陳 晨

(上海勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610041)

1 概 述

在混凝土重力壩設(shè)計(jì)中，當(dāng)壩基巖體內(nèi)存在軟弱結(jié)構(gòu)面、緩傾角裂隙時(shí)，重力壩深層抗滑穩(wěn)定的分析方法按現(xiàn)行重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范(SL319-2005)采用基于等安全系數(shù)法的剛體極限平衡法進(jìn)行計(jì)算。按該規(guī)范建立滑動(dòng)計(jì)算模型時(shí)，對(duì)一些地質(zhì)條件特殊復(fù)雜的工程簡(jiǎn)化了某些具有明確物理力學(xué)意義的控制因素，得出與實(shí)際情況相差較大的計(jì)算結(jié)果。雖然保證了工程安全，但在一定程度上是以失去工程經(jīng)濟(jì)性為代價(jià)的。規(guī)范中計(jì)算雙滑面滑動(dòng)模式BD面為假定面、計(jì)算值φ取0并采用等K法計(jì)算，尤其是在計(jì)算模型簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)中，對(duì)下游BCD滑塊上部蓋重的考慮沒(méi)有相關(guān)說(shuō)明，出于對(duì)種種安全因素的考慮，疊加導(dǎo)致計(jì)算的安全系數(shù)裕度較大，對(duì)工程的經(jīng)濟(jì)性不利。筆者針對(duì)翁養(yǎng)水庫(kù)重力壩下游河床高程高出建基面高程13.5～16.5 m、考慮阻滑塊BCD上部原狀巖石在施工中不予挖除的實(shí)際情況，在深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算中考慮了這部分巖土的蓋重作用。計(jì)算模型更符合工程實(shí)際情況，計(jì)算結(jié)果安全可靠，可供類似工程設(shè)計(jì)借鑒。

翁養(yǎng)水庫(kù)擋水建筑物為碾壓混凝土重力壩，壩頂高程1 337 m，建基面高程1 284 m，最大壩高53 m，壩頂寬度為5 m，壩軸線長(zhǎng)度為159.35 m。大壩布置從左至右分別為：左岸擋水壩段、取水放空壩段、溢流壩段、右岸擋水壩段。左、右岸擋水壩段壩長(zhǎng)分別為53.5 m和68.85 m，取水放空壩段長(zhǎng)20 m，壩頂溢洪道壩段長(zhǎng)17 m。重力壩壩體上游面為鉛直面，下游在1 330.33 m高程之上為鉛直面，以下壩坡為1∶0.75。計(jì)算選取的典型斷面見圖1。

該工程計(jì)算壩段基礎(chǔ)上部覆蓋薄層殘坡積含碎礫石粘土層，其下為強(qiáng)風(fēng)化巖體，厚10～16 m，完整性差，鑲嵌～碎裂狀結(jié)構(gòu)，裂隙發(fā)育，一般均強(qiáng)烈銹染，巖體松弛，卸荷裂隙中普遍充填次生泥，RQD=20%～40%，Vp=2 000～3 500 m/s，壩體深埋段不能滿足建壩要求，筆者建議挖除。弱風(fēng)化巖體厚約14～21 m，為BⅢ2級(jí)巖體，完整性較好，次塊狀～鑲嵌結(jié)構(gòu)，RQD=20%～50%，Vp=3 000～4 500 m/s，可滿足建壩要求。按規(guī)范要求，該工程重力壩建基面選擇弱風(fēng)化巖體中部。

圖1 最大非溢流壩段剖面圖(計(jì)算斷面)

2 大壩深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算分析

2.1 基本假定

以單位寬度進(jìn)行的壩體深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算分析以最大斷面作為計(jì)算斷面，基礎(chǔ)面按水平面考慮。

作用荷載中不考慮壩頂結(jié)構(gòu)、閘門及其啟閉設(shè)備的附加重量。

2.2 深層滑動(dòng)的三種計(jì)算模型

河床壩基部位巖體中的裂隙總體上可以分為以下三組：①N65°～70°E/NW∠70°～85°(與河道軸線近正交，陡傾下游偏左岸)；②N55°～65°W/SW∠70°～85°(與河道軸線斜交，陡傾上游左岸)；③N20°～30°E/NW∠45°～55°(與河道軸線斜交，中度陡傾下游左岸)。層面產(chǎn)狀：N30°～45°E/SE∠30°～40°(傾上游偏右岸)。上述可能構(gòu)成壩基深層抗滑穩(wěn)定的不利結(jié)構(gòu)面在河床擋水壩段出現(xiàn)。河床壩段結(jié)構(gòu)面組合情況見圖2。

經(jīng)分析可知，壩基深層抗滑穩(wěn)定存在三種可能的滑動(dòng)模式：

第一種是以第①組裂隙為上游拉裂面、以巖層層面為初滑面組成單滑面滑動(dòng)模式；

第二種是以第③組裂隙面為上游拉裂面、以巖層層面為初滑面組成雙滑面滑動(dòng)模式；

第三種是以第③組裂隙面為上游拉裂面、以巖石最危險(xiǎn)剪斷面為初滑面組成雙滑面滑動(dòng)模式。

圖2 河床壩基巖體結(jié)構(gòu)面組合示意圖

2.3 深層滑動(dòng)面參數(shù)

大壩建基面位于弱風(fēng)化BⅢ2級(jí)巖體。本次深層抗滑穩(wěn)定分析計(jì)算中滑出面和拉裂面涉及弱風(fēng)化(BⅢ2)巖體和微新(BⅢ1)巖體。巖體剪斷面(滑出面)處于弱風(fēng)化巖體中，采用弱風(fēng)化巖石抗剪斷參數(shù)；層面(滑出面)采用弱風(fēng)化及微新巖體層面抗剪斷參數(shù)；第③組裂隙面(拉裂面)同時(shí)考慮裂隙的連通率與各級(jí)巖體中拉裂面的占比，采用加權(quán)系數(shù)法求得。

壩基深層抗滑穩(wěn)定分析滑面采用的綜合參數(shù)見表1。

表1 滑面分析采用的綜合參數(shù)表

其計(jì)算公式為：

①單滑面深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算情況見圖3及式(1)。

圖3 單滑面深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算示意圖

考慮ABC塊的穩(wěn)定，BC為滑動(dòng)面，則有：

(1)

式中K′為按抗剪斷強(qiáng)度計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；W為作用于壩體上全部荷載(不包括揚(yáng)壓力，下同)的垂直分值；H為作用于壩體上全部荷載的水平分值，kN；G為巖體ABC重量的垂直作用力，kN，巖體容重取26 kN/m3；f′為BC滑動(dòng)面的抗剪斷摩擦系數(shù)；c′為BC滑動(dòng)面上的抗剪斷凝聚力，kPa；A為BC面的面積，m2；α、β分別為AB、BC面與水平面的夾角；U1、U2分別為AB、BC面上的揚(yáng)壓力，kN。

②雙滑面深層抗滑穩(wěn)定根據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄E，采用抗剪斷強(qiáng)度公式進(jìn)行計(jì)算。

計(jì)算示意圖見圖4及式(2、3)。

圖4 雙滑面深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算示意圖

考慮ABD塊的穩(wěn)定，則有：

(2)

考慮BCD塊的穩(wěn)定，則有：

(3)

2.4 作用荷載

作用荷載根據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄B進(jìn)行計(jì)算。主要作用荷載有：自重、靜水壓力、淤沙壓力、揚(yáng)壓力、浪壓力。

根據(jù)規(guī)范，大壩穩(wěn)定計(jì)算中應(yīng)考慮的設(shè)計(jì)工況、荷載組合及其相應(yīng)的荷載計(jì)算成果見表2。

表2 荷載計(jì)算成果表 /kN

2.5 不考慮大壩下游蓋重的深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

筆者針對(duì)上述三種滑動(dòng)模式進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)在不考慮大壩下游14 m厚的土石蓋重情況下，第二種滑動(dòng)模式(即以第③組裂隙面為上游拉裂面、以巖層層面為初滑面組成雙滑面滑動(dòng)模式)情況下，大壩的深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果不滿足規(guī)范要求(表3)。但這種模式的計(jì)算結(jié)果是基于計(jì)算中BD面為假定面、計(jì)算值φ取0且采用等K法計(jì)算，該計(jì)算假設(shè)過(guò)于保守。

表3 第二種滑動(dòng)模式的壩基深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果表

2.6 考慮大壩下游蓋重的深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

經(jīng)分析并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在計(jì)算壩基雙滑面深層抗滑穩(wěn)定情況時(shí)，由于下游河床高程比建基面高13.5～16.5 m，因此考慮了阻滑塊BCD上存在14 m厚的土石壓重層，土石壓重層容重取值為25 kN/m3。對(duì)該假定重新修正后，進(jìn)行了大壩深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算。

(1)第一種滑動(dòng)模式計(jì)算成果見表4。

上游拉裂面與水平面的夾角α=80°，下游出滑面與水平面的夾角β=35°。

表4 第一種滑動(dòng)模式的壩基深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果表

(2)第二種滑動(dòng)模式計(jì)算成果見表5。

上游拉裂面與水平面的夾角α=45°，下游出滑面與水平面的夾角β=35°。

表5 第二種滑動(dòng)模式的壩基深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果表

(3)第三種滑動(dòng)模式計(jì)算結(jié)果見表6。

上游拉裂面與水平面的夾角α=45°，下游出滑面與水平面的夾角β分別選取10°，15°，20°，25°，30°，35°，40°，45°，得到：當(dāng)β=30°時(shí)，壩基深層抗滑穩(wěn)定系數(shù)最不利。

表6 壩基深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果表

3 結(jié)論及建議

結(jié)合工程實(shí)際情況，對(duì)大壩深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算進(jìn)行了深入分析。針對(duì)設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算模型中下游滑塊基本荷載的選取進(jìn)行了進(jìn)一步的研究與解讀，將大壩下游蓋重作為有利荷載考慮到工程設(shè)計(jì)中，經(jīng)計(jì)算，三種滑動(dòng)模式情況下大壩深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算均滿足規(guī)范要求。在保證工程安全的前提下，避免了設(shè)計(jì)安全系數(shù)裕度過(guò)大造成的浪費(fèi)，值得相關(guān)類似工程借鑒。