贠立明

（新疆金溝河流域管理局，新疆 塔城 832100）

金溝河灌區(qū)位于新疆北部準(zhǔn)噶爾盆地南緣塔城地區(qū)沙灣縣境內(nèi)，地處天山北麓，準(zhǔn)噶爾盆地南緣，東以寧家河為鄰，西與巴音溝河相連。灌區(qū)斷層規(guī)模較小，閘基范圍25°以下低傾角壓性及扭性斷層較多，在水平構(gòu)造應(yīng)力作用下，灌區(qū)軟弱夾層層間錯動頻發(fā)，地下水運(yùn)動主要為層間水平運(yùn)動，上下缺乏連通性，斷裂構(gòu)造和層間錯動處透水性明顯。

1 抗滑穩(wěn)定處理方案

退水閘閘孔安全系數(shù)Kc≤1.3，必須采用混凝土齒墻進(jìn)行補(bǔ)充阻滑處理，切斷混凝土齒墻抗滑力最弱的夾層，利用墻體嵌固力增加阻滑力。中齒墻靠近合力點(diǎn)，其位移和夾層應(yīng)力比上齒墻小，但是退水閘閘首灌溉排水廊道已有一道齒墻，其后設(shè)置中齒墻不利于排水降壓，故采用加深切斷閘首混凝土齒墻方案便于阻滑。同時在閘室上游設(shè)防滲板，通過前移帷幕與排水至防滲板首部廊道，借助防滲板水重增大阻滑力。為增強(qiáng)灌漿帷幕效果，在上游防沖板分縫位置利用彈性聚氨酯填縫止水，增大滲徑，降低滲水壓，預(yù)防泥化夾層管涌出現(xiàn)[1]。

2 抗滑穩(wěn)定計算

2.1 各類巖石與夾層的力學(xué)參數(shù)

2.1.1 粘土質(zhì)粉砂巖

結(jié)合金溝河灌區(qū)干渠退水閘運(yùn)行條件、滲壓水時間效應(yīng)、振東、荷載等對強(qiáng)度可能的影響，設(shè)計采用值取抗剪試驗比例極限，如表1，其中φ為最大速度滯后角，C為平均豎向固結(jié)系數(shù)，E為變形模量。金溝河灌區(qū)總干渠基巖處三向應(yīng)力，設(shè)計采用值須以三軸強(qiáng)度為依據(jù)，綜合各種實(shí)驗條件，基巖三軸強(qiáng)度設(shè)計參數(shù)如下：

式中：σ1為主壓應(yīng)力；σ3為測壓應(yīng)力；τ為抗剪強(qiáng)度；σ為正應(yīng)力；F 取 3.54～4.2,；R 取 20～21 kg/cm2；摩擦系數(shù) f取 0.56～0.87；C取5.02～5.4 kg/cm2；E根據(jù)閘基應(yīng)力狀態(tài)確定，詳見表1。根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，垂直和水平方向變形屬性一致。

表1 基巖與夾層的力學(xué)參數(shù)

2.1.2 軟弱夾層力學(xué)特性

（1）剪切流變特性

軟弱夾層剪切破壞塑性變形特性顯著，隨著破壞塑性值的增大，變形速率隨之增大，同時隨著剪切歷時的延長，屈服值逐漸下降并最終趨于穩(wěn)定。

（2）抗剪強(qiáng)度特性

軟弱夾層抗剪強(qiáng)度隨著黏粒含量和含水量的增加而逐漸降低，通過試驗可以發(fā)現(xiàn)，夾層間泥化帶抗剪強(qiáng)度最低，所以根據(jù)殘余強(qiáng)度與流變強(qiáng)度確定設(shè)計值。

（3）抗力巖體強(qiáng)度

軟弱夾層引起閘室深層滑動，通過尾巖抗力幫助穩(wěn)定，通過現(xiàn)場試驗獲取層狀巖體抗力值以及比例極限、屈服極限與破壞值?；诘刭|(zhì)條件綜合分析結(jié)果，抗力體屈服值按下式計算：

2.2 深層滑動計算

根據(jù)試驗結(jié)果，夾層剪切強(qiáng)度為巖石的一半，且金溝河灌區(qū)總干渠退水閘滑動穩(wěn)定控制條件為沿夾層深層滑動。

2.2.1 常規(guī)計算

混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范所列抗滑穩(wěn)定計算公式僅適用于沿建基面淺層滑動，深層滑動應(yīng)結(jié)合巖體抗力阻滑作用，按下式計算：

式中：f為摩擦系數(shù)；ΣV為夾層以上垂直荷載之和；ΣH為夾層以上水平荷載之和；P為抗力；α為夾層順流向傾角。

（1）側(cè)向阻力

深層滑動涉及三向應(yīng)力問題，基巖的連續(xù)性導(dǎo)致其間的裂隙或斷層存在一定的咬合作用[2]，經(jīng)灌漿等加固處理，間隙間所填充的漿體會產(chǎn)生側(cè)向阻力，但是金溝河灌區(qū)河床寬闊，巖層傾角緩和，軟弱夾層性能穩(wěn)定，所以相鄰巖層安全系數(shù)取值接近，誤差在0.15以內(nèi)，同時在閘孔施加阻滑措施才能增強(qiáng)穩(wěn)定性，故不考慮側(cè)向阻滑，僅按平面問題對待。

（2）上游水壓力

考慮到本灌區(qū)總干渠退水閘基巖透水性較小，帷幕灌漿對增強(qiáng)基巖抗?jié)B效果并不顯著，所以在高程20 m以上的基巖內(nèi)采用全水頭，在20 m以下基巖內(nèi)按50%折減，帷幕灌漿排水口滲壓系數(shù)為0.3。

（3）尾巖抗力

退水閘閘基巖體軟弱，層面夾層較多，受力后變形嚴(yán)重，為了保證其安全裕度，可以考慮運(yùn)用散粒體理論，令第一破裂面摩擦系數(shù)f1=0.35，第二破裂面摩擦系數(shù)f2=0，則水平方向 P=G0tg（β+φ）。式中：G0為抗力體總垂直力，f1=tgφ，β 為裂隙傾角。

（4）層面傾角

退水閘巖層傾斜線斜交于壩軸線，所以實(shí)際滑動方向斜交于流向，故應(yīng)按斜向滑動計算層面傾角。在順流向情況下安全系數(shù)偏大，為確保所求層面傾角的準(zhǔn)確性，令滑動角θ=2.5°，所求結(jié)果與斜向滑動結(jié)果相等。

（5）安全裕度分析

根據(jù)退水閘地質(zhì)條件和計算公式，主要考慮其計算參數(shù)、抗力和荷載三個方面的裕度。將試驗取樣點(diǎn)設(shè)置在灌區(qū)巖層軟弱區(qū)域，并確保40%試樣的剪切面起伏差在1 mm左右，這類試樣的強(qiáng)度比平整面高出20%，其余參數(shù)仍按平整面試樣殘余值取值，所以計算參數(shù)安全裕度良好。退水閘深層基巖裂隙發(fā)育度低，而抗滑穩(wěn)定設(shè)計中假設(shè)裂隙全部貫通，實(shí)際上不存在第二破裂面，同時不考慮破裂面摩擦力，所以抗力計算裕度良好，所得平均水平應(yīng)力為3～3.8 kg/cm2，如果采用抗力體試驗所得抗力屈服極限公式且考慮巖體混凝土護(hù)坦板壓重，則抗力數(shù)值將增加至11.63 kg/cm2。灌區(qū)干渠水壓力與揚(yáng)壓力比實(shí)際值大，如果采用電擬試驗流網(wǎng)圖計算荷載，則應(yīng)以夾層高程20 m計，且水推力降低5%，揚(yáng)壓力降低50%，由于蓄水后的觀測數(shù)據(jù)小于電擬試驗，所以荷載計算安全裕度良好。

綜合抗力和荷載安全裕度數(shù)據(jù)，防滲板夾層高程20 m、摩擦系數(shù)殘余值0.2，則安全系數(shù)將從1.3增大至2.2，深層抗滑穩(wěn)定效果顯著。

2.2.2 有限元分析

常規(guī)計算無法反應(yīng)退水閘深層基巖各部位的應(yīng)力與位移，為此還必須進(jìn)行有限元分析。

退水閘基巖內(nèi)存在兩條泥化夾層，抗滑穩(wěn)定設(shè)計深度取一倍閘長，由于基巖堅硬，變形模量為粉砂巖的20倍，進(jìn)行二向固定預(yù)支，上下游只進(jìn)行水平向預(yù)支?；鶐r內(nèi)滲流場巖層滲透系數(shù)不同，上層滲透系數(shù)為下層的100倍，運(yùn)用三向電擬試驗流網(wǎng)圖計算，巖層內(nèi)水平向滲透系數(shù)為垂直向的10倍，夾層按節(jié)理單元處理，基巖按三角單元處理，運(yùn)用變剛度法和應(yīng)力轉(zhuǎn)移兩種方法進(jìn)行抗滑穩(wěn)定非線性分析，按照淺齒墻、深齒墻、淺齒防滲板和深齒防滲板四個方案進(jìn)行分析。

（1）荷載作用下各部位應(yīng)力情況

上游基巖拉應(yīng)力從齒墻開始逐漸降低，從基巖頂面自上而下至第二條夾層淺齒墻方案拉應(yīng)力最大，可達(dá)2.7 kg/cm2，此拉應(yīng)力進(jìn)一步增大了基巖內(nèi)陡傾角節(jié)理裂隙，不利于防滲和抗滑穩(wěn)定處理。閘基以下的壓應(yīng)力在2～5 kg/cm2之間，深齒墻處壓應(yīng)力最大可達(dá)16 kg/cm2，按照三軸強(qiáng)度參數(shù)核算的安全系數(shù)為3。閘尾巖體內(nèi)向壓應(yīng)力在3.9 kg/cm2以下，與抗力體試驗所得到的屈服值相比存在3.5～6的安全儲備。

夾層以上的剪應(yīng)力逐漸增大，到閘尾處增加到最大，上下夾層f均為0.25時，抗剪強(qiáng)度fσn≤剪應(yīng)力τs，則在閘室下游存在約 10～20 m 滑移區(qū)，再往下游則剪應(yīng)力變小，fσn＞τs，不存在滑移。

（2）水荷載下各部位應(yīng)力情況

退水閘各部位所承擔(dān)水荷載情況如表2，夾層越深則所承擔(dān)的水平力比重越大，抗力越小。齒墻切穿夾層越深，則齒墻作用越明顯。防滲板為減輕夾層上剪應(yīng)力而承受15%～35%的水荷載。

表2 不同方案各部位承擔(dān)水荷載情況

沿夾層的安全系數(shù)按下式計算：

式中：σni、τsi、Li為第i節(jié)理單元的正應(yīng)力、剪應(yīng)力和單元長度。計算結(jié)果見表3。

表3 各方案上下夾層安全系數(shù)K

從上表可知，淺齒墻所對應(yīng)安全系數(shù)值較小，當(dāng)f=0.2時安全系數(shù)均不足2.0，安全度不夠。夾層越深則安全系數(shù)值越大，如果在計算公式中考慮齒墻混凝土斷裂面摩阻力fσy(f=0.7)，則安全系數(shù)值將會提高，如表3中括號內(nèi)數(shù)據(jù)所示。

（3）閘室位移

不同方案下閘室水平位移均為10 mm，其中防滲板方案位移最小，水壓力增加后，閘室將沿逆時針方向位移。隨著基巖變形模量的變化，閘室位移所發(fā)生的變化詳見表4。隨著變形模量E的下降，水平位移會增加30%～50%，垂直位移將增加85%，而當(dāng)變形模量E增大一倍，水平和垂直位移分別降低25%～45%和50%，在保持基巖變形模量不變時改變夾層變形模量，則閘室位移將變動5%～10%?？梢?，影響閘室位移的主要是基巖變形模量[3]。

表4 閘室位移計算結(jié)果 單位：mm

（4）深層滑動的破壞機(jī)制

不同方案均在閘尾下游夾層處存在滑移區(qū)，計算中所采用的下游固定水位為39 m，上游水位分49 m、54 m、59 m和66 m四級分別計算，當(dāng)水位為59 m時便會發(fā)生滑移，繼續(xù)升至66 m時滑移又會擴(kuò)展至下一單元，降低f值后滑移區(qū)將明顯向上下游方向拓展，夾層處剪應(yīng)力發(fā)生變化，而抗力體應(yīng)力基本不變。隨著上游水壓力的作用，閘尾下游夾層所發(fā)生的滑移將向二旁擴(kuò)展，位移隨之增加，直至滑移區(qū)后帷幕發(fā)生剪壞，改變荷載條件，閘孔發(fā)生不均勻位移，止水片拉壞、失穩(wěn)，這就是深層滑動的破壞機(jī)制。

3 結(jié)論

抗力體是深層滑動穩(wěn)定設(shè)計的重要因素，在穩(wěn)定計算中抗力體的強(qiáng)弱直接影響抗滑安全，當(dāng)抗力體位置基巖變形模量降低一半，則其所承擔(dān)的水平力將下降15%，其與應(yīng)力將轉(zhuǎn)移至夾層，夾層剪應(yīng)力增大。從上述計算可知，抗力體對退水閘深層抗滑穩(wěn)定設(shè)計影響較大，為增強(qiáng)巖體重量與剛度，應(yīng)將護(hù)坦斜坡坡度從1∶6減緩到1∶12，并對閘孔增加鋼筋混凝土加固樁，利用其抗剪強(qiáng)度承受滑移剪力，退水閘使用68根Ф850 mm直徑樁和106根Ф219 mm的交叉樁，底部埋入中部砂巖，通過連接頂部與護(hù)坦板，增強(qiáng)混凝土與基巖連接的抗力。

新疆金溝河灌區(qū)總干渠退水閘阻滑措施實(shí)施后，采用散粒體公式進(jìn)行抗力體計算和深層滑動分析，安全度均在2.0以上。