汪 偉，張志雄

(重慶市水利電力建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，重慶 401120)

梅峰拱壩壩肩穩(wěn)定分析

汪 偉，張志雄

(重慶市水利電力建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，重慶 401120)

云陽(yáng)梅峰拱壩址兩岸存在軟弱夾層及構(gòu)造裂隙發(fā)育的特點(diǎn)，拱壩體型優(yōu)化后，采用五圓心雙曲拱壩，減小拱圈中心角以改善壩肩抗滑穩(wěn)定條件。本文采用剛體極限平衡法、三維有限元法分析梅峰拱壩壩肩分析成果，根據(jù)該穩(wěn)定分析結(jié)果，充分說(shuō)明梅峰拱壩壩肩穩(wěn)定安全是有保證的。

節(jié)理裂隙;剛體極限平衡;有限元

DO I:10.3969/j.issn.1672-2469.2016.08.022

1 工程概況

梅峰水電站位于重慶云陽(yáng)縣硐村鄉(xiāng)，湯溪河支流小溪溝的支流董家溝與馬龍溝匯合口下游，是一座以農(nóng)業(yè)灌溉、城鄉(xiāng)供水為主，兼有發(fā)電和改善三峽庫(kù)區(qū)移民安置條件等綜合利用功能的中型水利工程。壩址以上集水面積21.6km2，水庫(kù)總庫(kù)容1054萬(wàn)m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容897萬(wàn) m3，具有多年調(diào)節(jié)能力，屬Ⅲ等中型水庫(kù)。工程攔河大壩為五圓心混凝土雙曲拱壩，壩高81.2m。施工地質(zhì)勘測(cè)表明:拱座巖體中沒(méi)有確定性底滑面和側(cè)滑面，也不存在影響拱座穩(wěn)定的確定性定位塊體，拱座抗滑穩(wěn)定主要由拱座巖體中裂隙構(gòu)成的不連通滑動(dòng)邊界、巖體和結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度控制。因此很有必要對(duì)拱座在可能不利滑面組合情況下進(jìn)行抗滑穩(wěn)定性計(jì)算與評(píng)價(jià)。

2 壩基開挖后工程地質(zhì)條件

2.1 左壩肩

左壩肩開挖后基槽坡度45～55°，開挖水平深度15～20m。開挖后左壩肩為上三疊統(tǒng)須家河組上段第五層()，巖性為淺黃色中厚層巖屑石英砂巖、長(zhǎng)石石英砂巖夾頁(yè)巖、炭質(zhì)頁(yè)巖，夾層呈透鏡體狀出露。巖體呈弱風(fēng)化狀，巖體較完整，局部完整性差，屬中硬巖～堅(jiān)硬巖，巖體質(zhì)量為AⅢ2-BⅢ1類。巖層產(chǎn)狀:N78-85°W/NE∠43-45°，巖層傾向上游。左壩肩開挖在建基面共揭露5條夾層和9條構(gòu)造裂隙。夾層巖性主要為砂質(zhì)頁(yè)巖和炭質(zhì)頁(yè)巖，分布高程在 616.70～625.10m、652.50～664.50m;一般厚0.20～0.80m，G2夾層厚0.10～ 5.1m，在壩軸線位置處最厚;夾層局部夾煤線、泥膜。節(jié)理裂隙多陡傾，傾角75～85°，多張開1～3mm，裂面平直，少量見(jiàn)鐵銹污染。

2.2 河床壩基

設(shè)計(jì)建基面高程為596m，局部超挖約0.50m，開挖深度 5～7m。巖性為第五層()淺灰色厚層巖屑石英砂巖、長(zhǎng)石石英砂巖夾頁(yè)巖、炭質(zhì)頁(yè)巖，夾層呈透鏡體狀出露。壩基巖體為微風(fēng)化～新鮮，巖質(zhì)堅(jiān)硬，巖體完整。根據(jù)巖石抗壓試驗(yàn)成果，巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度大于60Mpa，屬堅(jiān)硬巖，巖體質(zhì)量為 AⅢ1類。巖層產(chǎn)狀:N80°W/NE∠38°，巖層傾向上游。

壩基開挖在建基面共揭露4條夾層和7條構(gòu)造裂隙。夾層巖性以炭質(zhì)頁(yè)巖為主，分布高程在595.68～601.50m;厚0.05～0.20m，局部夾煤線。節(jié)理裂隙多陡傾，傾角68～89°，閉合 ～微張，裂面平直。

2.3 右壩肩

右壩肩開挖后基槽坡度55～60°，開挖水平深度10～15m。巖性為第五層()淺黃色中厚層巖屑石英砂巖、長(zhǎng)石石英砂巖夾頁(yè)巖、炭質(zhì)頁(yè)巖，夾層呈透鏡體狀出露。巖體呈弱風(fēng)化，巖體較完整，局部完整性差，屬中硬巖，巖體質(zhì)量為BⅢ1類。巖層產(chǎn)狀:N85°W/NE∠32°，巖層傾向上游。

右壩肩開挖在建基面共揭露9條夾層和28條構(gòu)造裂隙。主要為砂質(zhì)頁(yè)巖夾層和砂巖破碎夾層，在598.50～648.20m不同高程均有分布;砂質(zhì)頁(yè)巖夾層厚 0.10～0.50m，砂巖破碎夾層厚0.05～0.30m，局部夾泥膜。節(jié)理裂隙主要發(fā)育兩組:N35～38°W/NE∠75～85°和N21～25°E /SE∠53～69°，裂隙多微張，局部夾泥膜，延伸稍彎曲。

壩基開挖后平面圖見(jiàn)圖1，沿壩軸線開挖立面圖見(jiàn)圖2。

圖1 壩基開挖后平面圖

3 壩肩穩(wěn)定計(jì)算

3.1 剛體極限平衡計(jì)算

3.1.1 滑移面的選取

梅峰拱壩經(jīng)反力參數(shù)法計(jì)算程序9拱17梁優(yōu)化調(diào)整，采用C20混凝土五圓心雙曲拱壩，減少了左右岸壩體上游倒懸度，中園拱至側(cè)園拱端逐漸加厚，拱壩體型曲線平順，應(yīng)力分配均勻，拱端扁平，伸向山里。根據(jù)最新的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果、施工地質(zhì)平切圖，基槽開挖后，進(jìn)入弱卸荷帶上部，左岸壩肩基槽坡度45°～55°，開挖水平深度15～20m，右岸壩肩開挖水平深度10～15m;設(shè)計(jì)對(duì)軟弱夾層采用槽挖，回填混凝土塞、鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)、加強(qiáng)固結(jié)灌漿及對(duì)壩基及壩肩基巖裂隙進(jìn)行灌漿的處理方式，處理后壩基巖石檢測(cè)飽抗壓強(qiáng)度平均值42.2～72.8M pa，滿足多拱梁計(jì)算壩體底部最大壓應(yīng)力3.652MPa要求。壩體最大拉應(yīng)力0.95MPa，滿足《混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范》SL282-2003第 6.3.1條，壓應(yīng)力允許值1.2Mpa要求。

施工地質(zhì)揭示，拱端下游側(cè)開挖出現(xiàn)巖層切腳，經(jīng)復(fù)核計(jì)算，壩體左右岸壩基開挖下游高邊坡穩(wěn)定性差。采用結(jié)構(gòu)錨桿加掛網(wǎng)噴射混凝土進(jìn)行支護(hù)，對(duì)拱端下游側(cè)巖層切腳部位，采用C20砼回填處理后，兩岸Ⅰ級(jí)邊坡高邊坡穩(wěn)定滿足《水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL386-2007)要求。

兩岸壩肩開挖處理后，無(wú)明顯的滑裂面，采用平面試算法確定最危險(xiǎn)滑裂面。

3.1.2 二維剛體極限平衡法計(jì)算

本工程壩肩穩(wěn)定采用二維極限平衡法穩(wěn)定計(jì)算，取單位厚度拱和拱端巖體，由于本水庫(kù)拱壩巖層傾向上游，施工地質(zhì)圖中無(wú)拱座特定滑裂面，簡(jiǎn)化為平面問(wèn)題進(jìn)行核算，取一單位高度的水平拱圈及相應(yīng)的壩肩巖體作為獨(dú)立計(jì)算對(duì)象，其結(jié)果偏于安全，這是由于拱圈相互之間的制約作用在計(jì)算中未加考慮，所以如各高程拱圈能獨(dú)立穩(wěn)定，則整體穩(wěn)定便不存在問(wèn)題。按施工地質(zhì)報(bào)告提供的云陽(yáng)縣梅峰水庫(kù)巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)建議值:砂巖弱風(fēng)化層抗剪斷峰值最小值f′=0.9，c′=0.65MPa。砂巖、泥巖較破碎及弱卸荷帶抗剪斷峰值強(qiáng)度(小值平均值)f′=0.38，C′=0.06MPa，對(duì)壩肩抗滑穩(wěn)定進(jìn)行復(fù)計(jì)算。計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖3。

圖3 壩肩抗滑穩(wěn)定計(jì)算簡(jiǎn)圖

本工程由于邊坡較陡，拱座巖體重力主要作用于水平滑動(dòng)面，計(jì)算抗滑體安全系數(shù)計(jì)算公式如下。

式中:N—由拱端傳來(lái)的軸向力Ha和剪力Va以及梁底傳來(lái)的剪力Vc·tgψ在側(cè)向滑移面上的法向壓力;

Q—由拱端傳來(lái)的軸向力Ha和剪力Va以及梁底傳來(lái)的剪力Vc·tgψ在滑移面上的滑動(dòng)力;

Ψ—拱端岸坡角;

W—抗滑巖體重量。容重:巖屑石英砂巖26KN/m3，泥質(zhì)粉砂巖26KN/m3，粉砂質(zhì)泥巖24.6KN/m3，炭質(zhì)頁(yè)巖24.5KN/m3;

Ws—拱端傾斜坡上所對(duì)應(yīng)的壩體重量，容重24KN/m3;

U1—側(cè)向滑移面滲透壓力;

式中:H—滑移面的水頭;

l—側(cè)向滑移面的長(zhǎng)度;

α—滲透壓力系數(shù)，取0.5;

U2—上下巖體間的滲透壓力，

式中:A—底部滑移面的面積;

f1f2—側(cè)向、底部滑移面的抗剪斷摩擦系數(shù);

C1— 底部滑移面的抗剪斷凝聚力。

3.1.3 壩肩穩(wěn)定計(jì)算成果

梅峰拱壩拱梁分載法計(jì)算采用東北院反力參數(shù)法計(jì)算程序。

計(jì)算拱冠梁位移見(jiàn)表1，拱冠梁中面最大位移2.08cm，發(fā)生正常溫降工況壩頂。計(jì)算拱端軸力及剪力見(jiàn)表2、表3，由表4計(jì)算成果表明，各種工況下左、右岸抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范要求。

3.2 拱壩有限元驗(yàn)算

梅峰水庫(kù)拱壩有限元計(jì)算分析由三峽大學(xué)采用大型有限元計(jì)算分析軟件Abaqus6.8計(jì)算，具體內(nèi)容詳見(jiàn)《梅峰水庫(kù)混凝土雙曲拱壩應(yīng)力及壩肩穩(wěn)定性研究》。

3.2.1 失穩(wěn)模式分析

三峽大學(xué)采取強(qiáng)度折減法，失穩(wěn)判據(jù)采用等效塑性應(yīng)變貫穿滑移通道來(lái)分析拱壩壩肩的穩(wěn)定性。

表1 拱壩拱冠梁位移成果表

表2 拱壩拱端軸力表

表3 拱壩拱端剪力表

表4 左、右岸壩肩抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)表

根據(jù)梅峰水庫(kù)工程地質(zhì)報(bào)告，壩區(qū)巖層發(fā)育的層間裂隙產(chǎn)狀和巖層產(chǎn)狀一致，巖層產(chǎn)狀構(gòu)成了壩肩巖體的底滑面，地形表面為臨空面。另發(fā)育的4組節(jié)理，構(gòu)成壩肩巖體可能滑動(dòng)的側(cè)滑面:第①組，走向320～330°，傾向SW，傾角50～55°;第②組，走向50～60°，傾向SE，傾角60～70°;第③組，走向335～345°，傾向 SW，傾角65～80°;第④組，走向310～320°，傾向 SW，傾角58～78°。見(jiàn)圖4。

圖4 節(jié)理與拱壩肩穩(wěn)定分析圖

根據(jù)地質(zhì)報(bào)告提供的四組節(jié)理及初步設(shè)計(jì)報(bào)告中對(duì)壩肩穩(wěn)定的計(jì)算結(jié)果，對(duì)梅峰拱壩的壩肩穩(wěn)定的失穩(wěn)模式圖5，按如下方式考慮。

圖5 梅峰水庫(kù)三維有限元模型中失穩(wěn)模式示意圖

左岸壩肩:以第①組節(jié)理作為側(cè)裂面，第②組作為側(cè)滑面，發(fā)育的巖層作為底滑面進(jìn)行分析。對(duì)于底滑面取三個(gè)層面高程進(jìn)行計(jì)算，分別是為671.00m，638.86m，628.14m，如圖6所示。

圖6 右岸壩肩滑動(dòng)面網(wǎng)格示意圖

右岸壩肩:以第②組節(jié)理作為側(cè)裂面，第①組作為側(cè)滑面，發(fā)育的巖層作為底滑面進(jìn)行分析，并考慮層間軟弱夾層f1作為潛在底滑面。對(duì)于底滑面取三個(gè)層面高程進(jìn)行計(jì)算，分別是為671.00m，f1夾層(處于636.34m)，628.14m，如圖7所示。

另外，地質(zhì)報(bào)告中提到的巖層層面的產(chǎn)狀是傾向上游的，在實(shí)際計(jì)算中，為了偏于安全考慮，采用的是三個(gè)水平的平切面來(lái)考慮其底滑面。

通過(guò)對(duì)三個(gè)不同代表性高程處底滑面的局部穩(wěn)定性的評(píng)判，綜合評(píng)價(jià)壩肩的整體穩(wěn)定性。

3.2.2 壩肩穩(wěn)定

根據(jù)《混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL282-2003)中對(duì)拱壩壩肩穩(wěn)定的規(guī)定:3級(jí)建筑物按抗剪斷公式計(jì)算得到的安全系數(shù)，在基本荷載組合時(shí)允許的最小安全系數(shù)為3.0，特殊荷載組合(非地震)時(shí)允許的最小安全系數(shù)為2.50。由下表5可見(jiàn)，各工況下壩肩穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

表5 左、右岸壩 肩抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)表

4 梅峰拱壩壩肩穩(wěn)定安全性評(píng)價(jià)

梅峰拱壩左壩肩軟弱夾層有5條G1～G5，其中G1夾層貫穿壩基面，構(gòu)造裂隙有9條L1～L9;右壩肩軟弱夾層有9條G6～G14，其中G7、G8、G12夾層貫穿壩基面，構(gòu)造裂隙有28條L10～L27。軟弱夾層在壩基上游面延伸較長(zhǎng)，在壩基下游面延伸較短;構(gòu)造裂隙在壩基下游側(cè)共有9條，產(chǎn)狀各異，為陡傾角裂隙，多閉合，其側(cè)裂面邊界是極不完善的，兩岸巖層產(chǎn)狀相似，均傾向上游。壩基軟弱夾層及構(gòu)造裂隙都進(jìn)行了處理，剛體極限平衡和有限元計(jì)算抗滑穩(wěn)定計(jì)算時(shí)的側(cè)裂面是假定面，底滑面為水平，因此，計(jì)算出的抗滑穩(wěn)定結(jié)果本身就具有一定的安全裕度。

經(jīng)過(guò)剛體極限平衡法及有限元法驗(yàn)算，對(duì)梅峰拱壩壩肩穩(wěn)定的評(píng)價(jià)可給出以下結(jié)論。

(1)從表4及表5可以看出，左右岸壩肩穩(wěn)定安全系數(shù)的變化規(guī)律均受控于水頭作用的影響。隨著抗滑體底滑面從高高程到低高程變化，作用在抗滑體上的水頭越大，抗滑體穩(wěn)定安全系數(shù)越小，因此，必須需做好壩體帷幕灌漿及壩基排水孔，減小壩體下游水頭壓力。

(2)剛體極限平衡法和有限元法，計(jì)算的壩肩穩(wěn)定安全系數(shù)相差較大，但變化趨勢(shì)一致，這主要是因?yàn)閯傮w極限平衡方法未考慮巖體非線性的影響，有限元強(qiáng)度折減法若考慮計(jì)算過(guò)程中的巖體的非線性應(yīng)力調(diào)整因素，則更加符合當(dāng)前應(yīng)力狀態(tài)的實(shí)際情況。

(3)基本組合工況及特殊組合Ⅰ工況下，左右岸抗滑體的穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范要求的穩(wěn)定安全系數(shù)，滿足穩(wěn)定要求。

綜上所述，可以得出結(jié)論:梅峰拱壩壩肩穩(wěn)定的安全性是完全有保證的。

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1672-2469(2016)08-0065-03

2016-01-21

汪 偉(1966年—)，男，高級(jí)工程師。