梅峰拱壩壩肩穩定分析

2017-01-11 06:40:53張志雄

水利規劃與設計 2016年8期

汪偉，張志雄

(重慶市水利電力建筑勘測設計研究院，重慶 401120)

梅峰拱壩壩肩穩定分析

汪偉，張志雄

(重慶市水利電力建筑勘測設計研究院，重慶 401120)

云陽梅峰拱壩址兩岸存在軟弱夾層及構造裂隙發育的特點，拱壩體型優化后，采用五圓心雙曲拱壩，減小拱圈中心角以改善壩肩抗滑穩定條件。本文采用剛體極限平衡法、三維有限元法分析梅峰拱壩壩肩分析成果，根據該穩定分析結果，充分說明梅峰拱壩壩肩穩定安全是有保證的。

節理裂隙;剛體極限平衡;有限元

DO I:10.3969/j.issn.1672-2469.2016.08.022

1 工程概況

梅峰水電站位于重慶云陽縣硐村鄉，湯溪河支流小溪溝的支流董家溝與馬龍溝匯合口下游，是一座以農業灌溉、城鄉供水為主，兼有發電和改善三峽庫區移民安置條件等綜合利用功能的中型水利工程。壩址以上集水面積21.6km2，水庫總庫容1054萬m3，調節庫容897萬 m3，具有多年調節能力，屬Ⅲ等中型水庫。工程攔河大壩為五圓心混凝土雙曲拱壩，壩高81.2m。施工地質勘測表明:拱座巖體中沒有確定性底滑面和側滑面，也不存在影響拱座穩定的確定性定位塊體，拱座抗滑穩定主要由拱座巖體中裂隙構成的不連通滑動邊界、巖體和結構面的抗剪強度控制。因此很有必要對拱座在可能不利滑面組合情況下進行抗滑穩定性計算與評價。

2 壩基開挖后工程地質條件

2.1 左壩肩

左壩肩開挖后基槽坡度45～55°，開挖水平深度15～20m。開挖后左壩肩為上三疊統須家河組上段第五層()，巖性為淺黃色中厚層巖屑石英砂巖、長石石英砂巖夾頁巖、炭質頁巖，夾層呈透鏡體狀出露。巖體呈弱風化狀，巖體較完整，局部完整性差，屬中硬巖～堅硬巖，巖體質量為AⅢ2-BⅢ1類。巖層產狀:N78-85°W/NE∠43-45°，巖層傾向上游。左壩肩開挖在建基面共揭露5條夾層和9條構造裂隙。夾層巖性主要為砂質頁巖和炭質頁巖，分布高程在 616.70～625.10m、652.50～664.50m;一般厚0.20～0.80m，G2夾層厚0.10～ 5.1m，在壩軸線位置處最厚;夾層局部夾煤線、泥膜。節理裂隙多陡傾，傾角75～85°，多張開1～3mm，裂面平直，少量見鐵銹污染。

2.2 河床壩基

設計建基面高程為596m，局部超挖約0.50m，開挖深度 5～7m。巖性為第五層()淺灰色厚層巖屑石英砂巖、長石石英砂巖夾頁巖、炭質頁巖，夾層呈透鏡體狀出露。壩基巖體為微風化～新鮮，巖質堅硬，巖體完整。根據巖石抗壓試驗成果，巖石單軸飽和抗壓強度大于60Mpa，屬堅硬巖，巖體質量為 AⅢ1類。巖層產狀:N80°W/NE∠38°，巖層傾向上游。

壩基開挖在建基面共揭露4條夾層和7條構造裂隙。夾層巖性以炭質頁巖為主，分布高程在595.68～601.50m;厚0.05～0.20m，局部夾煤線。節理裂隙多陡傾，傾角68～89°，閉合～微張，裂面平直。

2.3 右壩肩

右壩肩開挖后基槽坡度55～60°，開挖水平深度10～15m。巖性為第五層()淺黃色中厚層巖屑石英砂巖、長石石英砂巖夾頁巖、炭質頁巖，夾層呈透鏡體狀出露。巖體呈弱風化，巖體較完整，局部完整性差，屬中硬巖，巖體質量為BⅢ1類。巖層產狀:N85°W/NE∠32°，巖層傾向上游。

右壩肩開挖在建基面共揭露9條夾層和28條構造裂隙。主要為砂質頁巖夾層和砂巖破碎夾層，在598.50～648.20m不同高程均有分布;砂質頁巖夾層厚 0.10～0.50m，砂巖破碎夾層厚0.05～0.30m，局部夾泥膜。節理裂隙主要發育兩組:N35～38°W/NE∠75～85°和N21～25°E /SE∠53～69°，裂隙多微張，局部夾泥膜，延伸稍彎曲。

壩基開挖后平面圖見圖1，沿壩軸線開挖立面圖見圖2。

圖1 壩基開挖后平面圖

3 壩肩穩定計算

3.1 剛體極限平衡計算

3.1.1 滑移面的選取

梅峰拱壩經反力參數法計算程序9拱17梁優化調整，采用C20混凝土五圓心雙曲拱壩，減少了左右岸壩體上游倒懸度，中園拱至側園拱端逐漸加厚，拱壩體型曲線平順，應力分配均勻，拱端扁平，伸向山里。根據最新的現場試驗結果、施工地質平切圖，基槽開挖后，進入弱卸荷帶上部，左岸壩肩基槽坡度45°～55°，開挖水平深度15～20m，右岸壩肩開挖水平深度10～15m;設計對軟弱夾層采用槽挖，回填混凝土塞、鋪設鋼筋網、加強固結灌漿及對壩基及壩肩基巖裂隙進行灌漿的處理方式，處理后壩基巖石檢測飽抗壓強度平均值42.2～72.8M pa，滿足多拱梁計算壩體底部最大壓應力3.652MPa要求。壩體最大拉應力0.95MPa，滿足《混凝土拱壩設計規范》SL282-2003第 6.3.1條，壓應力允許值1.2Mpa要求。

施工地質揭示，拱端下游側開挖出現巖層切腳，經復核計算，壩體左右岸壩基開挖下游高邊坡穩定性差。采用結構錨桿加掛網噴射混凝土進行支護，對拱端下游側巖層切腳部位，采用C20砼回填處理后，兩岸Ⅰ級邊坡高邊坡穩定滿足《水利水電工程邊坡設計規范》(SL386-2007)要求。

兩岸壩肩開挖處理后，無明顯的滑裂面，采用平面試算法確定最危險滑裂面。

3.1.2 二維剛體極限平衡法計算

本工程壩肩穩定采用二維極限平衡法穩定計算，取單位厚度拱和拱端巖體，由于本水庫拱壩巖層傾向上游，施工地質圖中無拱座特定滑裂面，簡化為平面問題進行核算，取一單位高度的水平拱圈及相應的壩肩巖體作為獨立計算對象，其結果偏于安全，這是由于拱圈相互之間的制約作用在計算中未加考慮，所以如各高程拱圈能獨立穩定，則整體穩定便不存在問題。按施工地質報告提供的云陽縣梅峰水庫巖體抗剪強度參數建議值:砂巖弱風化層抗剪斷峰值最小值f′=0.9，c′=0.65MPa。砂巖、泥巖較破碎及弱卸荷帶抗剪斷峰值強度(小值平均值)f′=0.38，C′=0.06MPa，對壩肩抗滑穩定進行復計算。計算簡圖見圖3。

圖3 壩肩抗滑穩定計算簡圖

本工程由于邊坡較陡，拱座巖體重力主要作用于水平滑動面，計算抗滑體安全系數計算公式如下。

式中:N—由拱端傳來的軸向力Ha和剪力Va以及梁底傳來的剪力Vc·tgψ在側向滑移面上的法向壓力;

Q—由拱端傳來的軸向力Ha和剪力Va以及梁底傳來的剪力Vc·tgψ在滑移面上的滑動力;

Ψ—拱端岸坡角;

W—抗滑巖體重量。容重:巖屑石英砂巖26KN/m3，泥質粉砂巖26KN/m3，粉砂質泥巖24.6KN/m3，炭質頁巖24.5KN/m3;

Ws—拱端傾斜坡上所對應的壩體重量，容重24KN/m3;

U1—側向滑移面滲透壓力;

式中:H—滑移面的水頭;

l—側向滑移面的長度;

α—滲透壓力系數，取0.5;

U2—上下巖體間的滲透壓力，

式中:A—底部滑移面的面積;

f1f2—側向、底部滑移面的抗剪斷摩擦系數;

C1— 底部滑移面的抗剪斷凝聚力。

3.1.3 壩肩穩定計算成果

梅峰拱壩拱梁分載法計算采用東北院反力參數法計算程序。

計算拱冠梁位移見表1，拱冠梁中面最大位移2.08cm，發生正常溫降工況壩頂。計算拱端軸力及剪力見表2、表3，由表4計算成果表明，各種工況下左、右岸抗滑穩定安全系數均大于規范要求。

3.2 拱壩有限元驗算

梅峰水庫拱壩有限元計算分析由三峽大學采用大型有限元計算分析軟件Abaqus6.8計算，具體內容詳見《梅峰水庫混凝土雙曲拱壩應力及壩肩穩定性研究》。

3.2.1 失穩模式分析

三峽大學采取強度折減法，失穩判據采用等效塑性應變貫穿滑移通道來分析拱壩壩肩的穩定性。

表1 拱壩拱冠梁位移成果表

表2 拱壩拱端軸力表

表3 拱壩拱端剪力表

表4 左、右岸壩肩抗滑穩定安全系數表

根據梅峰水庫工程地質報告，壩區巖層發育的層間裂隙產狀和巖層產狀一致，巖層產狀構成了壩肩巖體的底滑面，地形表面為臨空面。另發育的4組節理，構成壩肩巖體可能滑動的側滑面:第①組，走向320～330°，傾向SW，傾角50～55°;第②組，走向50～60°，傾向SE，傾角60～70°;第③組，走向335～345°，傾向 SW，傾角65～80°;第④組，走向310～320°，傾向 SW，傾角58～78°。見圖4。

圖4 節理與拱壩肩穩定分析圖

根據地質報告提供的四組節理及初步設計報告中對壩肩穩定的計算結果，對梅峰拱壩的壩肩穩定的失穩模式圖5，按如下方式考慮。

圖5 梅峰水庫三維有限元模型中失穩模式示意圖

左岸壩肩:以第①組節理作為側裂面，第②組作為側滑面，發育的巖層作為底滑面進行分析。對于底滑面取三個層面高程進行計算，分別是為671.00m，638.86m，628.14m，如圖6所示。

圖6 右岸壩肩滑動面網格示意圖

右岸壩肩:以第②組節理作為側裂面，第①組作為側滑面，發育的巖層作為底滑面進行分析，并考慮層間軟弱夾層f1作為潛在底滑面。對于底滑面取三個層面高程進行計算，分別是為671.00m，f1夾層(處于636.34m)，628.14m，如圖7所示。

另外，地質報告中提到的巖層層面的產狀是傾向上游的，在實際計算中，為了偏于安全考慮，采用的是三個水平的平切面來考慮其底滑面。

通過對三個不同代表性高程處底滑面的局部穩定性的評判，綜合評價壩肩的整體穩定性。

3.2.2 壩肩穩定

根據《混凝土拱壩設計規范》(SL282-2003)中對拱壩壩肩穩定的規定:3級建筑物按抗剪斷公式計算得到的安全系數，在基本荷載組合時允許的最小安全系數為3.0，特殊荷載組合(非地震)時允許的最小安全系數為2.50。由下表5可見，各工況下壩肩穩定性滿足規范要求。

表5 左、右岸壩肩抗滑穩定安全系數表

4 梅峰拱壩壩肩穩定安全性評價

梅峰拱壩左壩肩軟弱夾層有5條G1～G5，其中G1夾層貫穿壩基面，構造裂隙有9條L1～L9;右壩肩軟弱夾層有9條G6～G14，其中G7、G8、G12夾層貫穿壩基面，構造裂隙有28條L10～L27。軟弱夾層在壩基上游面延伸較長，在壩基下游面延伸較短;構造裂隙在壩基下游側共有9條，產狀各異，為陡傾角裂隙，多閉合，其側裂面邊界是極不完善的，兩岸巖層產狀相似，均傾向上游。壩基軟弱夾層及構造裂隙都進行了處理，剛體極限平衡和有限元計算抗滑穩定計算時的側裂面是假定面，底滑面為水平，因此，計算出的抗滑穩定結果本身就具有一定的安全裕度。

經過剛體極限平衡法及有限元法驗算，對梅峰拱壩壩肩穩定的評價可給出以下結論。

(1)從表4及表5可以看出，左右岸壩肩穩定安全系數的變化規律均受控于水頭作用的影響。隨著抗滑體底滑面從高高程到低高程變化，作用在抗滑體上的水頭越大，抗滑體穩定安全系數越小，因此，必須需做好壩體帷幕灌漿及壩基排水孔，減小壩體下游水頭壓力。

(2)剛體極限平衡法和有限元法，計算的壩肩穩定安全系數相差較大，但變化趨勢一致，這主要是因為剛體極限平衡方法未考慮巖體非線性的影響，有限元強度折減法若考慮計算過程中的巖體的非線性應力調整因素，則更加符合當前應力狀態的實際情況。

(3)基本組合工況及特殊組合Ⅰ工況下，左右岸抗滑體的穩定安全系數均大于規范要求的穩定安全系數，滿足穩定要求。

綜上所述，可以得出結論:梅峰拱壩壩肩穩定的安全性是完全有保證的。

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