落腳河水電站K3溶洞對右壩肩穩(wěn)定影響分析

王國慶

(貴州新中水工程有限公司，貴陽 430000)

1 概 述

落腳河水電站工程位于貴州省西部烏江支流的落腳河上、畢節(jié)地區(qū)大方縣境內(nèi)，是落腳河支流水電梯級開發(fā)的第七個梯級工程。壩型為混凝土雙曲拱壩，壩高81 m，庫容4200萬m3,裝機2萬kW，河床高程1212 m，河床建基面高程1195 m，正常蓄水位1272 m，輸水建筑物及廠房均布置于右岸。K3溶洞發(fā)育于三迭系下統(tǒng)永寧鎮(zhèn)組第二段第四層(T1yn2-4)及第三段(T1yn3)灰色中厚層灰?guī)r地層中，巖層陡傾，壩址為 “V”形橫向河谷，構(gòu)造上處于雙山背斜南東翼與落腳河向斜北西翼的復(fù)合部位[1]。受構(gòu)造擠壓影響，切層裂隙發(fā)育。

2 溶洞規(guī)模及發(fā)育形態(tài)

該工程自2004年10月開始施工以來，在壩肩揭露出規(guī)模不等的巖溶洞穴12處，其中以右壩肩K3溶洞規(guī)模最大、位置緊靠壩體下游面，洞頂發(fā)育高程約1220 m，洞底高程為1195 m，在右壩肩建基面上溶洞出露高程為1213 m，溶洞長軸方向S40°E，可見長度約27 m，從壩基處向下游山內(nèi)發(fā)育；溶洞短軸方向N50°E，可見寬約7 m，從山內(nèi)斜向河床發(fā)育，溶洞容積約2900 m3，洞內(nèi)1195～1209 m高程段為軟塑狀黃色黏土充填，1209 m高程以下為粉細砂夾黏土及溶塌塊石充填[2]。該溶洞僅在進口段發(fā)育石鐘乳，其余地段未見石鐘乳發(fā)育，洞壁及洞頂潮濕，有明顯的沖刷痕跡。K3洞穴位置及形態(tài)見圖1。

3 K3溶洞對右壩肩穩(wěn)定的影響

3.1 對基礎(chǔ)應(yīng)力的影響

3.1.1 計算模型

用三維有限元對壩體及基礎(chǔ)進行剖分，網(wǎng)格示意圖見圖2。為了能夠準(zhǔn)確模擬基礎(chǔ)內(nèi)部的溶洞，基礎(chǔ)用較精細的網(wǎng)格[3]。全壩共剖分141 650單元，152 360節(jié)點，其中壩體3200單元，3840節(jié)點，基礎(chǔ)138 450單元，148 520節(jié)點。

3.1.2 計算參數(shù)

K3溶洞，對拱壩壩肩穩(wěn)定有相當(dāng)程度的不利影響，在進行仿真計算時以溶洞不回填混凝土和回填混凝土，同時考慮在一定的范圍內(nèi)(▽1195～▽1200)有充填黏土，壩基巖性參數(shù)見表1。各材料參數(shù)不隨時間的變化而變化。

3.1.3 計算工況

根據(jù)規(guī)范要求，一共計算六種荷載組合，見表2。

圖1 K3洞穴位置及形態(tài)

圖2 計算模型圖

表1 材料參數(shù)表

表2 荷載組合

注:各荷載定義分別如下: ①自重, ②靜水壓力, ③泥沙壓力, ④溫度荷載(溫升), ⑤溫度荷載(溫降)。

考慮溶洞回填前和回填后兩種情況，共計算12種荷載組合，見表3。

表3 計算工況表

3.1.4 溶洞對壩體應(yīng)力的影響

溶洞回填混凝土前后對壩體應(yīng)力的影響,由拱向應(yīng)力和豎向應(yīng)力等值線對比可以看出，孔洞在回填混凝土前后對壩體的影響不大?？锥粗皇怯绊憠误w基礎(chǔ)的局部，對于壩體本身的應(yīng)力影響不大，符合圣維南原理。因此，溶洞的存在對壩體各面各方向的整體應(yīng)力影響很小。僅對K3溶洞附近的壩體應(yīng)力有一定影響。

(1)回填前由于溶洞的存在，右壩肩下游面附近的應(yīng)力等值線不光滑。

(2)回填后有所改變。由于計算考慮年變化的氣溫引起的非線性溫差，同時未考慮混凝土徐變的影響。因此應(yīng)力在下游面較大。

總之，溶洞的存在對壩體應(yīng)力影響很小，回填前后對壩體應(yīng)力的影響可不計。

3.1.5 對拱座應(yīng)力的影響

各工況下溶洞回填混凝土前后對拱座應(yīng)力的影響由等值線圖可以看出，回填前后只是溶洞附近略有變化，其它部位的應(yīng)力變化不大。這是由于溶洞的影響只是局部問題，因此對基礎(chǔ)其它部位影響并不大。

3.1.6 對壩體變形的影響

孔洞回填混凝土前后對壩體變形的影響由位移等值線可以看出，孔洞回填混凝土前后對壩體變形的影響不大。這也是因為孔洞的存在屬于基礎(chǔ)局部問題，對壩體的影響不會很大。

3.2 對拱座抗滑穩(wěn)定的影響

3.2.1 計算方法

根據(jù)規(guī)范SL 282—2018要求,采用剛體極限平衡法進行抗滑穩(wěn)定分析,應(yīng)用抗剪斷公式如式(1)所示：

Κ=∑(Nf+cA)/∑T

(1)

式中:Κ為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；N為垂直于滑裂面的作用力,103kN；f為抗剪斷摩擦系數(shù)；c為抗剪斷凝聚力,MPa；A為計算滑裂面的面積,m2；T為沿滑裂面的作用力,103kN。

3.2.2 計算參數(shù)

右壩肩的K3溶洞，對拱壩壩肩穩(wěn)定有相當(dāng)程度的不利影響。在進行壩肩穩(wěn)定分析計算時分兩種工況考慮，即溶洞不回填混凝土和回填混凝土，同時考慮在高程1195～1200 m的范圍內(nèi)為黏土充填，壩基巖體參數(shù)見表4。

3.2.3 計算工況及荷載組合

在計算中，考慮了溶洞未回填混凝土與回填混凝土兩種工況,計算荷載包括水壓、沙壓力、溫度荷載、自重。其組合見表5。

3.2.4 右壩肩滑動的邊界條件

根據(jù)壩址區(qū)巖層地質(zhì)構(gòu)造，選取最不利一組裂隙L作為滑動體的側(cè)滑面, 沿推力方向的天然坡面為臨空面。分別對裂隙與溶洞組合下不同高程的塊體進行抗滑穩(wěn)定分析。

表4 落腳河右壩肩巖石物理力學(xué)計算參數(shù)值

注:計算中未考慮溶洞壁及結(jié)構(gòu)面插入的鋼筋所增加的抗剪強度。

表5 計算荷載組合表

注:各荷載定義分別如下: ①自重, ②靜水壓力, ③泥沙壓力, ④溫度荷載(溫升), ⑤溫度荷載(溫降)。

3.2.5 右壩肩抗滑穩(wěn)定計算成果

右壩肩抗滑穩(wěn)定計算結(jié)果分為兩個高程區(qū)域，每個高程區(qū)域計算了六種荷載組合，分別考慮了溶洞回填混凝土前和回填混凝土后的情況。在溶洞回填混凝土前，考慮了溶洞的影響 (高程1200～1220 m)。計算結(jié)果見表6～表9。

表6 右壩肩(1200～1210 m)抗滑穩(wěn)定計算結(jié)果(回填混凝土前)

表7 右壩肩(1210～1220 m)抗滑穩(wěn)定計算結(jié)果(回填混凝土前)

表8 右壩肩(1200～1210 m)抗滑穩(wěn)定計算結(jié)果(回填混凝土后)

表9 右壩肩(1210～1220 m)抗滑穩(wěn)定計算結(jié)果(回填混凝土后)

4 K3溶洞位移變形觀測

K3溶洞回填處理時于洞內(nèi)埋設(shè)了位移觀測裝置，水庫水位上升過程中對壩肩溶洞部位作的位移觀測，其位移變化曲線如圖3， 由圖3可以看出,溶洞變形位移量很小，遠遠低于規(guī)范要求，K3溶洞處理達到了預(yù)期的效果。

圖3 K3溶洞累計位移觀測曲線

5 結(jié) 論

通過對落腳河水電站壩址區(qū)溶洞問題的壩體應(yīng)力和壩肩穩(wěn)定計算，可以認為：

(1)溶洞處理前后對壩體應(yīng)力影響均不大。用混凝土回填后壩體應(yīng)力略有改善。

(2)根據(jù)計算結(jié)果來看，在K3溶洞未回填混凝土?xí)r，在基本荷載組合下，壩肩高程區(qū)域1200～1210 m的安全系數(shù)在2.93左右，小于規(guī)范要求的3.00。在溶洞回填混凝土后，壩肩安全系數(shù)提高到3.28左右，滿足規(guī)范要求。

(3)K3溶洞對于壩肩抗滑穩(wěn)定有一定影響，降低了壩肩抗滑穩(wěn)定性，安全系數(shù)小于規(guī)范要求，但是它的影響區(qū)域局限于1200～1210 m。經(jīng)過對溶洞處理后，在基本荷載組合下，壩肩穩(wěn)定最小安全系數(shù)為3.26; 在特殊荷載組合下，壩肩穩(wěn)定最小安全系數(shù)為3.16，滿足規(guī)范要求。

(4)溶洞回填處理后位移觀測滿足規(guī)范要求。