復雜基巖重力壩施工中應力穩(wěn)定性以及加固方案研究

陳勇軍

(廣東省水利水電第三工程局有限公司，廣東 東莞 523710)

0 引 言

重力壩是水利工程極其重要的壩型，在修建重力壩之前需對地基進行地質(zhì)勘察，以防重大安全問題的發(fā)生。設(shè)計重力壩的基礎(chǔ)是對復雜基巖重力壩的應力穩(wěn)定進行分析，主要分析沿壩基面和地基深層軟弱結(jié)構(gòu)面的巖體抗滑穩(wěn)定安全度[1-3]。重力壩抗滑穩(wěn)定分析方法中，現(xiàn)階段主要研究手段為分項系數(shù)法、地質(zhì)力學模型試驗法、有限單元法、剛體極限平衡法等。重力壩加固措施方法主要為加高壩體、噴涂防滲面層、混凝土防滲面板處理、換面及嵌縫處理、鋪鑲卷材處理、灌漿處理等[4-6]。目前，對于復雜基巖重力壩施工中的應力穩(wěn)定性和加固方案而言，學者還沒有給出較好的研究思路，無法確定應力穩(wěn)定性的影響因素以及加固方案的加固效果。本文針對重力壩深層抗滑穩(wěn)定性分析及齒墻加固方案進行研究，以期為復雜基巖重力壩的施工提供科學依據(jù)。

1 重力壩深層抗滑穩(wěn)定性和加固方案

1.1 工程實例和應力分析

本文研究選取的水利工程為沱江干流上游四川省D壩，樞紐包括地面場區(qū)、壩身、碾壓混凝土重力壩、岸塔式進水口等。壩頂軸線長度為231.5m，壩頂寬度為11m，最大壩高為106m，壩頂高程為1 481m。從右到左依次為右岸非溢流壩段61m、 溢流表孔壩段91.5m、泄洪底孔壩段14m、左岸非溢流壩段65m。壩體的基本斷面為三角形，下游壩坡坡度10:7，上游高程1 410m以下坡度為5:1、1 401m以上為直立面。電站裝機容量為900MW，水庫總庫容為2.62×108m3。本研究選用模型試驗分析重力壩應力，即笛卡爾坐標系。坐標原點為上游壩踵處，X軸、Y軸、Z軸分別為順河向、橫河向、豎直向。為了探究壩踵應力的影響以及深層抗滑穩(wěn)定性，壩段壩基建模過程中需充分考慮軟弱夾層和斷層破碎帶。由于正常溢洪道防洪要求較低，且壩基的軟弱夾層的存在，研究有限元分析的范圍為重力壩溢流壩段，計算的壩基深度約為2.0倍壩高，壩趾和壩踵向上和向下延伸至壩高的2倍左右。為了建模的方便，本研究對某些部分的材料進行了簡化，壩基區(qū)域的材料見表1。大壩常態(tài)混凝土的材料等級為C9020，靜態(tài)彈性模量為24.0GPa，泊松比為0.168，容量為24.1kN/m3。

表1 壩基區(qū)域的材料參數(shù)

計算模型網(wǎng)絡(luò)單元為八節(jié)點六面體縮減積分實體單元，整個模型的總單元數(shù)和總節(jié)點數(shù)分別為4 708和6 217。約束條件如下：固定約束為底部，連桿約束的位置為下游邊界和地基。由于重力壩基巖混凝土可看作是線彈性材料，因此重力壩的計算模型可視為各向同性線彈性模型，應力應變關(guān)系的表達式為：

(1)

式中：v為泊松比；G為剪切模量；E為抗壓彈性模量；εx、εy、εz、εxy、εyz、εxz分別為相應方向或平面上的應力；σx、σy、σz為相應方向應變；τxy、τyz、τzx為相應方向的剪應力。

由于壩踵應力受到多種因素的影響，本研究從計算范圍、壩基模量、壩體-壩基結(jié)合方式、壩基軟弱帶4個方面入手。

1.2 抗滑穩(wěn)定性分析

由于抗滑穩(wěn)定性計算與荷載加載路徑相關(guān)，因此在計算過程中需考慮地基與浪壓力、上下游水壓力、壩體自重的作用，包括永久作用、可變作用。永久作用是指壩體自重及永久設(shè)備自重。壩體自重荷載需計算壩體、導墻、閘墩等的重量，忽略永久設(shè)備。混凝土容重為24kN/m3，地基容重為26kN/m3?？勺冏饔冒ㄕＰ钏混o水壓力、浪壓力。參考壩體的材料分區(qū)情況，壩體材料的參數(shù)和相應指標見表2。

表2 壩體材料的參數(shù)和相應指標

采用Drueker-prager屈服準則，該準則的本構(gòu)性為理想彈塑性，適用于土壤、巖石、混凝土等材料。準則F相應的表達關(guān)系為：

F=J2+aI1-k=0

(2)

式中：J2、I1分別為應力偏量的第二不變量和應力張量的第一不變量；a、k為材料參數(shù)。

隨著壩基失穩(wěn)模式的不同，位移突變判據(jù)也存在著差異。另外，作為位移和塑性應變突變的特征點也不易表示出來。因此，突變性判據(jù)作為壩基系統(tǒng)失穩(wěn)的判據(jù)，最好再輔以其他判據(jù)共同判斷分析。對于塑性區(qū)貫通判據(jù)，其優(yōu)勢為簡單直觀，且具有一定的理論支撐，即塑性區(qū)貫通可以表明區(qū)域內(nèi)材料強度的極限狀態(tài)。但當基巖構(gòu)造復雜時，塑性區(qū)的形成也比較困難[7-9]。因此，單獨使用該種方法判定結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性不具有完全的說服力。

本研究通過位移突變判據(jù)和塑性區(qū)貫通判據(jù)來評判結(jié)構(gòu)失穩(wěn)狀態(tài)。相較于剛體極限平衡法，強度折減法理論更為完善，該方法可以考慮斷層、節(jié)理等不利影響，因此得出的應力、變形結(jié)果較為可靠。根據(jù)緩傾角裂隙部位的位移與折減系數(shù)之間關(guān)系曲線的變化特征確定失穩(wěn)狀態(tài)，在模型的關(guān)鍵部位，選取一系列關(guān)鍵點進行統(tǒng)計分析，綜合判定突變部位。在進行深層抗滑穩(wěn)定分析中，重點是研究地基可能滑動面上的穩(wěn)定性，因此保持壩體參數(shù)不變，折減地基中巖體參數(shù)。

1.3 混合加固方案

目前，增加重力壩抗滑安全穩(wěn)定性的方法可分為兩大類，分別是增加垂直向正壓力和提高滑動面力學指標。前者包括增加壩體重量、利用水重、防滲措施、施加預應力措施，后者包括混凝土塞加固、抽水措施、加固地基。采用深孔錨固高強度鋼索，施加預應力，以期增加正應力，減少壩踵部位的拉應力，提高安全系數(shù)。滲透壓力增大時，滑動力增加，對大壩產(chǎn)生不利影響，故依據(jù)上堵下排原則，盡可能減小滲透壓力，如上游處設(shè)置防滲帷幕，下游處設(shè)置排水孔。當滑動面力學參數(shù)較小時，往往將大壩的上游面傾向上游，以增加壩面上水重來提高抗滑穩(wěn)定性。

本研究給出了混合加固加固方案，壩踵齒槽深入地基7m，寬5m?；炷零~塞加固方面，當壩基有平緩的傾角或與軟弱結(jié)構(gòu)面平行，同時其埋藏的深度和厚度的數(shù)值也比較大。為了提升軟弱結(jié)構(gòu)面的抗剪斷能力，防止壩基出現(xiàn)滑動問題，降低因明挖引發(fā)過大的工程量，可依據(jù)澆筑混凝土銅塞。對于深齒墻而言，通過增強抗力體抗力來進行加固，壩踵齒墻圖見圖1。由于一般巖體阻力與阻力體高度的平方和阻力體上部豎向荷載強度成正比，所以當壩趾和壩尾無缺陷時，下游巖體為由相對完整的巖體支撐或傾向于被埋在更下游的位置。當壩基存在深軟傾角弱夾層時，可以充分利用全巖體的抗力[8-10]。由于增加尾巖抗力可以通過增加尾巖抗力體的高度來實現(xiàn)，這樣可以進一步避免壩基沿軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生滑動失穩(wěn)，則在壩趾下游設(shè)置深齒墻不失為一種行之有效的措施。通過防滲排水或抽水等一系列措施，降低壩基面揚壓力。如果出現(xiàn)下游水位較高且浮托力較大時，可在灌漿帷幕后的主排水孔下游，添加一些輔助排水孔。同時增添專門的排水廊道，促使壩基排水系統(tǒng)的形成，定期使用水泵抽出多余的水，排入下游，以減小揚壓力。通過灌漿封閉橫縫提高大壩邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)，以此約束其側(cè)向位移，如果地形、地質(zhì)條件允許，可將岸坡開挖成若干高差不大且有足夠?qū)挾鹊钠脚_，以此增加橫向滑動阻力，改善大壩邊坡穩(wěn)定性。

圖1 壩踵齒墻圖

2 復雜基巖重力壩施工中應力穩(wěn)定性以及加固效果分析

本文從計算范圍、壩基模量、壩體-壩基結(jié)合方式、壩基軟弱帶4個方面，分析復雜基巖重力壩的應力，結(jié)果見表3。地基計算范圍延伸至壩高的1倍、2倍、3倍，相應壩踵處最大拉應力值分別為2.157、2.234、2.159MPa。整體來看，3種計算范圍下的最大拉應力相差并不是特別大，因此地基計算范圍不會對最大拉應力的數(shù)值有較大影響，說明并不是計算范圍越大越好。單元越多，計算所花費的時間也越多，因此地基計算范圍選取為向上游延伸2倍壩高。對于不同的壩基與壩體彈性模量比，當彈性模量比為0.25時，壩踵應力數(shù)值為1.625MPa；而當彈性模量比為 8.0 時，壩腳對應的拉應力值為 4.024MPa。隨著基礎(chǔ)強度的增加，壩腳處的最大拉應力不斷增加。可以看出，壩基與壩體的彈性模量比對最大拉應力有顯著影響，在模擬分析中要注意材料參數(shù)的選擇。帶窗臺和不帶窗臺的模型在壩腳處都有拉應力，壩體前方的窗臺高度對壩體受力有正向影響，可以減小壩腳的最大主拉應力，但門檻高不利于拉應力區(qū)的分布，將導致壩腳附近的受力區(qū)從基礎(chǔ)向壩體上升。弱區(qū)的存在對壩腳最大拉應力的取值影響較大，如果沒有弱區(qū)，壩腳拉應力為2.034 MPa；對于存在軟弱帶的情況，拉應力為 1.538MPa。可以看出，薄弱區(qū)的存在對壩體應力產(chǎn)生了有益的影響，有效降低了壩后部的拉應力，從而減少了因應力集中引起的壩后部應力變形問題。

表3 復雜基巖重力壩應力的具體情況

從模型中提取3個特征點 A、B、C，分別位于壩踵、軟弱結(jié)構(gòu)面處，見圖2。隨著地基材料強度不斷折減，得到特征點順河向、豎向的位移變化規(guī)律。綜合關(guān)鍵點 A、B、C 位移與折減系數(shù)關(guān)系曲線以及塑性區(qū)與折減系數(shù)關(guān)系曲線得出結(jié)論，折減系數(shù)k值為 2.7～2.8 之間，兩個方向位移均發(fā)生突變。由塑形區(qū)示意圖可以看出，壩踵壩址首先進入塑形區(qū)，隨著折減系數(shù)的增大，塑性區(qū)擴張，形成深層滑移通道。

分析深層抗滑穩(wěn)定的影響因素，結(jié)果見圖3。圖3(a)和圖3(b)分別為分層施工和運行期蓄水對地基穩(wěn)定性的作用。

當壩高25m，相應安全系數(shù)3.56；壩高50m，相應安全系數(shù)3.44；壩高75m，相應安全系數(shù)3.31。隨著施工高度的增加，基礎(chǔ)段以上荷載增加，安全穩(wěn)定系數(shù)減低。當壩高達到100m時，安全系數(shù)為3.22，比建壩初期降低0.34，但仍滿足穩(wěn)定要求。不同壩高下的潛在滑動斷裂帶位于薄弱夾層區(qū)，上述現(xiàn)象和規(guī)律與工程經(jīng)驗基本一致。

當蓄水位25m，對應安全系數(shù)3.07；蓄水位50m，對應安全系數(shù)2.95；蓄水位75m，對應安全系數(shù)2.86。隨著蓄水高度的增加，地基上部水荷載增加，安全系數(shù)降低，穩(wěn)定性降低。當蓄水達到100m時，安全系數(shù)為2.78，比初始蓄水位低0.29水庫，但仍滿足穩(wěn)定性要求。不同蓄水高度下的潛在滑移帶均位于薄弱夾層區(qū)，與有限元計算得出的塑性區(qū)基本一致，上述現(xiàn)象和規(guī)律與工程經(jīng)驗基本一致。

圖2 折減系數(shù)和位移的關(guān)系圖

圖3 分層施工和運行期蓄水對地基穩(wěn)定性的作用

圖4為原重力壩和混合加固的計算結(jié)果。從圖4可知，設(shè)置齒墻于壩踵部位，位移和應力相較于原始情況更低，最大拉應力從1.68MPa下降至1.08MPa，最大總位移從32.09mm下降至31.05mm。因此，設(shè)置齒墻能夠阻斷較淺的軟弱面，還能降低滑面，不僅能增加滑動體重量，同時也能提升抗滑體阻力，進而改善壩踵應力。

圖4 原重力壩和齒墻加固的計算結(jié)果

3 結(jié) 論

針對復雜基巖重力壩應力穩(wěn)定性加固進行研究分析，并提出了混合加固措施。

地基計算范圍延伸壩高的1倍、2倍、3倍，相應壩踵處最大拉應力值分別為2.157M、2.234、2.159MPa，3種計算范圍下最大拉應力相差并不是特別大。

隨著基礎(chǔ)強度的增加，壩腳處的最大拉應力不斷增加。弱區(qū)的存在對壩腳最大拉應力的取值影響較大，如果沒有弱區(qū)，壩腳拉應力為2.034 MPa；對于存在軟弱帶的情況，拉應力為 1.538MPa。

隨著施工高度的增加，基礎(chǔ)段以上荷載增加，當壩高達到100m時，安全系數(shù)為3.22，比建壩初期降低0.34。當蓄水達到100m時，安全系數(shù)為2.78，比初始蓄水低0.29，但水庫仍滿足穩(wěn)定性要求。

研究結(jié)果表明，復雜基巖重力壩的應力穩(wěn)定性影響因素的分布規(guī)律以及加固措施的效果，研究成果可為重力壩的設(shè)計提供科學依據(jù)。