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

【摘要】本文以工程實踐中遇到拱壩壩肩穩(wěn)定分析問題為出發(fā)點，深入分析按照現(xiàn)行的拱壩設(shè)計規(guī)范規(guī)定的壩肩穩(wěn)定計算方法即剛體極限平衡法，對以傾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行分析計算時，穩(wěn)定計算結(jié)果有可能出現(xiàn)難以滿足規(guī)范要求且無法全面反映壩肩穩(wěn)定狀態(tài)的現(xiàn)象，并分析其形成原因。同時針對此類問題的解決辦法進行探討。

【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)定評價標(biāo)準(zhǔn)為是否滿足承載能力極限狀態(tài)表達式。但在多個項目的拱壩設(shè)計工作中，設(shè)計人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)壩肩出現(xiàn)傾角較高（傾角超過25°）并傾向岸外的緩傾角結(jié)構(gòu)面時，采用剛體極限平衡法分析結(jié)果有可能出現(xiàn)難以達到規(guī)范要求的標(biāo)準(zhǔn)情況，但從工程實際分析壩肩的穩(wěn)定性是具有一定安全裕度的。本文將從高摩贊等兩個水電站拱壩壩肩穩(wěn)定分析成果出發(fā)說明這一問題。

2 、實際工程遇到的問題

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°）進行組合，分析緩傾角結(jié)構(gòu)面對壩肩穩(wěn)定的影響。計算方法和假定采用常規(guī)的剛體極限平衡法及相關(guān)計算假定進行計算。

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。計算工況和荷載見表1。

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

為進一步驗證高摩贊拱壩壩肩的整體安全性，采用三維有限元數(shù)值方法對其進行超載分析。分析結(jié)果表明：高摩贊重力拱壩在超載系數(shù)為4.0時，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)達到5.0時，位移曲線發(fā)生突變，建基面基本上全部拉開和屈服，形成滑移破壞通道，上游面臨近建基面的區(qū)域都出現(xiàn)開裂破壞，有限元非線性迭代計算趨于不收斂。因此，高摩贊大壩的超載安全度為4.0～5.0之間。同時注意到，當(dāng)超載系數(shù)達到Kp=5.0時，大壩破壞形式主要是建基面的屈服和開裂破壞，右岸壩肩滑動體的側(cè)滑面和底滑面破壞區(qū)并沒有連通。這說明了右岸壩肩塊體的穩(wěn)定安全系數(shù)盡管不滿足規(guī)范要求，但大壩發(fā)生超載破壞時，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算結(jié)果不滿足規(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，巖塊致密堅硬、抗風(fēng)化強。

壩址區(qū)本身無傾向下游同時傾向岸外緩傾角結(jié)構(gòu)面，但是為了驗證該類結(jié)構(gòu)面對壩肩穩(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算模型側(cè)滑面采用右岸發(fā)育的對抗滑穩(wěn)定相對較不利產(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小（產(chǎn)狀NE37°NW∠89°），對于右岸壩肩抗力體抗滑穩(wěn)定相對不利。底滑面選取假定的傾向下游同時傾向岸外緩傾角結(jié)構(gòu)面，產(chǎn)狀選用NW281°NE∠35°。計算方法和假定采用常規(guī)的剛體極限平衡法及相關(guān)計算假定進行計算。

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級花崗巖力學(xué)參數(shù)取值。

計算工況為正常蓄水位加溫降工況，計算結(jié)果見表3。

由以上結(jié)果可見，在以傾向岸外同時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)定分析同樣也無法滿足規(guī)范要求。

從以上結(jié)果可以看出，按照現(xiàn)行規(guī)范要求的計算方法，當(dāng)壩肩抗力體存在傾向岸外同時傾向下游的高緩傾角結(jié)構(gòu)面時（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)果也難以滿足規(guī)范要求，且有一定差距，很難通過增加工程處理達到安全標(biāo)準(zhǔn)。但實際上，該水電站工程已經(jīng)下閘蓄水并投產(chǎn)發(fā)電多年，庫水位也基本達到正常蓄水位。通過幾年的監(jiān)測資料分析，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)范要求進行的壩肩穩(wěn)定剛體極限平衡法計算結(jié)果難以滿足規(guī)范要求，但通過其他方法和工程實際運行情況判斷，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于此類問題的計算適用性有限，以及傳統(tǒng)的計算假定偏于保守所致。剛體極限平衡法（以單面滑動為例）是將壩肩抗滑巖體視為剛體，通過空間解析方法，將塊體受的各個外力及自身重力的合力分解為沿滑動面的切向力和垂直于滑動面的法向力，并認(rèn)為切向力為滑動力，法向力為抗滑力。其中，計算認(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）和假定的上游拉開面水壓力。

通過計算原理可以看出，當(dāng)?shù)谆鎯A角較大時，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，按照此方法計算得出的穩(wěn)定系數(shù)可能無法全面體現(xiàn)壩肩實際穩(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，僅計算塊體自重對該模型抗滑穩(wěn)定的影響。計算結(jié)果見表5。

結(jié)果表明，在不計上游拉裂面水壓力、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)仍不滿足規(guī)范要求。說明滲透水壓力和拱推力對該模型影響較小，其穩(wěn)定安全系數(shù)偏低正是由于底滑面傾角過大，計算采用傳統(tǒng)剛體極限平衡法的局限性所致。

3.2解決方法初探

針對此類問題，工程設(shè)計人員首先需要對壩肩整體穩(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，需認(rèn)識到壩肩穩(wěn)定分析由于評價標(biāo)準(zhǔn)的局限可能會出現(xiàn)該問題。如果出現(xiàn)該類問題，若是由于模型塊體自重所占權(quán)重過大而導(dǎo)致穩(wěn)定系數(shù)不滿足規(guī)范要求，可進一步結(jié)合三維有限元等數(shù)值方法和地質(zhì)力學(xué)模型實驗等方法綜合分析研究拱壩壩肩的穩(wěn)定性，并結(jié)合工程類比，綜合評價拱壩及壩肩的整體安全性。

4、總結(jié)

本文通過對高摩贊等兩個電站壩肩穩(wěn)定實例分析，研究討論了當(dāng)拱壩壩肩穩(wěn)定計算模型以傾角較大并傾向岸外的緩傾角結(jié)構(gòu)面為底滑面時，現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的評價標(biāo)準(zhǔn)有可能不能全面反映壩肩實際穩(wěn)定狀態(tài)的工程問題。此問題會導(dǎo)致工程設(shè)計處理工程量大于實際需要，甚至影響到工程壩址壩型的選擇。

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

參考文獻：

[1] 王仁坤等.混凝土拱壩設(shè)計規(guī)范（DL/T 5346-2006）.北京：中國電力出版社，2007；

[2] 雷艷等，巴基斯坦高摩贊水電站工程大壩及基礎(chǔ)工作性態(tài)靜力分析與壩肩處理綜合研究設(shè)計報告.西安：西北勘測設(shè)計研究院，2013。