連續(xù)緩傾軟弱結(jié)構(gòu)面控制下的壩基巖體穩(wěn)定性分析

王德庫，譚 春，隋 偉

(1.中水東北勘測設(shè)計研究有限責任公司，吉林 長春 130000； 2.水利部寒區(qū)工程技術(shù)研究中心，吉林 長春 130000)

1 概述

混凝土重力壩是依靠自身重力承受荷載的壩型，是水利工程中必不可少的一部分[1]。壩基的穩(wěn)定性是大壩正常運營的關(guān)鍵，一旦發(fā)生失穩(wěn)，將對下游造成巨大的損失。因此，必須對混凝土重力壩及其壩基穩(wěn)定性進行評價[2]。通常，重力壩的破壞分為沿壩底的淺層滑動和壩基巖體的深層滑動[3]。然而，隨著施工技術(shù)的發(fā)展，淺層滑動不能威脅重力壩穩(wěn)定性。而對于沿壩基巖體的深層滑動主要受巖體中發(fā)育的軟弱結(jié)構(gòu)面控制[4-5]。軟弱結(jié)構(gòu)面是巖體工程中經(jīng)常遇到的一種地質(zhì)現(xiàn)象，它的物理力學性質(zhì)較差，往往會給工程帶來不利的影響。因此，軟弱結(jié)構(gòu)面的準確評價對水電工程安全十分重要。

目前，對于深層滑動穩(wěn)定的分析方法和安全系數(shù)的求解尚無統(tǒng)一的規(guī)定[6]。其分析方法主要分為三種：剛體極限平衡法，地質(zhì)力學模型試驗方法，數(shù)值分析方法[7]。剛體極限平衡法是應用最廣泛的穩(wěn)定計算方法，但它未考慮巖體內(nèi)部形變，無法分析巖體的啟裂破壞與演化歷程，進而不能考慮巖體變形、地面變化對壩基巖體穩(wěn)定性的影響[8]。地質(zhì)力學模型試驗是根據(jù)相似性原理來模擬真實的物理實體，試驗結(jié)果較直觀形象。但是材料的配比和模型的建立是一項耗時較長的任務，需要的體力和財力都較大，因此，地質(zhì)力學模型試驗有在一些重大工程中使用。

隨著計算機性能的提高，數(shù)值計算方法的應用越來越廣泛，逐漸成為壩基穩(wěn)定性分析的重要手段[9]。何江達等[10]、徐衛(wèi)亞等[11]、黃誠等[12]分別使用數(shù)值方法對百色RCC重力壩、光照重力壩、金沙江魯?shù)乩娬局亓位A(chǔ)的穩(wěn)定性進行了分析與評價。其中，基于顯示有限差分法的數(shù)值軟件FLAC3D，采用動態(tài)松弛技術(shù)，無需求解大型聯(lián)立的方程組，極大地提高了計算效率。并且，它依據(jù)材料的本構(gòu)關(guān)系來模擬材料的破壞過程，被廣泛應用于邊坡、基坑、壩基巖體穩(wěn)定性分析中[13]。本文結(jié)合大藤峽水利樞紐重力壩，采用無厚度接觸摩擦單元Interface來模擬No.29泄水閘壩基巖體中的軟弱夾層，對No.29泄水閘壩段建立三維數(shù)值模型進行計算分析。最后采用超載法分析了連續(xù)緩傾軟弱夾層控制下壩基的穩(wěn)定性水平，為工程后期的加固處理提供參考依據(jù)。

2 工程概況

當前，正在建設(shè)的大藤峽水利樞紐工程主壩處于大藤峽出口的弩灘附近，其壩址區(qū)距桂平黔江彩虹橋約為6.6 km。地理坐標為北緯23°09′，東經(jīng)110°01′。大藤峽水利樞紐集防洪、航運、發(fā)電、灌溉等綜合功能于一體。水庫正常蓄水位為61.00 m，對應的庫容為28.13×108m3。大藤峽主壩壩型為混凝土重力壩，最大壩高可達80.01 m，壩長約為1 343 m。其工程區(qū)現(xiàn)場如圖1所示,由圖1可見主壩位于大藤峽谷與桂平盆地之間的低山丘陵地帶。壩體總體地勢為東北低西南高，左岸為Ⅰ級階地，地面高程一般41 m～43 m；右岸為低山丘陵，高程一般80 m～110 m。

No.29泄水閘壩段是主壩的重要組成部分，其地質(zhì)剖面圖如圖2所示。泄水閘下部出露的地層主要為泥盆系下統(tǒng)的那高嶺組D1n12以及D1n13-1～D1n13-3層和郁江階D1y1-1～D1y1-3層。壩體下發(fā)育巖性主要為灰～灰黑色灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、灰綠色粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖和灰黑色泥巖。其產(chǎn)狀約為N10°～20°E，SE∠10°～15°。F216斷層為壩址區(qū)規(guī)模較大的斷層，該壩段穩(wěn)定性易受F216斷層的影響。斷層產(chǎn)狀N70°W，SW∠75°～85°，組成物主要為碎石、斷層角礫、糜棱巖和少量斷層泥。No.29泄水閘壩段壩基巖體內(nèi)的軟弱夾層密度比較大，厚度都較薄，通常為2 mm～5 mm，連續(xù)性和延展性都比較好。根據(jù)現(xiàn)場鉆孔資料，得到各個軟弱夾層的位置，如圖2所示。大壩竣工后，水庫開始蓄水，水閘將承受巨大的水推力。因此，必須在充分考慮連續(xù)緩傾軟弱夾層的影響，對泄水閘的穩(wěn)定性水平進行研究。

3 數(shù)值模型

3.1 模型的建立

根據(jù)No.29壩段泄水閘剖面圖，利用FLAC3D建立其數(shù)值模型圖。軟弱夾層及斷層邊界的位置根據(jù)地質(zhì)剖面圖的位置進行建立，如圖3所示。剖分網(wǎng)格后的FLAC3D數(shù)值模型如圖4所示。在數(shù)值分析中，為了消除邊界的影響，模型應當足夠大。模型的長為248 m，高為164 m，寬為31.1 m。經(jīng)FLAC3D剖分網(wǎng)格后，該模型共有39 400個單元和53 614個節(jié)點；由于在后期施工建設(shè)中，為了保證工程的安全性，已經(jīng)對斷層內(nèi)的破碎巖體進行了灌漿處理，所以在建模中將斷層內(nèi)的巖體看為連續(xù)的。約束邊界條件均為位移邊界條件，即在x=0.0 m和x=248.0 m邊界上施加X向位移約束；在y=0.0 m和y=31.3 m邊界上施加Y向位移約束；在z=0.0 m邊界上施加Z向位移約束。計算過程中采用超載法對泄水閘的穩(wěn)定性水平進行研究。超載法是在保持壩基巖體力學參數(shù)不變的前提下，逐步增加上游荷載直至壩與地基整體破壞失穩(wěn)，由此得到的安全系數(shù)稱為超載法安全系數(shù)KP，其值等于超載時上游的水荷載與正常水位水荷載的比值。

3.2 參數(shù)選取

本次計算中，巖體采用Mohr-Coulomb準則，巖體需要的參數(shù)及各巖體參數(shù)的取值如表1所示。由于壩基內(nèi)軟弱夾層厚度極薄，在本次模擬中擬采用FLAC3D中的無厚度接觸面單元Interface來軟弱夾層。FLAC3D提供的接觸面單元Interface是由界面單元和界面節(jié)點組成的，每個節(jié)點代表一定的區(qū)域，如圖5所示。Interface可以用來分析在一定受力情況下兩個接觸的表面上產(chǎn)生錯動滑移、分開與閉合。接觸面單元采用線性庫侖剪切準則，可以通過接觸面節(jié)點和實體單元表面之間來建立聯(lián)系。其需要的參數(shù)及參數(shù)取值如表2所示。

表1 巖體物理力學參數(shù)

表2 軟弱夾層和斷層邊界力學參數(shù)

4 模擬結(jié)果分析

判斷模型是否可以達到穩(wěn)定平衡狀態(tài)有兩種常規(guī)判別方式[14-15]。

1)最大不平衡力趨近于0，或當比率R(體系最大平衡力比典型內(nèi)力)小于定值1×10-5時。

2)模型內(nèi)的塑性區(qū)貫通。本次模擬將綜合性地從最大不平衡力和塑性區(qū)的貫通兩方面來判斷壩基巖體的穩(wěn)定狀態(tài)。

首先，泄水閘建成后，在泄水閘重力左右下閘室和壩基會發(fā)生沉降，產(chǎn)生豎向位移。如圖6所示，No.29壩段在泄水閘重力作用下呈現(xiàn)中心式沉降，最大豎向沉降位移為-3.254 8×10-2m。但這種變形特征沒有考慮水荷載，與實際不符，因此需要進行蓄水位工況下的位移模擬。

在進行蓄水位工況下的位移模擬時，將壩體自重產(chǎn)生的位移進行清零，逐步施加外荷載(水荷載)，驗證壩基穩(wěn)定性。根據(jù)模擬結(jié)果，No.29壩段在正常蓄水工況下，隨著外荷載增加，最大不平衡力最后趨于0，且各監(jiān)測點的位移趨于穩(wěn)定值，由此說明No.29壩段在正常蓄水位下是穩(wěn)定的。

不同超載系數(shù)下模型內(nèi)塑性區(qū)的分布圖如圖7所示。當超載系數(shù)KP=4.0時，壩基巖體內(nèi)開始出現(xiàn)塑性破壞區(qū)，塑性區(qū)主要分布在壩趾處基巖，上述位置的塑性區(qū)未貫通。繼續(xù)加載，模型內(nèi)的塑性破壞區(qū)逐漸在增加。當超載系數(shù)KP=9.0時，模型內(nèi)的塑性區(qū)貫通，說明壩基巖體在超載的作用下發(fā)生破壞。此時計算過程中的最大不平衡力曲線如圖8所示，最大不平衡力值一直處于波動狀態(tài)，說明模型不能收斂，即發(fā)生了破壞。

5 結(jié)論

通過借助FLAC3D無厚度接觸摩擦單元，對No.29泄水閘壩段基巖內(nèi)的軟弱夾層及斷層邊界進行了模擬，并分析了No.29壩段整體在超載作用下的穩(wěn)定性水平。基于數(shù)值模擬結(jié)果，可以得出以下三點結(jié)論：

1)在正常蓄水位下，No.29泄水閘壩段整體正常工作。

2)在超載階段，當超載系數(shù)KP=4.0時，模型的壩趾位置開始出現(xiàn)塑性區(qū)，塑性區(qū)未貫通且其最大不平衡力依舊趨于0，壩基巖體依舊穩(wěn)定。

3)當超載系數(shù)KP=9.0時，模型內(nèi)塑性區(qū)開始貫通。此時，模型內(nèi)的最大不平衡力值一直處于波動狀態(tài)，模型發(fā)生破壞。