三河口碾壓混凝土拱壩地基處理研究

王　棟，張建華，周秋景，楊　波

（1.陜西省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院，陜西西安，710001；2.中國水利水電科學(xué)研究院，北京，100038）

三河口碾壓混凝土拱壩地基處理研究

王棟1，張建華1，周秋景2，楊波2

（1.陜西省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院，陜西西安，710001；2.中國水利水電科學(xué)研究院，北京，100038）

為有效研究三河口拱壩的地基處理方法，采用非線性有限元法對比分析了軟弱夾層處理前后壩體和基礎(chǔ)的變形、屈服狀態(tài)和安全度，根據(jù)非線性成果進(jìn)一步分析了抗力體潛在滑塊的抗滑穩(wěn)定性，依據(jù)以上成果提出了主要斷層的工程處理措施。

非線性；超載；剛體極限；地基處理

1　工程概述

陜西省引漢濟(jì)渭工程屬于跨流域調(diào)水工程，是解決關(guān)中、陜北缺水問題的戰(zhàn)略性水資源配置工程。工程規(guī)模為大（1）型，地跨黃河、長江兩大流域，穿越秦嶺屏障，分為調(diào)水、輸配水兩大部分。調(diào)水工程主要由黃金峽水庫、三河口水庫、秦嶺輸水隧洞組成；輸配水工程由南干線、過渭干線、渭北東干線和西干線組成。

三河口水利樞紐為引漢濟(jì)渭工程的兩個(gè)水源之一，壩址位于佛坪縣與寧陜縣交界的子午河峽谷段，是整個(gè)調(diào)水工程的調(diào)蓄中樞，壩址斷面多年平均徑流量8.70億m3。水庫正常蓄水位643 m，死水位558 m，總庫容7.1億m3，調(diào)節(jié)庫容6.5億m3。攔河壩為碾壓混凝土拋物線拱壩，壩頂高程646 m，最大壩高145 m，壩頂寬9 m，拱冠壩底厚37 m，壩頂上游弧長472.15 m，最大中心角92.04°，壩體混凝土方量100萬m3。泄洪建筑物由壩身泄洪表孔、泄洪底孔及下游消能防沖建筑物等組成。三個(gè)泄洪表孔沿拱壩中心線布置，孔口尺寸15 m×15 m（寬×高），堰頂高程628 m；兩個(gè)底孔布置在550 m高程，相間布置在3個(gè)泄洪表孔中間，孔口尺寸4 m×5 m（寬×高）。壩后布置電站廠房，廠內(nèi)布置兩臺常規(guī)機(jī)組和兩臺雙向機(jī)組，常規(guī)機(jī)組單機(jī)容量20 MW，雙向機(jī)組單機(jī)容量10 MW，總裝機(jī)60 MW。

2　地質(zhì)概況

壩址主要出露變質(zhì)砂巖及結(jié)晶灰?guī)r（局部夾有偉晶巖脈及石英脈），二者的飽和抗壓強(qiáng)度、縱波波速、完整性、巖體結(jié)構(gòu)類型、巖體分類等基本一致，而在不同風(fēng)化帶內(nèi)的巖體工程地質(zhì)特征差別明顯，具有分帶性。如強(qiáng)風(fēng)化變質(zhì)砂巖及結(jié)晶灰?guī)r，均屬BⅣ2類壩基巖體，巖體呈碎裂～散體狀，飽和抗壓強(qiáng)度、縱波波速、完整性普遍很低；微風(fēng)化變質(zhì)砂巖及結(jié)晶灰?guī)r均屬AⅡ類壩基巖體，巖體呈次塊狀，飽和抗壓強(qiáng)度、縱波波速、完整性普遍較高；弱風(fēng)化上帶變質(zhì)砂巖及結(jié)晶灰?guī)r均屬AⅢ2類壩基巖體，弱風(fēng)化下帶變質(zhì)砂巖及結(jié)晶灰?guī)r均屬AⅢ1類壩基巖體。

壩基抗滑穩(wěn)定主要受各類結(jié)構(gòu)面控制，緩傾角結(jié)構(gòu)面構(gòu)成底滑面，順河向結(jié)構(gòu)面構(gòu)成側(cè)滑面，垂直于河流走向的結(jié)構(gòu)面切割巖體構(gòu)成上游拉裂面，下游溝谷及變形模量較低的斷層帶構(gòu)成臨空面，結(jié)構(gòu)面組合塊體在拱端推力作用下可能沿底滑面或底滑面與側(cè)滑面的交線滑動(dòng)。左岸主要斷層為f44、f58和f60，見圖1，右岸主要斷層為f14、f44、f45和f57，見圖2。

圖1　左岸主要斷層三維圖Fig.1 3D view of the main fault on the left bank

圖2　右岸主要斷層三維圖Fig.2 3D view of the main fault on the right bank

3　非線性有限元計(jì)算

3.1非線性計(jì)算內(nèi)容

三河口壩址較為復(fù)雜的地質(zhì)、地形條件使拱壩的應(yīng)力、穩(wěn)定、極限承載能力和整體安全性具有不確定性，有必要對拱壩的極限承載能力和整體安全進(jìn)行多方法、多層次的研究。大壩加載后，局部基礎(chǔ)巖石和壩體混凝土應(yīng)力超過強(qiáng)度，材料出現(xiàn)屈服，為一材料非線性問題，須用材料非線性有限元方法對其進(jìn)行綜合評判，可采用增量和迭代相結(jié)合的方法，即荷載的施加采用增量法，而每個(gè)荷載增量步內(nèi)的材料非線性采用迭代法。主要研究內(nèi)容包括：（1）拱壩和基礎(chǔ)的變形破壞機(jī)理，各破壞階段的評判指標(biāo)和依據(jù)；（2）大壩開裂、屈服變形破壞、大壩基巖失穩(wěn)的極限狀態(tài)。

3.2模型建立

計(jì)算采用中國水利水電科學(xué)研究院的SAPTIS有限元分析程序，模型中考慮了拱壩壩體、基巖材料分區(qū)，不僅包括前述左、右岸主要斷層，還模擬了軟弱帶、裂隙等，具體見圖3、圖4?；鶐r、壩體和軟弱帶均采用8節(jié)點(diǎn)6面體等參單元，部分壩體與基礎(chǔ)面接觸部位采用8節(jié)點(diǎn)簡化棱柱體單元，其中基礎(chǔ)包含95 891個(gè)單元，壩體12 320個(gè)單元。

圖3　整體網(wǎng)格（包含基礎(chǔ)分區(qū)）Fig.3 Whole grid(foundation areas included)

圖4　構(gòu)造網(wǎng)格Fig.4 Structure grid

3.3地基處理前后分析對比

第1種工況為軟弱夾層未經(jīng)處理，主要斷層和裂隙取原始強(qiáng)度，第2種工況為右岸斷層f14、f57和左岸斷層f60經(jīng)過處理，處理后斷層強(qiáng)度取混凝土強(qiáng)度的一半，即摩擦系數(shù)取0.7，粘聚力取0.7 MPa，抗拉強(qiáng)度仍取為0，彈性模量取為混凝土強(qiáng)度的0.5倍。分析主要斷層處理對結(jié)構(gòu)安全度的影響。

3.3.1變形

不同超載時(shí)段，壩體各點(diǎn)變形規(guī)律有差異。超載倍數(shù)較小時(shí)，壩體變形與超載倍數(shù)間基本呈線性關(guān)系，說明壩體和基礎(chǔ)處于彈性狀態(tài)；隨著超載倍數(shù)增大，變形曲線開始出現(xiàn)拐點(diǎn)，在相同的荷載增幅下，變形快速增大，說明壩體快速向塑性狀態(tài)發(fā)展，并很快達(dá)到最大超載能力，壩體塑性或屈服區(qū)完全貫通，無法進(jìn)一步承受荷載?；A(chǔ)主要斷層未處理時(shí)的最大超載倍數(shù)為5.2，處理后的最大超載倍數(shù)為5.5。

3.3.2屈服狀態(tài)

三河口拱壩超載過程中的屈服過程表現(xiàn)為：壩踵部位首先受拉屈服，隨荷載增大，屈服范圍向基巖下部和建基面下游方向逐漸延伸。隨后下游面上部出現(xiàn)屈服區(qū)，并逐步向下部和上游面方向擴(kuò)展，一旦上下游屈服區(qū)貫通，結(jié)構(gòu)完全破壞。圖5為主要斷層經(jīng)處理后，基巖夾層分別在不同荷載作用下的屈服情況。基巖軟弱帶在正常荷載作用時(shí)局部已出現(xiàn)屈服，隨荷載增大，建基面屈服區(qū)逐漸增大，2.8倍超載時(shí)建基面軟弱夾層絕大部分均已屈服，這是由于構(gòu)造帶強(qiáng)度偏低，尤其是近壩基部分，更易屈服。因基礎(chǔ)的整體作用，超載倍數(shù)較低時(shí)，盡管已出現(xiàn)屈服區(qū)，但上下游未貫通。經(jīng)處理的主要斷層在超載過程中幾乎沒有破壞，這是因?yàn)榛A(chǔ)整體承受壩體傳遞的上游水推力，內(nèi)部主要是受壓或壓剪狀態(tài)，并且壓剪狀態(tài)下剪應(yīng)力會(huì)分散在基巖范圍內(nèi)，其所受剪力不太大，而未經(jīng)處理的斷層，其強(qiáng)度很低，在較小的剪切作用下就會(huì)屈服。

3.3.3安全度

斷層未處理時(shí)，壩踵開始開裂時(shí)的超載系數(shù)K1為1.0，裂縫裂至帷幕時(shí)超載系數(shù)K2為1.3，壩體屈服體積∕壩體整體體積與超載系數(shù)關(guān)系曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)時(shí)超載系數(shù)K3為1.6，大壩順河向位移關(guān)系曲線斜率突變時(shí)超載系數(shù)K4為4.6，最終不收斂時(shí)超載系數(shù)K5為5.2。斷層處理后，其相關(guān)系數(shù)分別為：1.0、1.3、1.6、4.9和5.5。

圖5　壩體建基面屈服圖（：未屈服區(qū)，其他為屈服區(qū)）Fig.5 Yielded foundation surface

4　地基處理設(shè)計(jì)

基于以上非線性有限元分析，基本明確了各主要斷層和裂隙的屈服過程，接下來進(jìn)一步有針對性地對壩肩進(jìn)行傳統(tǒng)的剛體極限平衡穩(wěn)定分析，以補(bǔ)充計(jì)算。計(jì)算時(shí)根據(jù)地質(zhì)建議的裂隙面、巖體抗剪指標(biāo)和裂隙連通率，將各力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)平均后作為各裂隙滑動(dòng)面的綜合力學(xué)參數(shù)。

限于篇幅，僅對右岸f57斷層構(gòu)成的典型塊體組合進(jìn)行分析。其滑動(dòng)模式：上游拉裂面＋斷層f57為側(cè)裂面＋緩傾角裂隙為底滑面＋下游自然臨空面，見簡圖6。計(jì)算成果見表1，可見此滑動(dòng)模式在基本組合1（正常蓄水位+溫降）和基本組合2（正常蓄水位+溫升）下，其抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K1未能達(dá)到規(guī)范要求（K1≥3.50）。

工程處理措施主要是采取C25混凝土硐塞置換和高壓固結(jié)灌漿對f57斷層進(jìn)行聯(lián)合加固處理。f57斷層帶寬度0.3～0.5 m，影響帶寬度2.0～4.0 m，充填糜棱巖?？裳?cái)鄬娱_挖抗剪洞，進(jìn)行混凝土硐塞，即置換部分?jǐn)鄬?，充分利用混凝土抗剪?qiáng)度高的特點(diǎn)，抵抗外部荷載，提高山體穩(wěn)定性。具體工程措施為：在555 m高程布置1條沿?cái)鄬幼呦?、長度為128 m的處理平硐，其斷面尺寸為5.0 m×6.0 m的城門洞型，同時(shí)在平硐內(nèi)向下、向上分別對斷層帶進(jìn)行高壓固結(jié)灌漿，灌漿孔沿洞線共設(shè)3排，排距1.2 m，孔距2.0 m，深度為15～30 m。高壓固結(jié)灌漿對結(jié)構(gòu)面抗剪斷強(qiáng)度的提高，僅作為安全貯備。右壩肩f57斷層處理前后的空間抗滑穩(wěn)定對比成果見表1，經(jīng)過工程處理后，壩肩穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。

圖6　右壩肩滑動(dòng)模式示意圖（541.0 m高程）Fig.6 Sliding mode of the right abutment

表1　基礎(chǔ)處理前后右壩肩滑動(dòng)模式（f57為側(cè)滑面）計(jì)算成果表（底滑面計(jì)算高程為541 m）Table 1 Calculation result of the sliding mode of right abutment before and after foundation treatment(f57 is side sliding sur?face and the elevation of bottom sliding surface is 541 m)

5　結(jié)語

分析了三河口拱壩開裂、屈服變形破壞過程，研究了大壩基巖失穩(wěn)的極限狀態(tài)，基本明確了影響壩肩穩(wěn)定的主要構(gòu)造是f14、f57和f60斷層，并研究了其屈服過程。基于以上非線性有限元分析，對潛在的滑動(dòng)體進(jìn)行了剛體極限平衡計(jì)算，提出了針對性的工程處理措施——混凝土硐塞置換和高壓固結(jié)灌漿聯(lián)合加固方式，處理后的壩肩穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。

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作者郵箱：wangdong9306@126.com

Title:Study on foundation treatment of Sanhekou RCC arch dam

by WANG Dong,ZHANG Jian-hua, ZHOU Qiu-jing and YANG Bo∕Shaanxi Province Institute of Water Resources and Electric Power In?vestigation and Design

In order to study effectively about the foundation treatment method for Sanhekou arch dam, by use of nonlinear finite element analysis,the deformation of dam body and foundation,yield state and degree of safety before and after the treatment of the main weak interlayer were studied.Based on the nonlinear results,anti-sliding stability of the potential slide block was analyzed.Accordingly,engineer?ing treatment measures for the main fault were advanced.

nonlinear;overload;rigid body limit;foundation treatment

TV51

B

1671-1092（2016）04-0020-04

2016-01-19；

2016-02-15

陜西省水利科技項(xiàng)目（編號：2015slkj-16）

王棟（1974-），男，陜西澄城人，高級工程師，主要從事水利工程設(shè)計(jì)。