瓦托水電站壩基抗滑穩(wěn)定研究

（中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，吉林長春130021）

瓦托水電站壩基抗滑穩(wěn)定研究

齊立偉，都興洋，鄭玉玲，寧衛(wèi)琦

（中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，吉林長春130021）

瓦托水電站廠房為壩后式廠房，受引水管道底高程控制采用上游建基面高、下游建基面低的布置方式，導(dǎo)致壩基抗滑穩(wěn)定計算存在沿壩基的雙滑面滑動問題，本文擬定了3種傳遞方式，并分別進行抗滑穩(wěn)定計算，最終的計算結(jié)果表明，采用壩基應(yīng)力分配法比采用自重分配法抗力作用比系數(shù)可提高約10%，壩體自重分配法過于保守，不能真實地反映壩基巖體的載荷分布情況,因此對于特殊雙滑面采用壩基應(yīng)力分配法比較合理。

重力壩；壩基；雙滑面穩(wěn)定計算；抗力作用比系數(shù)；瓦托水電站

1 概述

重力壩是靠自身重量維持穩(wěn)定的一種擋水建筑物，重力壩的失事往往是由壩體滑動導(dǎo)致的，因此抗滑穩(wěn)定成為研究壩體穩(wěn)定的主要課題。重力壩抗滑穩(wěn)定計算是設(shè)計重力壩首先要考慮的問題，抗滑穩(wěn)定分析主要有2種情況：一種是沿壩基面抗滑穩(wěn)定分析，另一種是深層抗滑穩(wěn)定分析。實際工程中，重力壩的廠房引水壩段經(jīng)常受引水管體型的控制采用上游建基面高、下游建基面低的布置方式，這就導(dǎo)致壩基抗滑穩(wěn)定計算存在沿壩基的雙滑面滑動問題。下面結(jié)合瓦托水電站發(fā)電廠房的壩式進水口壩段對重力壩雙滑面穩(wěn)定問題做具體分析。

2 工程概況

瓦托水電站工程在瀾滄江一級支流金河下游河段上，是金河水電規(guī)劃中的第五個梯級電站，壩址位于昌都市卡若區(qū)列巴村金河下游約2.5km處，在已建金河大壩上游約5.0km處，水庫總庫容0.1383×108m3，電站裝機容量50MW，是一座以發(fā)電為主的中型水電樞紐工程。瓦托水電站廠房為壩后式廠房，廠房受引水管道底高程控制采用上游建基面高、下游建基面低的布置方式，這就導(dǎo)致壩基抗滑穩(wěn)定計算存在沿壩基的雙滑面滑動問題，此次設(shè)計難點就是雙滑面滑動穩(wěn)定計算問題。

3 抗滑穩(wěn)定計算

重力壩壩基抗滑穩(wěn)定計算采用剛體極限平衡法，剛體極限平衡法是壩基巖體抗滑穩(wěn)定分析中應(yīng)用最廣泛且為規(guī)范所推薦的一種方法。它計算工作量小，有許多成功的工程實例,還具有與該方法相配套的安全判定標(biāo)準(zhǔn)。剛體極限平衡法假定壩基巖體可能滑動塊為不發(fā)生變形的剛體,以抗滑力(矩)與滑動力(矩)之比的抗力作用比系數(shù)作為穩(wěn)定安全系數(shù),以此安全系數(shù)判斷可能滑動塊是否失穩(wěn)。

瓦托水電站發(fā)電廠房壩式進水口壩段壩基基巖為細砂巖夾泥質(zhì)砂巖巖組（J1ch2）、泥質(zhì)砂巖與細砂巖互層巖組（J1ch1）。壩基巖體抗剪斷指標(biāo)見表1。發(fā)電廠房壩式進水口壩段抗滑穩(wěn)定分析簡圖見圖1。

表1 壩基巖體抗剪斷指標(biāo)表

由圖1可以看出，重力壩壩基可能的滑動面有2個，一個是沿ADBC面滑動，一個是沿ABC面滑動，沿ADBC面滑動可用常規(guī)的沿單滑面滑動進行計算，沿ABC面滑動則是沿AB和BC兩個滑動面滑動，即是沿雙滑面滑動問題。經(jīng)計算抗滑穩(wěn)定的控制工況為設(shè)計洪水位工況，下面僅就設(shè)計洪水位工況對2種滑動面的抗滑穩(wěn)定進行分析計算。

3.1 單滑面抗滑穩(wěn)定計算

單滑面抗滑穩(wěn)定計算可按常規(guī)的重力壩抗滑穩(wěn)定計算方法進行計算，經(jīng)計算設(shè)計洪水位工況的抗力作用比系數(shù)η=1.23，具體的計算公式，計算過程本文不再詳述。

3.2 雙滑面抗滑穩(wěn)定計算

取整個壩段為計算單元，計算簡圖見圖1。

圖1 雙滑面抗滑穩(wěn)定計算簡圖

3.2.1 計算方法

由圖1可以看出，滑動面不在一個平面上，無法按常規(guī)計算方法進行計算，參考相關(guān)規(guī)范，引用重力壩深層抗滑穩(wěn)定相關(guān)計算方法進行分析計算，既在轉(zhuǎn)折點處（圖中B點）將重力壩分上下2個滑面，AB滑面和BC滑面，采用等安全系數(shù)法求出重力壩的整體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。經(jīng)上述假設(shè)，如何將壩體豎向荷載分配到上、下滑塊上就成為計算中應(yīng)考慮的關(guān)鍵問題，這里有2種方法：

1）壩體自重分配法，即以轉(zhuǎn)折點（圖中B點）垂直向上引以假象平面（BF）將壩體及基巖自重分為兩部分,分別加載到兩滑動面上，采用等安全系數(shù)法計算出最終結(jié)果。

2）壩基應(yīng)力分配法，即將作用在壩體上的豎向荷載轉(zhuǎn)化成正應(yīng)力，將水平荷載轉(zhuǎn)化成切應(yīng)力分別作用在上、下滑塊上，采用等安全系數(shù)法計算出最終結(jié)果。

下面對上述2種方法進行分析，壩基自重分配法只是將壩體自重簡單地分配到各滑面上，沒有考慮壩體實際運行中壩基實際應(yīng)力情況（壩踵壓應(yīng)力小，壩趾壓應(yīng)力大），因重力壩大部分重量集中在壩體上游側(cè)，這就導(dǎo)致壩體自重分配法過于保守，因此對于特殊雙滑面采用壩基應(yīng)力分配法比較合理，這也將在下面計算結(jié)果中得到進一步驗證。

采用壩基應(yīng)力分配法將壩基應(yīng)力傳遞到滑動塊上有2種方式：第一種方式是以ADBC以上壩體為脫離體計算整個混凝土壩的壩基應(yīng)力，然后將壩基應(yīng)力計算結(jié)果分別分配到AD和BC面上，再加上其他水平向及豎向荷載，采用等安全系數(shù)法計算出抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。第二種方式是以ADE以上壩體為脫離體，計算作用在ADE面上的應(yīng)力，然后將壩基應(yīng)力計算結(jié)果分別分配到AD和DE面上，再加上作用在上、下滑塊上其他水平向及豎向荷載，采用等安全系數(shù)法計算出抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。

下面對上述壩體自重分配法、壩基應(yīng)力分配法（2種應(yīng)力傳遞方式）進行抗滑穩(wěn)定計算。

3.2.2 計算公式

2種計算方法的計算公式均引用壩基深層抗滑穩(wěn)定計算公式，將公式中相關(guān)參數(shù)根據(jù)計算模型實際情況作相應(yīng)調(diào)整：

式中：γθ——結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，對于結(jié)構(gòu)安全級別為Ⅱ級的結(jié)構(gòu)及構(gòu)件，采用1.05；Ψ——設(shè)計狀況系數(shù)，對應(yīng)于持久狀況、短暫狀況、偶然狀況，可分別取用1.00，0.95，0.85——作用效應(yīng)函數(shù)；——結(jié)構(gòu)及構(gòu)件抗力函數(shù)；γG——永久作用的分項系數(shù)；γQ——可變作用的分項系數(shù)；GK——永久作用標(biāo)準(zhǔn)值；QK——可變作用標(biāo)準(zhǔn)值；ak——幾何參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值（可作為定值處理）；fk——材料性能的標(biāo)準(zhǔn)值；γm——材料性能的分項系數(shù)；γd——結(jié)構(gòu)系數(shù)；η——抗力作用比系數(shù)。

式中荷載和材料性能均采用設(shè)計值計算，其中：∑W1，∑W2——上、下滑塊所受壩體傳遞的垂直力之和；∑P1，∑P2——作用于滑動面的全部水平向作用之和；G1，G2——分別為上、下滑塊巖體（混凝土）重量的垂直作用——分別為AB，BC滑動面的抗剪斷摩擦系數(shù)；——分別為AB，BC滑動面的抗剪斷凝聚力；A1，A2——分別為AB，BC面的面積；α，β——分別為AB，BC與水平面的夾角；U1，U2，U3——分別為AB，BC，BD面上的揚壓力；Q，φ——分別為BD面上的作用力及作用力與水平面的夾角，從偏于安全考慮φ可取為0。

3.2.3 計算結(jié)果及分析

經(jīng)計算，采用單滑面計算出的抗滑穩(wěn)定抗力作用比系數(shù)大于雙滑面抗力作用比系數(shù)，雙滑面是計算的最危險滑面。

雙滑面抗滑穩(wěn)定計算采用壩體自重分配法時，抗力作用比系數(shù)η=0.949；采用壩基應(yīng)力分配法第一種壩基應(yīng)力傳遞方式時，抗滑穩(wěn)定抗力作用比系數(shù)η=1.031；采用壩基應(yīng)力分配法第二種壩基應(yīng)力傳遞方式時，抗滑穩(wěn)定抗力作用比系數(shù)η=1.055。

由上述計算可知，雙滑面是抗滑穩(wěn)定計算最危險滑面，雙滑面抗滑穩(wěn)定計算采用壩基應(yīng)力分配法比采用自重分配法抗力作用比系數(shù)可提高約10%，這也和計算方法中的分析結(jié)果相吻合；壩基應(yīng)力分配法采用第一種與第二種應(yīng)力傳遞方式抗力作用比系數(shù)變化不大。

4 結(jié)語

壩基抗滑穩(wěn)定計算不僅要計算沿一個平面的單滑面抗滑穩(wěn)定，沿壩基雙滑面抗滑穩(wěn)定也是抗滑穩(wěn)定計算中經(jīng)常遇到的問題，其計算的核心是如何將壩體的自重傳遞到滑動面上，本文擬定了3種傳遞方式，并分別進行抗滑穩(wěn)定計算，最終的計算結(jié)果表明，采用壩基應(yīng)力分配法比采用自重分配法抗力作用比系數(shù)可提高約10%，壩體自重分配法過于保守，不能真實地反映壩基巖體的載荷分布情況,因此對于特殊雙滑面采用壩基應(yīng)力分配法比較合理。壩基應(yīng)力分配法采用第一種與第二種應(yīng)力傳遞方式抗力作用比系數(shù)變化不大，計算時可同時采用2種計算方法，對比分析計算結(jié)果。

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