天花板拱壩壩肩穩(wěn)定分析及處理措施研究

周飛平，陳卓卓，林健勇

（中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，北京 100024）

1 工程概況

天花板大壩采用碾壓混凝土雙曲拱壩，壩頂高程1 076.80 m，最低建基面高程969.80 m，最大壩高107.0 m，壩軸線長(zhǎng)159.87 m，拱冠梁頂寬6.005 m，拱壩最大中心角93.3°，拱冠梁底寬22.643 m，拱端最大厚度24.086 m，厚高比0.212。

壩址位于牛欄江與清水河交口上游1.2～1.7 km處的天花板峽谷進(jìn)口段，河流方向基本為NW300°，為典型的峽谷河段，兩岸地形陡峻，兩岸坡度在60°～80°， 河谷整體斷面呈 “U” 形。

壩址區(qū)出露地層以震旦系地層和第四系松散堆積物為主。震旦系地層巖性主要有東龍?zhí)督M灰黑色含藻粉晶白云巖 （Z2dl1-1）、深灰-淺灰色粉晶白云巖（Z2dl1-2）、 灰黑色富藻粉晶白云巖 （Z2dl2） 和灰白色粉晶白云巖 （Z2dl3）。

壩址位于謂姑背斜中段東翼與大腦包向斜南段之間，白云巖巖層傾向上游，傾斜平緩，為一傾向SE 的單斜構(gòu)造， 左岸巖層產(chǎn)狀為 NE55°～60°SE∠16°，右岸巖層產(chǎn)狀為 NE25°～30°SE∠11°～15°。

整個(gè)壩址巖性為白云巖，厚層狀結(jié)構(gòu)。左壩肩巖體相對(duì)較完整，巖石為弱～微風(fēng)化，結(jié)構(gòu)面分布較少，主要斷層裂隙有f5、L27、L28等；f5斷層走向?yàn)轫樅酉颍竷A角，離左拱肩槽較近，約15～20 m，其把左拱端持力體從左壩肩隔離出來(lái)，成為影響左壩肩穩(wěn)定的重要因素；L27、L28為緩傾角裂隙，走向基本與河流方向垂直，兩裂隙與f5斷層組合可能形成滑動(dòng)體，影響左壩肩穩(wěn)定。右壩肩主要斷層有f15、f27、 f34、 f51、 f53等， 其中以f15為主要斷層， 自右拱端順拱軸線方向延伸， 與f27、f34、f51、f53組合形成可能滑動(dòng)塊體，對(duì)右壩肩穩(wěn)定不利。

2 研究方法和思路

根據(jù)規(guī)范要求和目前一般工程的處理原則，采用剛體極限平衡法作為計(jì)算壩肩穩(wěn)定的基本計(jì)算方法。鑒于計(jì)算壩體應(yīng)力有拱梁分載法和有限元法兩種，在用此兩種方法計(jì)算的壩體應(yīng)力和拱端推力的基礎(chǔ)上，分別進(jìn)行壩肩穩(wěn)定分析。荷載組合見(jiàn)表1。Ⅱ、Ⅲ1、Ⅲ2、Ⅳ類(lèi)巖體與剛性無(wú)夾泥結(jié)構(gòu)面、夾泥結(jié)構(gòu)面抗剪斷強(qiáng)度分別為1.5、0.9、0.6、0.55、0.15、0.05； 摩擦系數(shù)分別為1.25、1、1.07、0.7、0.6、0.65、0.35。

表1 荷載組合

3 計(jì)算及結(jié)果分析

3.1 剛體極限平衡法

3.1.1 初始邊界條件

左壩肩分布有斷層f5，走向與拱肩推力方向垂直，距拱肩槽建基面15～40 m，與自然邊坡可以形成拱端滑塊；另外，有緩傾角裂隙L27、L28在1 007～1 021 m高程之間穿過(guò)左拱端，與f5組合也能形成滑塊。右壩肩f15斷層以近拱端軸線方向以77°～82°角從右拱端穿過(guò)， 與順河向的 f27、 f34、 f53組合，以下游邊坡為臨空面，形成了可能滑塊。

另外，根據(jù)壩基開(kāi)挖實(shí)際揭露的基巖性狀，考慮基巖內(nèi)部性狀的不確定性，在進(jìn)行拱梁分載法壩體應(yīng)力分析時(shí)，考慮壩體對(duì)基礎(chǔ)的適應(yīng)范圍的敏感性分析，選了兩組基巖參數(shù)，左岸基巖綜合變形模量為10～11 GPa，右岸基巖綜合變形模量第一組為 8.3～9.0 GPa， 第二組為 9.4～10.1 GPa。

3.1.2 計(jì)算結(jié)果與分析

各種荷載組合情況下，各滑塊在兩種地基條件下的穩(wěn)定性如表2、3所示。

表2 壩基條件為變形模量1壩肩抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)Kh

從表2、3可以看出：兩種地基變形模量條件下，各滑塊的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)都滿(mǎn)足規(guī)范安全標(biāo)準(zhǔn)要求；在右岸壩肩地基條件變好的情況下 （計(jì)算兩岸壩肩穩(wěn)定的地質(zhì)條件并無(wú)變化），特殊組合工況2和特殊組合工況3的安全系數(shù)有較大提高，可見(jiàn)基礎(chǔ)條件差時(shí)，壩肩排水措施的采用顯得尤為重要。

表3 壩基條件為變形模量2壩肩抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)Kh

3.2 有限元法穩(wěn)定分析

3.2.1 計(jì)算邊界條件

有限元法穩(wěn)定分析是將剛體極限平衡法和有限元計(jì)算分析相結(jié)合，求解壩肩潛在滑移楔形體的穩(wěn)定性。具體做法是：有限元網(wǎng)格剖分時(shí)，置有限元節(jié)點(diǎn)于拱壩壩肩的可能滑動(dòng)塊體表面，完成有限元靜、動(dòng)力分析后，將塊體表面各節(jié)點(diǎn)的靜、動(dòng)應(yīng)力進(jìn)行積分，求出塊體拱推力及作用于塊體上的地震荷載等，然后由剛體極限平衡法分析拱壩壩肩靜、動(dòng)力穩(wěn)定安全度。上述方法的特點(diǎn)是能充分利用有限元和剛體極限平衡兩種分析方法的優(yōu)點(diǎn)。該方法可以充分考慮壩、庫(kù)水、地基的動(dòng)力相互作用以及地基輻射阻尼和壩體分縫的影響。分別進(jìn)行了靜力和動(dòng)力抗滑穩(wěn)定分析，靜力情況取基本組合工況一，動(dòng)力情況進(jìn)行了設(shè)計(jì)地震和校核地震的穩(wěn)定分析。

3.2.2 靜力抗滑穩(wěn)定分析

靜力計(jì)算工況為基本組合工況1，1 063、1 049、1 035、1 027、1 021、1 007 m高程滑移體的高度分別為14、28、42、50、56、70 m，對(duì)應(yīng)左壩肩靜力抗滑穩(wěn)定安全因子Kh為1.86、1.78、2.02、2.22、2.31、2.55，右壩肩靜力抗滑穩(wěn)定安全因子Kh為2.12、 1.96、 1.85、 1.76、 1.75、 1.87。

從計(jì)算結(jié)果可知：左右岸拱座分別在1 049 m和1 021 m高程推出時(shí)Kh最小，分別為1.78和1.75；天花板拱壩壩肩巖體的靜力抗滑穩(wěn)定安全因子Kh為1.75，滿(mǎn)足持久狀況Kh＞1.0的穩(wěn)定要求。

3.2.3 動(dòng)力抗滑穩(wěn)定分析

計(jì)算大壩在持時(shí)20 s的設(shè)計(jì)地震動(dòng)作用下的壩體、壩基的地震反應(yīng)，進(jìn)行壩肩巖體動(dòng)力抗滑穩(wěn)定性分析。分別計(jì)算不同高程壩肩潛在滑動(dòng)塊體動(dòng)力抗滑穩(wěn)定安全度。

左壩肩分別計(jì)算從1 063、1 049、1 035、1 027 m高程推出的安全因子Kh，滑移體的高度分別為14、28、42、50 m，分別表示為左岸1、2、3、4號(hào)滑移塊；右壩肩分別計(jì)算從1 063、1 049、1 027、1 007 m高程推出的安全因子Kh，楔形體的高度分別為14、28、42、50、56、70 m，分別表示為右岸1、2、3、4號(hào)滑移塊。根據(jù)有限元計(jì)算成果，提取側(cè)滑面和底滑面的相關(guān)受力，分別計(jì)算左、右岸不同滑移體的安全因子Kh，結(jié)果如表4所示。

表4 壩肩可能滑動(dòng)體地震工況下的安全因子Kh

由表4可以看出：校核地震工況下的安全因子比設(shè)計(jì)地震工況低，體現(xiàn)了地震強(qiáng)度對(duì)壩肩穩(wěn)定的影響；天花板雙曲拱壩的動(dòng)力抗滑穩(wěn)定安全因子Kh為1.94，滿(mǎn)足偶然狀況Kh≥0.85的要求，因此，天花板拱壩校核地震工況下動(dòng)力穩(wěn)定性滿(mǎn)足規(guī)范要求。

4 基礎(chǔ)處理

受斷層分布影響，天花板拱壩右壩肩巖體性能相對(duì)于左壩肩較差，這使得拱壩壩肩存在不均勻性；同時(shí)，由于右壩肩被f15等斷層切割，其穩(wěn)定性也是需重點(diǎn)考慮的問(wèn)題，在前面的剛體極限平衡法中，盡管各滑塊體的安全穩(wěn)定性都滿(mǎn)足規(guī)范要求，但是有些滑塊 （尤其是右壩肩的f53滑塊）安全儲(chǔ)備并不高，因此還需進(jìn)行相應(yīng)處理，以提高安全儲(chǔ)備。主要采取如下措施：

（1）針對(duì)f15斷層和f53滑塊右壩肩進(jìn)行高壓深層灌漿處理，以提高右壩肩整體性和穩(wěn)定性。

（2）地質(zhì)缺陷置換處理，對(duì)建基面出露的f15、f11等斷層進(jìn)行槽挖回填混凝土處理，并在壩體與該缺陷帶接觸面鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)進(jìn)行加強(qiáng)。

（3）對(duì)f5斷層進(jìn)行深層高壓固結(jié)灌漿和洞塞置換處理。在左壩肩1 007 m和1 027 m高程順斷層面設(shè)兩條水平混凝土置換洞，在拱端附近順斷層設(shè)一豎向置換洞，豎向置換洞和水平置換洞聯(lián)結(jié)成一整體，以提高左壩肩的穩(wěn)定余度。

5 結(jié)論

根據(jù)地質(zhì)狀況和結(jié)構(gòu)形式，用剛體極限平衡法和有限元法對(duì)天花板碾壓混凝土拱壩進(jìn)行了壩肩穩(wěn)定分析，另外針對(duì)安全儲(chǔ)備問(wèn)題增加了壩肩穩(wěn)定處理措施。主要結(jié)論如下：

（1）無(wú)論是剛體極限平衡法還是有限元方法，穩(wěn)定分析結(jié)果表明，天花板拱壩兩岸壩肩的穩(wěn)定安全系數(shù)在規(guī)范允許范圍內(nèi)，滿(mǎn)足安全要求。

（2）在剛體極限平衡法分析中，針對(duì)兩組地基性狀的拱端推力的壩肩穩(wěn)定分析結(jié)果表明，在地質(zhì)條件較差時(shí)，采取提高壩肩排水性能等人為措施，對(duì)壩肩穩(wěn)定尤為重要。

（3）由剛體極限平衡法和有限元法分析結(jié)果對(duì)比可以看出，有限元法所得安全系數(shù)一般要比剛體極限平衡法高，也就是剛體極限平衡法計(jì)算結(jié)果相對(duì)偏保守。

（4）針對(duì)兩岸壩肩某些部位 （諸如f53滑塊和f5滑塊）壩肩穩(wěn)定安全儲(chǔ)備不高的情況，專(zhuān)門(mén)對(duì)這些部位進(jìn)行了混凝土置換和高壓固結(jié)灌漿等處理，提高了其安全性。