李美蓉 ，陳 媛 ，張 林 ，楊寶全

（1.四川大學(xué) 水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點實驗室，成都 610065；2.四川大學(xué) 水利水電學(xué)院，成都 610065）

1 前 言

重力壩的地基需要具有足夠的強(qiáng)度、整體性和均勻性、抗?jié)B性及耐久性等，然而，天然地基總是存在不同程度的缺陷，如淺層巖體常常風(fēng)化破碎，較新鮮的基巖中存在著各種節(jié)理和裂隙，且由于地質(zhì)構(gòu)造的作用，還經(jīng)常出現(xiàn)橫穿壩基的斷層帶和軟弱夾層等地質(zhì)問題。這些地質(zhì)缺陷將影響壩基的抗滑穩(wěn)定性，對大壩的安全造成嚴(yán)重的影響，因此，抗滑穩(wěn)定分析是重力壩設(shè)計中的重要內(nèi)容之一。目前研究重力壩壩基穩(wěn)定性問題的方法[1-3]主要有剛體極限平衡法、地質(zhì)力學(xué)模型試驗方法和數(shù)值分析方法等。剛體極限平衡法是一種傳統(tǒng)的穩(wěn)定分析方法，從計算方法、計算荷載等方面均積累了豐富的經(jīng)驗。地質(zhì)力學(xué)模型試驗中模型是真實的物理實體，能同時考慮多種因素，模擬多種復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造，試驗結(jié)果較直觀形象。數(shù)值分析方法中以有限元法應(yīng)用最為廣泛，與其他方法相比，它在處理復(fù)雜構(gòu)造、復(fù)雜邊界和荷載條件、非線性問題方面有著顯著的優(yōu)勢，能獲得較為詳盡、準(zhǔn)確的結(jié)果。

隨著中國大壩建設(shè)的快速發(fā)展，壩基地質(zhì)情況的復(fù)雜性也越來越大，需要對壩基采取不同的工程處理措施，滿足大壩對基礎(chǔ)的要求。我國規(guī)范《混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范》[4]第7.5 條中規(guī)定：根據(jù)軟弱結(jié)構(gòu)面埋深不同可分別采用混凝土置換、混凝土深齒墻、混凝土洞塞等措施，提高軟弱結(jié)構(gòu)面抗剪能力；必要時也可采用抗滑樁、預(yù)應(yīng)力錨索、化學(xué)灌漿等措施。工程上對于斷層破碎帶和軟弱夾層等地質(zhì)缺陷的處理措施[5-6]，一般采取混凝土置換、固結(jié)灌漿、混凝土深齒槽、預(yù)應(yīng)力錨固等，其中，混凝土置換是一種較實用的處理措施，在實際工程中得到廣泛應(yīng)用，如龍羊峽重力壩[7]，壩區(qū)附近存在8 條斷層，采用了以混凝土置換為主的處理措施；百色碾壓混凝土重力壩[8]壩基F6斷層采用混凝土塞進(jìn)行加固處理，并在混凝土塞底部增設(shè)加強(qiáng)鋼筋；光照重力壩[9]壩趾處F2斷層和壩踵處F1斷層的處理措施是采取開挖并回填混凝土和灌漿方式進(jìn)行加固處理。這些加固措施在工程上都取得了良好的效果，由于混凝土置換的深度直接關(guān)系到工程安全及投資，如何得出既安全又經(jīng)濟(jì)的置換深度，將對工程的安全及造價產(chǎn)生重大影響。規(guī)范中對傾角較陡的斷層破碎帶的處理方法是當(dāng)斷層破碎帶規(guī)模不大，但其組成物質(zhì)以軟弱的構(gòu)造巖為主，且對基礎(chǔ)的強(qiáng)度和壓縮變形有一定影響時可用混凝土塞加固，混凝土塞的深度可采用1.0～1.5 倍斷層破碎帶的寬度或根據(jù)計算確定。設(shè)計中常常采用一些經(jīng)驗公式，計算混凝土置換深度，傳統(tǒng)經(jīng)驗公式如美國墾務(wù)局采用h=0.006 7BH+1.5 m 計算（當(dāng)H＞45 m），日本一些工程采用h=0.006 7BH+3.0 m 計算（當(dāng)H＞45 m）。軟弱帶位于壩趾附近，采用h=(0.2～0.3)H，其中h為混凝土塞的深度（m）；B為軟弱帶的寬度（m）；H為軟弱帶出露處的壩體高度（m）[10]。這些經(jīng)驗公式計算的置換深度相差較大，只能作為初步估算使用。

本文結(jié)合四川武都重力壩工程，對典型壩段建立三維數(shù)值模型進(jìn)行有限元計算分析，研究多結(jié)構(gòu)面對重力壩壩基穩(wěn)定的不同影響，分析確定合理的混凝土置換深度。首先，對壩基中各軟弱結(jié)構(gòu)面的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，揭示影響壩基穩(wěn)定的主要因素。在此基礎(chǔ)上，對需重點加固的主要結(jié)構(gòu)面進(jìn)行混凝土置換，通過擬定不同的混凝土置換深度，研究置換深度對抗滑穩(wěn)定超載安全系數(shù)的影響，提出混凝土置換深度的合理范圍，為工程的加固處理提供參考依據(jù)。

2 工程概況

武都水利樞紐工程[10]位于四川省江油市境內(nèi)涪江干流上，是四川省“西水東送”總體規(guī)劃中以防洪灌溉為主，結(jié)合發(fā)電，兼顧城鄉(xiāng)工業(yè)、生活及環(huán)境用水等綜合利用的大（Ⅰ）型水利工程，樞紐主要建筑物為碾壓混凝土重力壩和壩后式廠房，最大壩高119.14 m。

武都重力壩修建于地質(zhì)條件極其復(fù)雜的壩基上，壩基中有多種不利地質(zhì)構(gòu)造，嚴(yán)重影響壩基的穩(wěn)定安全性，深層抗滑穩(wěn)定問題突出。典型壩段19#壩段是右岸最高壩段，該段壩基地質(zhì)構(gòu)造剖面圖見圖1，壩基巖體和結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)見表1。19#壩段壩基為軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育，有多條斷層、層間錯動帶等軟弱結(jié)構(gòu)面，若在壩踵處有傾向下游的斷層（F31、10f2），下游壩基內(nèi)有傾向上游的緩傾斷層（f114、f115）以及在壩趾處有傾向上游的層間錯動帶（JC6-B、JC7-B），這些結(jié)構(gòu)面相互組合形成多條潛在的雙向滑移面，對壩基穩(wěn)定影響顯著。主要結(jié)構(gòu)面的構(gòu)造特征為：斷層10f2，傾角約為27.5°，破碎帶由斷層角礫巖、斷層泥、巖屑、破碎巖塊組成，厚0.1～1.0 m；斷層f114，傾角約為22°，破碎帶組成物質(zhì)為斷層構(gòu)造巖、巖屑夾泥等，厚0.1～0.86 m；斷層f115，傾角約為17°，破碎帶組成物為斷層角礫巖、巖屑夾泥等，厚0.2～0.40 m；陡傾斷層F31，傾角約為66.9°，破碎帶主要由糜棱巖、斷層泥、角礫巖和壓碎巖組成，寬0.8～4.0 m。層間錯動帶JC6-B 和JC7-B，由白云巖夾薄層狀灰綠色泥灰?guī)r或泥灰?guī)r碎片組成，錯動帶寬0.2～0.5 m（局部1.0 m）。

圖1 19#壩段壩基地質(zhì)構(gòu)造剖面圖（單位：m）Fig.1 Geological structure of dam section #19（unit：m）

表1 壩基巖體和結(jié)構(gòu)面物理力學(xué)參數(shù)表Table 1 Physico-mechanical parameters of rock masses and structural planes in dam foundation

3 研究方法和思路

武都重力壩工程壩基地質(zhì)條件復(fù)雜，天然壩基中發(fā)育有多種軟弱結(jié)構(gòu)面，存在多條潛在的滑移面，壩基深層抗滑穩(wěn)定問題十分突出。壩基中各軟弱結(jié)構(gòu)面對穩(wěn)定性的影響程度如何，工程中采用混凝土置換進(jìn)行加固處理時應(yīng)針對哪些薄弱部位進(jìn)行重點加固？如何確定混凝土置換的合理深度，以保證壩基穩(wěn)定性的有效提高與工程投資的經(jīng)濟(jì)性？這些問題是工程安全建設(shè)的關(guān)鍵問題。本文結(jié)合19#典型壩段，通過三維非線性有限元計算分析，對上述問題開展研究。研究內(nèi)容包括兩部分：

（1）軟弱結(jié)構(gòu)面對壩基穩(wěn)定的影響研究

對壩基中各軟弱結(jié)構(gòu)面的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，研究各軟弱結(jié)構(gòu)面對壩基穩(wěn)定的不同影響，揭示對壩基穩(wěn)定影響較大的主要因素，確定壩基加固處理的重點部位。

（2）混凝土置換深度合理范圍的確定

對壩基影響較大的結(jié)構(gòu)面擬定幾組不同的混凝土置換深度，進(jìn)行混凝土的置換深度敏感性分析，研究不同置換深度下重力壩的超載穩(wěn)定安全系數(shù)，提出壩基進(jìn)行混凝土置換處理的合理深度。

4 軟弱結(jié)構(gòu)面對壩基穩(wěn)定的影響及置換深度的研究

4.1 非線性有限元計算模型構(gòu)建

采用ANSYS 分析軟件，對武都重力壩19#壩段建立三維數(shù)值模型進(jìn)行非線性有限元計算。計算范圍為：壩體上游取1.5 倍壩高，壩體下游取2 倍壩高，壩基深度取1 倍壩高。計算中考慮壩體自重、水壓力（正常水位▽658 m）、淤沙壓力（淤沙高程▽585 m）以及揚壓力4 種荷載，未考慮滲流及地震荷載，計算模型壩體和置換混凝土采用Solid65 單元，壩基及各類軟弱結(jié)構(gòu)面采用Solid45 單元，邊界約束條件為：底面三向約束，上下游邊界為法向約束[11]，采用彈塑性本構(gòu)模型和D-P 準(zhǔn)則。計算單元的物理力學(xué)參數(shù)見表1，圖2為計算模型的網(wǎng)格劃分圖。

圖2 19#壩段有限元計算網(wǎng)格圖Fig.2 Numerical mesh of dam section #19

根據(jù)重力壩及壩基巖體的實際，計算中分階段考慮不同的荷載作用：（1）修建前，將巖體自重應(yīng)力場作為地應(yīng)力場近似模擬大壩修建前的受力工況；（2）完建工況，考慮壩體與壩基自重模擬大壩完建未蓄水時壩體和巖體的應(yīng)力變形狀態(tài)；（3）正常工況，施加正常運行時的水沙荷載，模擬大壩蓄水運行時應(yīng)力變形狀態(tài)；（4）超載情況，對上游水荷載逐步進(jìn)行超載，直至壩與地基出現(xiàn)整體失穩(wěn)破壞為止，研究壩與地基的超載能力。

4.2 軟弱結(jié)構(gòu)面對壩基穩(wěn)定的影響

軟弱結(jié)構(gòu)面是影響壩基穩(wěn)定的控制性因素，其力學(xué)參數(shù)對壩基穩(wěn)定的影響至關(guān)重要，尤其是抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)f′和c′的影響較大[13-14]。為了研究各軟弱結(jié)構(gòu)面對壩基穩(wěn)定的不同影響程度，揭示影響壩基穩(wěn)定的主要因素，采用敏感性分析方法，通過改變結(jié)構(gòu)面的f′和c′值，計算在不同參數(shù)情況下的壩基抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，計算分析得到結(jié)構(gòu)面參數(shù)變化率與超載安全系數(shù)KP值變化率的關(guān)系曲線如圖3 所示。

圖3 結(jié)構(gòu)面參數(shù)變化率-超載安全系數(shù)變化率的關(guān)系曲線Fig.3 Variation curves of parameter variation and overload safety factor

由圖3 可見，對壩基抗滑穩(wěn)定性影響最大的是斷層10f2，其次是斷層F31，而斷層f115、f114及層間錯動帶JC-B 對壩基穩(wěn)定性的影響相對較小。當(dāng)斷層10f2的抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)提高50%時，安全系數(shù)KP可以提高6%；參數(shù)降低50%時，KP將降低12%；當(dāng)斷層F31的參數(shù)提高50%時，KP提高4%，參數(shù)降低50%時，安全系數(shù)KP降低8%。由此可見，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)對結(jié)構(gòu)面參數(shù)的降低比較敏感，在實際工程運行中，結(jié)構(gòu)面的力學(xué)參數(shù)在庫水滲漏及應(yīng)力場長期作用下將會發(fā)生降低，對壩基穩(wěn)定的影響不容忽視，此外，天然壩基在正常工況下的壩基抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)僅為2.0，低于設(shè)計規(guī)范規(guī)定的3.0，壩基抗滑穩(wěn)定安全性不能滿足規(guī)范要求，對結(jié)構(gòu)面進(jìn)行加固處理十分必要。

綜上分析，武都重力壩壩基中發(fā)育的多條軟弱結(jié)構(gòu)面對壩基穩(wěn)定性存在較大影響，其中影響較大的是斷層10f2、F31。因此，壩踵部位是影響壩基穩(wěn)定的薄弱部位，工程處理應(yīng)針對這些結(jié)構(gòu)和部位進(jìn)行重點加固，以有效提高壩基的抗滑穩(wěn)定性。

4.3 斷層置換深度合理范圍的確定

通過對天然地基條件下武都重力壩的壩基穩(wěn)定性研究，并進(jìn)行多種方案論證，工程設(shè)計擬采用以置換混凝土齒槽為主的加固處理方案，對19#壩段壩踵處的斷層10f2、F31進(jìn)行了開挖置換。為了取得良好的加固效果，需對混凝土置換深度的合理范圍進(jìn)行研究。本文計算時對斷層10f2、F31擬定了幾組不同的混凝土置換深度，對混凝土置換深度進(jìn)行敏感性分析，分別計算其置換后的超載穩(wěn)定安全系數(shù)，通過對比天然壩基條件下的穩(wěn)定安全系數(shù)，獲得置換深度對壩基穩(wěn)定安全系數(shù)的影響，以確定出合理的混凝土置換深度。

表2為斷層置換深度對應(yīng)的超載安全系數(shù)和相對增長率表。由表2 和圖4 可知，斷層置換深度達(dá)到19～23 m 前，超載安全系數(shù)呈穩(wěn)步增長趨勢；置換深度達(dá)到19～23 m時，超載安全系數(shù)為3.0 單位置換深度的安全系數(shù)增長率達(dá)到了最大值5.26，如繼續(xù)加大置換深度，超載安全系數(shù)的增長則明顯減緩。圖5、6 分別為正常運行工況下的天然地基和斷層置換深度為19 m時加固壩基的塑性區(qū)分布圖。由圖可見，置換深度19 m 的塑性區(qū)域相比天然地基的明顯減小，壩基受力條件得到改善，提高了壩基的變形穩(wěn)定性，同時也改善了壩體的結(jié)構(gòu)性態(tài)。由表3 可見，隨著斷層的置換深度的不斷加大，壩與地基各控制點的位移和應(yīng)力值比天然地基狀態(tài)都有所改善，即置換深度為19 m時，壩踵順河向位移減少了0.85 cm，壩踵豎直向位移減少了1.42 cm，壩趾位移分別減少了0.75 和0.12 cm，壩頂位移（下游側(cè)）分別減少了0.22、1.16 cm。此外，壩基的應(yīng)力集中區(qū)域減小，應(yīng)力分布的均勻性得到改善，對壩踵、壩趾處的應(yīng)力控制更加有利。在此基礎(chǔ)上，如繼續(xù)加大置換深度，對進(jìn)一步提高壩與地基受力和變形能力的效果則不明顯。綜上考慮，斷層10f2、F31的置換深度約為19 m時較為合理，對改善壩體工作性態(tài)和提高壩基抗滑穩(wěn)定性均有較好的加固效果。

表2 斷層不同置換深度的超載安全系數(shù)與安全系數(shù)的單位深度增長率Table 2 Overload safety factor and unit rise rate under different replacement depths for faults

圖4 斷層置換深度與超載安全系數(shù)關(guān)系曲線Fig.4 Relationship between replacement depth for faults and overload safety factor

圖5 天然地基狀態(tài)下壩基塑性區(qū)分布圖Fig.5 Plasticity states of the original foundation

圖6 斷層置換深度為19 m時壩基塑性區(qū)分布圖Fig.6 Plasticity states of the dam foundation when the replacement depth for faults is 19 m

在武都重力壩工程的實際設(shè)計工作中，通過壩基加固方案的全面研究，工程設(shè)計最終對19#壩段采取的壩基處理加固措施是：對壩踵處10f2、F32進(jìn)行開挖置換，設(shè)置梯形C25 混凝土齒槽，齒槽下底面高程為540.85 m，混凝土置換深度為18.15 m。壩趾后，回填C15 混凝土至583.0 m。計算分析及試驗研究結(jié)果表明[15]：加固處理后，19#壩段的壩基穩(wěn)定的超載安全系數(shù)由2.0 提高為3.2，表明對壩踵處斷層采用混凝土置換的加固處理措施能有效阻隔滑移通道的形成，可明顯提高壩基抗滑穩(wěn)定性。

表3 斷層不同置換深度下壩體位移值和應(yīng)力值Table 3 Displacements and stresses of gravity dam under different replacement depths for faults

5 結(jié) 論

（1）壩踵處的斷層10f2、F31對壩基穩(wěn)定影響較大，而壩趾處和下游側(cè)的斷層f115、f114及錯動帶JC-B 的影響相對較小，揭示了影響壩基穩(wěn)定的主要因素與薄弱部位，提出了應(yīng)重點針對壩踵處的斷層10f2、F31進(jìn)行加固處理的建議。

（2）針對工程設(shè)計采用的混凝土置換加固方案，對斷層10f2、F31采取不同的混凝土置換深度進(jìn)行敏感性分析，得出不同置換深度下壩基的超載安全系數(shù)。當(dāng)置換深度為19～23 m時，超載安全系數(shù)為3.0，繼續(xù)加大置換深度后超載安全系數(shù)增長緩慢，單位置換深度的安全系數(shù)增長率在19 m時達(dá)到最大值，繼續(xù)加大置換深度對壩與地基的位移和應(yīng)力值的改善作用不明顯。斷層10f2、F31置換深度的合理值約為19 m，可以達(dá)到良好的加固效果。

（3）武都重力壩的工程設(shè)計，對19#壩段壩踵采用了混凝土齒槽的加固方案，混凝土置換深度為18.15 m，且齒槽具有一定寬度與深度，對壩踵處斷層的置換加固較充分，結(jié)合其他加固措施對提高壩與地基的整體穩(wěn)定安全性具有良好效果。

本文研究成果已應(yīng)用于實際工程，為武都工程的加固處理提供了科學(xué)依據(jù)，可為類似工程的穩(wěn)定分析和加固處理提供參考。

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