RCC重力壩地質(zhì)缺陷壩基處理方案優(yōu)化及加固效果評(píng)價(jià)研究

黃 靜 美， 趙 蕾 蕾， 謝 紅 強(qiáng)

(1. 重慶鐵路投資集團(tuán)有限公司，重慶 江北區(qū) 400023；2. 河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司，河南 鄭州 450000；3. 四川大學(xué) 水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 水利水電學(xué)院，四川 成都 61006)

1 概 述

天然的壩基中總是存在斷層、節(jié)理、裂隙和軟弱夾層等地質(zhì)缺陷，這通常是影響壩基不均勻沉降、抗滑穩(wěn)定、塌陷的關(guān)鍵問題。因此，壩基的處理加固效果對(duì)壩體的穩(wěn)定性至關(guān)重要。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在有記載的重力壩失事案例中，40%是由于壩基失穩(wěn)所致[1]，地基的加固不僅關(guān)系到水利水電工程的安全建設(shè)，也與生命財(cái)產(chǎn)安全密切相關(guān)，其一直是壩工界十分關(guān)注的問題。

對(duì)于壩基的處理措施主要有清挖回填、固結(jié)灌漿兩種方式，一般同時(shí)采用兩種方式對(duì)地基進(jìn)行處理，有助于減少地基的地質(zhì)缺陷并能提高地基的承載能力。壩基處理措施效果的評(píng)價(jià)是壩工設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容，其目的是核算壩體在相應(yīng)處理方案下的安全度，為施工設(shè)計(jì)提供科學(xué)的依據(jù)。對(duì)具有潛在滑動(dòng)面的地基主要采用剛體極限平衡法、有限單元法以及地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)法進(jìn)行壩基抗滑安全系數(shù)的計(jì)算，并且對(duì)加固措施進(jìn)行評(píng)價(jià)。此外，強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)、超載安全度、綜合穩(wěn)定安全系數(shù)以及應(yīng)力位移對(duì)比方法等也常應(yīng)用于壩基安全性及其處理措施評(píng)價(jià)。如方朝陽(yáng)等[2]利用強(qiáng)度儲(chǔ)備法對(duì)隘口瀝青混凝土心墻堆石壩巖溶壩基的穩(wěn)定性及處理措施進(jìn)行了研究；寧宇等[3]通過(guò)三維數(shù)值計(jì)算對(duì)壩肩、壩基巖體及壩體的應(yīng)力、位移對(duì)比，定量分析主要地質(zhì)缺陷的影響以及工程處理措施的效果；張林等[4-6]采用地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)法，在連續(xù)加荷或降低材料力學(xué)參數(shù)的狀態(tài)下開展試驗(yàn)研究，對(duì)加固措施進(jìn)行評(píng)價(jià)和優(yōu)化。尤其對(duì)沒有潛在滑動(dòng)面的復(fù)雜地基處理措施的評(píng)價(jià)，壩體的破壞、位移、應(yīng)力分布等將成為評(píng)價(jià)、優(yōu)化處理措施的研究對(duì)象。

2 研究對(duì)象

某碾壓混凝土重力壩最大壩高120 m，壩頂長(zhǎng)727 m，庫(kù)容5.72億m3，壩區(qū)內(nèi)主要為構(gòu)造剝蝕～溶蝕地貌，大部分地基持力層為白云巖，弱風(fēng)化狀態(tài)，屬AⅢ2巖體；少部分壩基為瀝青質(zhì)白云巖，弱風(fēng)化狀態(tài)，屬AⅢ2巖體。但巖體層內(nèi)擠壓現(xiàn)象嚴(yán)重，存在層間錯(cuò)動(dòng)帶、斷層、構(gòu)造裂隙。此外，壩基內(nèi)還存在規(guī)模較大的溶蝕大廳、落水洞以及隱伏洞穴區(qū)地質(zhì)缺陷，嚴(yán)重影響壩體的穩(wěn)定性。

本文選取該碾壓混凝土重力壩24號(hào)壩段開展加固處理措施研究，針對(duì)復(fù)雜缺陷地基提出四種不同的處理措施，基于有限元超載法研究碾壓混凝土重力壩在不同加固方案條件下壩基接觸面的應(yīng)力、位移以及壩體破壞發(fā)展?fàn)顟B(tài)，評(píng)價(jià)不同處理措施的加固效果。

3 計(jì)算模型及加固處理措施

3.1 計(jì)算模型及力學(xué)參數(shù)

24號(hào)壩段的地質(zhì)剖面見圖1，為準(zhǔn)確模擬壩體與基巖的相互作用，從壩軸線向上游取壩高的2.5倍，向下游取壩高的3.3倍，建基面以下巖體范圍取至480 m高程，深度是壩高的三倍，有限元模型見圖2。計(jì)算模型中充分反映不同巖體、斷層、溶洞等的空間位置及巖性。巖體材料計(jì)算參數(shù)見表1 。

表1 24號(hào)壩段壩址區(qū)巖體物理力學(xué)參數(shù)

圖1 24號(hào)壩段地質(zhì)剖面圖

圖2 有限元模型圖

3.2 壩基加固處理措施

從圖1中的地質(zhì)剖面圖可以看出，在壩基中有規(guī)模較大的K111溶蝕大廳，在其下游側(cè)20 m范圍內(nèi)存在溶洞K1、溶洞K2、裂隙JC22-B、裂隙JC1-C，K1與K2都傾向上游且與K111溶蝕大廳連通，兩條裂隙也是傾向上游。K111大廳頂部到24號(hào)壩段建基面的巖體厚度較小，約5～10 m，其中分布了JC19-B、JC21-C、JC20-B三條裂隙，且受開挖壩基爆破影響，洞頂以上巖體存在松動(dòng)圈，K111溶洞向下發(fā)育深度較大，約40 m，嚴(yán)重影響壩體的穩(wěn)定性。

為保證并提高壩基的承載能力以及壩體的整體穩(wěn)定安全度，提出并采用了以下4種工程處理方案：

(1)直接對(duì)K111溶蝕大廳空腔進(jìn)行混凝土C15回填，K1，K2也進(jìn)行回填灌漿，裂隙進(jìn)行固結(jié)灌漿；(2)對(duì)K111溶蝕大廳底部的堆積物(高程590 m)進(jìn)行5 m的清理后進(jìn)行溶洞的混凝土C15回填，K1，K2回填灌漿，裂隙進(jìn)行固結(jié)灌漿；

(2)對(duì)K111溶蝕大廳底部的堆積物(高程590 m)進(jìn)行15 m的清理后進(jìn)行溶洞的混凝土C15回填，K1，K2回填灌漿，裂隙進(jìn)行固結(jié)灌漿；

(3)對(duì)K111溶蝕大廳底部的堆積物(高程590 m)進(jìn)行25 m的清理，即底部堆積物完全清除后進(jìn)行溶洞的混凝土C15回填，K1，K2回填灌漿，裂隙進(jìn)行固結(jié)灌漿。

有限元計(jì)算工況采用正常運(yùn)行工況，上游正常蓄水位658 m，下游水位572.5 m。考慮到荷載包括壩體及巖體自重、上下游水壓力、揚(yáng)壓力等，每種工程處理方案均采用相同的超載安全系數(shù)Kc(超載倍數(shù))水平開展研究。擬定超載系數(shù)Kc取1、1.5、2、2.5、3五個(gè)水平，分別研究在不同計(jì)算條件下壩體應(yīng)力、變形及壩基的破壞連通率。

4 壩體應(yīng)力變形及破壞特性

4.1 壩基接觸面應(yīng)力分布特性

不同超載系數(shù)Kc條件下的壩基接觸面主應(yīng)力曲線，見圖3。從圖中可知，在不同的超載系數(shù)下，壩基接觸面上的主應(yīng)力分布規(guī)律基本一致，壩趾處大主應(yīng)力較大，而壩踵處小主應(yīng)力值較大；隨著超載系數(shù)的增大，壩踵處的大主應(yīng)力減小，從壓應(yīng)力向拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變，壩趾處的壓應(yīng)力逐漸變大；在正常荷載(Kc=1.0)條件下，壩基接觸面的最小主應(yīng)力分布比較均勻，在-0.25 MPa～0.25 MPa，最大主應(yīng)力基本處于壓應(yīng)力范圍；當(dāng)超載系數(shù)從1增加大3時(shí)，壩踵處的小主應(yīng)力從0.25 MPa減小到-2.60 MPa，而壩趾處的小主應(yīng)力從-0.10 MPa減小到-0.30 MPa，壩踵處小主應(yīng)力的變化幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于壩趾處的變化幅度。由此可知：壩體上游水推力的增加會(huì)對(duì)壩踵拉應(yīng)力和壩趾壓應(yīng)力造成較大變化，可能引起壩踵的拉裂破壞，以及壩趾的壓剪破壞。

4.2 壩體豎向位移特性

在不同超載系數(shù)下的壩基豎向相對(duì)位移值(不包含自重位移)見圖4。從圖中可知，壩體在上游水荷載產(chǎn)生的彎矩作用，壩基接觸面靠壩踵部位豎向位移鉛直向上，靠壩趾部位豎向位移鉛直向下；超載系數(shù)Kc從1增大到3，壩體接觸面的位移值逐漸增大，而且壩踵部位位移變化大于壩趾，與超載系數(shù)增大過(guò)程中壩踵部位拉應(yīng)力增長(zhǎng)率較大的結(jié)論一致。

4.3 壩體破壞分布特性

采用逐級(jí)降低材料的黏聚力和摩阻系數(shù)，可以對(duì)壩體的破壞區(qū)域及破壞發(fā)展規(guī)律進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。在降強(qiáng)倍數(shù)相同，不同超載系數(shù)Kc下壩體的破壞分布，見圖5。從圖中可知，壩體的破壞主要出現(xiàn)在壩踵和壩趾部位，壩踵以拉裂破壞為主，壩趾以壓剪破壞為主。當(dāng)超載系數(shù)Kc為1和1.5時(shí)，壩基接觸面靠上游局部產(chǎn)生了少量的拉裂破壞，隨著超載系數(shù)的增大，壩踵處的拉裂破壞逐漸向下游和壩內(nèi)發(fā)展。當(dāng)超載系數(shù)為3時(shí)，壩踵部位的拉裂破壞發(fā)育深度達(dá)到5.5 m，在壩趾附近也產(chǎn)生了塑性破壞。

(a)大主應(yīng)力 (b)小主應(yīng)力圖3 不同超載倍數(shù)Kc下的壩基接觸面主應(yīng)力曲線

圖4 不同超載系數(shù)下壩基接觸面豎向位移曲線

由此可知：壩體在超載情況下，壩踵處會(huì)產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，壩趾處的混凝土是處于受壓狀態(tài)，壩踵處材料的拉應(yīng)力超過(guò)抗拉強(qiáng)度值。首先屈服產(chǎn)生拉裂破壞，隨著荷載的增大，壩踵處的拉裂破壞進(jìn)一步向壩體內(nèi)發(fā)展，壩趾處的壓應(yīng)力增大并產(chǎn)生壓剪破壞，當(dāng)超載達(dá)到一定程度，壩踵、壩趾處的破壞區(qū)域繼續(xù)向壩體內(nèi)擴(kuò)展，直至失穩(wěn)潰壩。

圖5 不同超載系數(shù)Kc下壩體的破壞分布圖

5 復(fù)雜壩基加固方案評(píng)價(jià)

為評(píng)價(jià)24號(hào)壩基的處理措施加固效果，對(duì)各地基處理方案不同超載系數(shù)下的豎向位移進(jìn)行比較，見圖6～9。從不同地基處理方案的壩底位移曲線可知：方案一的壩體豎向位移最大，方案二的壩體豎向位移其次，方案三的壩體豎向位移較小，方案四的壩體豎向位移最小。而且從圖中可看出：在地基處理方案一條件下，壩基接觸面產(chǎn)生豎直向上位移的范圍最大，說(shuō)明接觸面受拉區(qū)域較大。在壩基處理方案四下的壩基接觸面產(chǎn)生向上位移的區(qū)域最小，壩基受拉面較小。如果壩踵和壩址的位移差越大，則壩體接觸面的受力越不均勻，壩體向下游傾倒?jié)蔚目赡苄栽酱?。從壩基接觸面的位移分布以及壩踵壩址的位移差都充分說(shuō)明處理方案四比其他三種處理方式更具有優(yōu)勢(shì)，壩基接觸面產(chǎn)生的位移較小且壩基接觸面上下游位移差異較小，使壩體具有更高的穩(wěn)定性和安全性。

圖6 超載系數(shù)Kc=1.0時(shí)壩體豎向位移曲線

圖7 超載系數(shù)Kc=2時(shí)壩體豎向位移曲線

圖8 超載系數(shù)Kc=2.5時(shí)壩體豎向位移曲線

圖9 超載系數(shù)Kc=3時(shí)壩體豎向位移曲線

6 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)有限元超載法對(duì)碾壓混凝土重力壩的地質(zhì)缺陷壩基接觸面應(yīng)力、位移及壩體破壞進(jìn)行分析，評(píng)價(jià)不同地基處理措施的加固效果。 研究得知：隨著超載系數(shù)的增大，壩基接觸面上游部位的拉應(yīng)力和下游部位的壓應(yīng)力均增大，且壩踵拉應(yīng)力增長(zhǎng)幅度大于壩趾壓應(yīng)力的增長(zhǎng)幅度。在水推力作用下，壩基接觸面上游部位向上變形，下游部位產(chǎn)生向下的位移；隨著超載系數(shù)的增加，壩基豎向位移增大，壩踵與壩址的位移差也隨之增大。超載系數(shù)的增大使壩體壩踵處的拉裂破壞區(qū)域增大，壩趾處也會(huì)出現(xiàn)壓剪破壞。

通過(guò)不同地基處理方案壩基豎向位移的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在相同荷載條件下壩基處理方案四的壩基位移最小，且壩踵與壩趾位移差小，地基處理方案四較其他三種地基處理方案加固效果更具優(yōu)勢(shì)，使壩基具有更高的承載能力和穩(wěn)定性。