3 cm；當(dāng)上游水深繼續(xù)下降至65 m時(死水位)，壩頂水平位移約5 cm，壩體中部位移約2 cm～4 cm，壩體上游與壩基交界處(壩踵)發(fā)生局部變形，數(shù)值約1 cm～2 cm。

圖3水位下降后重力壩發(fā)生的水平方向位移

圖4為水位下降后重力壩發(fā)生的位移矢量，箭頭方向代表壩體變形方向，箭頭大小為位移大小。分析重力壩變形方向，發(fā)現(xiàn)水位下降后重力壩和壩基發(fā)生逆時針方向的傾倒變形，壩基變形集中在斷層F31、10f2和f115附近。

圖4水位下降后重力壩位移矢量

3.3抗滑穩(wěn)定分析

重力壩的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)可定量的反映大壩的安全程度，本文采用有限元強度折減法計算了4種水位工況下重力壩的抗滑穩(wěn)定系數(shù)，計算結(jié)果見圖5。

圖5不同工況下重力壩抗滑穩(wěn)定系數(shù)

在上游水位處于校核洪水位時，重力壩壩基抗滑穩(wěn)定系數(shù)為2.2，當(dāng)水位下降至正常蓄水位時增加到2.4，而在水位下降至死水位時穩(wěn)定系數(shù)提高到3.0。分析原因，是由于隨著重力壩壩前水位的下降，導(dǎo)致壩體所受垂直向上的揚壓力有所減小，從而增大了重力壩作用在地基上的有效壓力，最終提高了重力壩壩基的抗滑能力，所以隨著壩前水位的下降，壩體抗滑穩(wěn)定能力有增大的趨勢，而在校核洪水位時穩(wěn)定性最低。

4　結(jié)　論

本文以武都水庫重力壩19#壩段為計算背景，研究了庫水位下降過程中重力壩壩基塑性破壞區(qū)的發(fā)展規(guī)律、壩體位移變化趨勢以及壩體抗滑穩(wěn)定性大小，得到以下結(jié)論：

(1) 武都重力壩塑性區(qū)主要分布在壩基斷層10f2兩側(cè)，且隨著上游水位的降低，塑性區(qū)的分布范圍逐漸減小，下游壩基表面的塑性點基本消失。水位下降對武都水庫重力壩的壩基深層抗滑穩(wěn)定有利。

(2) 隨著上游水位的降低，重力壩和壩基發(fā)生逆時針方向的傾倒變形，降低至死水位時壩頂最大水平位移約5 cm，越往下變形越小，壩踵處發(fā)生局部變形，數(shù)值約1 cm～2 cm。

(3) 上游水位降低導(dǎo)致?lián)P壓力減小，壩體抗滑穩(wěn)定系數(shù)增大，在校核洪水位時穩(wěn)定系數(shù)最小為2.2，在死水位時最大為3.0。表明大壩在各種運行工況下均能保持自身的穩(wěn)定。

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Deep Anti-sliding Stability Analysis of Gravity Dam Under Water Level Drawdown Condition: Case of Wudu 19#Dam

LIU Yongmei

(HunanTechnicalCollegeofWaterResourcesandHydropower,Changsha,Hunan410131,China)

Geological structure of the foundation of Wudu gravity dam is complex, which is extremely unfavorable to the stability of the dam. In order to analyze the influence of the water level drawdown to the stability of Wudu gravity dam, this paper taking Wudu Reservoir 19#dam as an example, and the finite element method was adopted to simulate the changing process of stress and strain characteristics under water level drawdown condition, with a special focus on the foundation of plastic failure zone development law, trend of dam displacement and dam anti slide stability of size. The results showed that the dam foundation of plastic zone were mainly distributed on both sides of the fault 10F2, with decrease of the upstream water level, plastic the distribution range decreased gradually, gravity dam and its foundation reversed clockwise toppling deformation, the crest was the most obvious; upper level reduced uplift pressure decreased with the increase of dam stability against sliding coefficient increases, stability coefficient was 3.0 in the dead water level. With the drawdown of reservoir water level, the safety factor of anti-sliding stability of gravity dam will be increased gradually.

anti-sliding stability; finite element method; plastic zone; safety factor

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.04.025

2016-05-01

2016-06-03

城市實現(xiàn)生態(tài)化防洪治澇措施建設(shè)探索研究(湖南教育廳13C581)

劉詠梅(1971—)，女，湖南株洲人，碩士，副教授，高級工程師，主要從事水工建筑物的研究工作。E-mail:3214770673@qq.com

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