東石嶺水庫壩肩抗滑穩(wěn)定分析淺議

1.引言

東石嶺水庫位于河北省沙河市，控制流域面積169km2，水庫總庫容6840萬m3。水庫始建于1969年11月，1978年6月主體工程竣工。攔河壩為單曲重力漿砌石拱壩，壩頂高程383.0m，最大壩高81.0m，壩頂長度252.0m，壩頂寬8.0m。

大壩兩壩肩基巖為石英砂巖，由于NE40°～50°和NW310°～330°兩組裂隙發(fā)育，兩壩頭上下游裂隙密集，在高水頭作用下，裂隙中的充填物被滲水帶走形成滲漏通道致使?jié)B漏嚴重。據(jù)水庫管理處1989年觀測，右壩頭繞壩滲流量為2 L/s。。左壩頭滲漏更加嚴重，泄洪洞內壁大面積滲水，多處有集中滲漏，在進口工作閘門關閉情況下，常年有滲水流出，影響大壩壩體安全。

針對東石嶺水庫存在的安全問題，2004年至2006年間實施了東石嶺水庫除險加固工程，對大壩左右壩肩采取了帷幕和固結灌漿，并在下游壩肩山體布設排水孔等措施，本文就大壩加固工程實施前后的壩肩抗滑穩(wěn)定進行了分析論證。

2.壩肩地質條件

大壩兩壩肩置于由長城系石英砂巖夾砂質頁巖、玄武巖組成的陡崖中。壩肩石英砂巖多呈薄板、薄層和中厚層狀，層厚大多在10～30cm之間，致密堅硬。砂質頁巖呈薄層狀，層厚多在0.5～3cm之間。巖層走向NE30°～40°，傾向SE110°～140°，傾角5°～8°，傾向壩后下游，傾角低緩。節(jié)理裂隙較為發(fā)育。

壩肩巖體節(jié)理裂隙非常發(fā)育，以NE向和NW向的節(jié)理裂隙最為發(fā)育。庫區(qū)及左右壩肩的巖體陡壁基本沿這兩個方向的節(jié)理面形成。

左壩肩巖體形狀近于長方體狀，壩后巖體順水流向長約170m左右。巖體地表以下30m 以下范圍內多呈強～弱風化。主要發(fā)育NE和NW向傾角較陡的節(jié)理和層間節(jié)理，在近陡壁和地表以下較深范圍內NE和NW向節(jié)理多呈張開狀態(tài)，NE向節(jié)理多密集成帶。

右壩肩工程地質特征與左壩肩大致相近，巖體為山脊外延的突出部分，巖體較左壩肩渾厚，在壩肩后部170m處為一深切沖溝分割。巖體在近陡壁10m內多呈強～弱風化。節(jié)理裂隙發(fā)育，主要發(fā)育NE和NW向傾角較陡的節(jié)理和層間節(jié)理。

左右壩肩近陡壁處巖體風化程度較高，NE和NW向節(jié)理比較發(fā)育，多呈張開狀態(tài)貫穿于陡壁，其中NW向裂隙與水流方向基本相近。裂隙面與層面的組合形態(tài)不利于巖體的穩(wěn)定。砂質頁巖夾層力學性質較石英砂巖差，風化程度較石英砂巖強；輝石玄武巖層近陡壁部分風化強烈，局部呈松散狀態(tài)，且滲漏較嚴重，呈飽和狀態(tài)。以上兩類巖層為相對軟弱層，其性狀不利于巖體穩(wěn)定。在庫水位較高狀態(tài)下，壩肩后側巖體滲漏范圍較大，滲徑較長，裂隙水多沿NE和NW向裂隙和輝石玄武巖層運移至陡壁外側層面或裂隙滲出，砂質頁巖夾層長期受水浸泡局部已軟化，強度降低不利于巖體的穩(wěn)定，而且在較大滲透壓力下，裂隙內和層面的泥質被不斷帶出，使結構面的抗滑能力減弱。隨著時間的推移，滲漏對巖體穩(wěn)定的影響程度會不斷加劇。

3.壩肩抗滑穩(wěn)定分析

東石嶺水庫攔河壩壩肩巖體巖層產狀近水平，而與水流方向相近的一組裂隙垂向延伸較深且近于直立，壩肩穩(wěn)定采用剛體極限平衡法進行平面分層穩(wěn)定驗算。水庫攔河壩位于U型河谷，假設側向滑移面為鉛直面而底部滑移面為水平面，并考慮側向滑移面的滲透壓力U1及上下巖層間的滲透壓力U2，則計算公式如下：

N及S——由拱端傳來的軸向力H和剪力V在側向滑移面的法向壓力和滑移力；f1——側向滑移面的摩擦系數(shù)；f2——上下巖層間的摩擦系數(shù)；U1——側向滑移面的滲透壓力；U2——上下巖層間的滲透壓力；W2——抗滑巖體的重量。

選取壩體壩基物理力學指標見表1。

表1 壩體壩基物理力學指標表

壩體彈性模量

（t/m2）壩體線膨脹

系數(shù)（/。C）壩基基巖彈性

模量（t/m2）壩體容重

（t/m3）壩基石英砂巖

巖石間摩擦系數(shù)（f）壩基頁狀砂巖及

頁巖巖石間摩擦系數(shù)（f）壩肩巖體裂隙面

間摩擦系數(shù)（f）

9×1058×10-615×1052.350.40.280.25

拱壩特征值見表2。

表2 拱壩壩體特征指標表

拱圈高程（m）壩體厚度（m）壩軸半徑（m）半中心角（度）

3789.6120.254.29

36815.2117.450.67

35820.8114.644.90

34826.6111.740.32

33832.6108.736.79

東石嶺水庫攔河壩工程壩肩巖體層面近水平分層，而與水流方向相近的一組裂隙垂向延伸較深且近于直立，因此壩肩抗滑穩(wěn)定沿高度方向選取單位高度進行分層壩肩抗滑穩(wěn)定分析計算。

根據(jù)地質資料分析，大壩壩肩巖體較單薄，由長城系石英砂巖夾砂質頁巖、礫巖、粘土巖及輝石玄武巖組成，巖層呈層狀。巖層傾向壩后下游，傾角低緩近于水平。部分巖體長期受基巖裂隙水的影響，存在軟弱層，巖體NE和NW節(jié)理發(fā)育，NE向節(jié)理多密集成帶，兩組節(jié)理在近陡壁和地表以下較深范圍內多呈張開成裂隙甚至為較寬的裂縫，在拱推力作用下，有形成水平層狀滑移的可能，因此，應著重分析大壩壩肩分層水平抗滑的穩(wěn)定性。左壩肩抗滑計算結果見表3：

表3 壩肩穩(wěn)定計算成果表

壩肩灌漿處理之前抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)壩肩灌漿處理之后抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

方案左壩肩分層計算最小安全系數(shù)右壩肩分層計算最小安全系數(shù)左壩肩分層計算最小安全系數(shù)右壩肩分層計算最小安全系數(shù)允許最小安全系數(shù)

設計情況1.361.431.711.781.30

校核

情況0.790.951.331.401.1

最高蓄水位+地震1.451.521.821.841.0

分析表3壩肩穩(wěn)定計算成果，可以確定壩肩滲漏對壩肩穩(wěn)定產生了很不利的影響，在校核洪水位時，兩岸壩肩局部高程抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)已低于規(guī)范要求最小值，進行壩肩處理后，均能滿足要求。因此進行壩肩灌漿、下游壩肩山體布設排水孔等處理措施是十分必要的。

結語

（1）揚壓力折減系數(shù)對大壩壩肩抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)影響較大，本工程因左右壩肩下游滲漏明顯可見，揚壓力折減按實測或預測的壩后滲水高程確定，成果較為準確可靠。

（2）本工程采取平面穩(wěn)定分析方法確定了各高程壩肩基巖的穩(wěn)定性，計算較為簡便，對壩肩巖體呈層狀分布且存在軟弱夾層，巖體裂隙帶近于垂直的中小型拱壩計算成果較為準確，可在類似工程中廣泛采用。

參考文獻：

[1]王毓泰 周維垣 毛健全 顧 悅 拱壩壩肩巖體穩(wěn)定分析.貴州人民出版社.

[2]華東水利學院 四川省水利電力局 廣西大學 砌石壩設計 水利出版社.

作者簡介：

孫志江，河北省水利水電第二勘測設計研究院，正高級工程師。