王德庫(kù),譚 春,隋 偉

(1.中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林 長(zhǎng)春 130000； 2.水利部寒區(qū)工程技術(shù)研究中心，吉林 長(zhǎng)春 130000)

1 工程概況

大藤峽水利樞紐工程水庫(kù)正常蓄水位61.00 m，汛期限制水位47.60 m，防洪運(yùn)用最低水位44.00 m，設(shè)計(jì)低水位47.60 m。水庫(kù)總庫(kù)容為34.79億m3，防洪和補(bǔ)水壓咸庫(kù)容均為15億m3，設(shè)置完全低于正常蓄水位。船閘規(guī)模為3 000 t級(jí)。電站裝機(jī)容量1 600 MW，8臺(tái)機(jī)組，多年平均發(fā)電量60.55億kW·h，保證出力366.9 MW。

大藤峽水利樞紐的選定壩址具有以下特點(diǎn)：1)壩址處河床覆蓋層薄，巖層較薄且緩傾向下游偏左岸，呈泥巖與砂層軟硬互層產(chǎn)出。2)軟弱夾層、斷層發(fā)育且連續(xù)性較好，軟弱夾層產(chǎn)狀與巖層產(chǎn)狀基本一致，斷層陡傾。3)砂巖節(jié)理裂隙發(fā)育，包括兩組陡傾共軛節(jié)理。大藤峽水利樞紐的泄水閘閘門推力較大，采用兩孔一聯(lián)的結(jié)構(gòu)布置，結(jié)構(gòu)相對(duì)單薄，初步分析壩基滑移模式以深層滑動(dòng)為主，前段可沿軟弱夾層發(fā)展，而滑移后段無(wú)明顯貫穿地表的緩傾結(jié)構(gòu)面，故在壩基推力及重力的作用下，下游巖層可能剪斷巖石，也有可能沿上述陡傾共軛節(jié)理折斷，進(jìn)而產(chǎn)生貫通性破壞面，影響壩體的整體穩(wěn)定性。

2 三維裂隙網(wǎng)絡(luò)模擬

巖體中的結(jié)構(gòu)面對(duì)巖體的強(qiáng)度與變形的重要作用早已為業(yè)界認(rèn)識(shí)，但是現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的裂隙僅是在露頭面上采集的，是二維的，僅用露頭面這部分裂隙是無(wú)法完整地反映出巖體內(nèi)部裂隙在三維空間中的發(fā)育特征。三維裂隙網(wǎng)絡(luò)模擬則可以求解出裂隙的一些參數(shù)，如平均跡長(zhǎng)、平均產(chǎn)狀、密度等，從而獲得三維空間內(nèi)裂隙的展布特征。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)收集的地質(zhì)特征資料，針對(duì)D1y1-2與D1y1-3地層進(jìn)行了三維裂隙網(wǎng)絡(luò)模擬，模擬結(jié)果示意圖如圖1所示。

在三維裂隙網(wǎng)絡(luò)中建立了若干與壩軸線垂直的裂隙連通率計(jì)算剖面，采用Dijkstra算法搜索最短路徑的方法，算得D1y1-2與D1y1-3地層的裂隙連通率為(40±5)%。利用計(jì)算出的連通率數(shù)據(jù)，確定了斷續(xù)裂隙的等效力學(xué)參數(shù)，如表1所示。

表1 斷續(xù)裂隙的等效力學(xué)參數(shù)表

對(duì)于切向剛度、法向剛度、水力學(xué)參數(shù)等參數(shù)，我們直接采用結(jié)構(gòu)面的相應(yīng)參數(shù)作為斷續(xù)裂隙的等效參數(shù)。這是因?yàn)?，這些參數(shù)受裂隙的分布影響非常大，且?guī)r體內(nèi)部裂隙分布具有高度隨機(jī)性與復(fù)雜性。為工程安全起見，我們不采用完整巖石與裂隙的參數(shù)加權(quán)，而是直接使用裂隙參數(shù)進(jìn)行后續(xù)分析計(jì)算。

3 數(shù)值模擬計(jì)算

本節(jié)采用UDEC6.0軟件進(jìn)行數(shù)值模擬。面對(duì)含有結(jié)構(gòu)面系統(tǒng)并且地質(zhì)條件相對(duì)復(fù)雜的大壩壩基，很難在三維層面對(duì)其全面了解，因此決定利用UDEC6.0軟件在二維尺度建立模型。并且諸多學(xué)者研究證明，二維分析結(jié)果是更為保守的。由現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)條件可知，28號(hào)壩段節(jié)理裂隙十分發(fā)育，且傾向垂直于壩軸線，對(duì)壩段的穩(wěn)定性造成十分不利的影響，所以最終選了28號(hào)壩段進(jìn)行穩(wěn)定性分析。在UDEC6.0軟件中建立對(duì)應(yīng)的泄水閘與天然地質(zhì)體，數(shù)值模型如圖2所示。

3.1 正常工況模擬

按照設(shè)計(jì)要求，正常蓄水工況的水位如表2所示。

表2 正常工況水位表 m

根據(jù)常規(guī)的判別方式，當(dāng)出現(xiàn)以下兩種情況時(shí)可以認(rèn)為該結(jié)構(gòu)處于達(dá)到極限平衡：1)最大不平衡力穩(wěn)定并趨近于零；2)所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形值穩(wěn)定至一常數(shù)，并最后保持不變。按照上述準(zhǔn)則進(jìn)行模擬。

計(jì)算過(guò)程中，為了確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性設(shè)置了大量的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其中選取了5個(gè)關(guān)鍵監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別用A，B，C，D，E表示5個(gè)所選關(guān)鍵監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置，以便于表達(dá)關(guān)鍵監(jiān)測(cè)點(diǎn)的具體位置和下文的描述，如圖3所示。

這5個(gè)關(guān)鍵監(jiān)測(cè)點(diǎn)是最有可能發(fā)生破壞的區(qū)域，分別是閘室及其底部基巖、左右齒槽基巖以及下游近地表基巖，監(jiān)測(cè)其x,y方向位移的變化。計(jì)算結(jié)果為關(guān)鍵監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移變化值隨計(jì)算時(shí)步的變化曲線，結(jié)果表明三個(gè)工況下模型均達(dá)到了穩(wěn)定平衡狀態(tài)。

3.2 超載工況模擬

壩基穩(wěn)定性可以用超載系數(shù)表征。作用于壩上的外荷載強(qiáng)度由于特殊原因可能超過(guò)設(shè)計(jì)荷載，因此使混凝土壩失穩(wěn)或遭到破壞。建筑物失穩(wěn)或遭到破壞時(shí)的外荷載與設(shè)計(jì)正常荷載強(qiáng)度之比，即KP=P/P0，稱為結(jié)構(gòu)超載系數(shù)，用KP表示。超載法計(jì)算的基本方法需要以如下假定為基礎(chǔ)：假定壩基巖體強(qiáng)度參數(shù)不變、假定結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù)不變。計(jì)算過(guò)程為逐級(jí)超載加載上游水荷載，分析壩基變形直至破壞的演變發(fā)展過(guò)程與超載倍數(shù)的關(guān)系，確定壩基在失穩(wěn)時(shí)相應(yīng)的超載倍數(shù)。

在正常蓄水工況下，即上游水位61 m，下游水位22.71 m，通過(guò)逐倍超載上游水壓力荷載，分別模擬28號(hào)壩段在正常荷載(1倍荷載)、2倍荷載、3倍荷載等下壩基的穩(wěn)定性，荷載加載方式示意圖如圖4所示。逐級(jí)加載，直到整體發(fā)生破壞，模型破壞的判定依據(jù)是從位移變形和最大不平衡力這兩個(gè)方面考慮的，最后分析研究其穩(wěn)定性水平。

結(jié)果表明，當(dāng)超載系數(shù)KP=1.0，2.0，3.0時(shí)，其最大不平衡力曲線最終都趨于零，且模型沒(méi)有出現(xiàn)塑性區(qū)，模型內(nèi)各點(diǎn)位移也都很小，最后都趨于一個(gè)數(shù)穩(wěn)定，說(shuō)明模型沒(méi)有發(fā)生破壞。隨著超載系數(shù)的逐級(jí)增加，當(dāng)超載系數(shù)KP=7.0時(shí)，模型的x向和y向位移都有所增加，相比KP=6.0，其中閘室、兩齒槽基巖的位移增加速率有所增大，但最后的位移亦都趨于一個(gè)穩(wěn)定值。當(dāng)超載系數(shù)KP=8.0時(shí)，模型整體發(fā)生破壞。當(dāng)超載系數(shù)KP=8.0時(shí)，從圖5可以看出，在計(jì)算過(guò)程中其最大不平衡力不再處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，而是波動(dòng)明顯，說(shuō)明該結(jié)構(gòu)已發(fā)生破壞失穩(wěn)。

4 結(jié)論

1)壩基巖體的軟弱夾層與節(jié)理裂隙對(duì)于泄水閘破壞起到?jīng)Q定性作用。其中，軟弱夾層間距2 m～5 m，產(chǎn)狀與層面產(chǎn)狀一致。而壩基的節(jié)理裂隙中發(fā)育大量近垂直于剖面的裂隙，總體傾向上游，傾角為79°，間距為2 m，對(duì)泄水閘穩(wěn)定性起到關(guān)鍵作用。

2)以三維裂隙網(wǎng)絡(luò)模擬手段為基礎(chǔ)，生成了D1y1-2與D1y1-3地層內(nèi)的三維裂隙，采用Dijkstra算法確定了D1y1-2與D1y1-3地層的連通率為(40±5)%，進(jìn)而確定了斷續(xù)裂隙的等效力學(xué)參數(shù)。

3)在超載階段，數(shù)值模擬位移值隨著超載量的增大逐步增加。當(dāng)KP=4.0時(shí)，泄水閘模型產(chǎn)生塑性形變;當(dāng)KP=8.0時(shí)，泄水閘模型發(fā)生大位移，整體發(fā)生破壞。泄水閘與地基整體穩(wěn)定性較好。