重力壩抗滑穩定分析中抗剪公式的適用性及安全控制標準分析研究

冉紅玉,李 倩,杜華冬,周 欣

(1.長江勘測規劃設計研究有限責任公司,湖北 武漢 430010;2.廣東省水利電力規劃勘測設計研究院,廣東 廣州 510635;3.湖北省漳河工程管理局,湖北 荊門 448156)

1 問題的提出

重力壩壩基潛在滑裂面通常由不同性狀的材料組成,如混凝土和基巖的接觸面、節理巖體、硬性結構面或軟弱夾層等。早期的重力壩3.0的允許安全系數是建立在節理巖體的“抗剪斷”強度指標基礎上的,這一指標中包含了極大的凝聚力,這一凝聚力是由完整巖石提供的。對于沿建基面情況,由于該接觸面是凹凸不平的,真正的滑面大部分通過的仍是巖橋和節理組合。因此,“抗剪斷”指標是相應于壩體沿建基面和節理巖體滑動的情況。但是,如果滑裂面是諸如層面、軟弱夾層、斷層等一些并不存在很高凝聚力指標的結構面,仍然按3.0的允許安全系數要求,就可能導致了許多重力壩在復核深層抗滑穩定時面臨的困境。

水利行業《混凝土重力壩設計規范》[1](SL319-2005)中提出,對于壩基巖體內存在軟弱結構面的深層抗滑穩定,可按抗剪公式進行計算,其安全系數指標應經論證確定。規范中未明確給出安全系數的取值,只給出了參考值。

針對以上提出的問題,本文收集了部分重力壩工程設計實例,經過歸納、比較,并進行二次計算驗證和敏感性分析,總結得到重力壩抗滑穩定計算中抗剪公式的適用要求,并提出相應于抗剪公式的安全系數推薦取值。

2 工程實例驗算

本文收集了三峽[2-5]、葛洲壩[6-7]、萬家寨、武都、亭子口、銀盤[8]、高壩洲和官地等工程的設計資料,這些工程壩基軟弱面的分布及性狀差別較大,采用剛體極限平衡法計算時,各工程采用的抗滑穩定計算公式及安全系數標準也不相同。

各工程的地質概況如下:

三峽左廠3#壩段壩基緩傾角結構面發育,壩基巖石為閃云斜長花崗巖,含少量小型花崗巖脈。基巖巖體質量優良,壩基范圍內斷層發育,斷層構造巖大部膠結良好,局部膠結較差。

武都大壩壩基巖體主要由軟巖和硬巖互層組成,其中軟巖類頁巖在壩基出露長度約378 m,約占大壩長度的63%。硬巖類巖層有泥質灰巖、粉細砂巖和石英砂巖。壩基巖體中發育有泥化剪切帶、破碎夾泥剪切帶。

亭子口大壩壩基巖體由軟巖與中硬巖互層組成,其中溢流壩段、廠房壩段和升船機壩段由中硬巖砂巖組成,壩基的出露長度為441 m,約占大壩長度的44%,其余地段則是以軟巖為主,夾少量的中硬巖。巖體中存在軟弱夾層與薄層軟巖,基巖中發育有順河向寬大裂隙。

萬家寨壩基巖性為中厚層鮞狀灰巖、薄層灰巖、泥灰巖,分布有多組層間剪切帶。層間剪切帶部分已被挖除,部分保留。

葛洲壩二江泄水閘閘基為粘土質粉砂巖、砂巖互層,巖性軟弱;基巖內有層面裂隙、軟弱夾層等薄弱面;軟弱夾層中有的已經泥化或局部泥化,其中以202號泥化夾層分布范圍最廣,軟弱夾層的摩擦系數低至0.20～0.25。

高壩洲壩基巖性為白云巖夾灰巖、砂巖互層,基礎內存在斷層、裂隙、層間剪切帶及順層溶蝕地質缺陷,其中層間剪切帶較為密集。

官地電站壩基巖質堅硬,基巖主要由玄武巖組成,壩區斷裂構造極為發育,主要表現為斷層、錯動帶及節理裂隙系列。

以上工程設計實例中,三峽、武都、銀盤、亭子口、萬家寨工程的抗滑穩定分析采用了抗剪斷公式,葛洲壩和高壩洲采用了抗剪公式,官地分別采用了兩種公式進行計算。

為了驗證抗剪斷公式和抗剪公式的適用性,采用上述幾個工程的地質參數及壩基軟弱結構面的滑移模式,在相同荷載及滑移模式下分別采用兩種公式進行對比計算分析。計算結果見表1所示。

表1 抗滑穩定安全系數驗算

從表1可以看出,當滑動面的凝聚力c'值較低時,兩種公式計算得到的抗剪斷和抗剪安全系數(k'和k)相差不大,如葛洲壩、高壩洲、武都,k大于1,而k'遠小于3.0。隨著滑動面的凝聚力c'值的增加,安全系數 k'和k相差逐步加大,如三峽、亭子口、向家壩等工程,抗剪斷安全系數 k'為3.0左右時,抗剪安全系數只有1左右,三峽還小于1。

由以上驗算分析可知,在分析重力壩深層抗滑穩定時,對于不同的地質條件,應采用不同的計算公式。壩基潛在滑移面由硬性結構面和巖橋組成時,按抗剪斷公式計算較合適;當壩基中存在著連續分布的軟弱結構面(單滑面或雙滑面均為軟弱結構面),且結構面強度參數較低,可采用抗剪公式計算。

3 抗剪斷與抗剪安全系數的安全裕度分析

為研究不同地質條件下抗剪斷安全系數標準與抗剪安全系數標準所保留安全裕度是否一致,采用不同地質條件參數,對具有代表性的雙滑動面模式進行敏感性分析。

在壩基深層抗滑穩定分析領域,抗剪斷安全系數標準(2.5～3.0)已被工程界認可。因此,計算中通過調整滑面傾角使得抗剪斷安全系數達到3.0,然后在相同條件下采用抗剪公式計算安全系數,以比較相同條件下兩套標準的安全裕度。模型分別取高壩(240 m)、中高壩(150 m)和中壩(60 m)三種模型,計算簡圖如圖1。

計算時假定第一滑面為軟弱夾層,參數為 f=0.405,f'=0.45、c'=0.1MPa;第二滑動面分別為表2中各類巖體或者結構面的參數。如圖1所示,取AB面與水平面夾角α=15°、BC面與水平面夾角β=20°,假定AB面、BC面與水平面夾角不變的情況下,改變 BD的長度,則巖體ABD、BCD的重力,以及AB、BC面的揚壓力也隨之改變。通過調節 BD的長度,使抗剪斷安全系數達到3.0,在同樣的條件下,計算出對應的抗剪安全系數。AB滑面取為巖夾泥,BD面則取不同的材料,其計算結果如表2所示。

圖1 雙滑面抗滑穩定計算簡圖

表2 計算采用參數及相應計算條件安全系數匯總

從表2可以看出,對應于同一壩高,下游滑面參數從低到高發生變化,使抗剪斷安全系數達到3.0時,抗剪安全系數依次減小,說明當抗剪斷公式安全度一致時,抗剪公式安全度是發生變化的。當c'值較低時,不同壩高的抗剪斷與抗剪公式計算得到的安全系數均差別不大、接近相等。當c'值不斷增大,兩套公式算得的安全系數呈分離趨勢,保持抗剪斷安全系數為3.0,抗剪安全系數不斷減小,對于高壩最小達到1.40,低壩則只有0.56,可見c'值對抗滑穩定安全裕度的影響是較大的。

以建基面安全系數的定義可知,當抗剪斷安全系數達到3.0、抗剪安全系數達到1.1就是安全的,一般來說建基面的參數c'值較大。而以軟弱面來看,抗剪與抗剪斷安全系數差別不大,如果以抗剪斷3.0為標準,則抗剪安全系數過大,達到建基面安全系數的2倍以上,如果以抗剪安全系數為標準,則抗剪斷安全系數就達不到規范要求。

對于不同壩高,使抗剪斷安全系數達到3.0時,高壩抗剪安全系數從2.484減小到1.397,減小了43.8%;中高壩從 2.329減小到 1.111,減小了52.3%;中壩從2.513減小到0.560,減小了77.7%。以上說明,對于不同壩高,c'值的影響不同,對于高壩而言影響較小,則對于低壩影響較大。并且從表2中可以看出,當c'值較大時,無論怎么調整,中壩的抗剪斷安全系數都無法減小到3.0,而不考慮c'值時,抗剪安全系數只有0.56,充分說明了c'值對于安全系數的影響。

由以上分析可知,對于不同的地質條件,抗剪斷公式與抗剪公式得到安全系數差距變化較大,說明對于不同的地質條件兩套標準所保留的安全裕度不同。當抗剪斷公式滿足要求時,抗剪公式不一定滿足要求,反之亦然,兩套公式所表現的安全度不同。安全系數主要由c'值控制,當 c'值較低時兩套公式計算的安全系數差別不大,當c'值較高時兩套公式計算的安全系數差別較大。因此對于軟弱結構面應選擇合適的計算公式及其配套的安全系數。

4 抗剪強度公式的安全控制標準

水利行業《混凝土重力壩設計規范》(SL319-2005)條文說明中對按抗剪公式計算的安全系數選取進行了特別說明。對壩基巖體內存在軟弱結構面、緩傾角裂隙時,應首先按抗剪斷強度公式進行壩基深層抗滑穩定分析,如采取工程措施后仍不能滿足規范要求時,可按抗剪強度公式,計算壩基深層抗滑穩定安全系數,其指標應經論證后確定,論證時可參考表3所示的安全系數。

表3 壩基深層抗滑穩定安全系數(按抗剪強度)

對于雙滑面、多滑面等情況,由于垂直分裂面是假定的,φ值通常取為0,用等K法計算,應有一定安全裕度。但對于單滑面,沒有上述安全裕度,其安全系數取值尤須慎重。在已建工程中,壩基存在軟弱結構面的情況較為普遍,采用抗剪斷公式計算不能滿足規范要求而采用抗剪公式計算的實例也較多,因規范未提出確定的安全系數標準,各工程根據自身地質條件及工程重要性提出了各自的安全系數要求,見表4。

表4 國內若干已建工程壩基軟弱結構面抗滑穩定設計參數指標

這些工程根據自身地質條件及工程重要性提出了相應的安全系數要求,其設計安全系數在1.1～1.4之間,加固后的安全系數分別為1.2左右,實踐證明上述設計安全系數標準有較大安全儲備。

根據以上實例總結和歸納分析,提出抗剪公式計算的安全系數的推薦取值,見表5。一般情況下取安全系數的上限,當采用多種加固措施以后仍不能滿足上限要求,經過論證后可以取安全系數的下限。

5 結 語

通過對已有工程實例的歸納比較與計算算例的驗證分析可知,抗剪斷公式與抗剪公式所得到的安全系數不具有可比性,對于不同的地質條件,其值相差較大。當結構面為硬性結構面,凝聚力較高時,兩者的差別可達到2倍甚至3倍以上;而當結構面凝聚力較低時,其值相當。對于不同的壩高,隨c'值的變化,抗滑穩定安全系數所表現出的安全裕度也不相同。

表5 推薦壩基深層抗滑穩定安全系數(按抗剪強度)

當巖體或者硬性結構面存在較大的凝聚力,采用抗剪斷公式更為合理,因此3.0的安全系數配套產生,而對軟弱結構面,凝聚力很低時,采用抗剪斷公式不一定適用,可采用抗剪公式進行計算,其安全系數取值也應重新確定。

本文通過收集工程實例和進行實例驗算得到的安全系數推薦值還有待更多工程經驗數據的驗證,在此僅供其它工程設計參考。

[1]中華人民共和國水利部.SL319-2005.混凝土重力壩設計規范[S].北京:中國水利水電出版社,2005:123-124.

[2]水利部長江水利委員會.三峽大壩左廠1#～5#壩段抗滑穩定深化設計專題報告[R].武漢:長江勘測規劃設計研究有限責任公司,1996.

[3]水利部長江水利委員會.三峽大壩左廠1#～5#壩段抗滑穩定綜合分析報告[R].武漢:長江勘測規劃設計研究有限責任公司,1997.

[4]戴會超,蘇懷智.三峽大壩深層抗滑穩定研究[J].巖土力學,2006,27(4):643-647.

[5]葛修潤,任建喜,等.三峽左廠3#壩段深層抗滑穩定三維有限元分析[J].巖土工程學報,2003,25(4):389-394.

[6]水利部長江水利委員會.葛洲壩工程叢書之三基礎設計與處理[M].北京:中國水利電力出版社,1995:124-155.

[7]水利部長江水利委員會.葛洲壩工程叢書之五 閘、壩與電站建筑物[M].北京:中國水利電力出版社,1995:66-78.

[8]丁秀麗,朱大勇,等.銀盤水電站左壩肩邊坡及壩基巖體加固[J].人民長江,2008,39(4):28-30,36.