呂石源

（福建省周寧縣水利局，福建 周寧 355400）

重力壩壩體基巖通常存在節(jié)理、裂隙或斷層等復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)［1，2］，很少為完整的巖體。由于壩基的地質(zhì)缺陷很難被發(fā)現(xiàn)［3，4］，可能形成不可預(yù)知的滑動(dòng)通道［5］，甚至出現(xiàn)嚴(yán)重的工程事故［6］。因此，對(duì)重力壩工程進(jìn)行穩(wěn)定性分析與安全評(píng)價(jià)具有重要意義［7］。傳統(tǒng)的重力壩穩(wěn)定性分析一般有超載法或強(qiáng)度儲(chǔ)備法［8，9］，卻鮮有考慮超載及材料弱化等因素的影響［10］。

本文考慮超載及材料弱化因素對(duì)大壩的影響，綜合運(yùn)用分項(xiàng)系數(shù)法與有限單元法，以加固后黃埔水庫(kù)漿砌石重力壩為研究對(duì)象，建立了加固后黃埔大壩仿真模型，開(kāi)展了復(fù)雜條件下基于分項(xiàng)系數(shù)法的漿砌石重力壩抗滑穩(wěn)定仿真分析，使得分項(xiàng)系數(shù)的有限元法含有可靠度的意義，計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確、客觀。

1 工程概況

黃埔水庫(kù)壩址位于黃埔村上游2.5km處河道上，壩址控制流域面積16.5km2。水庫(kù)30年一遇設(shè)計(jì)洪水時(shí)，最高庫(kù)水位710.53m，200年一遇設(shè)計(jì)洪水時(shí)，最高庫(kù)水位711.00m，相應(yīng)庫(kù)容108萬(wàn)m3。大壩為漿砌石重力壩，最大壩高17.5m，壩頂長(zhǎng)84.2m，溢洪方式為壩頂自由溢流，堰頂高程708m，4 孔溢流堰凈寬31.1m，堰上架設(shè)交通便橋。挑流消能，鼻坎高程697.8m，挑射角23.7°。壩體左岸地形上部為坡殘積砂質(zhì)黏土覆蓋，下部為弱風(fēng)化巖體出露，邊坡穩(wěn)定；壩體右岸地形上部為坡殘積砂質(zhì)黏土覆蓋，下部為強(qiáng)風(fēng)化巖體出露，邊坡可能產(chǎn)生失穩(wěn)。

2 水庫(kù)存在主要問(wèn)題及措施

2.1 大壩壩體滲漏

黃浦水庫(kù)壩體混凝土局部強(qiáng)度較低，且壩體上部（正常蓄水位以上）存在有空洞，大壩增高培厚的過(guò)程中新舊壩體的黏結(jié)性較差，為防止新舊壩體直接接觸大壩壩體滲漏，需對(duì)大壩壩體進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)灌漿及上游設(shè)置鋼筋混凝土防滲面板處理。補(bǔ)強(qiáng)灌漿范圍為全斷面灌漿，非溢流壩段孔距1.0m，灌漿孔從壩頂深入壩體至開(kāi)挖面，灌漿壓力0.2～0.4MPa；溢流壩段從溢流面上上設(shè)補(bǔ)強(qiáng)灌漿孔，孔距1.0m，灌漿孔從壩頂深入壩體至開(kāi)挖面，灌漿壓力0.2 ～0.4MPa；大壩防滲面板設(shè)置在大壩上游面，防滲面板厚度0.50m，防滲面板深入基礎(chǔ)1.0m，防滲面板每隔12m設(shè)置一分縫，分縫設(shè)置銅片止水。為保證防滲面板與大壩的充分結(jié)合，將大壩上面進(jìn)行充分鑿毛，并在防滲面板與大壩之間設(shè)置連接錨桿，錨桿直徑φ25，錨桿入防滲面板0.50m，與防滲面板鋼筋網(wǎng)焊接，深入舊壩體1.50m。

2.2 大壩壩基滲漏

本次通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)測(cè)繪發(fā)現(xiàn)，壩體左岸下游渠道內(nèi)外邊坡潮濕，局部見(jiàn)有滲水；右岸下游山體702m高程見(jiàn)有滲水，其水量隨庫(kù)水位升高而增加。分析推測(cè)，由于壩體兩岸巖體發(fā)育NE和NW向高傾角節(jié)理，相互交切，而形成的滲漏通道。之前對(duì)壩基進(jìn)行了全面固結(jié)澆灌漿，但未進(jìn)行帷幕灌漿，右岸山體斷層、裂隙未完全處理到位，存在漏水通道，防滲效果較差。

綜上所述，壩體兩岸存在繞壩滲漏，需進(jìn)行帷幕灌漿處理，處理深度為壩基以下8.0m，使大壩壩基形成一個(gè)閉合的防滲體系，以進(jìn)行帷幕灌漿處理。帷幕灌漿孔孔距2.0m，孔深按壩基面以下8.0m控制。灌漿孔設(shè)置在壩頂中部，帷幕灌漿在壩體補(bǔ)強(qiáng)灌漿實(shí)施后進(jìn)行；依據(jù)大壩存在繞壩滲漏隱患，帷幕灌漿往左岸延伸4孔及右岸延伸7孔，孔距2.0m。鉆孔灌漿按分序加密的原則分三序進(jìn)行，采用自下而上分段灌漿法施工，接觸段長(zhǎng)度不大于2m。

3 計(jì)算原理與方法

該壩壩高17.5m，只需進(jìn)行單滑面深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算，安全系數(shù)為滑動(dòng)面上阻滑力與滑動(dòng)力之比，如式（1）：

式中 K′為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f′為抗剪斷摩擦系數(shù)；W為自重（kN）；U為壩底揚(yáng)壓力（kN）；（∑W-U）為抗滑力（kN）；c′為抗剪斷凝聚力（kN）；A為大壩與基巖接觸面積（m2）；∑P為滑動(dòng)力（kN）。

引入各荷載及材料分項(xiàng)系數(shù)到式（1）中，求解安全度Kr的作用效應(yīng)函數(shù)S（g）及抗力函數(shù)R（g），如式（2）式（3）：

式中 γP為荷載分項(xiàng)系數(shù)；γW為自重的分項(xiàng)系數(shù)；γU為揚(yáng)壓力分項(xiàng)系數(shù)；γf′為摩擦系數(shù)分項(xiàng)系數(shù)；γc′為凝聚力分項(xiàng)系數(shù)；其他字母含義同上。

采用有限元法分析壩體抗滑穩(wěn)定時(shí)，引入分項(xiàng)系數(shù)法，其具體步驟將壩體所受荷載乘以分項(xiàng)系數(shù)作為計(jì)算的荷載，①將材料力學(xué)參數(shù)除以材料性能分項(xiàng)系數(shù)作為的計(jì)算參數(shù)；②再采用強(qiáng)度儲(chǔ)備法求解得到壩體強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)作為壩體抗滑穩(wěn)定安全度。

將得到抗滑穩(wěn)定安全度Kr與目標(biāo)安全度 ［K］作比較，便可對(duì)大壩抗滑穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，從而判定壩體是否能滿足抗滑穩(wěn)定的要求。

4 模型建立

采用基于分項(xiàng)系數(shù)有限元法進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算時(shí)對(duì)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化。

4.1 模型計(jì)算坐標(biāo)

X軸為順河向方向，Y軸為橫河向方向，Z軸為豎向。

4.2 基礎(chǔ)計(jì)算范圍

順河向河流上、下游各取1倍壩高，沿建基面向下取1倍壩高。

4.3 邊界條件

基礎(chǔ)側(cè)面施加法向鏈桿約束，底面全約束，6個(gè)自由度均設(shè)為零。

4.4 網(wǎng)格剖分

結(jié)合本工程實(shí)際，計(jì)算時(shí)對(duì)重要結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格加密。模型離散為1253個(gè)單元，1517個(gè)節(jié)點(diǎn)。漿砌石非溢流壩段與非溢流壩段的有限元網(wǎng)格如圖1,圖2。

圖1 漿砌石非溢流壩段有限元網(wǎng)格

圖2 漿砌石溢流壩段有限元網(wǎng)格

4.5 計(jì)算荷載組合

作用在壩體上的荷載主要有壩體自重 （分項(xiàng)系數(shù)1.0）、靜水壓力（分項(xiàng)系數(shù)1.0）、水重（分項(xiàng)系數(shù)1.0）、揚(yáng)壓力（分項(xiàng)系數(shù)1.1）、浪壓力（分項(xiàng)系數(shù)1.0）。

荷載組合如表1。

表1 計(jì)算荷載組合

4.6 計(jì)算物理力學(xué)參數(shù)

抗剪摩擦系數(shù)f=0.7（分項(xiàng)系數(shù)1.2），抗剪斷摩擦系數(shù) f′=1.1 （分項(xiàng)系數(shù)1.1），抗剪斷凝聚力c=1 MPa（分項(xiàng)系數(shù)1.2），排水折減系數(shù)0.3（分項(xiàng)系數(shù)1.1），砌體容重2.3t/m3（分項(xiàng)系數(shù)1.0），淤沙內(nèi)摩擦角20°（分項(xiàng)系數(shù)1.0），浮容重0.9t/m3（分項(xiàng)系數(shù)1.0）。

5 計(jì)算結(jié)果分析

5.1 擋水重力壩段穩(wěn)定性

經(jīng)計(jì)算可得，擋水重力壩段壩踵、壩址及壩體處均處于受壓狀態(tài)，均達(dá)到了重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。其計(jì)算成果如表2。

表2 抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果

由表2可知，擋水重力壩抗滑安全系數(shù)Kr均小于目標(biāo)安全度[K]，能夠滿足SL25—2006《漿砌石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》［11］規(guī)定的要求，壩基最大壓應(yīng)力為225.567kPa，小于壩基承載力。該工程擋水重力壩段抗滑穩(wěn)定是安全的。

5.2 溢流壩段抗滑穩(wěn)定性

經(jīng)計(jì)算可得，溢流壩段壩踵、壩址及壩體處均處于受壓狀態(tài)，均達(dá)到了重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。其成果如表3。

表3 抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果

由表3可知，溢流壩段抗滑安全系數(shù)Kr均小于目標(biāo)安全度［K］，能夠滿足SL25—2006《漿砌石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》［11］規(guī)定的要求，壩基最大壓應(yīng)力254.447kPa，小于壩基承載力。該工程溢流壩段抗滑穩(wěn)定是安全的。

6 結(jié)語(yǔ)

（1）針對(duì)水庫(kù)存在主要問(wèn)題，提出了全面徹底除險(xiǎn)加固應(yīng)對(duì)措施。

（2）考慮超載及材料弱化因素對(duì)大壩的影響，綜合運(yùn)用分項(xiàng)系數(shù)法與有限單元法，使得分項(xiàng)系數(shù)的有限元法含有可靠度的意義，計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確、客觀。

（3）擋水重力壩與溢流壩段抗滑安全系數(shù)均小于目標(biāo)安全度，擋水重力壩段與溢流壩段最大壓應(yīng)力分別為225.567，254.447 kPa，均小于壩基承載力，大壩抗滑穩(wěn)定是安全的，固后大壩可安全運(yùn)行。