石從浩，楊 柳，馬富強(qiáng)

（貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴州 貴陽(yáng) 550002）

1 概況

金珠水庫(kù)位于納雍縣西北部約72 km的昆寨鄉(xiāng)凹豬河村上，距離昆寨鄉(xiāng)政府約3km。水庫(kù)樞壩址以上流域面積為26.7km2，多年平均流量0.546 m3/s，水庫(kù)總庫(kù)容1100萬(wàn)m3,興利庫(kù)容834萬(wàn)m3。推薦壩型為碾壓混凝土拱壩方案。壩頂高程為1599 m，水庫(kù)正常蓄水位為1595 m，最大壩高68.5 m。工程等別為Ⅲ等，工程規(guī)模屬中型。

其中大壩為碾壓混凝土雙曲拱壩，壩頂高程1599 m，河床建基面高程1530.5 m，最大壩高68.5 m；頂壩弧線長(zhǎng)度為198.76 m，壩頂弦線長(zhǎng)度為179 m，頂拱中心角75°；壩頂寬5.5 m，拱冠梁處最大拱厚18 m，大壩厚高比0.263。大壩主體C9020W6F50三級(jí)配碾壓混凝土；大壩上游迎水面采用50 cm厚C9020W6F50二級(jí)配變態(tài)混凝土；變態(tài)砼層之后采用C9020W6F50二級(jí)配碾壓混凝土防滲層。

2 計(jì)算方法

拱壩壩肩抗滑穩(wěn)定分析有多種方法，常用的方法有剛體極限平衡法、有限元計(jì)算法和地質(zhì)力學(xué)模型實(shí)驗(yàn)法。其中在拱壩壩肩抗滑穩(wěn)定分析方法中，剛體極限平衡法為基本方法，剛體極限平衡方法有二維的剛體極限平衡法和三維的剛體極限平衡法。

二維的剛體極限平衡法進(jìn)行壩肩抗滑穩(wěn)定分析，一般采用單位高度的水平拱來(lái)計(jì)算各個(gè)高程的壩肩基巖穩(wěn)定，并確定各個(gè)高程必需的壩肩基巖等高線范圍。在計(jì)算中不考慮壩體和巖體鉛直重量的抗滑作用，如果各個(gè)高程的水平拱的壩肩穩(wěn)定都能滿足設(shè)計(jì)要求，就可以保證整個(gè)壩肩基巖穩(wěn)定。

三維剛體極限平衡法進(jìn)行壩肩抗滑穩(wěn)定分析，視滑動(dòng)體為剛體，不考慮各部分的相對(duì)位移進(jìn)行拱端的整體穩(wěn)定分析。

2.1 二維剛體極限平衡法

采用《拱壩壩肩巖體穩(wěn)定分析》(王毓泰，周維桓等編著)[1]中計(jì)算方法，取單位高度（z=1 m）的拱圈作為計(jì)算單元對(duì)壩肩抗滑巖體進(jìn)行平面穩(wěn)定分析。計(jì)算時(shí)選擇一個(gè)底滑面和側(cè)滑面組成的滑動(dòng)模式。

圖1 二維剛體極限平衡法計(jì)算簡(jiǎn)圖計(jì)算公式如下：

計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。式中：N及S為由拱端傳來(lái)的軸向推力Ha和剪力Va在側(cè)向滑移面AC上的法向力及滑移力；β為滑移面與Ha的夾角；W2為抗滑巖體ABC的重量；U1、U2為陡、緩結(jié)構(gòu)面上的滲透壓力；H為滑移面的平均水頭（上下游水位差）；γ0為水容重；L為滑移面的長(zhǎng)度；α0為高傾角結(jié)構(gòu)面的傾角；θ為緩傾角結(jié)構(gòu)面的傾角；α 為滲透壓力系數(shù)，一般 α=0.4～0.5，取 α=0.4；c1為陡傾角結(jié)構(gòu)面的粘著力；c2、A為緩傾角結(jié)構(gòu)面的粘著力及面積；f1、f2為陡、緩結(jié)構(gòu)面上的摩擦系數(shù)。

2.2 三維剛體極限平衡法

圖中的ABGF為拱壩建基面，AEJF為拱端上游拉裂面(簡(jiǎn)稱(chēng)P1)，作用荷載為水壓力，EDIJ為側(cè)滑面(簡(jiǎn)稱(chēng)P2)，F(xiàn)GHIJ為底滑面(簡(jiǎn)稱(chēng)P3)，塊體上的作用有：Ha為拱端軸向力，位于水平面內(nèi)；Va為徑向剪力，位于水平面內(nèi)；V’c(=Vctanθ)為梁底剪力，位于水平面內(nèi)；U1為垂直作用于P1面的滲透壓力；U2為垂直作用于P3面的滲透壓力；U3為垂直作用于凡面的滲透壓力；W為壩體及壩基滑塊的總重量，垂直向下，W=W1tanθ+W2，W1tanθ為作用在塊體上的壩體和水體自重W2為塊體自重[2]。

圖2 三維剛體極限平衡法計(jì)算簡(jiǎn)圖首先計(jì)算側(cè)滑面和底滑面上的反力R2和R3，以及沿側(cè)滑

計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖2。面P2和底滑面P3交線方向J的分力S；壩肩滑塊抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K1利用下式求解：

式中：f2、c2、A2為側(cè)滑面P1上的摩擦系數(shù)、黏聚力、滑動(dòng)面積；f3、c3、A3底滑面 P3上的摩擦系數(shù)、黏聚力、滑動(dòng)面積。

3 地質(zhì)條件和地質(zhì)參數(shù)

址區(qū)為單斜構(gòu)造，無(wú)大斷裂構(gòu)造發(fā)育，巖層產(chǎn)狀305°～315°∠70°～85°，右岸巖層傾角變化較大，左岸變化較小，多在80°以上，壩區(qū)巖性為砂質(zhì)泥巖、含泥質(zhì)細(xì)粒粉砂巖，黃色泥巖，節(jié)理裂隙較發(fā)育。

3.1 結(jié)構(gòu)面參數(shù)

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)建議值

3.2 地質(zhì)裂隙統(tǒng)計(jì)

壩址區(qū)裂隙發(fā)育統(tǒng)計(jì)情況見(jiàn)表2。3.3 分析對(duì)象及巖體物理力學(xué)參數(shù)

以拱壩的左壩肩為抗滑穩(wěn)定分析對(duì)象，底滑面采用巖層層面的抗剪斷參數(shù)，側(cè)滑面抗剪斷參數(shù)是由巖石/巖石和裂隙面按連通率加權(quán)平均計(jì)算所得，見(jiàn)表3。

表2 壩址區(qū)裂隙發(fā)育統(tǒng)計(jì)表

表3 左壩肩抗滑巖體物理力學(xué)參數(shù)換算表

4 壩肩穩(wěn)定計(jì)算分析

4.1 滑動(dòng)面的選取

二維和三維剛體極限平衡法滑動(dòng)面選取的原則一致，左岸側(cè)滑面和底滑面選取如下：

左岸側(cè)裂面4組裂隙中裂隙③50°～60°/∠80°～85°與各層拱圈拱端徑向均成較小夾角，對(duì)壩肩抗滑穩(wěn)定最不利，以裂隙③作為右壩肩的抗滑穩(wěn)定計(jì)算的側(cè)裂面。

左岸底滑面壩址巖層產(chǎn)狀為310°∠80°，巖層傾角80°較陡不能作為底滑面；分析實(shí)際存在的裂隙組合，發(fā)現(xiàn)左岸的裂隙組合均傾角較陡，不能作為底滑面；因此，假定一組層面作為底畫(huà)面，該底滑面傾角按0°處理，底滑面的地質(zhì)參數(shù)取弱風(fēng)化巖體參數(shù)。

4.2 二維剛體極限平衡法計(jì)算成果（表4）

表4 二維剛體極限平衡法穩(wěn)定計(jì)算成果表

4.3 三維的剛體極限平衡法計(jì)算成果（表5）

表5 三維剛體極限平衡法穩(wěn)定計(jì)算成果表

4.4 兩種計(jì)算方法對(duì)比評(píng)價(jià)

從上述計(jì)算結(jié)果可知，按照二維剛體極限平衡法，其穩(wěn)定系數(shù)大于二維的剛體極限平衡法計(jì)算成果。計(jì)算結(jié)果是偏于不安全。當(dāng)采用二維分層穩(wěn)定計(jì)算方法每個(gè)高程的層面都考慮了底滑面的抗剪因素，而三維分層穩(wěn)定計(jì)算方法只考慮一個(gè)底滑面的抗剪因素，三維剛體極限平衡法更加接近拱壩壩肩的破壞模式，因此在實(shí)際工程運(yùn)用中，應(yīng)該采用多種方法進(jìn)行拱壩的壩肩穩(wěn)定分析，更好地評(píng)價(jià)拱壩的壩肩穩(wěn)定。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述兩種計(jì)算方法，對(duì)金珠水庫(kù)大壩壩肩抗滑穩(wěn)定做了一個(gè)較為全面的分析論證，計(jì)算結(jié)果表明，在各個(gè)工況下，壩肩抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足《混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范》SL 282-2018[3]的要求。