斷層對(duì)孟底溝高拱壩壩肩變位及穩(wěn)定性的影響研究

吳玉龍，張建海，李仁鴻，胡　筱，黃志剛

(1.四川大學(xué) 水利水電學(xué)院水力學(xué)及山區(qū)河流開發(fā)與保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 成都 610065；2.中國(guó)水電顧問集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院， 四川 成都 610072)

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斷層對(duì)孟底溝高拱壩壩肩變位及穩(wěn)定性的影響研究

吳玉龍1，張建海1，李仁鴻2，胡筱2，黃志剛1

(1.四川大學(xué) 水利水電學(xué)院水力學(xué)及山區(qū)河流開發(fā)與保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 成都 610065；2.中國(guó)水電顧問集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院， 四川 成都 610072)

孟底溝水電站高拱壩由于左岸壩肩巖體受到f1、f2、f6斷層的切割，使得左壩肩形成了四個(gè)大塊體。由于f6與庫(kù)水連通，若不做處理，蓄水后作用在f6上的全水頭滲壓勢(shì)必將使左岸壩肩巖體向河谷變形。因此左壩肩巖體變形連續(xù)性，拱壩壩體變位對(duì)稱性及壩肩控制性滑塊穩(wěn)定性成為該工程的突出問題。充分考慮左岸壩肩斷層交匯和切割關(guān)系，采用剛體彈簧元法對(duì)上述問題進(jìn)行了計(jì)算分析和研究。結(jié)果表明：f6斷層水壓推力作用將使得斷層交匯處出現(xiàn)不連續(xù)變形，斷層產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)現(xiàn)象，斷層交匯點(diǎn)最大錯(cuò)動(dòng)位移達(dá)到2.03cm，同時(shí)削弱了拱壩壩體變位對(duì)稱性，左右半拱順河向和橫河向最大位移差分別為1.42cm和0.86cm；壩肩控制性滑移塊體穩(wěn)定安全系數(shù)下降，最大降幅可達(dá)18.19%。建議對(duì)f6進(jìn)行封堵或者置換處理，防止庫(kù)水侵入山體。

斷層錯(cuò)動(dòng)；壩體變位；滑塊穩(wěn)定；剛體彈簧元；孟底溝

孟底溝水電站[1]裝機(jī)240萬(wàn)kW(4×600 MW)，雙曲拱壩壩高200 m，位于四川省涼山州木里縣與甘孜州九龍縣交界的雅礱江干流上。水庫(kù)正常水位2 254.00 m，正常水位以下庫(kù)容8.535億m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容0.86億m3，具有日調(diào)節(jié)性能。

壩址位于孟底溝溝口下游約0.3 km處，壩址區(qū)河谷呈基本對(duì)稱“V”型谷，兩岸谷坡陡峻，右岸山體雄厚，左岸稍差，未發(fā)育沖溝。左岸山體基巖巖性為燕山早期中粒花崗閃長(zhǎng)巖，局部分布有后期熱氣液蝕變的淺色花崗巖化和黏土巖化蝕變巖帶。蝕變巖帶淺表部多強(qiáng)風(fēng)化，一般為弱風(fēng)化及浸染，呈淺黃—黃褐色，蝕變巖帶中部多發(fā)育張性裂隙或局部呈空縫，且被后期斷層改造利用，沿蝕變巖帶發(fā)育有f1、f2、f4、f5、f6等斷層(如圖1)。壩址區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，影響拱壩壩肩穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)面較多。其中，影響左岸壩肩穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)面主要為陡傾角斷層f1、f2、f3、f6、裂隙①、裂隙③,中陡傾角的裂隙④，緩傾角的特定結(jié)構(gòu)面HL02。

圖12 180 m高程平切圖

1　計(jì)算原理

孟底溝水電站進(jìn)行計(jì)算分析和研究的基本方法是剛體彈簧元法[2-3]。該方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：可模擬不連續(xù)變形，且計(jì)算簡(jiǎn)潔；可搜索最危險(xiǎn)滑塊；對(duì)初始應(yīng)力場(chǎng)無(wú)擾動(dòng)；能求出任意指定滑動(dòng)面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。該方法已成功用于錦屏高拱壩[4]、溪洛渡高拱壩[5]、小灣高拱壩[6]、百色重力壩[7]等大型水電工程壩肩(基)及邊坡穩(wěn)定性分析。

基本原理：假設(shè)模型由剛體單元以及分布在其接觸面上的彈簧元構(gòu)成，剛體單元本身不發(fā)生變形，變形能完全儲(chǔ)存在接觸面之間的彈簧元中，詳見參考文獻(xiàn)[8]。本次數(shù)值模擬采用的計(jì)算軟件是DRIG3D。

1.1滑移模式及滑動(dòng)方向判斷[9]

拱壩壩肩滑塊與基巖接觸面可以分為底滑面、側(cè)滑面以及下游切出面?；瑝K滑移模式由壓緊狀態(tài)面數(shù)NR決定，若NR等于0，則滑塊失穩(wěn)，滑動(dòng)方向?yàn)楹狭Ψ较?；若NR不等于0，則滑動(dòng)模式根據(jù)公式(1)進(jìn)行判斷：

(1)

(2)

圖2單滑及滑動(dòng)方向示意圖

(3)

圖3雙滑及滑動(dòng)方向示意圖

1.2抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算[10-11]

滑移塊體整體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)等于總阻滑力和總下滑力之比。公式(4)～公式(7)給出了滑移塊體總下滑力的具體計(jì)算公式，即：

上游拉裂面上滲壓力：

(4)

第i個(gè)滑動(dòng)面上的合力：

(5)

滑塊上作用的總合力：

(6)

總下滑力等于合力在滑移方向上的投影：

(7)

計(jì)算采用的規(guī)范為《混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范》[12](DL/T5346-2006)，由承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法推導(dǎo)出的計(jì)算滑塊整體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)公式(8)。

(8)

式中：Ks為穩(wěn)定安全系數(shù)；Fz為總阻滑力；Fh為總滑動(dòng)力；γ0為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，取1.1；ψ為設(shè)計(jì)狀況系數(shù)，取1.0；f1為抗剪斷摩擦系數(shù)；N為垂直于滑動(dòng)方向的法向力，103kN；C1為抗剪斷黏聚力，MPa；A為滑裂面的面積，m2；γd1為結(jié)構(gòu)系數(shù)，依照規(guī)范取1.2；γm1f、γm1c為材料性能分項(xiàng)系數(shù)，分別取2.4和3.0。

2　研究方案

如圖4所示，斷層f6通過左岸上游壩肩與庫(kù)水連通，蓄水后，從岸坡P點(diǎn)至帷幕線Q點(diǎn)的f6斷層將承受全水頭壓力。由于左岸壩肩巖體受到f1、f2、f6的切割，左壩肩形成了A、B、C、D四個(gè)大塊體，作用在PQ之間的全水頭滲壓勢(shì)必將使左岸壩肩巖體向河谷變形，從而對(duì)左岸壩肩巖體、拱壩壩體變位及壩肩滑塊穩(wěn)定性產(chǎn)生不利的影響。

本文針對(duì)以上問題，對(duì)f6斷層水推力對(duì)左岸斷層交匯處(圖4中P1、P2兩點(diǎn))錯(cuò)動(dòng)位移，拱壩壩體變位對(duì)稱性以及壩肩控制性滑移塊體穩(wěn)定安全系數(shù)的影響開展研究。

2.1計(jì)算模型及計(jì)算范圍

如圖1所示，計(jì)算模型坐標(biāo)原點(diǎn)與大壩坐標(biāo)原點(diǎn)O相同。計(jì)算范圍：X方向(橫河向)共計(jì)取1 000 m，以指向左岸為正方向；Y方向(順河向)共計(jì)取800 m，以指向上游為正方向；鉛直向模型高程范圍1 800 m～2 460 m，以豎直向上為正方向[13]。計(jì)算模型(如圖5)共16 969個(gè)剖分節(jié)點(diǎn)，16 450個(gè)剛體單元，42 061個(gè)單元交界面[14]。

圖4　2 080 m工程地質(zhì)簡(jiǎn)化圖及f6水壓作用示意圖

圖5計(jì)算模型

2.2計(jì)算工況

本文采用兩種工況(工況1、工況2)進(jìn)行計(jì)算分析，兩個(gè)工況均施加上游正常水位2 254.0 m，下游無(wú)水(高程2 059.0 m)及帷幕排水正常(帷幕折減系數(shù)α1=0.4，排水折減系數(shù)α2=0.2)條件，同時(shí)施加設(shè)計(jì)溫降變溫荷載。除此之外，工況2還在左岸上游2 070.0 m至2 200.0 m高程f6斷層出口處P點(diǎn)至帷幕與f6斷層交匯處Q點(diǎn)之間的f6斷層施加如圖4所示的水壓推力作用。淤沙高程2 106.2 m(浮密度0.5 t/m3，內(nèi)摩擦角0°)。

2.3左岸典型滑塊

限于篇幅，本文著重研究如圖6所示的左岸四個(gè)典型滑塊[15]在工況1、工況2作用下的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。表1、表2分別為左岸典型滑塊及計(jì)算產(chǎn)狀統(tǒng)計(jì)表和左岸典型滑塊滑動(dòng)面力學(xué)參數(shù)表(設(shè)計(jì)院提供)。

表1　左岸典型滑塊及計(jì)算產(chǎn)狀統(tǒng)計(jì)表

注：以上滑塊均以f1斷層為側(cè)滑面，計(jì)算產(chǎn)狀為N70°W/NE∠75°。

表2　左岸典型滑塊滑動(dòng)面力學(xué)參數(shù)

圖6左岸典型滑塊及主滑方向圖

2.4物理力學(xué)參數(shù)

孟底溝壩體混凝土主要參數(shù)：混凝土密度2.4 t/m3，彈性模量24.0 GPa，泊松比0.17，線膨脹系數(shù)1.0×10-5/℃。表3為各類巖層物理力學(xué)參數(shù)計(jì)算選用值。(設(shè)計(jì)院提供)

表3　巖體物理力學(xué)參數(shù)

2.5計(jì)算結(jié)果及分析

(1) 如圖7所示，孟底溝拱壩河谷形態(tài)對(duì)稱。工況1左右壩肩變形對(duì)稱性良好，左右拱端變形差較小。但是工況2由于f6斷層沿PQ作用有水推力，使得左拱端順河向變位增大，兩岸壩肩變形差加劇。如表4所示，拱壩下游面左拱端最大順河向變位出現(xiàn)在2 155 m高程，由工況1的2.07 cm變?yōu)楣r2的2.80 cm，增加了0.73 cm。工況2最大順河向位移差出現(xiàn)在2 118 m高程，該高程下游面左拱端順河向變位2.33 cm，右拱端順河向變位0.91 cm，位移差1.42 cm，比工況1的左右拱端最大變位差0.82 cm增大了0.6 cm，增幅達(dá)到73.17%。

從壩體橫河向變位看，工況2左右半拱變位對(duì)稱性也弱于工況1。無(wú)f6斷層水壓推力作用時(shí)，最大橫河向位移差出現(xiàn)在2 165 m高程，該高程下游壩面左拱端橫河向變位0.08 cm，右拱端橫河向變位0.95 cm，位移差0.86 cm。比工況1最大橫河向位移差(出現(xiàn)在2 110 m高程)的0.34 cm增大了0.52 cm。

圖7　工況1壩體下游面位移等值線圖

注：負(fù)號(hào)代表位移方向與坐標(biāo)系定義的正方向相反。

(2) 水庫(kù)蓄水后，在f6斷層無(wú)水推力作用的工況1條件下，各高程平切面P1、P2兩點(diǎn)最大錯(cuò)動(dòng)位移(出現(xiàn)在2 080 m高程)分別為0.12 cm、0.29 cm，壩肩巖體變位均勻，無(wú)位移突變現(xiàn)象(見圖8(a))。工況2由于f6斷層沿PQ作用有水推力，斷層交匯點(diǎn)出現(xiàn)位移不連續(xù)變化，表明出現(xiàn)斷層位移錯(cuò)動(dòng)現(xiàn)象(見圖8(b)，變位在斷層交匯點(diǎn)出現(xiàn)集中現(xiàn)象)。各高程平切面P1點(diǎn)錯(cuò)動(dòng)位移最大值由工況1的0.12 cm變?yōu)榱斯r2的2.03 cm(出現(xiàn)在2 080 m高程)，增加了1.91 cm；P2點(diǎn)錯(cuò)動(dòng)位移最大值由工況1的0.29 cm變?yōu)榱斯r2的2.01 cm(出現(xiàn)在2 080 m高程)，增加了1.73 cm。

圖82 080 m平切面順河向位移等值線圖

(3) 由表5可知，f6斷層沿PQ作用有水推力(工況2)時(shí)，左岸部分控制性滑移塊體穩(wěn)定安全系數(shù)下降。其中，L12其穩(wěn)定安全系數(shù)由工況1的4.188變?yōu)榱斯r2的3.426，下降了18.19%。L1滑塊穩(wěn)定安全系數(shù)由工況1的1.827變?yōu)榱斯r2的1.762，下降了3.56%。

3　結(jié)　論

(1) f6斷層沿PQ作用水推力將使斷層交匯處出現(xiàn)不連續(xù)變形，斷層產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)現(xiàn)象，2 080 m高程平切面P1、P2點(diǎn)最大錯(cuò)動(dòng)位移分別達(dá)到2.03 cm和2.01 cm。

表5　控制性滑塊穩(wěn)定安全系數(shù)

注：滑塊L1、L1P均表現(xiàn)為單滑，L7a、L12均表現(xiàn)為雙滑。

(2) f6斷層沿PQ作用水推力將加劇左拱端順河向變位，并削弱拱壩壩體變位對(duì)稱性。與f6斷層無(wú)水推力作用相比，壩體下游面左拱端變位最大值增加了0.73 cm；壩體下游面左右拱端順河向最大變位差為1.42 cm，增加了0.60 cm；橫河向最大變位差為0.86 cm，增加了0.52 cm。

(3) f6斷層沿PQ作用水推力將使拱壩壩肩控制性滑移塊體穩(wěn)定安全系數(shù)下降，其中滑塊L12降幅度最大，可達(dá)到18.19%。

(4) 鑒于f6斷層作用水推力將產(chǎn)生以上不利影響，建議對(duì)f6斷層進(jìn)行置換封堵、灌漿、排水處理，防止庫(kù)水侵入山體從而保證左壩肩巖體變形協(xié)調(diào)性。

[1]中國(guó)水電顧問集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.孟底溝水電站可行性研究報(bào)告-工程地質(zhì)[R].成都：中國(guó)水電顧問集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，2015.

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The Effect of Faults to Displacement and Stability of the Mengdigou High Arch Dam Abutment

WU Yulong1, ZHANG Jianhai1, LI Renhong2, HU Xiao2, HUANG Zhigang1

(1.StateKeyLaboratoryofHydraulicsandMountainRiverDevelopmentandProtection,CollegeofWaterResource&Hydropower,SichuanUniversity,Chengdu,Sichuan610065,China;2.ChinaHydropowerEngineeringConsultingGroupChengduDesign&ResearchInstitute,Chengdu,Sichuan610072,China)

The left bank rock mass of Mengdigou high arch dam abutment is cut by f6、f1、f2 faults, resulting in four big blocks in left abutment. Since the f6 fault is opening to the reservoir, if not treated, the rock mass of dam abutment in left bank is bound to deform towards valley due to the full head of seepage pressure acting on f6 fault after reservoir impounding. Therefore, the deformation continuity of the rock mass in left bank abutment, the displacement symmetry of the arch dam and the governing slip blocks’ stability of the dam abutment are prominent issues in this project. Rigid body-spring element method was used to analyze and study above issues in full consideration of faults intersecting and cutting in left bank abutment. Because of the hydraulic thrust acting on f6 fault, the results show that discontinuous deformations appear at the fault intersections, and the maximum displacement of dislocation at the fault intersections is 2.03 cm. The displacement symmetry of the arch dam is weakened for the maximum displacement differences of the left and right arch abutment at vertical and horizontal direction are respectively 1.42 cm and 0.86 cm. The stability safety factors of the governing slip blocks in dam abutment are decreased and the maximum decrease is 18.19%. The closure and replacement measures of opening f6 are suggested to prevent water intruding into the mountain.

fault dislocation; dam displacement; slip stability; rigid body-spring element method; Mengdigou

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.04.028

2016-03-24

2016-04-17

吳玉龍(1989—)，男，四川安岳人，碩士研究生，研究方向?yàn)閹r土工程數(shù)值模擬、大壩與基礎(chǔ)工程。E-mail：wuyulongscu@163.com

TV642.4+5

A

1672—1144(2016)04—0141—06