王 倩
(河北省水利水電勘測設(shè)計研究院,天津 300250)
重力壩抗滑穩(wěn)定分析通常采用剛體極限平衡法,而最危險的滑移往往存在于基巖內(nèi)部,當(dāng)基巖內(nèi)有緩傾角軟弱結(jié)構(gòu)面時,壩體連同部分基巖在外荷載影響下將共同沿軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)生滑移[1]。在我國已完工或正在施工的大、中型閘壩工程中,有近1/3的基巖存在軟弱夾層。某些工程由于前期的勘察階段未能清楚判斷壩址地質(zhì)情況導(dǎo)致施工時出現(xiàn)了較嚴(yán)重的問題,因此,在工程前期的勘察、設(shè)計階段及后期的施工階段均應(yīng)高度重視深層抗滑穩(wěn)定問題[2],并采取有效的處理措施,從而保證大壩的安全與穩(wěn)定。
根據(jù)SL 319—2018混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范[3],壩體沿巖層結(jié)構(gòu)面抗滑穩(wěn)定按抗剪斷式(1)進(jìn)行計算。
(1)
若巖層傾角為傾向上游,故計算公式演變?yōu)椋?/p>
(2)
其中,f′為壩體混凝土與壩基接觸面抗剪斷摩擦系數(shù);c′為壩體混凝土與壩基接觸面抗剪斷凝聚力,kN/m2;∑W為全部鉛直荷載,kN;∑P為全部水平向荷載,kN;A為壩基接觸面截面積,m2。
壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪斷摩擦系數(shù)f′=1.0,抗剪斷凝聚力c′=900 kPa;巖層結(jié)構(gòu)面的抗剪斷摩擦系數(shù)f′=0.8,抗剪斷凝聚力c′=300 kPa。
攔河壩為整體壩結(jié)構(gòu),兩側(cè)岸坡開挖較陡,對兩側(cè)岸坡采取了固結(jié)、接觸灌漿處理,岸坡混凝土與壩基接觸面抗剪斷凝聚力考慮以下幾種情況:
1)沿巖層結(jié)構(gòu)面滑動,只考慮滑動面、開挖馬道c′值。
2)沿巖層結(jié)構(gòu)面滑動,考慮滑動面、開挖馬道及岸坡c′值。
3)沿巖層結(jié)構(gòu)面滑動,考慮滑動面、開挖馬道及岸坡垂直投影面積的c′值。
1)沿巖層結(jié)構(gòu)面滑動,只考慮滑動面、開挖馬道c′值。
當(dāng)只考慮巖層結(jié)構(gòu)滑動面、開挖馬道的c′值而不考慮岸坡c′值時,滑動面與巖層的抗剪斷摩擦系數(shù)f′=0.8,抗剪斷凝聚力c′=300 kPa;開挖馬道與巖體接觸面的抗剪斷凝聚力c′=900 kPa,將荷載值代入式(2)進(jìn)行計算,看計算得到的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K′是否滿足規(guī)范要求。
2)沿巖層結(jié)構(gòu)面滑動,考慮滑動面、開挖馬道及岸坡c′值。
當(dāng)考慮滑動面、開挖馬道及岸坡的抗剪斷凝聚力c′值時,滑動面與巖層的抗剪斷摩擦系數(shù)f′=0.8,抗剪斷凝聚力c′=300 kPa,開挖馬道與巖體接觸面的抗剪斷凝聚力c′=900 kPa,而岸坡與巖體接觸面的抗剪斷凝聚力c′按n倍的c′進(jìn)行試算,將荷載值代入式(2)對n值進(jìn)行試算,然后經(jīng)反算得出當(dāng)n為何值時,即岸坡c′為何值時,抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K′=3.0滿足規(guī)范要求。
3)沿巖層結(jié)構(gòu)面滑動,考慮滑動面、開挖馬道及岸坡垂直投影面積的c′值。
當(dāng)考慮滑動面、開挖馬道及岸坡垂直投影面積的抗剪斷凝聚力c′值時,滑動面與巖體的抗剪斷摩擦系數(shù)f′=0.8,滑動面與巖體的抗剪斷凝聚力c′=300 kPa,開挖馬道及岸坡垂直投影面積與巖體接觸面的抗剪斷凝聚力c′=900 kPa,若考慮滑動面、開挖馬道與岸坡垂直投影面積的抗剪斷凝聚力c′,計算得到的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K′是否滿足規(guī)范要求。若滿足,那么此時岸坡垂直投影面積為岸坡總面積的m倍,當(dāng)取岸坡投影面積為m1倍的岸坡面積時,計算得到抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)應(yīng)滿足要求。
根據(jù)上述計算可知,若不滿足規(guī)范要求,需要c′A的力,抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)才能滿足規(guī)范要求。因此,對壩體下方掛某一厚度的巖體進(jìn)行試算,并考慮25%側(cè)阻力[4]和考慮壩后巖石壓重兩種情況進(jìn)行計算,當(dāng)抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范要求時為止。
但因無確切的資料作為參考,故岸坡混凝土與巖體間的抗剪斷凝聚力c′考慮上述計算值時的合理性存在疑問,因此為安全計,不再考慮岸坡混凝土與巖體間的抗剪斷凝聚力c′,但是抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)若要滿足規(guī)范要求,就需要c′A的力,因此對壩體下方掛某一厚度巖體進(jìn)行試算。
某重力壩根據(jù)實際揭露的地質(zhì)條件,大壩建基面整體性和完整性較好,基巖巖層雖傾向上游,但傾角較緩,層面較為明顯,建基面順?biāo)鞣较蜷L度58.12 m,垂直水流方向?qū)挾?2 m;左岸分四級開挖,開挖邊坡1∶0.25,開挖馬道寬度自下而上分別為2 m,2 m,4 m;右岸分四級開挖,開挖邊坡高程749 m以下為1∶0.25,高程749 m以上為1∶0.5,開挖馬道寬度自下而上分別為2 m,2 m,4 m。正常蓄水位783 m,建基面上游高程為721 m、下游高程為723 m,壩前正常蓄水深度為62 m,30年淤積高程為779 m。
計算荷載主要包括正常蓄水位工況下,荷載主要包括壩體自重G1、巖體自重G2、靜水壓力P、揚壓力U、淤沙壓力Ps;正常蓄水位+地震工況下,荷載主要包括壩體自重G1、巖體自重G2、靜水壓力P、揚壓力U、淤沙壓力Ps、動水壓力F0及地震慣性力Fi;壩體混凝土容重為25 kN/m3,巖體容重為28.3 kN/m3。計算荷載組合表如表1所示,工況荷載表如表2,表3所示。
表1 計算荷載組合表
表2 正常蓄水位工況荷載表 kN
表3 正常蓄水位+地震工況荷載表 kN
對沿巖層結(jié)構(gòu)面滑動,只考慮滑動面、開挖馬道c′值;沿巖層結(jié)構(gòu)面滑動,考慮滑動面、開挖馬道及岸坡c′值;沿巖層結(jié)構(gòu)面滑動,考慮滑動面、開挖馬道及岸坡垂直投影面積的c′值三種情況在正常蓄水位工況和正常蓄水位+地震兩種工況下按式(2)分別進(jìn)行計算。計算結(jié)果見表4~表9。
1)沿5°巖層結(jié)構(gòu)面滑動,只考慮滑動面、開挖馬道c′值計算成果。
表4 正常蓄水位工況下的抗滑穩(wěn)定計算成果(一)
表5 正常蓄水位+地震工況下的抗滑穩(wěn)定計算成果(一)
2)沿5°巖層結(jié)構(gòu)面滑動,考慮滑動面、開挖馬道及岸坡c′值計算成果。
表6 正常蓄水位工況下的抗滑穩(wěn)定計算成果(二)
表7 正常蓄水位+地震工況下的抗滑穩(wěn)定計算成果(二)
經(jīng)反算可知,在正常蓄水位工況下,當(dāng)n=0.23,即岸坡c′=207 kPa時,抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K′=3.0滿足規(guī)范要求;在正常蓄水位+地震工況下,當(dāng)n=0.15,即岸坡c′=135 kPa時,抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K′=2.3滿足規(guī)范要求。
3)沿5°巖層結(jié)構(gòu)面滑動,考慮滑動面、開挖馬道及岸坡投影c′值計算成果。
表8 正常蓄水位工況下的抗滑穩(wěn)定計算成果(三)
表9 正常蓄水位+地震工況下的抗滑穩(wěn)定計算成果(三)
經(jīng)過分別對1),2),3)三種情況的計算,可知正常蓄水位工況及正常蓄水位+地震兩種工況下,若考慮岸坡c′A,只需岸坡混凝土與巖體間的抗剪斷凝聚力c′取為207 kPa,135 kPa,計算得到的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K′就滿足規(guī)范要求,但是,因未找到工程實例作為參考,故岸坡混凝土與巖體間的抗剪斷凝聚力c′考慮上述計算值時的合理性存在疑問,因此,為安全起見,不再考慮岸坡混凝土與巖體間的抗剪斷凝聚力c′,但是,根據(jù)情況1)的計算可知,若不考慮岸坡混凝土與巖體間的抗剪斷凝聚力c′,抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)就不滿足要求,根據(jù)2)與1)的對比計算可知,需要c′A=900×0.23×3 676.5=761 035.5 kN的力,才能滿足規(guī)范要求。因此對壩體下方掛巖體進(jìn)行試算,計算結(jié)果如表10所示。
表10 壩體下方掛巖體計算成果
由表10可知,壩體下方掛5 m巖體時,在正常蓄水位與正常蓄水位+地震兩種工況下,無論是考慮25%側(cè)阻力[4]還是考慮壩后巖石壓重,抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。
因此,對攔河壩基礎(chǔ)采取如下處理措施:
在河床部位下游壩腳和兩側(cè)高程735.0 m以下岸坡增設(shè)抗滑齒槽,其中河床部位齒槽底寬9.5 m,底高程718.0 m,上游側(cè)開挖邊坡坡比為1∶1.0,下游側(cè)為1∶0.5,左、右側(cè)為1∶0.25。齒槽回填混凝土等級同壩體基礎(chǔ)回填混凝土,并在相應(yīng)部位增設(shè)基礎(chǔ)角筋。
本文通過考慮:1)沿巖層結(jié)構(gòu)面滑動,只考慮滑動面、開挖馬道c′值;2)沿巖層結(jié)構(gòu)面滑動,考慮滑動面、開挖馬道及岸坡c′值;3)沿巖層結(jié)構(gòu)面滑動,考慮滑動面、開挖馬道及岸坡垂直投影面積的c′值三種情況在正常蓄水位工況和正常蓄水位+地震兩種工況下的壩體沿巖層結(jié)構(gòu)面滑動的計算結(jié)果,采取了下掛巖體,并考慮側(cè)阻力和巖石壓重的處理措施,從而保證大壩的安全與穩(wěn)定。