某重力壩復(fù)雜基礎(chǔ)深層抗滑穩(wěn)定分析

王子健++陳志揚(yáng)

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2017.14.045

摘 要：復(fù)雜基礎(chǔ)的重力壩深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算是重力壩設(shè)計(jì)或復(fù)核的重難點(diǎn)。常規(guī)的剛體極限平衡法無(wú)法準(zhǔn)確客觀地尋找到最危險(xiǎn)滑動(dòng)面，該文以浙江省某水庫(kù)重力壩為例，采用基于強(qiáng)度折減法的有限元分析，對(duì)正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水位這三種工況分別進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，計(jì)算穩(wěn)定安全系數(shù)均能滿足設(shè)計(jì)要求。通過本文實(shí)例，希望能為今后的類似工程設(shè)計(jì)提供一定的借鑒作用。

關(guān)鍵詞：重力壩 抗滑穩(wěn)定 有限元 強(qiáng)度折減法 復(fù)雜基礎(chǔ)

中圖分類號(hào)：TV22 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）05（b）-0045-05

Anti-sliding Stability Analysis of One Gravity Dam on Complex Foundation

Wang Zijian Chen Zhiyang

（Zhejiang Design Institute of Water Conservancy & Hydro-electric Power， Hangzhou Zhejiang， 310002， China）

Abstract： Anti-sliding stability analysis of gravity dam on complex foundation is a key point in gravity dam design. Regular limited equilibrium method cant help to find the most dangerous failure surface exactly and objectively. In this paper， anti-sliding stability analysis of a gravity dam in Zhejiang is simulated by FEM under three different conditions， based on strength reduction method. Results show that the calculating safety factors meet specification requirements. The study results provide a reference for similar projects.

Key Words： Gravity dam； Anti-sliding stability； FEM； Strength reduction method； Complex foundation

重力壩抗滑穩(wěn)定計(jì)算一直是重力壩設(shè)計(jì)的重難點(diǎn)之一。規(guī)范中常規(guī)的抗滑計(jì)算是復(fù)核重力壩建基面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，然而從實(shí)際情況來(lái)看，一般的大壩也不會(huì)出現(xiàn)在建基面上失穩(wěn)的情況，更多地會(huì)出現(xiàn)深層滑動(dòng)安全隱患。一般來(lái)說(shuō)，大壩基礎(chǔ)很少是完整的巖體，均或多或少地存在軟弱結(jié)構(gòu)層，深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算大多采用剛體極限平衡法，如何考慮多條軟弱結(jié)構(gòu)層的綜合作用，尋找到最不利滑動(dòng)面，具有較大的隨機(jī)性和不確定性，同時(shí)也要求設(shè)計(jì)人員具有較豐富的工程經(jīng)驗(yàn)。該文結(jié)合浙江省某水庫(kù)重力壩的安全鑒定工作，對(duì)該重力壩進(jìn)行了基于強(qiáng)度折減法的有限元數(shù)值計(jì)算，詳細(xì)分析了該壩基礎(chǔ)在三條不利軟弱結(jié)構(gòu)層共同作用時(shí)的深層抗滑穩(wěn)定安全狀況，為今后類似的工程提供借鑒作用。

1 工程概況

浙江省某水庫(kù)始建于1964年12月。初建時(shí)水庫(kù)庫(kù)容850萬(wàn)m3，為小一型水庫(kù)，主壩為漿砌塊石重力壩，壩高29.3 m，壩頂高程66.96 m。1977—1990年進(jìn)行水庫(kù)擴(kuò)建，大壩在原來(lái)的漿砌塊石重力壩的基礎(chǔ)上加高加寬，擴(kuò)建為細(xì)骨料混凝土砌塊石重力壩，擴(kuò)建后壩高44.5 m，總庫(kù)容2 838萬(wàn)m3，并在原溢洪道上修建副壩。2003年至2004年對(duì)主副壩進(jìn)行除險(xiǎn)加固，加固的主要內(nèi)容：在主壩上游面高程47.16～73.16m間增設(shè)30 cm厚C25W6F50鋼筋混凝土防滲面板，高程73.16～82.16 m采用HK-SN-918防水護(hù)面劑防滲，重打廊道內(nèi)壩基排水孔。副壩上游面采用HK-SN-918防水護(hù)面劑防滲，增設(shè)上游側(cè)防滲帷幕一道。新建放空預(yù)泄洞，進(jìn)行電站改造及泄洪渠治理。2009年4月對(duì)主壩一、二期混凝土接觸面進(jìn)行化學(xué)灌漿處理。水庫(kù)大壩現(xiàn)狀見圖1。

該重力壩建成時(shí)間較早，且后期又進(jìn)行過加高加寬改造，而壩基又存在多條軟弱結(jié)構(gòu)帶，因此，對(duì)該壩進(jìn)行安全鑒定時(shí)，其抗滑穩(wěn)定安全分析是整個(gè)工作的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

2 抗滑穩(wěn)定分析方法

根據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL319-2005）規(guī)范要求，重力壩抗滑穩(wěn)定計(jì)算主要核算壩基面滑動(dòng)條件，一般采用抗剪斷強(qiáng)度或者抗剪強(qiáng)度兩種公式進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式如下：

抗剪斷強(qiáng)度計(jì)算公式：

（1）

抗剪強(qiáng)度計(jì)算公式：

（2）

其中：K`為按抗剪斷強(qiáng)度計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；K為按抗剪強(qiáng)度計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f`為壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪斷摩擦系數(shù)；f為壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪摩擦系數(shù)；c`為壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪斷凝聚力；A為壩基接觸面截面積；∑W為作用于壩體上全部荷載對(duì)滑動(dòng)平面的法向分值∑P為作用于壩體上全部荷載對(duì)滑動(dòng)平面的切向分值。

當(dāng)壩基巖體內(nèi)存在軟弱結(jié)構(gòu)面、緩傾角裂隙時(shí)，需核算深層抗滑穩(wěn)定。根據(jù)滑動(dòng)面的分布情況綜合分析后，可分為單滑面、雙滑面和多滑面計(jì)算模型，以剛體極限平衡法計(jì)算為主。然而，在實(shí)際存在復(fù)雜軟弱結(jié)構(gòu)面的壩基條件時(shí)，往往不同的滑動(dòng)面選擇計(jì)算所得到的結(jié)果相差很大，難以找到最不利的滑動(dòng)面，具有較大的經(jīng)驗(yàn)性和偶然性。在復(fù)雜基礎(chǔ)抗滑穩(wěn)定分析時(shí)，可采用有限元數(shù)值模擬的方式，對(duì)基礎(chǔ)復(fù)雜軟弱結(jié)構(gòu)面進(jìn)行數(shù)值模擬，分析出最不利的滑動(dòng)條件，求得相應(yīng)的滑動(dòng)穩(wěn)定安全系數(shù)。

該次計(jì)算采用有限元強(qiáng)度折減法，強(qiáng)度折減法最早是由Zienkiewics[1]提出，通過對(duì)材料原有強(qiáng)度的折減，找到結(jié)構(gòu)物穩(wěn)定的臨界狀態(tài)，臨界狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的折減系數(shù)即結(jié)構(gòu)物的安全穩(wěn)定系數(shù)。強(qiáng)度折減法應(yīng)用于邊坡穩(wěn)定已有較多的工作[2-4]，對(duì)應(yīng)于重力壩而言，是指將壩基巖體的真實(shí)抗剪強(qiáng)度除以一個(gè)折減系數(shù)F后再進(jìn)行塑性計(jì)算，并以一定梯度逐漸增大F的大小，直到達(dá)到極限破壞狀態(tài)為止，此時(shí)的折減系數(shù)即為重力壩的抗滑穩(wěn)定系數(shù)。其計(jì)算公式為：

c`=c/F （3）

Φ`=arctan（tanΦ/F） （4）

式中：c，Φ為巖土體真實(shí)的粘聚力和內(nèi)摩擦角；c`，Φ`為折減后的粘聚力和內(nèi)摩擦角。

此次計(jì)算采用摩爾庫(kù)倫彈塑性本構(gòu)模型，簡(jiǎn)稱M-C模型。M-C模型基于理想彈塑性理論，由于加入了塑性理論，可以比較準(zhǔn)確的描述巖土體的塑性破壞作用，相對(duì)于傳統(tǒng)彈性模型而言有很大進(jìn)步，考慮了大小主應(yīng)力的影響，M-C模型屈服面為六棱錐形（如圖2）。

3 建模計(jì)算與結(jié)果分析

3.1 重力壩模型及計(jì)算參數(shù)

選取主壩典型斷面進(jìn)行有限元分析，斷面圖（如圖3）。

其中，主要的軟弱結(jié)構(gòu)帶有：

#22軟弱夾層，產(chǎn)狀310°SW∠25°，寬度3～10 cm不等，呈扁片狀花崗巖碎片，厚1～3 mm，其中部分為弱風(fēng)化。該斷層一直延伸至一期壩基下，從壩基斷層縫內(nèi)有滲水，流量估計(jì)10～15 mL/s，斷層面凹凸不平，面上呈有黃綠色鐵錳質(zhì)染及絹云母化蝕變，性質(zhì)差。

#26軟弱夾層，產(chǎn)狀310°SW∠16°，寬度2～5 cm，呈壓扁片狀，并有次生黃泥零星充填于空隙之間，厚1～2 mm，斷層上下壁及破碎巖片均為黃褐色鐵錳質(zhì)染。

#27軟弱夾層，產(chǎn)狀280°～310°SW∠12°～25°，寬2～10 mm，局部為30～300 mm，性質(zhì)自巖面至4 m深內(nèi)為淺黃、淺灰、灰黑色粘性土，另為花崗巖壓扁片狀碎片，兩側(cè)為綠色蝕變礦物薄膜染。屬于構(gòu)造擠壓錯(cuò)動(dòng)，傾向下游，分布范圍較廣。

采用GeoStudio軟件進(jìn)行有限元建模計(jì)算，其中單元5 439個(gè)，節(jié)點(diǎn)5 528個(gè)，模型中考慮了#22、#26、#27三條軟弱夾層，模型如圖4。

根據(jù)地質(zhì)提供的建議，重力壩及基礎(chǔ)的計(jì)算參數(shù)如表1。

計(jì)算采用正常蓄水位（72.16 m）、設(shè)計(jì)洪水位（79.21 m）與校核洪水位（82.02 m）工況，考慮靜水壓力和揚(yáng)壓力作用的影響。

3.2 計(jì)算成果

重力壩抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)可以定量地反映大壩的安全程度，采用有限元強(qiáng)度折減法，折減系數(shù)由1開始，每次增加0.1作為梯度，并以節(jié)點(diǎn)最大位移突變作為判別指標(biāo)，計(jì)算得到了節(jié)點(diǎn)最大垂直位移隨折減系數(shù)的變化情況，如圖5所示，校核洪水位且F=1時(shí)的大壩應(yīng)力和沉降見圖6。

根據(jù)結(jié)果可知，隨著折減系數(shù)的逐漸增大，重力壩壩體和巖基的節(jié)點(diǎn)最大位移均逐漸增大，后期會(huì)發(fā)生突然增大。位移數(shù)值突然增大，說(shuō)明結(jié)構(gòu)在該折減系數(shù)下達(dá)到極限狀態(tài)，計(jì)算已開始不收斂。此時(shí)的折減系數(shù)即為該工況下的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。

正常蓄水位工況時(shí)的安全系數(shù)為3.3，設(shè)計(jì)洪水位工況時(shí)的安全系數(shù)為3.1，均大于規(guī)范規(guī)定的3.0；校核洪水位工況時(shí)的安全系數(shù)為3.0，大于規(guī)范規(guī)定的2.5。由此可知，三種工況下的重力壩深層抗滑穩(wěn)定均滿足規(guī)范要求。計(jì)算結(jié)果見表2。

4 結(jié)語(yǔ)

該文結(jié)合浙江省某水庫(kù)重力壩，研究了該重力壩復(fù)雜基礎(chǔ)深層抗滑穩(wěn)定，結(jié)論如下。

（1）壩體在正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水位工況下的安全系數(shù)分別為3.3、3.1和3.0，滿足規(guī)范要求。

（2）對(duì)于存在復(fù)雜軟弱面或斷層的壩基，常規(guī)的剛體極限平衡法已無(wú)法準(zhǔn)確客觀地找出最危險(xiǎn)滑動(dòng)面，建議采用基于強(qiáng)度折減法的有限元計(jì)算，希望能為今后的類似工程設(shè)計(jì)提供一定的借鑒作用。

參考文獻(xiàn)

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