深厚覆蓋層礫石土心墻堆石壩抗滑穩(wěn)定分析

陳 磊，竇向賢

(中國(guó)水電顧問集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川成都 610072)

1 基本工程地質(zhì)條件

獅子坪水電站心墻堆石壩河床覆蓋層深厚，最大深度達(dá)102m，從下到上共分5個(gè)大層，其中③、④兩個(gè)大層依據(jù)物理力學(xué)性狀的不同又分為幾個(gè)小層:①為含砂漂(塊)卵礫石層;②為粉質(zhì)壤土與粉細(xì)砂互層;③－1為含砂漂(塊)卵礫石層;③－2為塊碎礫石土層;④－1為含碎礫石砂層、粉質(zhì)壤土層;④－2為含漂砂卵礫石層;④－3為含碎礫石砂層、粉質(zhì)壤土層。另外，分布于坡腳部位的還有崩坡積塊碎石土層。

獅子坪水電站大壩處于“5.12”汶川地震影響區(qū)，地震動(dòng)參數(shù)50年超越概率10%時(shí)基巖水平峰值加速度為0.146g;100年超越概率5%時(shí)基巖水平峰值加速度為0.267g;100年超越概率2%時(shí)基巖水平峰值加速度為0.359g。

2 壩體結(jié)構(gòu)分區(qū)

壩頂高程為2544.0m，壩頂寬12m，壩頂總長(zhǎng)310.14m，建基面高程為2408.0m，最大壩高136m。上游壩坡為1∶2，在高程2475.0m處設(shè)5m寬?cǎi)R道，下游壩坡根據(jù)施工要求設(shè)置“之”字形上壩公路，下游平均坡比為1∶2.08。在大壩上、下游坡腳設(shè)壓戧平臺(tái)，上游采用將圍堰與壩體之間的結(jié)合部位填平的方式壓戧，下游壓戧范圍因受泄洪洞出口位置的限制，其壓戧高度和長(zhǎng)度通過穩(wěn)定分析確定，戧頂高程為2430.0m，水平長(zhǎng)度為80m。

上游堆石料分為兩個(gè)區(qū)，2450.0m高程以下為堆石Ⅱ區(qū);2450.0m以上為堆石Ⅰ區(qū)。下游堆石料亦分為兩個(gè)區(qū)，頂部2530.0m高程以下、底部2450.0m、2445.0m、2428.0m 高程以上及右側(cè)與下游堆石Ⅰ區(qū)交界范圍內(nèi)為下游堆石Ⅱ區(qū);其余部位為下游堆石Ⅰ區(qū)。

3 抗滑穩(wěn)定分析

3.1 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)各種筑壩材料技施階段的試驗(yàn)成果、材料特性及填筑部位，結(jié)合工程類比擬定的穩(wěn)定計(jì)算參數(shù)見表1。

3.2 計(jì)算方法及計(jì)算工況

壩坡穩(wěn)定分析計(jì)算方法有剛體極限平衡法及壩體壩基內(nèi)各點(diǎn)剪應(yīng)力水平法兩大類，最常用和已經(jīng)積累了豐富經(jīng)驗(yàn)的是剛體極限平衡法;剪應(yīng)力水平法使用經(jīng)驗(yàn)不多，加之土體本身和邊界處理的復(fù)雜性，存在判別整體失穩(wěn)的標(biāo)準(zhǔn)問題，還需要繼續(xù)研究［1］。本次計(jì)算按照極限平衡分析法進(jìn)行，強(qiáng)度指標(biāo)采用有效應(yīng)力法和總應(yīng)力法。根據(jù)《碾壓土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》DL/T5395－2007規(guī)定:壩坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算可采用計(jì)及條塊間作用力的簡(jiǎn)化畢肖普法;對(duì)于有軟弱夾層的壩坡穩(wěn)定分析，可采用滿足力和力矩平衡的摩根斯頓-普賴斯法。由于地形地質(zhì)條件的限制，上、下游穩(wěn)定計(jì)算不能完全使用同一剖面，根據(jù)覆蓋層深度以及可能的滑動(dòng)位置，上游穩(wěn)定按(0+120.00)剖面計(jì)算，下游穩(wěn)定按(0+160.00)剖面計(jì)算。

壩坡穩(wěn)定計(jì)算工況如下:

(1)穩(wěn)定滲流期上、下游壩坡。

①上游正常蓄水位高程為2540.0m，相應(yīng)下游覆蓋層內(nèi)水位高程為2411.0m;

圖1 礫石土心墻堆石壩典型剖面圖

表1 獅子坪水電站礫石土心墻堆石壩筑壩材料填筑指標(biāo)參數(shù)表

②上游設(shè)計(jì)洪水位形成的穩(wěn)定滲流期，其水位高程為2540.62m，相應(yīng)下游水位高程為2414.7m;

③上游死水位形成的穩(wěn)定滲流期，其水位高程為 2460.0m;

④上游水位介于正常蓄水位與死水位之間的穩(wěn)定滲流期，其水位高程為2500.0m。

(2)穩(wěn)定滲流期遇地震上、下游壩坡，峰值加速度為0.146g(50年超越概率10%)。

上游正常蓄水位高程為2540.0m，相應(yīng)下游水位高程為2411.0m。

(3)穩(wěn)定滲流期遇地震上、下游壩坡，其峰值加速度為0.267g(100年超越概率5%)。

上游正常蓄水位高程為2540.0m，相應(yīng)下游水位高程為2411.0m。

(4)下游校核洪水位穩(wěn)定滲流期，其上游水位高程為2541.09m，相應(yīng)下游水位高程為2414.9m。

(5)上游水位驟降:上游水位從正常蓄水位高程2540.0m降落到死水位高程2460.0m，歷時(shí)16d。

(6)竣工期。

3.3 計(jì)算成果及分析

(1)計(jì)算成果。獅子坪水電站大壩壩基地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，抗滑穩(wěn)定計(jì)算需考慮穩(wěn)定安全系數(shù)分布的多極值特性，為此，對(duì)不同土層的滑動(dòng)破壞面進(jìn)行了分析比較，直到求得抗滑穩(wěn)定安全性最小時(shí)為止。上、下游壩坡穩(wěn)定計(jì)算最小安全系數(shù)分別見表2及圖2、3。

從表2可以看出，滿足力和力矩平衡的摩根斯頓-普賴斯法計(jì)算結(jié)果均小于簡(jiǎn)化肖普法計(jì)算值，特別是對(duì)于下游壩坡，計(jì)算結(jié)果明顯小許多。

表2 上、下游壩坡穩(wěn)定復(fù)核最小安全系數(shù)表

圖2 0+120.00剖面上游壩坡穩(wěn)定分析(摩根斯頓-普賴斯法)最危險(xiǎn)滑弧示意圖

(2)成果分析。

①在實(shí)際計(jì)算過程中還發(fā)現(xiàn):當(dāng)采用瑞典圓弧法計(jì)算壩坡的抗滑穩(wěn)定時(shí)，其抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)不全滿足(DL/T5395—2007)規(guī)范要求;當(dāng)采用畢肖普法時(shí)，壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均可滿足(DL/T5395—2007)規(guī)范要求，其原因是瑞典法在理論上有缺陷，且當(dāng)?shù)鼗嬖谲浫鯅A層時(shí)誤差會(huì)變大。

②由于大壩壩體和壩基的土層分布復(fù)雜，土層的物理與力學(xué)指標(biāo)差別較大，抗滑穩(wěn)定計(jì)算需考慮穩(wěn)定安全系數(shù)分布的多極值特性，滑動(dòng)破壞面需在不同土層進(jìn)行分析比較直到求得抗滑穩(wěn)定安全性最小時(shí)為止。壩體及壩基材料計(jì)算參數(shù)的確定(特別是壩基材料參數(shù))，對(duì)穩(wěn)定分析計(jì)算結(jié)果的影響很大。

圖3 0+160.00剖面下游壩坡穩(wěn)定分析(簡(jiǎn)化畢肖普法)最危險(xiǎn)滑弧示意圖

另外，采用摩根斯頓-普賴斯法時(shí)，下游覆蓋層水位對(duì)下游安全系數(shù)的影響較大，而下游壓重高度和長(zhǎng)度的變化對(duì)安全系數(shù)的影響并不明顯。

③實(shí)際計(jì)算過程中還發(fā)現(xiàn)，采用擬靜力法計(jì)算滑弧越深，得到的安全系數(shù)值越小。覆蓋層第②層深埋于地下70m處，當(dāng)滑弧通過覆蓋層第②層時(shí)得到的安全系數(shù)最小，此時(shí)得到的圓弧中心角度很大，其原因是地面以下弓形體上的地震力引起了相對(duì)較大的滑動(dòng)力矩造成的，特別是當(dāng)土的強(qiáng)度較小、地震烈度較高時(shí)，滑弧越深，安全系數(shù)越小，從而使計(jì)算結(jié)果失真［2］。

④《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL/T5395—2007)10.3.16條規(guī)定，對(duì)于狹窄河谷中的高土石壩，抗滑穩(wěn)定計(jì)算還可計(jì)及三向效應(yīng)，求取最小安全系數(shù)。獅子坪水電站壩高136m，河床寬85m，壩軸線長(zhǎng)310.14m，寬高比為2.28，屬于狹窄河谷的高土石壩，但如何確定最小允許安全系數(shù)值還需要進(jìn)行專門研究。

［1］碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范，DL/T5395－2007［S］.

［2］殷宗澤，等.土工原理［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2007.

［3］陳祖煜.土質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析-原理·方法·程序［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2003.

［4］林 昭.碾壓式土石壩設(shè)計(jì)［M］.鄭州:黃河水利出版社，2003.