拱壩壩肩穩(wěn)定分析中緩傾角結(jié)構(gòu)面影響探討

楊柱　雷艷　王智陽(yáng)

【摘要】本文以工程實(shí)踐中遇到拱壩壩肩穩(wěn)定分析問(wèn)題為出發(fā)點(diǎn)，深入分析按照現(xiàn)行的拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的壩肩穩(wěn)定計(jì)算方法即剛體極限平衡法，對(duì)以?xún)A角較大并傾向岸外的緩傾角結(jié)構(gòu)面做為底滑面的塊體模型進(jìn)行分析計(jì)算時(shí)，穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果有可能出現(xiàn)難以滿(mǎn)足規(guī)范要求且無(wú)法全面反映壩肩穩(wěn)定狀態(tài)的現(xiàn)象，并分析其形成原因。同時(shí)針對(duì)此類(lèi)問(wèn)題的解決辦法進(jìn)行探討。

【關(guān)鍵詞】拱壩；壩肩穩(wěn)定；緩傾角結(jié)構(gòu)面；剛體極限平衡法；高摩贊水電站

1 、概述

根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定，拱壩抗滑穩(wěn)定分析以剛體極限平衡法為主要方法，穩(wěn)定評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為是否滿(mǎn)足承載能力極限狀態(tài)表達(dá)式。但在多個(gè)項(xiàng)目的拱壩設(shè)計(jì)工作中，設(shè)計(jì)人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)壩肩出現(xiàn)傾角較高（傾角超過(guò)25°）并傾向岸外的緩傾角結(jié)構(gòu)面時(shí)，采用剛體極限平衡法分析結(jié)果有可能出現(xiàn)難以達(dá)到規(guī)范要求的標(biāo)準(zhǔn)情況，但從工程實(shí)際分析壩肩的穩(wěn)定性是具有一定安全裕度的。本文將從高摩贊等兩個(gè)水電站拱壩壩肩穩(wěn)定分析成果出發(fā)說(shuō)明這一問(wèn)題。

2 、實(shí)際工程遇到的問(wèn)題

2.1高摩贊水電站壩肩穩(wěn)定分析

高摩贊大壩樞紐工程位于巴基斯坦西北邊境省境內(nèi)的印度河支流Gomal Zam河上，擋水建筑物為碾壓混凝土重力拱壩，最大壩高133m。目前已建成并下閘蓄水。壩基巖體主要為薄層灰?guī)r，且裂隙較發(fā)育，右岸壩肩開(kāi)挖揭露存在傾向岸外、傾角30°左右裂隙，走向NW，傾向NE。以該組裂隙結(jié)構(gòu)面作為壩肩穩(wěn)定分析模型底滑面與陡傾角斷層F2（產(chǎn)狀NE50°，NW∠80°）進(jìn)行組合，分析緩傾角結(jié)構(gòu)面對(duì)壩肩穩(wěn)定的影響。計(jì)算方法和假定采用常規(guī)的剛體極限平衡法及相關(guān)計(jì)算假定進(jìn)行計(jì)算。

其中，底滑面力學(xué)參數(shù)根據(jù)巖體力學(xué)參數(shù)和裂隙力學(xué)參數(shù)加權(quán)取值。根據(jù)地質(zhì)勘探成果，裂隙連通率按10%考慮。由于側(cè)滑面F2斷層已經(jīng)進(jìn)行了混凝土置換洞和傳力洞處理，力學(xué)參數(shù)按照斷層參數(shù)與置換洞、傳力洞力學(xué)參數(shù)加權(quán)綜合值。計(jì)算工況和荷載見(jiàn)表1。

計(jì)算結(jié)果表明，高摩贊水電站右岸緩傾角底滑面計(jì)算模型各個(gè)工況下抗滑穩(wěn)定均不滿(mǎn)足規(guī)范要求。

為進(jìn)一步驗(yàn)證高摩贊拱壩壩肩的整體安全性，采用三維有限元數(shù)值方法對(duì)其進(jìn)行超載分析。分析結(jié)果表明：高摩贊重力拱壩在超載系數(shù)為4.0時(shí)，位移增大的速率明顯增加，建基面和壩體上游面屈服區(qū)明顯加大；當(dāng)超載系數(shù)達(dá)到5.0時(shí)，位移曲線發(fā)生突變，建基面基本上全部拉開(kāi)和屈服，形成滑移破壞通道，上游面臨近建基面的區(qū)域都出現(xiàn)開(kāi)裂破壞，有限元非線性迭代計(jì)算趨于不收斂。因此，高摩贊大壩的超載安全度為4.0～5.0之間。同時(shí)注意到，當(dāng)超載系數(shù)達(dá)到Kp=5.0時(shí)，大壩破壞形式主要是建基面的屈服和開(kāi)裂破壞，右岸壩肩滑動(dòng)體的側(cè)滑面和底滑面破壞區(qū)并沒(méi)有連通。這說(shuō)明了右岸壩肩塊體的穩(wěn)定安全系數(shù)盡管不滿(mǎn)足規(guī)范要求，但大壩發(fā)生超載破壞時(shí)，該部位的滑移不是構(gòu)成大壩破壞的原因。

綜上所述，雖然剛體極限平衡法計(jì)算結(jié)果不滿(mǎn)足規(guī)范要求，但是高摩贊工程最終經(jīng)有限元等多種綜合方法分析，仍認(rèn)為工程右岸壩肩穩(wěn)定性具有相應(yīng)的安全裕度，總體分析認(rèn)為右岸壩肩抗滑穩(wěn)定問(wèn)題不突出。

2.2某水電站壩肩穩(wěn)定假定分析

某水電站工程擋水建筑物為混凝土雙曲拱壩，壩址區(qū)為高山峽谷地貌，山體雄厚。壩址區(qū)出露地層主要為中生代印支期花崗巖，巖塊致密堅(jiān)硬、抗風(fēng)化強(qiáng)。

壩址區(qū)本身無(wú)傾向下游同時(shí)傾向岸外緩傾角結(jié)構(gòu)面，但是為了驗(yàn)證該類(lèi)結(jié)構(gòu)面對(duì)壩肩穩(wěn)定的影響，本文假定其右岸壩肩存在傾向下游同時(shí)傾向岸外緩傾角結(jié)構(gòu)面，并以該組結(jié)構(gòu)面作為壩肩穩(wěn)定分析的底滑面。因該組結(jié)構(gòu)面并不存在，因此假定底滑面參數(shù)取該部位花崗巖巖體的力學(xué)參數(shù)。

本次緩傾角結(jié)構(gòu)面影響分析選取的計(jì)算模型側(cè)滑面采用右岸發(fā)育的對(duì)抗滑穩(wěn)定相對(duì)較不利產(chǎn)狀的NNE組陡傾角斷層。該組斷層傾角大于80°，其走向與河流方向夾角較?。óa(chǎn)狀NE37°NW∠89°），對(duì)于右岸壩肩抗力體抗滑穩(wěn)定相對(duì)不利。底滑面選取假定的傾向下游同時(shí)傾向岸外緩傾角結(jié)構(gòu)面，產(chǎn)狀選用NW281°NE∠35°。計(jì)算方法和假定采用常規(guī)的剛體極限平衡法及相關(guān)計(jì)算假定進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)地質(zhì)勘探成果，該模型側(cè)滑面NNE組斷層力學(xué)參數(shù)按照工程區(qū)Ⅲ級(jí)結(jié)構(gòu)面參數(shù)取值。底滑面由于為假定緩傾角結(jié)構(gòu)面，因此按照該部位Ⅲ1級(jí)花崗巖力學(xué)參數(shù)取值。

計(jì)算工況為正常蓄水位加溫降工況，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

由以上結(jié)果可見(jiàn)，在以?xún)A向岸外同時(shí)傾向下游的高緩傾角結(jié)構(gòu)面為底滑面的情況下，即便結(jié)構(gòu)面參數(shù)選用巖石參數(shù)，其抗滑穩(wěn)定分析同樣也無(wú)法滿(mǎn)足規(guī)范要求。

從以上結(jié)果可以看出，按照現(xiàn)行規(guī)范要求的計(jì)算方法，當(dāng)壩肩抗力體存在傾向岸外同時(shí)傾向下游的高緩傾角結(jié)構(gòu)面時(shí)（傾角大于25°），即便結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)采用巖體力學(xué)參數(shù)，其壩肩穩(wěn)定分析結(jié)果也難以滿(mǎn)足規(guī)范要求，且有一定差距，很難通過(guò)增加工程處理達(dá)到安全標(biāo)準(zhǔn)。但實(shí)際上，該水電站工程已經(jīng)下閘蓄水并投產(chǎn)發(fā)電多年，庫(kù)水位也基本達(dá)到正常蓄水位。通過(guò)幾年的監(jiān)測(cè)資料分析，右岸壩肩變形量未出現(xiàn)異常，壩肩巖體的徑向和切向變形分量均小于1mm，工程整體安全性較高。

3 、原因分析及解決方法討論

3.1原因分析

針對(duì)上述兩座水電站壩肩穩(wěn)定分析出現(xiàn)的現(xiàn)象，即按照規(guī)范要求進(jìn)行的壩肩穩(wěn)定剛體極限平衡法計(jì)算結(jié)果難以滿(mǎn)足規(guī)范要求，但通過(guò)其他方法和工程實(shí)際運(yùn)行情況判斷，壩肩巖體具有足夠的穩(wěn)定性，甚至有較高的穩(wěn)定安全裕度。分析認(rèn)為，可能是由于規(guī)范要求的剛體極限平衡法對(duì)于此類(lèi)問(wèn)題的計(jì)算適用性有限，以及傳統(tǒng)的計(jì)算假定偏于保守所致。剛體極限平衡法（以單面滑動(dòng)為例）是將壩肩抗滑巖體視為剛體，通過(guò)空間解析方法，將塊體受的各個(gè)外力及自身重力的合力分解為沿滑動(dòng)面的切向力和垂直于滑動(dòng)面的法向力，并認(rèn)為切向力為滑動(dòng)力，法向力為抗滑力。其中，計(jì)算認(rèn)為塊體所受外力包括拱端推力Pn、滑面滲壓U1、U2，塊體重力W（包括巖體自重和拱壩壩體壓在塊體上的重力）和假定的上游拉開(kāi)面水壓力。

通過(guò)計(jì)算原理可以看出，當(dāng)?shù)谆鎯A角較大時(shí)，塊體自重分解，沿滑面切向分力將增加，沿法向分力將減少，反映到壩肩穩(wěn)定模型中則表現(xiàn)為滑動(dòng)力增加、抗滑力減少。由于一般情況下自重在塊體所受各力中所占權(quán)重最大，因此塊體穩(wěn)定性會(huì)因底滑面角度增加而顯著降低。在底滑面傾角大于25°以上時(shí)，按照此方法計(jì)算得出的穩(wěn)定系數(shù)可能無(wú)法全面體現(xiàn)壩肩實(shí)際穩(wěn)定性。

仍以高摩贊水電右岸緩傾角底滑面分析模型為例，在不考慮該模型上游拉裂面水壓力、底滑面和側(cè)滑面滲壓以及拱壩拱端推力的情況下，僅計(jì)算塊體自重對(duì)該模型抗滑穩(wěn)定的影響。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

結(jié)果表明，在不計(jì)上游拉裂面水壓力、底滑面和側(cè)滑面滲壓、拱壩拱端推力情況下，塊體穩(wěn)定安全系數(shù)仍不滿(mǎn)足規(guī)范要求。說(shuō)明滲透水壓力和拱推力對(duì)該模型影響較小，其穩(wěn)定安全系數(shù)偏低正是由于底滑面傾角過(guò)大，計(jì)算采用傳統(tǒng)剛體極限平衡法的局限性所致。

3.2解決方法初探

針對(duì)此類(lèi)問(wèn)題，工程設(shè)計(jì)人員首先需要對(duì)壩肩整體穩(wěn)定性做出宏觀的判斷，當(dāng)壩肩存在傾向岸外傾角較大的緩傾角結(jié)構(gòu)面時(shí)，需認(rèn)識(shí)到壩肩穩(wěn)定分析由于評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的局限可能會(huì)出現(xiàn)該問(wèn)題。如果出現(xiàn)該類(lèi)問(wèn)題，若是由于模型塊體自重所占權(quán)重過(guò)大而導(dǎo)致穩(wěn)定系數(shù)不滿(mǎn)足規(guī)范要求，可進(jìn)一步結(jié)合三維有限元等數(shù)值方法和地質(zhì)力學(xué)模型實(shí)驗(yàn)等方法綜合分析研究拱壩壩肩的穩(wěn)定性，并結(jié)合工程類(lèi)比，綜合評(píng)價(jià)拱壩及壩肩的整體安全性。

4、總結(jié)

本文通過(guò)對(duì)高摩贊等兩個(gè)電站壩肩穩(wěn)定實(shí)例分析，研究討論了當(dāng)拱壩壩肩穩(wěn)定計(jì)算模型以?xún)A角較大并傾向岸外的緩傾角結(jié)構(gòu)面為底滑面時(shí)，現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)有可能不能全面反映壩肩實(shí)際穩(wěn)定狀態(tài)的工程問(wèn)題。此問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致工程設(shè)計(jì)處理工程量大于實(shí)際需要，甚至影響到工程壩址壩型的選擇。

本文對(duì)此類(lèi)問(wèn)題的產(chǎn)生原因進(jìn)行分析，明確了拱壩工程可能出現(xiàn)該類(lèi)問(wèn)題的外界條件，并對(duì)解決方法進(jìn)行了初步的探討。首先正確判斷，其次采取數(shù)值方法和地質(zhì)力學(xué)模型實(shí)驗(yàn)等方法綜合分析，并結(jié)合工程類(lèi)比的分析方法，以此綜合評(píng)價(jià)拱壩及壩肩的整體安全性。

參考文獻(xiàn)：

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