某重力壩復雜基礎深層抗滑穩定分析

王子健++陳志揚

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2017.14.045

摘 要：復雜基礎的重力壩深層抗滑穩定計算是重力壩設計或復核的重難點。常規的剛體極限平衡法無法準確客觀地尋找到最危險滑動面，該文以浙江省某水庫重力壩為例，采用基于強度折減法的有限元分析，對正常蓄水位、設計洪水位和校核洪水位這三種工況分別進行了數值計算，計算穩定安全系數均能滿足設計要求。通過本文實例，希望能為今后的類似工程設計提供一定的借鑒作用。

關鍵詞：重力壩 抗滑穩定 有限元 強度折減法 復雜基礎

中圖分類號：TV22 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）05（b）-0045-05

Anti-sliding Stability Analysis of One Gravity Dam on Complex Foundation

Wang Zijian Chen Zhiyang

（Zhejiang Design Institute of Water Conservancy & Hydro-electric Power， Hangzhou Zhejiang， 310002， China）

Abstract： Anti-sliding stability analysis of gravity dam on complex foundation is a key point in gravity dam design. Regular limited equilibrium method cant help to find the most dangerous failure surface exactly and objectively. In this paper， anti-sliding stability analysis of a gravity dam in Zhejiang is simulated by FEM under three different conditions， based on strength reduction method. Results show that the calculating safety factors meet specification requirements. The study results provide a reference for similar projects.

Key Words： Gravity dam； Anti-sliding stability； FEM； Strength reduction method； Complex foundation

重力壩抗滑穩定計算一直是重力壩設計的重難點之一。規范中常規的抗滑計算是復核重力壩建基面的抗滑穩定安全系數，然而從實際情況來看，一般的大壩也不會出現在建基面上失穩的情況，更多地會出現深層滑動安全隱患。一般來說，大壩基礎很少是完整的巖體，均或多或少地存在軟弱結構層，深層抗滑穩定計算大多采用剛體極限平衡法，如何考慮多條軟弱結構層的綜合作用，尋找到最不利滑動面，具有較大的隨機性和不確定性，同時也要求設計人員具有較豐富的工程經驗。該文結合浙江省某水庫重力壩的安全鑒定工作，對該重力壩進行了基于強度折減法的有限元數值計算，詳細分析了該壩基礎在三條不利軟弱結構層共同作用時的深層抗滑穩定安全狀況，為今后類似的工程提供借鑒作用。

1 工程概況

浙江省某水庫始建于1964年12月。初建時水庫庫容850萬m3，為小一型水庫，主壩為漿砌塊石重力壩，壩高29.3 m，壩頂高程66.96 m。1977—1990年進行水庫擴建，大壩在原來的漿砌塊石重力壩的基礎上加高加寬，擴建為細骨料混凝土砌塊石重力壩，擴建后壩高44.5 m，總庫容2 838萬m3，并在原溢洪道上修建副壩。2003年至2004年對主副壩進行除險加固，加固的主要內容：在主壩上游面高程47.16～73.16m間增設30 cm厚C25W6F50鋼筋混凝土防滲面板，高程73.16～82.16 m采用HK-SN-918防水護面劑防滲，重打廊道內壩基排水孔。副壩上游面采用HK-SN-918防水護面劑防滲，增設上游側防滲帷幕一道。新建放空預泄洞，進行電站改造及泄洪渠治理。2009年4月對主壩一、二期混凝土接觸面進行化學灌漿處理。水庫大壩現狀見圖1。

該重力壩建成時間較早，且后期又進行過加高加寬改造，而壩基又存在多條軟弱結構帶，因此，對該壩進行安全鑒定時，其抗滑穩定安全分析是整個工作的重點和難點。

2 抗滑穩定分析方法

根據《混凝土重力壩設計規范》（SL319-2005）規范要求，重力壩抗滑穩定計算主要核算壩基面滑動條件，一般采用抗剪斷強度或者抗剪強度兩種公式進行計算，計算公式如下：

抗剪斷強度計算公式：

（1）

抗剪強度計算公式：

（2）

其中：K`為按抗剪斷強度計算的抗滑穩定安全系數；K為按抗剪強度計算的抗滑穩定安全系數；f`為壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪斷摩擦系數；f為壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪摩擦系數；c`為壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪斷凝聚力；A為壩基接觸面截面積；∑W為作用于壩體上全部荷載對滑動平面的法向分值∑P為作用于壩體上全部荷載對滑動平面的切向分值。

當壩基巖體內存在軟弱結構面、緩傾角裂隙時，需核算深層抗滑穩定。根據滑動面的分布情況綜合分析后，可分為單滑面、雙滑面和多滑面計算模型，以剛體極限平衡法計算為主。然而，在實際存在復雜軟弱結構面的壩基條件時，往往不同的滑動面選擇計算所得到的結果相差很大，難以找到最不利的滑動面，具有較大的經驗性和偶然性。在復雜基礎抗滑穩定分析時，可采用有限元數值模擬的方式，對基礎復雜軟弱結構面進行數值模擬，分析出最不利的滑動條件，求得相應的滑動穩定安全系數。

該次計算采用有限元強度折減法，強度折減法最早是由Zienkiewics[1]提出，通過對材料原有強度的折減，找到結構物穩定的臨界狀態，臨界狀態所對應的折減系數即結構物的安全穩定系數。強度折減法應用于邊坡穩定已有較多的工作[2-4]，對應于重力壩而言，是指將壩基巖體的真實抗剪強度除以一個折減系數F后再進行塑性計算，并以一定梯度逐漸增大F的大小，直到達到極限破壞狀態為止，此時的折減系數即為重力壩的抗滑穩定系數。其計算公式為：

c`=c/F （3）

Φ`=arctan（tanΦ/F） （4）

式中：c，Φ為巖土體真實的粘聚力和內摩擦角；c`，Φ`為折減后的粘聚力和內摩擦角。

此次計算采用摩爾庫倫彈塑性本構模型，簡稱M-C模型。M-C模型基于理想彈塑性理論，由于加入了塑性理論，可以比較準確的描述巖土體的塑性破壞作用，相對于傳統彈性模型而言有很大進步，考慮了大小主應力的影響，M-C模型屈服面為六棱錐形（如圖2）。

3 建模計算與結果分析

3.1 重力壩模型及計算參數

選取主壩典型斷面進行有限元分析，斷面圖（如圖3）。

其中，主要的軟弱結構帶有：

#22軟弱夾層，產狀310°SW∠25°，寬度3～10 cm不等，呈扁片狀花崗巖碎片，厚1～3 mm，其中部分為弱風化。該斷層一直延伸至一期壩基下，從壩基斷層縫內有滲水，流量估計10～15 mL/s，斷層面凹凸不平，面上呈有黃綠色鐵錳質染及絹云母化蝕變，性質差。

#26軟弱夾層，產狀310°SW∠16°，寬度2～5 cm，呈壓扁片狀，并有次生黃泥零星充填于空隙之間，厚1～2 mm，斷層上下壁及破碎巖片均為黃褐色鐵錳質染。

#27軟弱夾層，產狀280°～310°SW∠12°～25°，寬2～10 mm，局部為30～300 mm，性質自巖面至4 m深內為淺黃、淺灰、灰黑色粘性土，另為花崗巖壓扁片狀碎片，兩側為綠色蝕變礦物薄膜染。屬于構造擠壓錯動，傾向下游，分布范圍較廣。

采用GeoStudio軟件進行有限元建模計算，其中單元5 439個，節點5 528個，模型中考慮了#22、#26、#27三條軟弱夾層，模型如圖4。

根據地質提供的建議，重力壩及基礎的計算參數如表1。

計算采用正常蓄水位（72.16 m）、設計洪水位（79.21 m）與校核洪水位（82.02 m）工況，考慮靜水壓力和揚壓力作用的影響。

3.2 計算成果

重力壩抗滑穩定安全系數可以定量地反映大壩的安全程度，采用有限元強度折減法，折減系數由1開始，每次增加0.1作為梯度，并以節點最大位移突變作為判別指標，計算得到了節點最大垂直位移隨折減系數的變化情況，如圖5所示，校核洪水位且F=1時的大壩應力和沉降見圖6。

根據結果可知，隨著折減系數的逐漸增大，重力壩壩體和巖基的節點最大位移均逐漸增大，后期會發生突然增大。位移數值突然增大，說明結構在該折減系數下達到極限狀態，計算已開始不收斂。此時的折減系數即為該工況下的抗滑穩定安全系數。

正常蓄水位工況時的安全系數為3.3，設計洪水位工況時的安全系數為3.1，均大于規范規定的3.0；校核洪水位工況時的安全系數為3.0，大于規范規定的2.5。由此可知，三種工況下的重力壩深層抗滑穩定均滿足規范要求。計算結果見表2。

4 結語

該文結合浙江省某水庫重力壩，研究了該重力壩復雜基礎深層抗滑穩定，結論如下。

（1）壩體在正常蓄水位、設計洪水位和校核洪水位工況下的安全系數分別為3.3、3.1和3.0，滿足規范要求。

（2）對于存在復雜軟弱面或斷層的壩基，常規的剛體極限平衡法已無法準確客觀地找出最危險滑動面，建議采用基于強度折減法的有限元計算，希望能為今后的類似工程設計提供一定的借鑒作用。

參考文獻

[1] Zienkiewics O C，Humpheson C，Lew Is R W.Associated and non-associated visco-plasticity and plasticity in soil mechanics[J]. Geotechnique，1975，25（4）：671-689.

[2] 鄭穎人，趙尚毅，張魯渝.用有限元強度折減法進行邊坡穩定分析[J].中國工程科學，2002，4（10）：57-62.

[3] 鄭宏，李春光，李焯芬，等.求解安全系數的有限元法[J].巖土工程學報，2002，24（5）：626-628.

[4] 陳國慶，黃潤秋，周輝，等.邊坡漸進破壞的動態強度折減法研究[J].巖土力學，2013，34（4）：1140-1146.