馬馬崖水電站溢流壩段三維深層抗滑穩(wěn)定分析

趙 飛，范書立

(1.應(yīng)急管理部國家減災(zāi)中心，北京 100124； 2.大連理工大學(xué) 水利工程學(xué)院，遼寧 大連 116023)

混凝土重力壩的抗滑穩(wěn)定分析與安全評價(jià)是一個(gè)復(fù)雜的問題，尤其對重力壩的深層抗滑穩(wěn)定，壩基內(nèi)存在大量的節(jié)理、裂隙軟弱面，這往往成為影響壩體安全的關(guān)鍵問題[1]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國已建、在建和設(shè)計(jì)中的大中型重力壩，地基內(nèi)存在軟弱夾層的重力壩達(dá)90多座。相對淺層抗滑問題來說，深層抗滑問題更為復(fù)雜，主要是軟弱結(jié)構(gòu)面勘察的困難性和抗剪斷參數(shù)測定的復(fù)雜性，正是由于這些不確定因素的存在，導(dǎo)致精確分析重力壩深層滑動(dòng)模式及安全性十分困難。因此，研究重力壩深層地基軟弱結(jié)構(gòu)面等地質(zhì)缺陷對結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的影響具有一定的工程實(shí)際應(yīng)用背景[2]。由于問題的復(fù)雜性，許多學(xué)者提出了各種分析方法，一般來說，重力壩深層抗滑穩(wěn)定問題的計(jì)算分析方法包括剛體極限平衡法[3-5]、數(shù)值方法[6-8]以及模型試驗(yàn)法[9]等，核算的安全系數(shù)以整體安全度為主，輔以局部安全度的檢查。目前國內(nèi)外一般均按簡化的平面剛體極限平衡方法計(jì)算。但是由于該方法假定滑移體為剛體，只考慮作用在滑移面上的法向力和切向力，不考慮彎矩作用，不能考慮滑體內(nèi)部的互作用，也不能反映滑動(dòng)面的三維特征，眾多的假定和簡化使得其計(jì)算結(jié)果與實(shí)際穩(wěn)定狀態(tài)存在一定的差別，計(jì)算精度依賴于所采用假定的合理性[3]。

有限元法應(yīng)能夠模擬基巖的地質(zhì)構(gòu)造以及軟弱巖體的物理力學(xué)特征，使得壩體及滑動(dòng)面的受力狀態(tài)較接近實(shí)際，已經(jīng)在大型水電工程設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用[10-12]。相應(yīng)的將有限元應(yīng)力成果代入剛體極限平衡法中推求滑塊穩(wěn)定安全系數(shù)的強(qiáng)度校核法(應(yīng)力代數(shù)和法)，因概念清晰且能得出工程中通常密切關(guān)注的安全系數(shù)也逐漸為廣大工程技術(shù)人員所接受[13-14]。許多學(xué)者都對該方法的適用性進(jìn)行了深入研究，并取得了重要的研究成果[15-16]。吳中如等[17]對采用有限元法計(jì)算大壩抗滑穩(wěn)定的適用性進(jìn)行了總結(jié)分析，認(rèn)為對于重要的工程，特別是抗滑穩(wěn)定問題較為嚴(yán)重時(shí)應(yīng)采用有限元法進(jìn)行驗(yàn)證。孫劍等[18]針對復(fù)雜地質(zhì)條件上重力壩深層抗滑穩(wěn)定問題，基于壩基應(yīng)力場給出了滑裂面應(yīng)力積分等安全系數(shù)法的力平衡方程，建立了組合滑裂面深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算模型。龔亞琦等[19]將有限元法和剛體極限平衡法相結(jié)合，根據(jù)有限元結(jié)果計(jì)算截面內(nèi)力從而提取滑動(dòng)力和抗滑力來計(jì)算深層抗滑穩(wěn)定系數(shù)，確定了雙滑面模型的關(guān)鍵參數(shù)。王毅[20]以車家壩河混凝土重力壩為研究對象，探討了三維有限元計(jì)算重力壩抗滑穩(wěn)定的可行性，研究發(fā)現(xiàn)其計(jì)算成果與規(guī)范公式計(jì)算結(jié)果的誤差在-2.78%～3.61%以內(nèi)。孫建生[21]構(gòu)建了有限元應(yīng)力和宏觀極限平衡耦合計(jì)算模型，以期消除對重力壩深層復(fù)雜滑移面抗滑穩(wěn)定計(jì)算認(rèn)為假定因素的影響。以上研究成果極大促進(jìn)了有限元法在壩基抗滑穩(wěn)定分析中的應(yīng)用及深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算理論的發(fā)展。

本文以馬馬崖一級水電站為研究對象，建立了該工程溢流壩段群的三維有限元模型，采用應(yīng)力代數(shù)和法對其進(jìn)行了三維深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算分析，研究了壩段之間粘聚力及河床上下游巖體對大壩抗滑穩(wěn)定性的影響，并將計(jì)算結(jié)果和剛體極限平衡法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對比分析，以期為復(fù)雜地基上重力壩的深層抗滑穩(wěn)定分析及設(shè)計(jì)提供研究和技術(shù)參考。

1 應(yīng)力代數(shù)和法基本原理

應(yīng)力代數(shù)和法是基于有限元的極限平衡方法，通過計(jì)算求得應(yīng)力場，將有限元應(yīng)力成果轉(zhuǎn)換到滑動(dòng)面上，求出滑移面上的阻滑力和滑動(dòng)力，再按剛體極限平衡法的方式確定安全系數(shù)。一般是按下式通過對整個(gè)滑動(dòng)面進(jìn)行加權(quán)處理得到整個(gè)滑動(dòng)面的安全系數(shù)。

(1)

式中:ci、σi、τi、fi分別為單元的黏聚力、滑動(dòng)面上的法向應(yīng)力、切向應(yīng)力及摩擦系數(shù)；li為單元上滑動(dòng)面長度。

對于重力壩三維模型而言，參照剛體極限平衡法分析拱壩壩肩穩(wěn)定計(jì)算方法，視壩體及其滑動(dòng)巖體為一整體的滑動(dòng)體，計(jì)算整個(gè)滑動(dòng)體穩(wěn)定情況。本文按照《混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范》[22](SL 282—2003)計(jì)算壩肩抗滑穩(wěn)定公式進(jìn)行計(jì)算。

kc=(f1N1+f2N2+c1A1+c2A2)/T

(2)

式中:kc為抗滑安全系數(shù)；N為各垂直滑裂面的作用力；T為沿滑裂面的切向力；A為各計(jì)算滑裂面的面積；c為各滑裂面的抗剪斷黏聚力；f為各個(gè)滑裂面的抗剪斷摩擦系數(shù)。

2 工程概況及計(jì)算參數(shù)

2.1 工程概況

馬馬崖一級水電站是北盤江干流開發(fā)選定方案中的第9級，以發(fā)電為主，航運(yùn)次之的綜合開發(fā)效益的樞紐工程，是“西電東送”第二批開工的工程之一。大壩為碾壓混凝土重力壩，最大壩高117 m，正常蓄水位585.00 m，相應(yīng)庫容為1.365億m3，電站總裝機(jī)容量540 MW，年發(fā)電量為15.92億kW·h。

壩址區(qū)出露地層主要為三疊系中統(tǒng)及關(guān)嶺組第2段第2層(T2g2-2)中厚層夾薄層灰?guī)r、泥巖、泥灰?guī)r和第3層(T2g2-2)中厚層夾薄層球粒狀泥晶灰?guī)r，以及楊柳井組第1段(T2y1)中厚層與薄層灰?guī)r互層和第四系覆蓋層。壩基T2y1地層屬于BIII2類巖體，地層屬于BIII1類巖體[23]。

2.2 滑移模式的分析與確定

溢流壩段區(qū)地質(zhì)條件如圖1所示，區(qū)域內(nèi)巖層傾左岸略偏上游，巖層單斜，產(chǎn)狀變化較小。溢流壩段區(qū)無區(qū)域性斷裂通過，主要為次生的小斷層，下游有F6斷層通過。該斷層帶為方解石、鐵質(zhì)、泥質(zhì)膠結(jié)角礫巖；四個(gè)平硐揭露處均發(fā)育溶洞，充填黏土。溢流壩段區(qū)裂隙較為發(fā)育，以陡傾角為主，充填物主要為泥質(zhì)、方解石。河床有J1層間巖性夾層，發(fā)育的3條夾層(編號jw1、jw2、jw3)屬巖屑夾泥型，在壩體應(yīng)力影響范圍內(nèi)河床最深?yuàn)A層為jw3，且夾層不連續(xù)。

圖1 溢流壩段基巖裂隙及斷層分布圖

根據(jù)地質(zhì)條件，在大壩不設(shè)下游側(cè)齒墻情況下，以大壩下游壩趾為次生夾層滑移破壞出漏點(diǎn)，假定上游沿壩踵處拉開，不計(jì)拉裂面上的抗滑力，底滑面為層間夾層或巖層層面，連同巖體構(gòu)成滑動(dòng)體，尾部巖體沿構(gòu)造裂隙面或巖體最小破裂角滑出。經(jīng)過逐層搜索分析，在不做任何工程處理的情況下，只有次生夾層的埋深達(dá)到12 m時(shí)，充分利用尾部巖體的抗力作用大壩才能達(dá)到規(guī)范規(guī)定的穩(wěn)定要求。因此，大壩體型設(shè)計(jì)時(shí)參照類似壩基深層抗滑穩(wěn)定處理的一些工程實(shí)例，上采取防滲板和深齒墻相結(jié)合的工程措施，即上游側(cè)在壩踵處設(shè)置防滲板，防滲板與大壩做成整體式，同時(shí)在壩體底面下游側(cè)設(shè)置齒墻，切斷可能存在的夾層。對F6斷層做深挖槽回填混凝土及灌漿處理，以保證不在斷層處出現(xiàn)臨空滑動(dòng)面，使齒墻后緣側(cè)尾巖的抵抗作用得到充分利用。

在增加齒墻后根據(jù)可組成深層滑動(dòng)的組合模式進(jìn)行最不利綜合分析后，確定溢流壩段群的深層滑動(dòng)組合模式為：溢流壩段連同巖體構(gòu)成滑動(dòng)體，滑動(dòng)體底滑面由jw3軟弱夾層構(gòu)成，上游由第四組裂隙構(gòu)成后緣拉裂臨空面，下游為第二組裂隙構(gòu)成的下游臨空面，一種情況視左右側(cè)為臨空面，另一種情況考慮與左岸非溢流壩段1/3接觸面的作用。

2.3 數(shù)值分析模型

溢流壩段壩高117 m，壩底寬100.39 m，壩段寬28.5 m，根據(jù)壩體的實(shí)際體型，采取合理的簡化方式，對溢流壩段及壩基建立有限元模型，詳細(xì)模擬了閘墩和聯(lián)系梁及壩體材料分區(qū)。壩基部分主要模擬了T2g2-3-1、T2g2-3-2、晶洞灰?guī)r、T2g2-2等巖體。整體有限元模型共有18 404個(gè)單元，有20 939個(gè)節(jié)點(diǎn)。模型基礎(chǔ)深度為約3倍壩高，即300 m；自壩踵前沿向上游延伸300 m，自壩踵后沿向下游延伸300 m，壩軸線方向地基范圍取壩段寬度。有限元模型以順?biāo)飨驗(yàn)閄軸，向下游為正；以壩軸線方向(橫河向)為Z軸，從左岸指向右岸為正；高度方向?yàn)閅軸，以向上為正。有限元模型在地基底部采用全約束，在地基四周采用法向約束，在壩體橫河向采用法向約束(見圖2)。

2.4 材料參數(shù)及作用荷載

本文考慮現(xiàn)有河谷形狀的基巖在自重作用下產(chǎn)生的應(yīng)力作為初始地應(yīng)力，采用線彈性本構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算。壩體為均質(zhì)壩，混凝土彈模為33.5 GPa，密度2 432 kg/m3，泊松比為0.17。采用的主要巖體材料參數(shù)見表1。底滑面jw3夾層(巖屑夾泥型)抗剪斷摩擦系數(shù)f=0.45，抗剪斷強(qiáng)度c=0.10 MPa；壩體左側(cè)接觸面的抗剪斷強(qiáng)度c=0.97 MPa。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)建議值

計(jì)算側(cè)荷載組合為正常工況，基本荷載組合為：上游正常蓄水位水壓+下游相應(yīng)尾水位水壓+壩體自重+上游淤砂壓力+壩基面揚(yáng)壓力。上游正常蓄水位585.00m，一臺機(jī)組發(fā)電時(shí)相應(yīng)的下游水位507.95m。50年淤積高程523.3 m，泥沙摩擦角Φ=18°，泥沙浮重度γn=8 kN/m3。主要考慮以下5種計(jì)算工況：

圖2 溢流壩段抗滑計(jì)算分析模型

(1) 工況1：采用剛體極限平衡法進(jìn)行計(jì)算，假設(shè)溢流壩段下游側(cè)為臨空面，不計(jì)尾部巖體的抗力作用，不考慮與左岸非溢流壩段壩體接觸面黏聚力的影響。

(2) 工況2：采用剛體極限平衡法進(jìn)行計(jì)算，假設(shè)溢流壩段下游側(cè)為臨空面，不計(jì)尾部巖體的抗力作用，考慮與左岸非溢流壩段壩體1/3接觸面黏聚力的影響。

(3) 工況3：采用應(yīng)力代數(shù)法進(jìn)行計(jì)算，假設(shè)溢流壩段下游側(cè)為臨空面，不計(jì)尾部巖體對壩體變形的影響，不考慮與左岸非溢流壩段壩體接觸面黏聚力的影響。

(4) 工況4：采用應(yīng)力代數(shù)法進(jìn)行計(jì)算，考慮上、下游巖體對壩體變形的約束作用，不考慮與左岸非溢流壩段壩體接觸面黏聚力的影響。

(5) 工況5：采用應(yīng)力代數(shù)法進(jìn)行計(jì)算，考慮上、下游巖體的作用，考慮與左岸非溢流壩段壩體1/3接觸面黏聚力的影響。

3 計(jì)算結(jié)果分析

馬馬崖一級水電站河床溢流壩段底部存在jw3巖屑夾泥型夾層，是影響壩基深層抗滑穩(wěn)定的主要因素。大壩在水壓和自重作用下，根據(jù)彈性有限元計(jì)算成果，河床中部jw3夾層處于壓剪狀態(tài)，剪應(yīng)力指向下游，該處的相對滑動(dòng)趨勢較大，在水壓力作用下此處可能首先發(fā)生壓剪破壞(見表2)。

表2 各工況下深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

通過三維剛體極限平衡法計(jì)算結(jié)果可以看出，當(dāng)假設(shè)溢流壩段下游側(cè)為臨空面，不計(jì)尾部巖體的抗力作用，不考慮與左岸非溢流壩段壩體接觸面黏聚力的影響時(shí)，在正常荷載工況下，河床溢流壩段群的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)僅為2.62，小于規(guī)范規(guī)定的3.00?？紤]左岸非溢流壩段黏聚力的影響后，抗滑穩(wěn)定系數(shù)增大到3.13，安全系數(shù)滿足規(guī)范要求，但是裕度較小。

根據(jù)應(yīng)力代數(shù)和法計(jì)算結(jié)果可以看出，如果假設(shè)溢流壩段下游側(cè)為臨空面，不計(jì)尾部巖體對壩體變形的影響，不考慮與左岸非溢流壩段壩體接觸面黏聚力的影響，計(jì)算得到的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)僅為2.28，如果考慮上下游巖體對壩體變形的影響，計(jì)算得到的安全系數(shù)為2.55，考慮左岸非溢流壩段黏聚力的影響后，抗滑穩(wěn)定系數(shù)增大到3.03，應(yīng)力代數(shù)和法計(jì)算結(jié)果比采用剛體極限平衡法計(jì)算得到的結(jié)果偏小。

4 結(jié) 論

(1) 馬馬崖一級水電站河床溢流壩段因底部存在jw3巖屑夾泥型夾層，若不考慮左岸非溢流壩段黏聚力的影響，其抗滑穩(wěn)定性不滿足規(guī)范要求，需要對地基進(jìn)行處理。

(2) 左岸非溢流壩段與河床溢流壩段之間橫縫的黏聚力對河床溢流壩段的穩(wěn)定性具有重要的影響，考慮其黏聚力以后提高了河床溢流壩段的抗滑穩(wěn)定性，穩(wěn)定達(dá)到了規(guī)范要求。因此可以采取左岸非溢流壩段與河床溢流壩段在底部不進(jìn)行切縫處理，以保證能夠提供河床壩段的穩(wěn)定性。

(3) 如果考慮下游巖體的抗力作用，滑動(dòng)通道將被阻斷，大壩抗滑穩(wěn)定安全度將大大提高。馬馬崖一級水電站需要對下游的F6斷層進(jìn)行挖槽回填混凝土和固結(jié)灌漿加固處理，提高大壩的整體抗滑穩(wěn)定性。

(4) 采用應(yīng)力代數(shù)和法計(jì)算出的抗滑穩(wěn)定系數(shù)要比剛體極限平衡法得到的抗滑穩(wěn)定系數(shù)小，利用其計(jì)算結(jié)果進(jìn)行工程設(shè)計(jì)要偏于安全。