基于超載系數法的某閘壩基深層抗滑穩定研究

楊 杰

(塔里木河流域喀什管理局，新疆 莎車 844700)

1 工程概況

某泄洪沖砂閘段全長430 m，根據水庫運行方式，當流量小于1 200 m3/s時，開啟沖砂閘進行泄洪沖砂，考慮沖砂閘工程投資，并通過模型試驗和參考類似工程布置，確定沖砂閘孔數為5孔，泄洪閘孔數為26孔。泄洪閘段長442.0 m，共26孔，采用閘底板分縫，閘孔凈寬14 m，閘墩厚3 m；沖砂閘段長88.0 m，采用閘底板分縫，閘孔凈寬14 m，閘墩厚3 m。泄洪閘段右側為右儲門槽壩段，左側為沖砂閘段。泄洪沖砂閘采用相同結構布置，均為開敞式平底寬頂堰型，單孔凈寬14.0 m，閘室順水流方向長36.0 m。

閘頂高程為292.50 m，閘底板頂高程為275.00 m，基礎高程為270.00 m，最大閘高22.5 m。閘墩采用C25鋼筋混凝土，閘室底板上層采用厚0.5 m耐磨混凝土，以提高抗沖刷能力，耐磨混凝土下部設厚4.5 mC25鋼筋混凝土。閘墩上下游均采用圓型。根據工程設計要求，采用ANSYS軟件對該泄洪沖砂閘進行了壩基深層抗滑穩定三維分析，重點對工程設計進行整體穩定驗算。

2 工程地質條件

工程區地形平坦，地面高程280.7～281.7 m，階面與枯水期水面高差約6.2～7.2 m。表層由第四系全新統近代河流沖積堆積層所組成，該層具有明顯的二元結構，上部粉土，厚度1.8～2.3 m，下部礫卵石土所組成，厚度5.1～5.5 m，結構稍密為主，滲透系數K=2.40×10-2～6.38×10-1cm/s，屬強透水層。下伏基巖為粉砂質泥巖夾薄層泥質粉砂巖和砂巖，巖體強弱風化帶厚度分別為1.0～1.3和11.9～12.4 m。巖體中石膏溶蝕孔洞發育底界深度258.72～267.86 m，其相對不透水層(q<5 Lu)埋深16.5～17.0 m。

泄洪沖砂閘位于主河床右岸及河漫灘，據鉆孔揭示，表層由現代河流沖積堆積的礫卵石土組成，厚度一般1.7～2.6 m，最厚可達5.1 m，屬松散～稍密結構，滲透系數K=6.2×10-3～4.7×10-2cm/s，屬中等～強透水層。基巖頂板高程為272.7～273.5 m，巖性為粉砂質泥巖夾薄層泥質粉砂巖和砂巖。在高程261.3～264.2和258.6～258.7 m，各分布一層厚約0.35～0.36和0.05 m的巖塊巖屑型剪切破碎帶(Cr4、Cr2)，其中Cr4延伸長度160 m，Cr2長度僅達50～60 m。巖體強弱風化帶厚為0.0～2.7 m、6.6～11.1 m。壩基巖體質量分類弱風化的粉砂質泥巖為 CⅣ2類，新鮮的粉砂質泥巖為CⅣ1類。強風化巖體滲透系數K=5.7×10-5～3.5×10-4cm/s；弱風化巖體透水率q=4.1～13 Lu，均屬中等透水層為主，夾弱透水層透鏡體。考慮到河床覆蓋層較薄，清除后將泄洪沖砂閘閘室及消力池基礎置于強風化粉砂質泥巖上，基礎底高程270.00 m。

3 抗滑穩定計算

3.1 計算條件

根據工程設計，沖砂閘室基礎置于弱風化粉砂質泥巖，根據壩址區巖體物理力學參數建議值，混凝土與基巖抗剪摩擦系數取0.36，抗剪斷摩擦系數取0.5，抗剪斷凝聚力為C=200 kPa，基礎允許承載力[R]=0.6 MPa，帷幕折減系數取0.7，本工程地震設計烈度為6度，樞紐建筑物可不進行抗震計算。

本次分析采用美國有限元軟件ANSYS[1-3]進行建模和網格劃分，然后對泄洪閘典型壩段進行非線性有限元計算。為了消除邊界效應的影響，選取計算范圍為：壩體上游面至基礎邊界長度為100 m，壩體下游面至基礎邊界長度為100 m，壩基的最大深度60 m。網格劃分時以六面體為主，有限元模型節點數量為16 739個，單元數量為11 284個。邊界條件：底面三向約束，其余邊界為法向約束。模型中巖基和軟弱破碎帶采用Drucker-Prager屈服準則，壩體為彈性材料，軟弱破碎帶與巖基之間采用接觸摩擦模型模擬。坐標系以指向河流下游方向為X軸正向，以鉛直向上為 Y 軸正向，以指向右岸為 Z 軸正向。選取關鍵點進行位移突變觀測，關鍵點選取有閘壩底面節點340(關鍵點A)，閘壩上游巖基節點432(關鍵點 B)和Cr4軟弱破碎帶上表面節點76(關鍵點 C)，計算模型見圖1，計算參數見表1。

圖1 泄洪沖砂閘三維有限元計算模型

3.2 計算方法

超載系數法[4-6]假定壩基的巖體力學參數不變，將作用在壩體外部的外荷載逐步放大，直至滑動面上的抗滑穩定處于臨界狀態，

此時荷載的放大倍數即視為安全系數[7-9]。但是由于作用在壩體上的荷載較為復雜，很難考慮所有作用力的同時超載，一般只逐步增加上游水荷載。在工程上的實際意義可以理解為：突發洪水來臨等對壩基穩定安全度的影響。采用超載系數法可以采用增加水容重，也可以采用抬高水位的辦法以增加水平荷載P。結構的超載能力可以由破壞時相應的外荷載與設計荷載的比值來衡量，稱為超載安全系數，并用它來評價工程的安全性。當采用增加水容重時，其表達式為：

式中：Pm和Pn分別為破壞時相應的外荷載與設計荷載；γm和γn分別為破壞時與設計時外荷載的水容重。

3.3 計算結果

通過建立泄洪閘典型壩段三維有限元模型，選取正常蓄水位工況時(上下游水頭差最大，即最危險工況)進行強度折減法的深層抗滑穩定分析計算，計算不同折減系數下壩基的應力應變狀態，具體計算結果見圖2～圖6。

當Kc=3時，順河向位移逐漸增大，最大位移位于閘門中央，值為0.947 cm，未發生突變，順河向位移見圖2。

當Kc=5.8時，順河向最大位移發生在Cr4軟弱破碎帶上方巖體，最大值為8.347 cm，位移發生突變，順河向位移見圖3，順河向位移矢量見圖4；壩體上下游巖基均發生塑性屈服，壩體及基巖也就沿著 Cr4 軟弱破碎帶上表面整體滑動，等效塑性應變分布見圖5。

圖3 Kc=5.8時，模型順河向(X正向)位移云圖

圖4 Kc=5.8時，順河向(X正向)位移矢量圖

圖5 Kc=5.8時，模型等效塑性應變分布

當Kc=6.1時，由于變形過大，計算不收斂。由此判斷采用超載系數法得到的深層抗滑穩定安全系數應小于6.1。

對選取的關鍵點進行位移突變觀測，其順河向位移隨超載系數變化見圖6。當超載系數Kc為5.8時，關鍵點A和B順河向位移均發生突變，位移增加較大；關鍵點C順河向位移并未發生突變，表明 Cr4 軟弱破碎帶沒有跟隨壩體及基巖一起發生滑動，主要是由于Cr4軟弱破碎帶未完全塑性屈服，具有一定的抗剪強度，且與上層巖體之間為接觸摩擦。因此，采用超載系數法計算的壩體深層抗滑穩定安全系數在5.8～6.1之間，滿足規范要求。

圖6 關鍵點沿順河向位移與安全系數Kc的關系曲線

4 結 論

本文以某水利工程泄洪沖砂閘為研究對象，以有限元軟件ANSYS為分析平臺，采用超載系數法對該泄洪沖砂閘的壩基深層抗滑穩定進行三維計算和分析，通過不斷增加閘壩所受到的外部荷載參數，得到壩基巖體等效塑性應變和位移的變化趨勢，得到以下結論：

1) 隨著折減系數的增加，閘壩巖體發生的位移也逐漸增大。

2) 當折減系數為5.8時，壩基塑性屈服區貫通Cr4軟弱破碎帶，位移發生突變，認為Cr4軟弱破碎帶為閘壩穩定的控制性因素。

3) 根據關鍵點沿順河方向位移與超載系數Kc的關系曲線，確定該閘壩深層抗滑穩定最大安全系數在5.8～6.1之間。