楊金林，姚帥強(qiáng)，符新閣，陳曉光

(黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450003)

0 引 言

重力壩主要是依靠自身重力維持穩(wěn)定的一種常見(jiàn)的擋水建筑物，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，耐久性好、適應(yīng)性強(qiáng)[1]，是人類較早使用的一種壩型。隨著我國(guó)大壩建設(shè)速度的加快，復(fù)雜地質(zhì)條件下建壩也越來(lái)越多[2]，如官地[3]、向家壩[4]、阿海[5]、葛洲壩[6]等水電工程。這些大壩壩基巖體均存在埋深不同的泥質(zhì)夾層，成為大壩長(zhǎng)期抗滑穩(wěn)定的控制因素，泥質(zhì)夾層是重力壩普遍關(guān)心的工程地質(zhì)問(wèn)題[7]。目前，重力壩抗滑穩(wěn)定研究方法[8-10]主要為剛體極限平衡分析法、地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)法及數(shù)值模擬分析等。規(guī)范[11]規(guī)定，當(dāng)壩基下部巖體內(nèi)存在泥質(zhì)夾層時(shí)，主要采用傳統(tǒng)的剛體極限平衡法核算壩基深層的抗滑穩(wěn)定性，必要時(shí)輔以有限元法等數(shù)值分析方法進(jìn)行驗(yàn)證。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬方法已成為重力壩深層抗滑穩(wěn)定分析的主要輔助手段[12]。本文結(jié)合目前在建的幾內(nèi)亞蘇阿皮蒂水利樞紐項(xiàng)目，采用數(shù)值模擬分析方法，對(duì)重力壩下泥質(zhì)夾層不同埋深、不同傾角與抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行研究，并在此基礎(chǔ)上，結(jié)合工程典型壩段，研究該壩段深層失穩(wěn)模式，以便為全面分析大壩抗滑穩(wěn)定提供依據(jù)。

1 工程概況

蘇阿皮蒂水利樞紐[13]位于幾內(nèi)亞的西部，該項(xiàng)目設(shè)計(jì)校核洪水位213.56 m，正常蓄水位210 m，壩頂高程215.5 m，壩頂長(zhǎng)度1 164 m，正常蓄水位對(duì)應(yīng)庫(kù)容6.3×109m3，是目前西非在建的最大水利工程，為Ⅰ等大(1)型。

工程區(qū)兩岸地層巖性主要為古生代奧陶系薄層砂巖和薄層泥質(zhì)粉砂巖交替分布，近水平層理發(fā)育，互層狀結(jié)構(gòu)，單層厚度一般為5～15 cm，巖層厚度相對(duì)穩(wěn)定。砂巖為較硬巖，泥質(zhì)粉砂巖為軟巖。受構(gòu)造影響，多沿層面發(fā)育泥質(zhì)夾層，泥質(zhì)夾層基本上為全泥型，粉粒平均含量約56.6%，粘粒平均含量約37.3%。泥化帶粒度以粉粒和粘粒為主。泥質(zhì)夾層的礦物成分以高嶺石、伊利石為主，含蒙脫石、綠泥石及非粘土礦物成分石英、鉀長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石、水鋁礦。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖情況，泥質(zhì)夾層貫穿整個(gè)壩段，厚度一般為1.0～5.0 cm。

2 模型構(gòu)建及荷載確定

2.1 模型構(gòu)建

47號(hào)壩段位于右岸壩段。重力壩數(shù)模分析模型邊界范圍為：從壩踵向上游約1倍壩高，從壩趾向下游約2倍壩高，從建基面向下游約2倍壩高。x軸為順河向，y軸為垂直河流方向，z軸為豎直方向?？够€(wěn)定分析數(shù)值模型見(jiàn)圖1。

圖1 47號(hào)壩段抗滑穩(wěn)定分析數(shù)值模型

數(shù)值模擬軟件中，巖體和泥質(zhì)夾層屈服破壞采用M-C本構(gòu)模型，模型中含有壩體、巖體、泥質(zhì)夾層、覆蓋層4種材料。泥質(zhì)夾層為貫通性結(jié)構(gòu)面，位于壩基下5 m，傾向NNW，傾角約2°～5°，組成物質(zhì)以白色粘土為主，局部為強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，遇水軟化，巖體等效均質(zhì)處理。材料力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 材料力學(xué)參數(shù)

2.2 荷載確定

通過(guò)研究該壩段校核水位(213.56 m)、設(shè)計(jì)水位(213.11 m)、正常水位(210 m)工況下上下游水位差，校核水位差、設(shè)計(jì)水位差、正常水位差分別為47.7、47.2、44.2 m。因?yàn)?種工況下水位差較小，本文僅對(duì)正常水位工況下壩基抗滑穩(wěn)定進(jìn)行研究。

正常水位工況下荷載及計(jì)算參數(shù)：①壩體自重。碾壓混凝土密度為2 450 kg/m3，按初始應(yīng)力考慮。②水荷載。正常蓄水時(shí)上游水位210.0 m，下游地下水位165.9 m，靜水壓力施加在壩身、壩踵上。③泥沙荷載。淤沙浮容重6.5 kN/m3，摩擦角為10°。④揚(yáng)壓力。根據(jù)主副防滲帷幕及排水孔進(jìn)行折減，將計(jì)算結(jié)果施加在滑動(dòng)面上。⑤浪壓力。主要作用在壩頂，由于47號(hào)壩段位于左壩肩，浪壓力垂線吹程短，本次模擬未計(jì)入。

3 計(jì)算方法選取及失穩(wěn)判別準(zhǔn)則

采用強(qiáng)度折減法[15]計(jì)算47號(hào)壩段重力壩深層抗滑問(wèn)題。該方法通過(guò)比例降低巖體的內(nèi)摩擦角φ′和凝聚力c′的方法，研究壩基系統(tǒng)在設(shè)計(jì)荷載下的強(qiáng)度儲(chǔ)備能力。強(qiáng)度折減法可模擬壩基從局部破壞到整體破壞的漸進(jìn)失穩(wěn)全過(guò)程，折減公式如下

(1)

(2)

式中，c′、φ′為巖體強(qiáng)度參數(shù)；c、φ為折減后巖體新的強(qiáng)度參數(shù)；RF為折減系數(shù)。

通過(guò)對(duì)材料的強(qiáng)度參數(shù)c′、φ′按同等比例RF進(jìn)行折減，得到新的1組強(qiáng)度參數(shù)c、φ，帶入程序計(jì)算，通過(guò)不斷增加RF數(shù)值進(jìn)行反復(fù)折減，根據(jù)判別準(zhǔn)則判別大壩失穩(wěn)。

目前，較為常用的臨界失穩(wěn)狀態(tài)判別準(zhǔn)則[16]有：①?gòu)V義剪應(yīng)變或廣義塑性應(yīng)變準(zhǔn)則；②收斂性準(zhǔn)則；③特征點(diǎn)位移突變準(zhǔn)則；④塑性區(qū)貫通準(zhǔn)則。廣義剪應(yīng)變或廣義塑性應(yīng)變準(zhǔn)則能反映巖體剪切狀態(tài)；收斂性準(zhǔn)則對(duì)軟件和建模依賴性大，缺乏客觀性；特征點(diǎn)位移突變準(zhǔn)則安全系數(shù)取值點(diǎn)、曲線拐點(diǎn)不明顯；塑性區(qū)貫通準(zhǔn)則不但與理論符合，而且應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)客觀，操作性強(qiáng)。鑒于目前對(duì)于判別準(zhǔn)則尚無(wú)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，本文采用滑移通道屈服區(qū)出現(xiàn)較大突變或塑性區(qū)貫通[17]為失穩(wěn)依據(jù)。

4 抗滑穩(wěn)定結(jié)果分析

4.1 泥質(zhì)夾層傾角及埋深對(duì)抗滑穩(wěn)定影響

實(shí)際勘察過(guò)程中，結(jié)構(gòu)面傾角多為范圍值，尤其是結(jié)構(gòu)面起伏較大的情況下，測(cè)量結(jié)果范圍值較大。為研究不同泥質(zhì)夾層傾角a、埋深h對(duì)壩基抗滑穩(wěn)定性的影響，分析了a=0°、10°、…、70°；h=0、2、…、12 m的不同工況。暫不考慮齒槽。

圖2為相同埋深結(jié)構(gòu)面不同傾角與壩基抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)之間的關(guān)系。從圖2可知，a為0°～40°時(shí)，壩基安全系數(shù)與軟弱結(jié)構(gòu)傾角呈近似線性增加，變化速率較慢，水平傾角壩基安全系數(shù)最小，約為2.80。當(dāng)a>50°時(shí)，壩基抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)增加較快，呈近指數(shù)曲線增大。研究結(jié)果表明，當(dāng)a>50°時(shí)，泥質(zhì)夾層構(gòu)成滑移通道的潛在可能性降低。

圖2 泥質(zhì)夾層傾角與安全系數(shù)關(guān)系

圖3為相同傾角(5°)下不同埋深泥質(zhì)夾層與壩基抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)之間的關(guān)系。從圖3可知，泥質(zhì)夾層距壩基距離為0時(shí)，壩基安全系數(shù)最低，為2.80；當(dāng)位于基礎(chǔ)下部6 m時(shí)，安全系數(shù)增速緩慢，基本上每加深2 m，安全系數(shù)增加0.02～0.03；大于6 m時(shí)，安全系數(shù)增速有所增快，每增加2 m，安全系數(shù)增加0.15～0.20。結(jié)果表明，隨著埋深的增加，泥質(zhì)夾層對(duì)壩基影響遞增減弱。

圖3 泥質(zhì)夾層埋深與安全系數(shù)關(guān)系

4.2 滑移模式分析

圖4為47號(hào)壩段在泥質(zhì)夾層傾角為3°的情況下塑性區(qū)演變規(guī)律。從圖4可知，大壩抗滑滑移模式為壩踵巖層斷裂沿不利穩(wěn)定結(jié)構(gòu)面滑移模式，這種滑移模式主要為在壩踵和泥質(zhì)夾層出現(xiàn)拉剪塑性區(qū)，接著在尾巖及下部出現(xiàn)大面積塑性區(qū)，最終和泥質(zhì)夾層形成貫通塑性區(qū)。在初始穩(wěn)定狀態(tài)，重力壩壩踵在外部荷載的作用下，壩踵部位首先出現(xiàn)拉應(yīng)力集中，導(dǎo)致小范圍出現(xiàn)拉剪破壞塑性區(qū)。隨著折減系數(shù)RF的不斷增大，塑性區(qū)向壩踵上部及深部擴(kuò)展趨勢(shì)增加，圍巖及深部區(qū)域出現(xiàn)剪塑性破壞；隨著塑性區(qū)不斷延伸，泥質(zhì)夾層破壞區(qū)與圍巖深部區(qū)域拉裂面塑性區(qū)貫通，最終沿壩踵巖層斷裂，形成沿不利結(jié)構(gòu)面的滑移模式。此種滑移模式是在壩踵出現(xiàn)拉應(yīng)力集中產(chǎn)生剪切塑性區(qū)。因此，在設(shè)計(jì)大壩時(shí)，應(yīng)在壩踵和建基面周圍采取一定加固措施，防止壩踵拉應(yīng)力集中產(chǎn)生剪切破壞。大壩下部存在不利結(jié)構(gòu)面時(shí)，應(yīng)采取齒槽、壩后壓重或2種混合措施，以便提高抗滑力。

圖4 塑性區(qū)演變規(guī)律

4.3 穩(wěn)定結(jié)果分析

RF=1.0時(shí)，壩踵附近出現(xiàn)拉應(yīng)力集中，產(chǎn)生拉剪破壞。隨著RF不斷增加(強(qiáng)度參數(shù)變小)，塑性區(qū)向壩踵上部及深部擴(kuò)展趨勢(shì)增加，尾巖及深部區(qū)域出現(xiàn)剪塑性破壞，最終泥質(zhì)夾層破壞區(qū)與圍巖深部區(qū)域拉裂面塑性區(qū)貫通。為截?cái)嗨苄载炌▍^(qū)，在壩趾設(shè)置齒槽，齒槽深10 m，底寬8.5 m。設(shè)置齒槽后大壩塑性區(qū)分布見(jiàn)圖5。從圖5可知，齒槽阻斷了塑性區(qū)進(jìn)一步發(fā)展，大壩抗滑安全系數(shù)由原來(lái)的2.85增加至3.01，提高了5.6%，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范。

圖5 設(shè)置齒槽后大壩塑性區(qū)分布

47號(hào)壩段壩頂位移見(jiàn)圖6。從圖6可知，隨著折減系數(shù)RF的不斷增大，壩頂位移不斷增大。RF在3.0附近時(shí)，位移發(fā)生突變?？梢哉J(rèn)為，3.01為大壩抗滑安全系數(shù)。

圖6 壩頂位移

5 結(jié) 語(yǔ)

本文利用數(shù)模模擬軟件，采用強(qiáng)度折減法研究蘇阿皮蒂水利樞紐項(xiàng)目47號(hào)壩段泥質(zhì)夾層不同埋深、不同傾角對(duì)壩基抗滑穩(wěn)定的影響。結(jié)果表明，壩基抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)與泥質(zhì)夾層埋深、傾角呈相關(guān)性，埋深、傾角增大，安全系數(shù)增大。47號(hào)壩段失穩(wěn)模式為壩踵巖層斷裂滑移模式破壞，壩踵出現(xiàn)拉應(yīng)力，產(chǎn)生拉剪破壞，進(jìn)而塑性區(qū)向深部和上游擴(kuò)展。在設(shè)計(jì)重力壩時(shí)，應(yīng)對(duì)壩踵附近基巖采取加固措施。正常蓄水位工況下，通過(guò)增加齒槽，壩基抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為3.01，基本滿足規(guī)范要求。

數(shù)值分析方法作為重力壩抗滑穩(wěn)定輔助工具，得到了運(yùn)來(lái)越多的應(yīng)用。但由于計(jì)算方法、計(jì)算軟件、材料本構(gòu)關(guān)系和屈服準(zhǔn)則、失穩(wěn)判別依據(jù)選取的不同，分析結(jié)果亦存在差異。建議在開(kāi)挖齒槽回填混凝土施工過(guò)程中，視開(kāi)挖情況進(jìn)行抗滑穩(wěn)定復(fù)核。