云河拱壩抗滑穩定分析

靳筱宏

（漢中市水利水電建筑勘測設計院 陜西 漢中 723000）

1 工程概況

云河水利水電工程樞紐拱壩位于南鄭縣城西南40km的鋼廠鄉境內，系由云河龍門埡河谷建壩向濂水河紅寺壩灌區補水并結合發電的一項中型跨流域引水綜合利用工程，水庫樞紐為中型三等，工程建筑物按地震烈度六度設防，大壩設計洪水位894.90m（P=2%），校核洪水位 896.5m（P=0.2%），溢流堰頂高程（正常蓄水位）890.40m，死水位867.70m，壩頂高程897.5m，河床建基面高程830.00m，最大壩高67.5m。

由于壩址區地形極不對稱，左右壩肩巖體物理力學指標相差較大，設計采用拋物線變厚切縫重力拱壩，左右壩端875m高程以上采用重力壩，切豎向縫，使拱端推力分布到830m至875m高程，最終確定的拱壩體型為變厚拋物線切縫雙曲重力拱壩，壩高67.5m，壩頂寬4m,拱冠梁27m，厚高比0.4，左壩端厚（830）30.082m,右壩端厚（830）28.524m，壩頂至875m高程切豎向永久縫13條，其中參考軸以左7條，參考軸以右6條，縫底高程為889.5m～875m不等，立面上縫底連線近似為拋物線，左右兩邊縫以外各設長8m的重力壩與壩肩銜接。壩頂長162.74m，中心角82°，弦高比近似為1.34。

2 壩址處工程地質概況

壩址位于云河峽谷段，主河道由南向北至壩軸線下游50m后成45°折轉由南東向西北流，河谷地形逐漸開闊，河谷深切為“V”型，河床寬度約25m～30m，河床基巖面高程831m～833m，兩岸對稱性差，基巖裸露，左岸山坡稍凸向河谷，自然坡度45°～60°，坡面平整，右岸山坡彎向坡內，沖溝發育，坡度均勻性差，局部為倒或直立坡。

壩址區巖性主要為下元古代流紋質碎熔巖、碎裂流紋質碎屑（角礫）熔巖、輝綠巖脈，其次在河床和緩坡段分布有第四系松散覆蓋層，巖石共同點是“硬、脆、碎”。壩址區地質構造形跡主要為斷層、裂隙和節理。

2.1 斷層

壩址區斷層發育，總計14條，按走向可分為四組，分別是近SN-NNW向、NW向、NE向和EW向。除EW向為張性正斷層外，其余均為壓扭性逆斷層，其中規模較大、延伸較遠、貫穿壩址區的斷層有F15、F10、F104、F101 四條，F15 斷層，近 SN向，傾向坡內55°～75°，出露于左岸900m高程附近，破碎帶寬達18.50m。F101斷層為NNW向，傾向坡內75°左右，破碎帶寬度變化較大，約0.02m～1.40m。F10斷層及F104斷層均位于右岸，其中F10斷層與F101為一組平行斷層，間距 2m～2.5m，走向 N37°～42°W，傾向NE∠77°～88°，F104斷層出露于875m高程附近，走向N13°～45°W，傾向NW∠63°～88°，為影響右岸拱座穩定的主要結構面。

2.2 裂隙

壩址裂隙據統計有200多條，發育程度及切割強度受主干斷層F15控制，產狀及力學性質與主要斷層（F15、F10、F104、F101）一致，裂隙、節理很發育，按走向可分為近SN-NNW向、NW向、NE向，近EW向及緩傾角等5組，①SN-NNW向組，裂隙寬一般0.1cm～0.3cm，個別為0.5cm～5cm，綠色泥質充填，軟塑，局部為巖屑或泥夾巖屑充填，局部裂面平直光滑，以扭性為主。②NW向組與NE向組力學性質均以扭性為主，寬度約20cm，延伸長度約5.0m，裂面光滑，泥質充填或不充填。③EW向組，力學性質以張扭性為主，裂面粗糙，以直立的陡傾角為主，出露線平行于地形等高線。④緩傾角裂隙組，主要分布于河谷近谷地部位，走向大致平行地形走向，延伸長度2m～5m，以卸荷回彈張裂隙及巖漿冷凝原生節理為主。

根據壩址區地層巖性、地質構造及巖體風化程度，漢中市水利水電設計院地質組多次邀請有關專家商討，提出地質物理力學指標，附圖1即為拱壩軸線壩基巖體力學參數分區圖（力學參數表略）。

3 穩定分析

首先分析兩岸巖體的工程地質及水文地質資料，了解巖石結構面以及結構面中填充物的物理力學特性，特別注意查明影響巖體滑動的主要軟弱結構面的產狀、不平整度、連同率、有無填充物和錯動情況，以及結構面的可能組合和拱座巖體內地下滲流的性質及分布特性，并合理選用設計參數。同時研究和確定作用在拱座上的各種作用力，并采用合理的穩定分析方法。

3.1 滑動面的確定

根據地質資料分析，左岸地質條件較右岸差，根據各結構面的產狀，對以下幾種情況進行了穩定分析計算。

3.1.1 左岸穩定性分析

第一種，底滑面水平，側滑面為經過875m高程拱端上壩趾沿F15主走向N15°W的鉛直面（實際傾坡內），對不同高程以上切割的巖體進行整體穩定分析。

第二種，側滑面仍為沿F15主走向的鉛直面，底滑面傾向下游10°，對不同高程（壩上游）以上切割的巖體進行整體穩定分析。

第三種，側滑面按L14、L15或組裂隙主走向N10W的鉛直面（實際傾坡內），底滑面水平，對不同高程以上切割的巖體進行整體穩定分析。

第四種，滑移面同第三種，分臺階（5m或10m）進行穩定分析計算。

3.1.2 右岸穩定性分析

側滑面按F104主走向N35°W的鉛直面，底滑面水平，分臺階（5m或10m）進行穩定分析計算（從地質平切圖看），870m以上拱端穿過F104，860m～830m高程范圍各層拱端基本位于F104附近，計算中從860m高程處切剖面至830m高程）。

3.2 基本假定及地質力學參數的取值

（1）計算中假定滑體為剛體，不要考慮其中各部分的相對位移及力矩平衡條件，忽略拱壩內力重分布作用，不計算滑面（鉛直面）以外傾向坡內的巖體自重及滲壓。

（2）地質參數直接采用地質建議值。

3.3 滑移體上作用的荷載計算

作用在滑移體上的荷載包括拱端傳給巖體的三向推力，巖體上游面（庫內）所受水壓力，底、側滑面上的滲壓，底側滑面上巖體間的凝聚力和摩擦力以及滑體自重。

3.4 計算結果

采用剪摩公式計算。根據不同荷載組合計算各種滑動面組合情況下的穩定安全系數，發現各工況下抗滑安全系數均滿足規范要求。左岸第二種、第四種滑動面情況下抗滑最為不利，最小安全系數為2.58。詳見表 1，表 2。

從剛體極限平衡理論計算的拱座穩定安全系數分析，左岸應加強基礎處理工作，特別是拱端徑向及豎向抗滑安全幅度較小。

4 存在的問題及評價

4.1 存在的問題

（1）地質力學參數只能通過有限的幾個點或線去測定，不可能做到全面、準確。

（2）計算中的基本假定，主要指滑移面的假定不可能與實際完全相符。

（3）計算作用與可滑移體上的荷載與實際可能有所出入。

4.2 綜合評價

由于采用剛體極限平衡法進行穩定分析中存在不同程度的假定，是一種較為粗略的方法，成果具有近似性。在云河這種地形、地質較為惡劣的條件下，雖對各種情況均做了計算，計算安全系數也達到設計要求，但計算中許多問題考慮不很嚴謹，應通過有限元分析或地質模型試驗結果予以驗證，并進行綜合評價。陜西水利

[1]潘家錚，黎展眉編.拱壩[M].水利電力出版社,1982年.

[2]《混凝土拱壩設計規范》（SL25-91）.水利電力出版社,1991年.

[3]《水工設計手冊》第五卷-混凝土壩[M].水利電力出版社,1982年.

[4]漢中市水利水電勘測設計院.南鄭縣云河水利水電工程初步設計報告[R]、南鄭縣云河水利水電工程初步設計地質報告[R].1997.

[5]王漢杰主編.水資源工程學[M].農業出版社，1990年.

[6]耿克勤、吳永平編.云河拱壩及壩肩巖體的三維非線性有限元分析[M]，中國水科院，1999年.