復(fù)雜軟弱帶控制下官地水電站壩基三維抗滑穩(wěn)定分析與處理

閆 勇，彭文明

(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

官地水電站位于四川省涼山彝族自治州西昌市鹽源縣，系雅礱江卡拉至江河口河段水電規(guī)劃五級開發(fā)的第三個(gè)梯級電站。電站主要任務(wù)是發(fā)電，水庫正常蓄水位1330.00m，總庫容7.6億m3，裝機(jī)容量2400MW。攔河大壩為碾壓混凝土重力壩，大壩壩頂高程1334.00m，最大壩高168m，壩軸線方位N12°E，為國內(nèi)已建碾壓混凝土第四高壩。大壩自左至右分別布置左岸擋水壩段、左側(cè)中孔壩段、河床溢流壩段、右側(cè)中孔壩段、右岸擋水壩段。

在壩基開挖過程中發(fā)現(xiàn)，11#～13#溢流壩段壩基下主要發(fā)育有3條緩傾角錯(cuò)動(dòng)帶：fxh05(產(chǎn)狀EW/S∠30～35°)、fxh13-7(產(chǎn)狀N20°～30°E/SE∠15°～20°)、fxh13-8(產(chǎn)狀N10°～20°W/NE∠15°～20°)；并有多條緩傾角裂隙：①(產(chǎn)狀N20°～50°W/NE∠15°～30°)、②(產(chǎn)狀N20°E/SE∠15°～35°)、③(產(chǎn)狀N10°～20°E/NW∠20°～25°)。其中，fxh13-7和fxh13-8的走向均與壩軸線小角度相交，且分別傾向于左、右岸，導(dǎo)致溢流壩段，尤其是13號溢流壩段兩端的斷面相差很大(如圖1—4所示)，不同斷面間的滑移模式和滑移通道均差異較大。以往針對此類問題，通常選取2～3個(gè)典型剖面進(jìn)行二維穩(wěn)定計(jì)算，得到各斷面的安全系數(shù)。對于各斷面安全系數(shù)存在差異的問題，通常偏保守考慮，要求每個(gè)斷面都滿足抗滑穩(wěn)定要求。這種做法有時(shí)會造成巨大的浪費(fèi)，而三維抗滑穩(wěn)定分析可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)二維分析方法難以解決的各斷面安全系數(shù)差異較大的缺陷。

圖1 樁號(壩)0+060.00橫斷面

圖2 樁號0+255.50縱斷面

圖3 樁號0+277.00縱斷面

圖4 樁號0+263.50縱斷面

近年來，邊坡三維穩(wěn)定分析在理論、計(jì)算方法和相應(yīng)程序開發(fā)方面均有了較大的發(fā)展。以中國水利水電科學(xué)研究院陳祖煜院士為代表的專家進(jìn)行了深入的邊坡三維穩(wěn)定分析理論研究[1- 2]，并將理論大量應(yīng)用于工程實(shí)踐[3]。采用基于邊坡穩(wěn)定計(jì)算的三維極限平衡分析方法進(jìn)行重力壩的三維穩(wěn)定分析是邊坡三維穩(wěn)定分析理論的延伸，近年來也在三峽大壩3號壩段深層抗滑[4]、百色水利樞紐大壩深層抗滑[5]、沙陀水電站大壩深層抗滑[6]等問題的解決中得到應(yīng)用。

在三維穩(wěn)定計(jì)算問題上，最難以解決的問題是三維滑體的平衡條件不易滿足。迄今為止，幾乎所有已公開發(fā)表的三維方法基本只能滿足3～5個(gè)平衡條件[7～11]。本文所使用的由鄭宏提出的嚴(yán)格三維極限平衡法[12- 13]，在滿足滑體6個(gè)平衡條件基礎(chǔ)上建立整體平衡方程式。該方法雖然在條柱之間作用力的假定方面物理意義較為模糊，但對整體平衡條件的滿足上前進(jìn)了一步，可較好解決壩基三維抗滑穩(wěn)定計(jì)算問題。下面介紹這一方法的基本原理和思路。

1 三維嚴(yán)格剛體極限平衡法

目前抗滑穩(wěn)定三維分析通常存在平衡條件未被全部滿足的局限，基于這種情況，鄭宏提出嚴(yán)格三維極限平衡法。該方法對滑體考慮整體受力平衡和力矩平衡，其求解路線如下：

(1)列出滑移體整體平衡方程組

在滿足3個(gè)力平衡條件和3個(gè)力矩平衡條件下，列出滑體整體平衡方程組：

?Sdf+fext=0

(1a)

?SdmC+mext=0

(1b)

假定滑面滿足Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，則當(dāng)滑體處于極限平衡狀態(tài)時(shí)，有

(2)

代入上述力平衡和力矩平衡方程，可知：上述方程組包含6個(gè)方程等式，其中作用在滑移體上的主動(dòng)力矢為fext，包括重力、加固力和地震力等，fext關(guān)于參考點(diǎn)rC的力矩為mext，均可直接求解。

(2)列出滑裂面上的法向應(yīng)力表達(dá)式

對微元滑裂面而言，其法向應(yīng)力可表達(dá)為

σ=σ0+f(x，y；a)

(3)

式中，σ0—體積力和滑移體外已知載荷的貢獻(xiàn)(不包括滑面上的孔隙水壓力)；f(x，y；a)—條間力對滑面法向應(yīng)力的貢獻(xiàn)，是靜不定的，為一個(gè)含待定的5階向量a、關(guān)于水平坐標(biāo)(x，y)的函數(shù)。采用分片三角形線性插值來構(gòu)造f(x，y；a)，可得

f(x，y；a)=lTa

(4)

圖5 滑面法向應(yīng)力插值三角網(wǎng)

(3)列出以Fs和a={a1，a2，a3，a4，a5}T為未知變量的方程等式

將σ代入前述整體方程組，可得到以和a為未知量的非線性方程組：

g(Fs，a)=FsAa+Ba+Fsc+d=0

(5)

式中，A、B—6×5階矩陣，c、d—6階向量，均可通過微元面求解。

(4)用Newton法求解方程等式

2 官地溢流壩段壩基深層抗滑穩(wěn)定分析

2.1 二維穩(wěn)定分析

官地溢流壩段，尤其是13號溢流壩段下發(fā)育有多條緩傾角錯(cuò)動(dòng)帶。各錯(cuò)動(dòng)帶的走向和傾向均差異較大，導(dǎo)致13號溢流壩段兩端(樁號0+255.50和0+277.00)斷面相差很大，如圖2—3所示，兩斷面的滑移模式和滑移通道均差異較大。按照傳統(tǒng)二維分析思路，為研究13號壩段深層抗滑穩(wěn)定性，在壩段中部增加考察樁號0+263.50斷面(圖4)，分別分析這3個(gè)斷面的抗滑穩(wěn)定性。

根據(jù)上述3個(gè)斷面壩基巖體結(jié)構(gòu)面的分布特性，經(jīng)過比較得到如圖6—8所示的各斷面深層滑動(dòng)模式，在該滑動(dòng)模式下斷面安全系數(shù)最小，具體滑動(dòng)模式見表1。

表1 13號壩段滑移模式表

圖6 樁號0+255.50縱斷面的控制滑移模式

圖7 樁號0+263.50縱斷面的控制滑移模式

圖8 樁號0+277.00縱斷面的控制滑移模式

根據(jù)地勘資料，各結(jié)構(gòu)面的抗剪斷參數(shù)和連通率見表2，按加權(quán)平均法得到滑動(dòng)面的綜合抗剪斷強(qiáng)度指標(biāo)。采用二維剛體極限平衡法得到的各個(gè)斷面的二維深層抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)見表3。

表2 材料抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)表

表3 深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果表

從計(jì)算結(jié)果看，斷面0+255.50和斷面0+263.50在正常工況和地震工況下的深層抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均不滿足規(guī)范要求。

2.2 三維穩(wěn)定分析

從二維穩(wěn)定分析看，13號溢流壩段各個(gè)斷面的控制結(jié)構(gòu)面不盡相同，安全系數(shù)也差異較大，難以確定壩段整體的安全性。考慮到壩基結(jié)構(gòu)面具有明顯的空間分布特性，二維剛體極限平衡法不能較真實(shí)的反映沿基礎(chǔ)內(nèi)不利結(jié)構(gòu)面的抗滑穩(wěn)定性。因此，應(yīng)考慮把13號溢流壩段作為三維整體來計(jì)算其穩(wěn)定性。

計(jì)算中未考慮滑體側(cè)面的約束作用，且滑塊間的作用力與水平面的夾角φ=0°[14- 15]，其計(jì)算結(jié)果是偏保守的。對13號壩段和整個(gè)溢流壩段的控制滑移模式建立三維模型，如圖9—10所示。采用三維剛體極限平衡法對這兩個(gè)模型進(jìn)行深層滑動(dòng)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表4。

圖9 13號壩段深層滑動(dòng)計(jì)算模型

圖10 溢流壩段整體深層滑動(dòng)計(jì)算模型

表4 13號壩段各滑移模式三維計(jì)算結(jié)果

從計(jì)算結(jié)果可以看出，在考慮結(jié)構(gòu)面的空間分布后，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)有明顯提高。無論是13號溢流壩段還是溢流壩段整體，在不采取任何措施的情況下，其深層抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均超過3.0，但安全裕度不大。

2.3 加固措施設(shè)計(jì)

若按照傳統(tǒng)思路，即要求二維剛體極限平衡法計(jì)算中的三個(gè)斷面都滿足抗滑穩(wěn)定要求，經(jīng)計(jì)算，需在壩踵設(shè)置一個(gè)底寬23m、深6m的混凝土齒槽；同時(shí)，需在壩基中部設(shè)置一個(gè)底寬20m、深20m的混凝土齒槽，挖除部分fxh13- 7、fxh13- 8緩傾角錯(cuò)動(dòng)帶，截?cái)嗷仆ǖ馈?/p>

上述措施固然可以解決壩基深層滑動(dòng)問題，但考慮到二維計(jì)算無法考慮結(jié)構(gòu)面空間分布對安全系數(shù)的提高作用，該措施明顯是過于保守的。當(dāng)時(shí)大壩基坑整體已開挖完成，基礎(chǔ)缺陷處理后即可開始澆筑壩體混凝土，而溢流壩段又是最高、最先需要開展碾壓施工的壩段。若在其壩基下開挖底寬20m、深20m的深齒槽，開挖和爆破難度均較大，經(jīng)測算，工程直線工期將推遲3個(gè)月。

而若按三維剛體極限平衡法的計(jì)算成果，以規(guī)范對二維計(jì)算規(guī)定的安全系數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)，則不需要采取任何加固措施?？紤]到三維計(jì)算成果更能反映大壩的真實(shí)滑動(dòng)狀態(tài)，但其安全裕度不大，綜合考量，采用了以下較容易實(shí)施、且不影響工程直線工期的加固方案。

(1)在壩踵設(shè)置底寬23m、深6m的混凝土齒槽，截?cái)嗷仆ǖ馈?/p>

(2)在消力池底部設(shè)置錨筋樁和錨索將消力池回填混凝土與基巖連成整體；并采取必要的混凝土溫控措施使消力池回填混凝土不分縫，保證回填混凝土的整體性，以加強(qiáng)消力池回填混凝土的抗剪斷作用。

這一措施的主要加固重點(diǎn)在消力池部位，不占工程直線工期，有力地保證了工程按期投產(chǎn)發(fā)電。同時(shí)，加強(qiáng)了滑移通道進(jìn)口和出口的阻滑作用，也保證了工程的安全。

4 結(jié)語

三維嚴(yán)格剛體極限平衡法基于剛體極限平衡理論，理論意義嚴(yán)格，易于被工程人員理解和接受，其彌補(bǔ)了傳統(tǒng)二維剛體極限平衡法無法解決的各斷面安全系數(shù)存在差異的局限性。

針對官地水電站溢流壩，若以二維分析成果為主要依據(jù)，則需設(shè)置20m深齒槽，不僅工程量大，且嚴(yán)重影響工程工期。采用三維嚴(yán)格剛體極限平衡法進(jìn)行分析，結(jié)果表明：不采取任何措施，溢流壩段的安全系數(shù)即達(dá)到3.0?？紤]到三維計(jì)算結(jié)果的安全裕度不大，采取了不占用直線工期的壩踵開挖淺齒槽、加強(qiáng)消力池回填混凝土整體性的綜合處理方案，保證了工程按期完工。電站至今已運(yùn)行數(shù)年，大壩各項(xiàng)工作狀態(tài)正常，表明處理措施合理，三維分析對合理評價(jià)工程安全性、避免浪費(fèi)很有意義。