重力壩沿巖層結(jié)構(gòu)面的抗滑穩(wěn)定分析研究

王 倩

(河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，天津 300250)

1 概述

重力壩抗滑穩(wěn)定分析通常采用剛體極限平衡法，而最危險(xiǎn)的滑移往往存在于基巖內(nèi)部，當(dāng)基巖內(nèi)有緩傾角軟弱結(jié)構(gòu)面時(shí)，壩體連同部分基巖在外荷載影響下將共同沿軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)生滑移[1]。在我國(guó)已完工或正在施工的大、中型閘壩工程中，有近1/3的基巖存在軟弱夾層。某些工程由于前期的勘察階段未能清楚判斷壩址地質(zhì)情況導(dǎo)致施工時(shí)出現(xiàn)了較嚴(yán)重的問(wèn)題，因此，在工程前期的勘察、設(shè)計(jì)階段及后期的施工階段均應(yīng)高度重視深層抗滑穩(wěn)定問(wèn)題[2]，并采取有效的處理措施，從而保證大壩的安全與穩(wěn)定。

2 壩體沿巖層結(jié)構(gòu)面的抗滑穩(wěn)定

2.1 沿巖層結(jié)構(gòu)面的抗滑穩(wěn)定分析

根據(jù)SL 319—2018混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范[3]，壩體沿巖層結(jié)構(gòu)面抗滑穩(wěn)定按抗剪斷式(1)進(jìn)行計(jì)算。

(1)

若巖層傾角為傾向上游，故計(jì)算公式演變?yōu)椋?/p>

(2)

其中，f′為壩體混凝土與壩基接觸面抗剪斷摩擦系數(shù)；c′為壩體混凝土與壩基接觸面抗剪斷凝聚力,kN/m2；∑W為全部鉛直荷載,kN；∑P為全部水平向荷載,kN；A為壩基接觸面截面積，m2。

壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪斷摩擦系數(shù)f′=1.0，抗剪斷凝聚力c′=900 kPa；巖層結(jié)構(gòu)面的抗剪斷摩擦系數(shù)f′=0.8，抗剪斷凝聚力c′=300 kPa。

攔河壩為整體壩結(jié)構(gòu)，兩側(cè)岸坡開(kāi)挖較陡，對(duì)兩側(cè)岸坡采取了固結(jié)、接觸灌漿處理，岸坡混凝土與壩基接觸面抗剪斷凝聚力考慮以下幾種情況：

1)沿巖層結(jié)構(gòu)面滑動(dòng),只考慮滑動(dòng)面、開(kāi)挖馬道c′值。

2)沿巖層結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)，考慮滑動(dòng)面、開(kāi)挖馬道及岸坡c′值。

3)沿巖層結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)，考慮滑動(dòng)面、開(kāi)挖馬道及岸坡垂直投影面積的c′值。

2.2 不同情況的計(jì)算分析流程

1)沿巖層結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)，只考慮滑動(dòng)面、開(kāi)挖馬道c′值。

當(dāng)只考慮巖層結(jié)構(gòu)滑動(dòng)面、開(kāi)挖馬道的c′值而不考慮岸坡c′值時(shí)，滑動(dòng)面與巖層的抗剪斷摩擦系數(shù)f′=0.8，抗剪斷凝聚力c′=300 kPa；開(kāi)挖馬道與巖體接觸面的抗剪斷凝聚力c′=900 kPa，將荷載值代入式(2)進(jìn)行計(jì)算，看計(jì)算得到的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K′是否滿足規(guī)范要求。

2)沿巖層結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)，考慮滑動(dòng)面、開(kāi)挖馬道及岸坡c′值。

當(dāng)考慮滑動(dòng)面、開(kāi)挖馬道及岸坡的抗剪斷凝聚力c′值時(shí)，滑動(dòng)面與巖層的抗剪斷摩擦系數(shù)f′=0.8，抗剪斷凝聚力c′=300 kPa，開(kāi)挖馬道與巖體接觸面的抗剪斷凝聚力c′=900 kPa，而岸坡與巖體接觸面的抗剪斷凝聚力c′按n倍的c′進(jìn)行試算，將荷載值代入式(2)對(duì)n值進(jìn)行試算，然后經(jīng)反算得出當(dāng)n為何值時(shí)，即岸坡c′為何值時(shí)，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K′=3.0滿足規(guī)范要求。

3)沿巖層結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)，考慮滑動(dòng)面、開(kāi)挖馬道及岸坡垂直投影面積的c′值。

當(dāng)考慮滑動(dòng)面、開(kāi)挖馬道及岸坡垂直投影面積的抗剪斷凝聚力c′值時(shí)，滑動(dòng)面與巖體的抗剪斷摩擦系數(shù)f′=0.8，滑動(dòng)面與巖體的抗剪斷凝聚力c′=300 kPa，開(kāi)挖馬道及岸坡垂直投影面積與巖體接觸面的抗剪斷凝聚力c′=900 kPa，若考慮滑動(dòng)面、開(kāi)挖馬道與岸坡垂直投影面積的抗剪斷凝聚力c′，計(jì)算得到的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K′是否滿足規(guī)范要求。若滿足，那么此時(shí)岸坡垂直投影面積為岸坡總面積的m倍，當(dāng)取岸坡投影面積為m1倍的岸坡面積時(shí)，計(jì)算得到抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)應(yīng)滿足要求。

2.3 處理措施

根據(jù)上述計(jì)算可知，若不滿足規(guī)范要求，需要c′A的力，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)才能滿足規(guī)范要求。因此，對(duì)壩體下方掛某一厚度的巖體進(jìn)行試算，并考慮25%側(cè)阻力[4]和考慮壩后巖石壓重兩種情況進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范要求時(shí)為止。

但因無(wú)確切的資料作為參考，故岸坡混凝土與巖體間的抗剪斷凝聚力c′考慮上述計(jì)算值時(shí)的合理性存在疑問(wèn)，因此為安全計(jì)，不再考慮岸坡混凝土與巖體間的抗剪斷凝聚力c′，但是抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)若要滿足規(guī)范要求，就需要c′A的力，因此對(duì)壩體下方掛某一厚度巖體進(jìn)行試算。

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

某重力壩根據(jù)實(shí)際揭露的地質(zhì)條件，大壩建基面整體性和完整性較好，基巖巖層雖傾向上游，但傾角較緩，層面較為明顯，建基面順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)度58.12 m，垂直水流方向?qū)挾?2 m；左岸分四級(jí)開(kāi)挖，開(kāi)挖邊坡1∶0.25，開(kāi)挖馬道寬度自下而上分別為2 m，2 m，4 m；右岸分四級(jí)開(kāi)挖，開(kāi)挖邊坡高程749 m以下為1∶0.25，高程749 m以上為1∶0.5，開(kāi)挖馬道寬度自下而上分別為2 m，2 m，4 m。正常蓄水位783 m，建基面上游高程為721 m、下游高程為723 m，壩前正常蓄水深度為62 m，30年淤積高程為779 m。

3.2 計(jì)算工況及荷載

計(jì)算荷載主要包括正常蓄水位工況下，荷載主要包括壩體自重G1、巖體自重G2、靜水壓力P、揚(yáng)壓力U、淤沙壓力Ps；正常蓄水位+地震工況下，荷載主要包括壩體自重G1、巖體自重G2、靜水壓力P、揚(yáng)壓力U、淤沙壓力Ps、動(dòng)水壓力F0及地震慣性力Fi；壩體混凝土容重為25 kN/m3，巖體容重為28.3 kN/m3。計(jì)算荷載組合表如表1所示，工況荷載表如表2，表3所示。

表1 計(jì)算荷載組合表

表2 正常蓄水位工況荷載表 kN

表3 正常蓄水位+地震工況荷載表 kN

3.3 計(jì)算成果與分析

對(duì)沿巖層結(jié)構(gòu)面滑動(dòng),只考慮滑動(dòng)面、開(kāi)挖馬道c′值;沿巖層結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)，考慮滑動(dòng)面、開(kāi)挖馬道及岸坡c′值;沿巖層結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)，考慮滑動(dòng)面、開(kāi)挖馬道及岸坡垂直投影面積的c′值三種情況在正常蓄水位工況和正常蓄水位+地震兩種工況下按式(2)分別進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4～表9。

1)沿5°巖層結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)，只考慮滑動(dòng)面、開(kāi)挖馬道c′值計(jì)算成果。

表4 正常蓄水位工況下的抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果(一)

表5 正常蓄水位+地震工況下的抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果(一)

2)沿5°巖層結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)，考慮滑動(dòng)面、開(kāi)挖馬道及岸坡c′值計(jì)算成果。

表6 正常蓄水位工況下的抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果(二)

表7 正常蓄水位+地震工況下的抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果(二)

經(jīng)反算可知，在正常蓄水位工況下，當(dāng)n=0.23，即岸坡c′=207 kPa時(shí)，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K′=3.0滿足規(guī)范要求；在正常蓄水位+地震工況下，當(dāng)n=0.15，即岸坡c′=135 kPa時(shí)，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K′=2.3滿足規(guī)范要求。

3)沿5°巖層結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)，考慮滑動(dòng)面、開(kāi)挖馬道及岸坡投影c′值計(jì)算成果。

表8 正常蓄水位工況下的抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果(三)

表9 正常蓄水位+地震工況下的抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果(三)

經(jīng)過(guò)分別對(duì)1)，2)，3)三種情況的計(jì)算，可知正常蓄水位工況及正常蓄水位+地震兩種工況下，若考慮岸坡c′A,只需岸坡混凝土與巖體間的抗剪斷凝聚力c′取為207 kPa，135 kPa，計(jì)算得到的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K′就滿足規(guī)范要求，但是，因未找到工程實(shí)例作為參考，故岸坡混凝土與巖體間的抗剪斷凝聚力c′考慮上述計(jì)算值時(shí)的合理性存在疑問(wèn)，因此，為安全起見(jiàn)，不再考慮岸坡混凝土與巖體間的抗剪斷凝聚力c′，但是，根據(jù)情況1)的計(jì)算可知，若不考慮岸坡混凝土與巖體間的抗剪斷凝聚力c′，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)就不滿足要求，根據(jù)2)與1)的對(duì)比計(jì)算可知，需要c′A=900×0.23×3 676.5=761 035.5 kN的力，才能滿足規(guī)范要求。因此對(duì)壩體下方掛巖體進(jìn)行試算，計(jì)算結(jié)果如表10所示。

表10 壩體下方掛巖體計(jì)算成果

由表10可知，壩體下方掛5 m巖體時(shí)，在正常蓄水位與正常蓄水位+地震兩種工況下，無(wú)論是考慮25%側(cè)阻力[4]還是考慮壩后巖石壓重，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

因此，對(duì)攔河壩基礎(chǔ)采取如下處理措施：

在河床部位下游壩腳和兩側(cè)高程735.0 m以下岸坡增設(shè)抗滑齒槽，其中河床部位齒槽底寬9.5 m，底高程718.0 m，上游側(cè)開(kāi)挖邊坡坡比為1∶1.0，下游側(cè)為1∶0.5，左、右側(cè)為1∶0.25。齒槽回填混凝土等級(jí)同壩體基礎(chǔ)回填混凝土，并在相應(yīng)部位增設(shè)基礎(chǔ)角筋。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)考慮：1)沿巖層結(jié)構(gòu)面滑動(dòng),只考慮滑動(dòng)面、開(kāi)挖馬道c′值；2)沿巖層結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)，考慮滑動(dòng)面、開(kāi)挖馬道及岸坡c′值；3)沿巖層結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)，考慮滑動(dòng)面、開(kāi)挖馬道及岸坡垂直投影面積的c′值三種情況在正常蓄水位工況和正常蓄水位+地震兩種工況下的壩體沿巖層結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)的計(jì)算結(jié)果，采取了下掛巖體，并考慮側(cè)阻力和巖石壓重的處理措施，從而保證大壩的安全與穩(wěn)定。