小山口水電站重力壩深層抗滑穩定性分析與基礎處理方法探討

吳剛（新疆巴州新華水電開發有限公司新疆巴州841000）

小山口水電站重力壩深層抗滑穩定性分析與基礎處理方法探討

吳剛（新疆巴州新華水電開發有限公司新疆巴州841000）

本文以小山口水電站重力壩工程為例，對重力壩的抗滑穩定性進行了分析，并對基礎處理方法進行了探討，為類似工程提供了參考經驗。

重力壩；深層抗滑；穩定分析；基礎處理

1 工程概況

小山口水電站重力壩壩頂高程為552m,最大壩高為125m,壩頂的總長度為312m,一共由21個壩段構成。最小壩段的寬度為13m,普通壩段的寬度為16.3m,最大壩段寬度為19m，大壩的下游坡比為1:0.8,上游坡比為1:0.2。壩區所露出的地層厚度為485m,主要由粘土巖、砂巖等巖土組成。地質屬于軟硬厚度不均的巖層。其中主要的巖層一共有5層，除KIC4-2屬于結構比較疏松的軟巖以外，剩下的四層均為砂巖。在河床壩基下層砂巖的厚度為23m～27m，壩區的第四系分布廣泛，主要是崩滑堆積和河流沖擊形成的。左岸古滑體的厚度在20m～40m之間，河床沖積砂礫的厚度為6.2m～13.8m，最大厚度為63m。在厚層砂巖中分別分布了14層KIC2-3、11層KIC2-1、6層KIC3-2。河床的軟弱層抗剪段參數比較小，壩址處不存在斷層，但是裂縫發育，有垂直于流水方向和順水方向的兩組裂隙，裂隙的延伸長度在100m以上，傾斜角度在75°～90°。

2 抗滑穩定性分析

重力壩內部存在可以使巖體發生滑動的軟弱結構面時，就會出現雙斜剪切滑動或單斜剪切滑動。并具有下述幾個方面的特征：（1）壩體和壩基部分的巖體一起滑動，當滑動是在介質分界面上出現時，很難通過物理力學性質來進行界定，屬于不連續各向異性體；（2）大壩滑動通道具有多元性和特定性，重力壩中存在軟弱結構面，如果基巖的抗剪強度比較低，就會形成滑動特定通道，通道的性狀、充填物和成因都較為復雜。（3）抗滑穩定安全判斷具有多元性。壩體出現滑動后會將滑動面上部帶動，為了保持穩定性，需要依賴下游尾巖抗力體，并且要保證自身的穩定安全系數控制在1以內。由于重力壩的穩定平衡系統主要由壩體、軟弱結構面、滑動巖體、軟弱結構面下部基巖、下游尾巖抗力體構成，不能通過某一個安全系數來進行衡量，需要根據壩體、壩基、尾巖、安全系數等應力應變來進行綜合分析。本工程在施工過程中，由于地區的底層地勢起伏較小，軟弱夾層數量多，大壩深層抗滑穩定性受夾層的影響大。

在《重力壩設計規范》中明確指出，壩基巖體中有緩傾角裂隙、軟弱結構面存在時，要對深層抗滑穩定性進行深入分析，并使用“等安全系數法”計算壩體可能出現的基巖結構穩定性降低的概率。滑動模式如圖1所示。

圖1 雙斜滑動面示意圖

在公式中，壩體垂直重力為W，c1'、c2'指的是AB和BC滑動面對抗剪段粘聚力，f1'和f2'指的是滑動面BC、AB的抗剪斷系數，AB面的面積和BC面的面積分別為A1、A2，AB、BC、BD面上的揚壓力分別為U1、U2和U3，AB、BC和水平面的夾角分別為α和β，水平面和BD面上剩余推力作用方向以及不平衡剩余推力的夾角分別為Q、ρ，根據安全系數來進行定義，這兩個滑塊安全系數是相同的，也就是說K1'=K2'=K'，結合公式（1）和公式（2）對K'和Q進行求解，得出巖體的物理力學參數如表1所示。

雙斜滑面法中第一滑動面凝聚力c'根據面積大小來加權，摩擦系數f'根據夾層和混凝土齒墻應力面積進行平均加權。在雙斜滑面法中第二滑動面的凝聚力c'和摩擦系數f′按照第二滑面巖體的基本情況以及巖體的面積大小來平均加權。在對雙斜滑動面進行計算過程中，無法準確給出抗力方向角ρ。一般情況下ρ使用下面幾種方法進行取值:

表1 軟弱層帶和巖體的抗剪段參數

表2 表孔溢流壩段深層抗滑穩定計算結果

表3 表孔溢流壩段基礎綜合處理措施深層抗滑穩定（K′）計算結果

（1）假設ρ=0°，得到的最終計算結果就更偏重于安全。

（2）假設ρ=arctan(f'K')或者ρ=arctanf'，其中K'指的是安全系數，f'指的是BD面上巖體產生的摩擦系數，特殊組合的取值為2.3～2.5，基本組合的取值為3.0。

（3）假設α為第一滑動面的傾角，α=ρ；

（4）根據有限元最終計算得出的結論，利用BD面上主應力產生的平均傾角ρ角的最終大小值進行選擇；

（5）根據以往的施工經驗，通常將ρ設置在0°～15°的范圍中。

通常情況下，角和抗力值是成ρ正比的，ρ越大，抗力值也越大，深層抗滑穩定計算的安全系數也就越高，所以，從經濟角度上來說，很有必要對ρ角進行利用。根據ρ=arctan(f 'K')的理論來進行計算ρ角大約為22.5°，按照有限元的計算結果，在本大壩工程的壩基破裂面上出現的主應力的傾斜角度比較大。即ρ角保持15°左右的值是最佳的。在進行比較全面的對比和分析后，本工程項目審查抗滑穩定剛體極限平衡法中ρ角按15°進行計算。

通過使用剛極限平衡法為基礎對工程重力深層抗滑穩定性全面分析后。本文將溢流壩段作為例子進行舉例說明。一共對此壩段的6組荷載組合進行了計算。本文對462.3m工況情況進行討論。此工況下壓力主要為浪潮壓力、壩體自重壓力、泥沙產生的重力、水對壩體產生的壓力。經過計算此壩段深層抗滑穩定的結果如表2所示。

3 基礎處理措施分析

根據上述數據可以看出，JS2-1-2、NS2-1-9、NS2-1-10夾層的軟巖深層抗滑性不能滿足工程安全的相關要求。需要對基礎進行處理，根據工程的實際情況，對以下幾種處理措施進行了分析對比：

（1）措施一：清理軟弱夾層，降低基面的高程。

（2）措施二：使用封閉式抽排的方法來達到此目的，降低重力壩基礎的壓力。

（3）措施三：使用防滲板設置在大壩的上游，減少壩基的揚壓力。

防滲板措施、封閉抽排，還是齒墻措施都可以對壩基深層抗滑穩定安全系數進行提升[2]。由于封閉抽排可以對壩基的揚壓力進行降低，是一個經濟效果比較不錯的處理措施。考慮到以上因素后，在對封閉抽排措施進行研究的基礎上，綜合防滲板和齒墻措施進一步進行了分析研究。為了提高經濟效益，對三種施工的組合方式進行比較：①封閉抽排和齒墻組合方式；②防滲封閉抽排和防滲板組合的施工方式；③齒墻、封閉抽排和防滲板組合的方式。三種處理方式的工程量如表3所示。

根據表3中的數據來看，防滲板加封閉抽排的方式可以全面提高壩基深層的深層抗滑穩定系數，但是仍然無法達到規定的安全要求，還需要使用齒墻作為輔助措施。考慮到大壩上游的防滲板在水庫底部，如果在大壩基礎和防滲板設置止水防滲，會有很多無法預見的因素，一旦出現安全問題很難對其進行維修。并且封閉抽排和齒墻組合方式施工比較便利，工程量比較少。在認真的對比和分析以后，本項目工程決定利用封閉抽排和齒墻組合方式的施工方式進行處理。在表3中防滲板的厚度為8m，長度為25m,齒墻加封閉抽排總施工量為9120m3，齒墻、封閉抽排和防滲板組合的方式相對工程量大約為一個壩段基礎的施工量，總工程量為10730m3。

4 結語

本文以小山口水電站重力壩工程為例，對工程的地質情況進行了介紹和分析，詳細分析了重力壩抗滑穩定性，根據實際情況，本工程采取在壩踵位置設置齒墻和封閉式抽排系統兩種方式對基礎進行處理，不僅施工安全性高，而且施工方便，完成施工后取得了良好的施工效果，達到了設計要求。陜西水利

[1]王義鋒，章青.基于界面元法的向家壩重力壩深層抗滑穩定分析[J].巖土力學.2009，（09）.

[2]江權，馮夏庭，向天兵.基于強度折減原理的地下洞室群整體安全系數計算方法探討[J].巖土力學.2009，（08）.

（責任編輯：暢妮）

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