亭子口大壩深層抗滑穩定試驗研究

姜小蘭，孫紹文，朱杰兵

（長江科學院水利部巖土力學與工程重點實驗室，武漢 430010）

亭子口大壩深層抗滑穩定試驗研究

姜小蘭，孫紹文，朱杰兵

（長江科學院水利部巖土力學與工程重點實驗室，武漢 430010）

深層抗滑穩定一直是重力壩設計中的關鍵性問題。實際工程壩基巖體往往存在軟弱結構面、緩傾角裂隙、斷層等，這些不利結構面組合可能構成壩基內連續或斷續的滑裂面，從而對壩基的深層抗滑穩定性造成嚴重威脅。為了給設計基礎處理優化方案提供依據，并對數值分析進行驗證，采用地質力學模型試驗技術，研究亭子口表孔壩段深層抗滑穩定問題。試驗分別進行基礎處理和不處理2個方案的研究，對運行工況下大壩及基礎關鍵部位位移場及規律進行分析，并得出超載作用下大壩及基礎位移規律、破壞機理、滑動路徑和抗滑安全系數。對基礎處理前后的亭子口壩基深層抗滑穩定性及加固處理措施作出安全評價。

抗滑穩定；地質力學模型試驗；亭子口水利樞紐；深層滑動；超載安全系數

1 概 述

亭子口水利樞紐位于四川省廣元市蒼溪縣境內，是嘉陵江干流開發中唯一的控制性工程，樞紐開發的主要任務是防洪、灌溉、發電、航運及其它綜合利用。大壩為混凝土重力壩，壩軸線總長1 108 m，壩頂高程468.5 m，最大壩高114 m，樞紐正常蓄水位458 m，設計洪水位461.3 m，校核洪水位463.04 m，電站總裝機1 100 MW。壩址出露地層為白堊系下統蒼溪組長石石英砂巖、黏土巖、粉砂巖和巖屑砂巖等，大壩修建在紅層上。壩址區巖層近于水平，分布有各類軟弱夾層，根據夾層的分布、厚度與性狀分為三類：Ⅰ類為層間破碎夾層，Ⅱ類為層間破碎夾泥且局部泥化的夾層，Ⅲ類為泥化夾層。這些軟弱夾層在壩基內普遍存在，其抗剪強度低，對壩基的深層抗滑穩定十分不利［1］。

復雜的地質賦存環境形成了亭子口水電工程建設和運行的外在客觀條件，給大壩設計和施工帶來了巨大的挑戰，由此也形成了亭子口水電站工程的工程地質問題。所以，開展深層抗滑穩定研究是十分必要的。地質力學模型試驗是研究變形破壞特征和深層抗滑規律的另一有效手段，可為大壩的設計提供可靠而有力的科學依據。通過深入研究壩基沿軟弱夾層的深層抗滑穩定性及加固處理措施，為優化設計提供科學依據，達到確保樞紐安全運行，且節省投資，方便施工的目的。

2 試驗方案及內容

亭子口工程壩基巖層傾向下游，傾角平緩，壩基砂巖中，存在黏土夾層和破碎泥化夾層，其軟弱夾層的抗剪強度低，必須采取適當的工程處理措施。為了給設計基礎處理優化方案提供依據，并對數值分析進行驗證，本試驗研究方案以大壩溢流壩表孔壩段作為模型試驗對象，重點研究軟弱夾層對大壩穩定所產生的影響。為了便于對比分析，作基礎齒墻處理和無基礎處理2個方案對比模擬試驗。

根據其幾何、物理力學相似關系，選取典型壩段即表孔壩段作為物理模型試驗研究對象。試驗中模擬壩體、軟弱夾層及巖層等物理力學性能指標。荷載模擬自重、上下游水壓、泥沙壓力等。通過直觀的定量分析，得出在運行工況下大壩關鍵部位位移場及規律，壩基斷夾層相對位移。得出超載作用下大壩及基礎位移規律、破壞機理、失穩模式、滑移路徑和抗滑安全系數。對壩基深層抗滑穩定性及加固處理措施作出評價，對其運行的安全性進行評估。

3 模型概化與材料

3.1 幾何比尺與模擬范圍

模型模擬大致范圍：大壩壩踵處向上游模擬87 m，壩址處向下游模擬269 m，壩基深度模擬122 m，模型模擬整個范圍為467 m×235 m×52 m。上游壩基長度不小于1.3倍的壩底寬；下游壩基長度不小于2.0倍的壩底寬；壩基深度不小于1.5倍的壩底寬［2－4］。

根據亭子口表孔壩段地質資料，壩基巖層主要有5種：①粉細及砂礫卵石；②石英砂巖及粉砂巖；③黏土巖；④巖屑砂巖＋黏土巖；⑤粉砂巖。其主要巖層為和。壩基巖層和模型范圍見圖1。

以上這些地質特性，在模型試驗中均以考慮，但受模型尺寸的限制，有些軟弱帶厚度較小，為了不影響模擬試驗中變形因素，夾層厚度較小的軟弱帶變形模量在模型中按變形等效原則加以考慮。由于NS2-1-8軟弱帶正處于大壩下面，離建基面較近，且規模也不小，模型中模擬了該夾層的抗剪指標，同時模擬了夾層JS2-1-1，JS2-1-2和JS1-5的抗剪指標。

雙向調壓井是一種兼具注水和泄水緩沖式的水錘防護措施，一旦管道中壓力降低，調壓井迅速向管道補水，以防止管道總產生負壓。當管路中水錘壓力升高時，允許高壓力水流進入調壓井，從而起到緩沖水錘壓力升高的作用。單向調壓井帶有普通止回閥，水泵正常運行時，注水管上的止回閥處于關閉狀態。當事故停泵水壓降到事先設定的壓力值時，止回閥迅速開啟，向管道注水，從而防止發生負壓并控制泵管系統中的水錘壓力振蕩與危害。

3.2 相似關系與材料

根據地質力學模型試驗相似條件得出模型相似系數見表1。巖體及軟弱夾層抗剪參數見表2，原型巖體物理力學參數及建基面抗剪參數見表3。模型材料力學參數見表4。

表1 原型與模型相似系數Table1 Sim ilarity coefficients of prototype and model

表2 巖體及軟弱夾層抗剪及抗剪斷參數［1］Table2 Parameters of shear and cutting strength of rock mass and weak intercalation

模型材料的相似性直接影響模型試驗的成果。模型試驗中，研究了許多材料，共做了60多組試驗，最后才找到模型所需材料。

模型材料由重晶石粉、石灰石粉、立德粉、膨潤土和機油等材料按不同的成分和不同的配比通過壓力機壓制而成［5，6］。其中石灰石粉、重晶石粉為主填料，機油為膠結劑，立德粉、膨潤土為調節劑。這樣壓制出來的材料無需烘烤，穩定性能好，制模方便。模型粘結材料用107膠和石灰石粉，按一定比例混合而成。拼塊尺寸一般為20 cm×20 cm×（5～15）cm。這些材料都是通過多次反復的試驗與研究，基本滿足模型壩體與巖體的重度及應力應變關系、強度等要求。模型中的軟弱夾層f值是通過兩層聚脂薄膜夾電化鋁及涂二硫化鉬來實現的［5，6］。

圖1 模型圖（單位：m）Fig.1 Diagram ofmodel（unit in m）

表3 巖體物理力學參數及建基面抗剪斷（抗剪）參數［1］Table3 Physico-mechanical parameters of rock m ass and cutting（shear）strength parameters of foundation surface

表4 模型各類巖體材料力學性能指標Table4 M echanical p roperties ofmodel rock m aterial

4 模型加載與測量

模型荷載主要考慮了水壓力、淤砂壓力、自重、揚壓力的組合。

自重荷載是用模型材料本身的重量來模擬，不需外加荷載，用體積力較好模擬了自重梯度。水壓力按三角形分布，用精密微型千斤頂施加。水壓力采用穩定性能較好的液壓穩壓器施加，荷載滿足同步要求，加載順序按模型設計的荷載的20%，40%，60%，80%，100%逐級施加，每級荷載穩定20～30 min后進行檢測。達到設計荷載后，再對模型進行超載，按設計荷載的1.2倍、1.4倍、1.6倍……直至模型破壞（滑動）。揚壓力的模擬，只考慮了浮托力，即在下游水位以下的壩體及巖體均按浮容重考慮。

在模型壩頂的上下游面，壩踵，壩趾及抗力體等關鍵部位均布置有水平和鉛直兩方向的位移測點。基礎在沿NS2-1-8，JS2-1-2，JS2-1-1，JS1-5軟弱夾層上下面上均布置位移測點，監測軟弱夾層的相對位移。

5 試驗成果及分析

5.1 大壩關鍵部位位移及位移規律

在試驗荷載的P0（P0設計荷載）、1.4 P0和2.4 P0作用下，各主要點的位移值見表5，安全系數見表6。水平方向指向下游為正，指向上游為負；鉛直位移上抬為正，下沉為負。

表5 方案1和方案2壩體關鍵部位水平和鉛直位移Table5 Horizontal and vertical disp lacements of key positions of scheme 1 and scheme 2

由表5可知，在設計荷載作用下，方案2與方案1的水平位移比率在90%以上，垂直位移比率在80%以上，即安全性提高了10%～20%；而荷載在1.4P0作用下，方案2與方案1的水平位移比率降到48%～70%，垂直位移比率也降到70%以下，即安全性提高了30%以上；2.4P0作用下方案2與方案1的水平位移比率更低，安全性提高更多。比較方案1和方案2的壩體位移成果可知，方案1的成果普遍比方案2大。在設計荷載作用下，兩方案位移成果相差較小，隨著荷載的增加，位移相差愈來愈大，齒墻處理方案體現的作用效果更顯著。

如圖2，方案1在1.2倍設計荷載以前，荷載和位移基本呈線性增加；1.2 P0以后，曲線斜率明顯發生改變，這說明壩基局部區域進入彈塑性變形階段；1.6 P0～1.8P0以后，曲線斜率再次發生改變，斜率越來越小，此時壩踵處肉眼已觀測到裂縫，斷夾層有滑動趨勢；2.8P0～3.2P0以后，壩踵處開裂較大，斷夾層滑動明顯，壩趾下游處壓屈破壞。方案2在1.6P0以前，荷載和位移基本呈線性增加；1.6P0以后，曲線斜率明顯發生改變；3.2P0以后，曲線斜率再次發生改變，曲線斜率越來越小，而且此時壩踵處沿齒墻上游面、并沿壩踵斜穿齒墻到下游的裂縫顯而易見，雖說肉眼未觀察到斷夾層滑動，但在齒墻下游的夾層有相對滑動位移。

圖2 方案1和方案2壩頂水平位移Fig.2 Horizontal disp lacment of scheme 1 and scheme 2

表6 方案1和方案2壩體超載試驗結果Table6 Safety factors of overloaded dam for scheme 1 and scheme 2

5.2 斷夾層相對位移及位移規律

模型試驗中，主要模擬的斷夾層有NS2-1-8，JS2-1-1，JS2-1-2和JS1-5。并且沿NS2-1-8，JS2-1-1，JS2-1-2夾層的上下盤均布置有位移測點。

方案1以NS2-1-8夾層的相對位移最大，在1.2 P0作用下，產生第一拐點，在1.8P0作用下，產生第二拐點，到3.2P0荷載，位移再次發生突變。由此可見，當水壓超到1.2P0時，夾層就有相對滑動趨勢，1.8P0時完全滑動，到3.2P0荷載，已觀察到沿第一層夾層從上游到下游明顯滑動現象。相對來說，其它夾層相對位移較小，而且在整個加載過程中，除NS2-1-8以外的夾層尚未滑動。

方案2同樣以NS2-1-8夾層的相對位移最大，在2.0P0作用下，產生第一拐點，但直到3.2P0以后，拐點不明顯。由此可見，當水壓加到2.0P0時，夾層有相對滑動趨勢，但滑動不明顯。到3.2P0以后，齒墻下游夾層JS2-2-1和JS2-1-2相對位移有些變化，但位移值較小，同時肉眼未觀察到明顯滑動現象。在這里要說明的是，在整過超載試驗中，方案2未觀查到沿夾層相對滑動現象。

方案1相對位移只集中在夾層NS2-1-8，其它夾層JS2-1-1，JS2-1-2相對位移很小。說明無處理方案，在淺層就有滑動的可能。而方案2夾層NS2-1-8，JS2-1-1，JS2-1-2在齒墻的下游和底部均有相對位移，說明它不是集中在NS2-1-8夾層上，將由淺層轉向到了更深層，且更分散、更均勻發展，其位移值不大，沒有像方案1那樣產生明顯的滑動。

表7是方案1和方案2在超載過程中沿NS2-1-8夾層的相對位移值對照表。由該表可知，方案2比方案1的位移小得多，特別是在壩踵處，方案2直到超載3.2P0時，位移值幾乎沒多少變化，說明齒墻起到較大的作用。

表7 方案1和方案2沿NS2－1－8夾層相對位移值比較Table7 Com parison of the relative displacement along the intercalation of scheme 1 and scheme 2 NS2-1-8

方案1在1.4P0～2.0P0時，壩趾抗力體處有位移突變，在3.0倍設計荷載以后位移更大，同時模型上也觀察到壓剪破壞。方案1中離壩趾近處的測點，受荷初期受壓，2.0P0荷載以后轉向受拉，3.0P0后位移拱出；離壩趾較遠處的測點，受荷初期位移無變化，1.4P0～2.0P0以后位移就有拱出現象。方案2中離壩趾近處的測點，在加載過程中一直受壓，而離壩趾較遠處的測點，位移一直無變化，試驗過程中模型上未觀察到破壞現象。這也說明齒墻方案起的作用較明顯。

5.3 超載破壞情況

無處理試驗方案，首先從壩踵處拉裂（1.2P0），然后沿壩踵處繼續向深部基巖拉開，直到夾層NS2-1-8，再沿NS2-1-8產生滑移（1.2P0），同時大壩壩趾處及其抗力體部分擠壓破壞（1.4P0）。基礎滑動問題明顯，而且安全余度較小。模型試驗破壞示意圖見圖3。

齒墻處理試驗方案，上游壩踵處先拉開（1.6 P0），而后就沿齒墻的上游面拉開（1.8P0），再沿壩踵處斜拉（剪）齒墻直到齒墻下游邊后（3.2P0），影響齒墻下游的夾層，3.6P0以后其夾層JS2-1-2位移曲線產生拐點，夾層有相對滑動趨勢。模型試驗破壞示意圖見圖4。

圖3 方案1模型破壞示意圖Fig.3 M odel destruction of scheme 1

圖4 方案2模型破壞示意圖Fig.4 M odel destruction of scheme 2

6 結 語

（1）由試驗成果可知，方案1的位移普遍比方案2大。隨著荷載的增加，相同荷載下的位移相差愈來愈大，齒墻處理方案體現的作用效果愈顯著。

（2）由基礎位移成果可知，方案1相對位移只集中在夾層NS2-1-8，其它夾層JS2-1-1和JS2-1-2相對位移很小，在淺層就有滑動的可能。方案2中，夾層NS2-1-8，JS2-1-1，JS2-1-2只是在齒墻被破壞后，在齒墻的下游和底部處才有相對位移，未產生滑動現象。

（3）從兩方案的破壞情況來看，無處理試驗方案，純屬一個基礎滑動問題，而且安全度不大。而齒墻處理以后，由滑動問題轉向強度問題和更深層的滑動問題，安全系數提高較大。

從試驗的結果來看，亭子口大壩基礎處理是非常必要的，齒墻處理方案大大提高了工程抗滑安全性。但在超載過程中，齒墻下游和齒墻底部的深部夾層相對位移比方案1的還要大，所以建議齒墻方案還可作進一步的優化，如齒墻在上下游方向更長一些，可能會更好。另外齒墻施工的質量很重要，一定要保證其強度性能達標，以確保大壩安全。

［1］ 陳小平，譚書全，郭 貴，等.嘉陵江亭子口水利樞紐初步設計報告（工程地質）［R］.武漢：長江水利委員會，2008.（CHEN Xiao-ping，TANG Shu-quan，GUO Gui，et al.preliminary design report of dam of Tingzikou in Jianglin River［R］.Wuhan：Changjiang Water Resources Commission，2008.（in Chinese））

［2］ 富馬加利·E.靜力模型與地質力學模型［M］.蔣彭年，彭光履，趙 欣，譯.北京：水利電力出版社，1979.（Fumagall.Static Model and the Geomechanical Model［M］.Translated by JIANG Peng-nian，PENGGuang-lu，ZHAO Xin-yi.Beijing：Water Conservancy and Electric Power Press，1979.（in Chinese））

［3］ 陳興華.脆性材料結構模型試驗［M］.北京：水利電力出版社，1984.（CHEN Xin-hua.Structural Model Test of Brittle Materials［M］.Beijing：Water Conservancy and Electric Power Press，1984.（in Chinese））

［4］ 龔召熊，陳 進.巖石力學模型試驗及其在三峽工程中得應用與發展［M］.北京：水利電力出版社，1996.（GONG Zhao-xiong，CHEN Jin.Rock Mechanics Model Test and Its Application in the Three Gorges Project Development［M］.Beijing：Water Conservancy and Electric Power Press，1996.（in Chinese））

［5］ 任自明，沈 泰.三峽工程壩基巖體工程研究［M］.武漢：中國地質大學出版社，1998.（REN Zi-ming，SHEN Tai.Three Gorges Dam Foundation Engineering Research［M］.Wuhan：China University of Geosciences Press，1998.（in Chinese））

［6］ 姜小蘭，陳 進，孫紹文.錦屏工程地質力學模型壩基巖體新材料研究［J］.長江科學院院報，2009，（6）：20－22.（JIANG Xiao-lan，CHEN Jin，SUN Shao-wen.Jinping dam engineering geological rock massmechanical model of the new material research［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2009，（6）：20－22.（in Chinese） ）

（編輯：曾小漢）

M odel Test of Stability against Deep Sliding in Tingzikou Dam

JIANG Xiao-lan，SUN Shao-wen，ZHU Jie-bing
（Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of the Ministry ofWater Resources，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

Stability against deep sliding of gravity dam design has been a key issue.In natural rock ofmany engineerings，there are often weak structure planes，gently-dipping fissures and faults in the dam foundation rock.The combination of theseunsafely structuralsurfacesmay constitutea continuousordiscontinuousslip surface in the dam

foundation，thus，brings a serious threat to the deep sliding stability of dam.In order to provide the basis for optimization scheme of foundation treatment，and to verify numerical analysis，we use geomechanicalmodel test technique to study deep sliding stability of the spillway section of Tingzikou Dam.There were two programs with processing and without processing.On the basis of operating conditions of the dam，the displacement fields and law of the key parts in dam and foundation were analyzed，and the displacement development law，failure mechanism，sliding path and anti-slide safety factor under the overload were observed.Safety evaluation for deep anti-slide stability and reinforcement treatmentmeasures for Tingzikou Dam foundation before and after treatmentweremade.

stability against sliding；geomechanicalmodel test；Tingzikou Hydroproject；deep slide；overload safety factor

TV223

A

1001－5485（2010）09－0065－05

2010-06-22

“十一五”國家科技支撐項目（2008BAC47B01－5）；國家自然科學基金項目（50539030－2－4）

姜小蘭（1964-），女，湖北鄂州人，高級工程師，主要從事水工結構與巖石力學物理模型試驗研究工作，（電話）027-28289737（電子信箱）jiangxl668＠163.com。