章宏生，朱瑞晨，吳世勇，盧 乾

(1.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000)

1 概 述

1.1 工程概況

西部某水電站位于高海拔寒冷地區(qū)，壩址區(qū)控制流域面積約16萬km2。水電站為II等大(2)型工程，開發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主，電站裝機(jī)容量為660 MW，多年平均發(fā)電量32.045億kWh，保證出力(P=5%)173.43 MW，水庫具有日調(diào)節(jié)性能。

樞紐建筑物主要由混凝土重力壩、壩身泄洪、右岸壩后式引水發(fā)電系統(tǒng)及升壓站等建筑物組成。攔河壩為碾壓混凝土重力壩，發(fā)電廠房采用壩后式布置，主要由主廠房、副廠房、變電站等組成，主廠房尺寸163.00 m×29.50 m×63.50 m(長(zhǎng)×寬×高)，安裝4臺(tái)單機(jī)容量165 MW的混流式水輪發(fā)電機(jī)組。

1.2 地質(zhì)條件

壩址處河段為高山峽谷地貌，呈“V”字形，兩岸地形較陡峭，坡度一般為40°～50°，局部為陡崖，沿坡腳岸邊及沖溝口分布有堆積臺(tái)地。地層巖性為喜山期黑云母花崗閃長(zhǎng)巖，局部夾黑云母角閃石英閃長(zhǎng)巖條帶狀巖脈，厚約30～50 cm，局部3～5 m，兩者多呈裂隙接觸，局部呈熔融接觸。

壩址區(qū)構(gòu)造發(fā)育，主要構(gòu)造形式有斷層、節(jié)理等。主要以NNW、NNE向?yàn)橹?，多為陡傾角結(jié)構(gòu)面，帶內(nèi)一般由碎塊巖、碎裂巖、巖屑及少量泥膜組成。

右岸13～14號(hào)廠房壩段壩基發(fā)育緩傾坡內(nèi)F3斷層，如圖1所示。F3斷層沿右岸壩基由上游向下游延展，斷層產(chǎn)狀為N30-40°E，SE∠20-30°，帶寬0.4～3.5 m。其中壩基范圍內(nèi)樁號(hào)壩下0 m～壩下5 m、壩下13 m～壩下21 m處帶寬0.4～0.6 m，樁號(hào)壩下5 m～壩下13 m處帶寬1.0～1.5 m，壩下21 m～壩下28.3 m處帶寬1.30～1.60 m。帶內(nèi)為碎塊巖、碎裂巖、巖屑充填，發(fā)育4～5條灰白色泥化條帶，厚約0.5～2 cm，帶內(nèi)巖體破碎、呈強(qiáng)風(fēng)化，為巖屑夾泥型[1]。F3斷層在壩體建基面出露情況見圖2。

圖1 13號(hào)廠房壩段剖面圖

圖2 F3斷層在壩體建基面出露情況

1.3 存在問題

據(jù)記載[2]，重力壩失事案例中40%是由于地質(zhì)問題造成，地質(zhì)條件是造成重力壩失事的主要原因。1911年，奧斯丁壩失事的根本原因是壩基下砂、頁巖互層層面間抗剪強(qiáng)度過低，基礎(chǔ)嵌深過淺，大壩沿軟弱層面產(chǎn)生滑動(dòng)。1928年，美國(guó)圣弗朗西斯壩因?yàn)閴位樅酉驍鄬油杆?，斷層上盤第三系礫巖遇水崩解，斷層下盤云母片巖軟弱破碎，在水的作用下，壩基巖體喪失必需的承載力導(dǎo)致壩體失事。

重力壩壩基破壞主要有3種情況[3]，重力壩體與基巖接觸面發(fā)生剪切破壞而形成的淺層滑動(dòng)；重力壩和壩基一部分巖體共同沿壩基深層軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生剪切破環(huán)而形成的深層滑動(dòng)問題；介于淺層滑動(dòng)與深層滑動(dòng)之間的混合滑動(dòng)問題。

F3斷層距離建基面最近約6～7 m，壩基開挖后，巖體卸荷回彈，澆筑壩體混凝土后，該斷層在大壩混凝土的壓重下，應(yīng)力變形情況對(duì)壩基穩(wěn)定有重要影響。目前，重力壩壩基抗滑穩(wěn)定評(píng)價(jià)仍以剛體極限平衡法為主，有限元計(jì)算為輔[4]。但該壩段壩基采用臺(tái)階面開挖，F(xiàn)3斷層的剪出口位于臺(tái)階狀壩基的斜坡面，壩基存在深層和淺層的組合滑動(dòng)問題，采用有限元計(jì)算方法不僅滿足受力平衡，適應(yīng)巖土體的應(yīng)力變形關(guān)系，也更接近壩基滑動(dòng)真實(shí)情況[5-13]。為了深入研究F3斷層對(duì)大壩應(yīng)力變形以及穩(wěn)定的影響，筆者采用非線性有限元方法計(jì)算水庫蓄水后大壩及壩基的應(yīng)力變形[14]，采用強(qiáng)度折減法，進(jìn)一步分析壩基的安全儲(chǔ)備系數(shù)，并對(duì)該斷層提出處理措施，以滿足工程的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

2 壩基數(shù)值計(jì)算分析

2.1 計(jì)算模型

13號(hào)壩段壩基部位斷層上盤巖體較薄，對(duì)壩基應(yīng)力位移、穩(wěn)定較為不利，因此計(jì)算選取13號(hào)壩段作為計(jì)算模型。采用8節(jié)點(diǎn)等參單元剖分網(wǎng)格，建立壩體和壩基巖體、斷層共同作用的三維模型。計(jì)算上下游分別取2倍壩高(200 m)，豎直方向開挖面以下取2倍壩高(200 m)，計(jì)算模型如圖3所示。模型底面采用固定支座，各側(cè)面采用約束水平位移的滾動(dòng)約束。

圖3 有限元計(jì)算網(wǎng)格

2.2 壩基巖土力學(xué)參數(shù)

壩基范圍F3斷層上盤面充填1～2 cm泥質(zhì)，帶內(nèi)夾碎塊巖、碎裂巖、片狀巖。壩基巖性為黑云母花崗閃長(zhǎng)巖，結(jié)構(gòu)稍密～中密。壩基巖層的地質(zhì)力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 壩基巖體物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)

2.3 應(yīng)力變形計(jì)算分析

筆者利用通用有限元軟件ABAQUS，采用增量法，將每個(gè)荷載分成若干個(gè)荷載增量步施加在模型上計(jì)算大壩及壩基的應(yīng)力變形。

計(jì)算分析共分為三步。第一步，不考慮大壩混凝土的影響，僅考慮開挖后壩基巖體自重，將巖體自重應(yīng)力場(chǎng)作為初始地應(yīng)力場(chǎng)；第二步，清除第一步初始應(yīng)力場(chǎng)產(chǎn)生的位移，考慮澆筑后壩體自重，計(jì)算分析壩體混凝土與巖體共同作用的應(yīng)力變形情況；第三步，考慮蓄水后，施加上下游水壓力以及揚(yáng)壓力等荷載的情況，分析計(jì)算壩體混凝土與巖體共同作用的應(yīng)力變形情況。通過以上三步分析大壩運(yùn)行后，F(xiàn)3斷層對(duì)壩基的影響。蓄水后大壩及基礎(chǔ)位移見圖4，大壩及基礎(chǔ)豎向應(yīng)力見圖5，F(xiàn)3斷層位移變形見圖6，壩基塑性屈服區(qū)分布見圖7。

圖4 蓄水后大壩及壩基位移云圖

圖5 蓄水后大壩及壩基豎向應(yīng)力云圖

圖6 蓄水后壩基F3斷層位移云圖

圖7 蓄水后壩基塑性屈服區(qū)分布云圖

計(jì)算結(jié)果表明，水庫蓄水后，大壩最大位移為1.8 cm，位于大壩壩頂。壩基F3斷層最大位移為0.38 cm，位于壩軸線部位。壩基及F3斷層部位無豎向拉應(yīng)力，壩基范圍等效塑性應(yīng)變值均很小，大壩處于穩(wěn)定狀態(tài)，為進(jìn)一步分析大壩的穩(wěn)定安全儲(chǔ)備能力，下文采用強(qiáng)度折減法進(jìn)一步分析計(jì)算大壩的穩(wěn)定安全儲(chǔ)備系數(shù)。

2.4 強(qiáng)度折減法分析

利用ABAQUS軟件中的場(chǎng)變量，分別建立場(chǎng)變量、增量步時(shí)間、材料參數(shù)的函數(shù)關(guān)系，采用強(qiáng)度折減法分析計(jì)算F3斷層對(duì)該重力壩穩(wěn)定的影響?？紤]非關(guān)聯(lián)準(zhǔn)則，剪脹角設(shè)為0。逐步地降低壩基巖體及大壩混凝土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，進(jìn)行迭代計(jì)算，研究壩基失穩(wěn)的漸進(jìn)破壞過程，得到強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)k[15]。

計(jì)算完成后，提取壩頂下游特征點(diǎn)的水平位移、強(qiáng)度折減系數(shù)，繪制相關(guān)曲線，如圖8所示，由圖8可知，隨著折減系數(shù)的增大，特征點(diǎn)的水平位移逐步增大，當(dāng)折減系數(shù)達(dá)到3.5時(shí)，特征點(diǎn)的水平位移突然增大，對(duì)應(yīng)壩基安全儲(chǔ)備系數(shù)為3.5。壩基塑性屈服區(qū)分布如圖9所示，當(dāng)折減系數(shù)達(dá)到3.5時(shí)，大壩與基巖接觸面、F3斷層上下游塑性屈服區(qū)貫通。

圖8 壩頂特征點(diǎn)位移-強(qiáng)度折減關(guān)系曲線

圖9 不同強(qiáng)度折減系數(shù)下壩基塑性屈服分布云圖

3 壩基處理措施

由于F3斷層對(duì)壩基穩(wěn)定有重要影響，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，建議對(duì)該壩段壩踵部位采取固結(jié)灌漿。F3斷層上盤面充填1～2 cm泥質(zhì)，帶內(nèi)夾碎塊巖、碎裂巖、片狀巖，易成為滲漏通道，且斷層距離該壩段建基面最大距離為16 m，距壩基近，若發(fā)生滲水，則產(chǎn)生較大揚(yáng)壓力，對(duì)壩基穩(wěn)定產(chǎn)生重大影響，為防止帷幕灌漿無法完全阻滲，對(duì)該壩段F3斷層采用混凝土防滲墻進(jìn)行防滲處理，防滲墻底高程位于F3斷層下盤1～2 m，同時(shí)加強(qiáng)對(duì)該壩段蓄水后的壩基揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)，確保防滲措施的穩(wěn)定可靠。

4 結(jié) 語

1)采用強(qiáng)度折減法計(jì)算分析，得到的壩基安全儲(chǔ)備系數(shù)較高，滿足規(guī)范要求。

2)對(duì)于地質(zhì)條件較為復(fù)雜的重力壩壩基穩(wěn)定問題，有必要進(jìn)行有限元計(jì)算分析，為壩基處理提供依據(jù)。為進(jìn)一步保證大壩永久運(yùn)行安全，對(duì)壩踵塑性屈服區(qū)處加強(qiáng)固結(jié)灌漿。F3斷層上盤至建基面巖體采用混凝土防滲墻防滲。該處理措施可供類似重力壩壩基緩傾斷層處理時(shí)參考、借鑒。

3)大壩蓄水運(yùn)行后，仍應(yīng)加強(qiáng)對(duì)該壩段壩基揚(yáng)壓力的監(jiān)測(cè)，確保F3斷層無滲漏通道。