翁養水庫重力壩深層抗滑穩定計算分析

陳 晨

(上海勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610041)

1 概 述

在混凝土重力壩設計中，當壩基巖體內存在軟弱結構面、緩傾角裂隙時，重力壩深層抗滑穩定的分析方法按現行重力壩設計規范(SL319-2005)采用基于等安全系數法的剛體極限平衡法進行計算。按該規范建立滑動計算模型時，對一些地質條件特殊復雜的工程簡化了某些具有明確物理力學意義的控制因素，得出與實際情況相差較大的計算結果。雖然保證了工程安全，但在一定程度上是以失去工程經濟性為代價的。規范中計算雙滑面滑動模式BD面為假定面、計算值φ取0并采用等K法計算，尤其是在計算模型簡化設計中，對下游BCD滑塊上部蓋重的考慮沒有相關說明，出于對種種安全因素的考慮，疊加導致計算的安全系數裕度較大，對工程的經濟性不利。筆者針對翁養水庫重力壩下游河床高程高出建基面高程13.5～16.5 m、考慮阻滑塊BCD上部原狀巖石在施工中不予挖除的實際情況，在深層抗滑穩定計算中考慮了這部分巖土的蓋重作用。計算模型更符合工程實際情況，計算結果安全可靠，可供類似工程設計借鑒。

翁養水庫擋水建筑物為碾壓混凝土重力壩，壩頂高程1 337 m，建基面高程1 284 m，最大壩高53 m，壩頂寬度為5 m，壩軸線長度為159.35 m。大壩布置從左至右分別為：左岸擋水壩段、取水放空壩段、溢流壩段、右岸擋水壩段。左、右岸擋水壩段壩長分別為53.5 m和68.85 m，取水放空壩段長20 m，壩頂溢洪道壩段長17 m。重力壩壩體上游面為鉛直面，下游在1 330.33 m高程之上為鉛直面，以下壩坡為1∶0.75。計算選取的典型斷面見圖1。

該工程計算壩段基礎上部覆蓋薄層殘坡積含碎礫石粘土層，其下為強風化巖體，厚10～16 m，完整性差，鑲嵌～碎裂狀結構，裂隙發育，一般均強烈銹染，巖體松弛，卸荷裂隙中普遍充填次生泥，RQD=20%～40%，Vp=2 000～3 500 m/s，壩體深埋段不能滿足建壩要求，筆者建議挖除。弱風化巖體厚約14～21 m，為BⅢ2級巖體，完整性較好，次塊狀～鑲嵌結構，RQD=20%～50%，Vp=3 000～4 500 m/s，可滿足建壩要求。按規范要求，該工程重力壩建基面選擇弱風化巖體中部。

圖1 最大非溢流壩段剖面圖(計算斷面)

2 大壩深層抗滑穩定計算分析

2.1 基本假定

以單位寬度進行的壩體深層抗滑穩定計算分析以最大斷面作為計算斷面，基礎面按水平面考慮。

作用荷載中不考慮壩頂結構、閘門及其啟閉設備的附加重量。

2.2 深層滑動的三種計算模型

河床壩基部位巖體中的裂隙總體上可以分為以下三組：①N65°～70°E/NW∠70°～85°(與河道軸線近正交，陡傾下游偏左岸)；②N55°～65°W/SW∠70°～85°(與河道軸線斜交，陡傾上游左岸)；③N20°～30°E/NW∠45°～55°(與河道軸線斜交，中度陡傾下游左岸)。層面產狀：N30°～45°E/SE∠30°～40°(傾上游偏右岸)。上述可能構成壩基深層抗滑穩定的不利結構面在河床擋水壩段出現。河床壩段結構面組合情況見圖2。

經分析可知，壩基深層抗滑穩定存在三種可能的滑動模式：

第一種是以第①組裂隙為上游拉裂面、以巖層層面為初滑面組成單滑面滑動模式；

第二種是以第③組裂隙面為上游拉裂面、以巖層層面為初滑面組成雙滑面滑動模式；

第三種是以第③組裂隙面為上游拉裂面、以巖石最危險剪斷面為初滑面組成雙滑面滑動模式。

圖2 河床壩基巖體結構面組合示意圖

2.3 深層滑動面參數

大壩建基面位于弱風化BⅢ2級巖體。本次深層抗滑穩定分析計算中滑出面和拉裂面涉及弱風化(BⅢ2)巖體和微新(BⅢ1)巖體。巖體剪斷面(滑出面)處于弱風化巖體中，采用弱風化巖石抗剪斷參數；層面(滑出面)采用弱風化及微新巖體層面抗剪斷參數；第③組裂隙面(拉裂面)同時考慮裂隙的連通率與各級巖體中拉裂面的占比，采用加權系數法求得。

壩基深層抗滑穩定分析滑面采用的綜合參數見表1。

表1 滑面分析采用的綜合參數表

其計算公式為：

①單滑面深層抗滑穩定計算情況見圖3及式(1)。

圖3 單滑面深層抗滑穩定計算示意圖

考慮ABC塊的穩定，BC為滑動面，則有：

(1)

式中K′為按抗剪斷強度計算的抗滑穩定安全系數；W為作用于壩體上全部荷載(不包括揚壓力，下同)的垂直分值；H為作用于壩體上全部荷載的水平分值，kN；G為巖體ABC重量的垂直作用力，kN，巖體容重取26 kN/m3；f′為BC滑動面的抗剪斷摩擦系數；c′為BC滑動面上的抗剪斷凝聚力，kPa；A為BC面的面積，m2；α、β分別為AB、BC面與水平面的夾角；U1、U2分別為AB、BC面上的揚壓力，kN。

②雙滑面深層抗滑穩定根據《混凝土重力壩設計規范》附錄E，采用抗剪斷強度公式進行計算。

計算示意圖見圖4及式(2、3)。

圖4 雙滑面深層抗滑穩定計算示意圖

考慮ABD塊的穩定，則有：

(2)

考慮BCD塊的穩定，則有：

(3)

2.4 作用荷載

作用荷載根據《混凝土重力壩設計規范》附錄B進行計算。主要作用荷載有：自重、靜水壓力、淤沙壓力、揚壓力、浪壓力。

根據規范，大壩穩定計算中應考慮的設計工況、荷載組合及其相應的荷載計算成果見表2。

表2 荷載計算成果表 /kN

2.5 不考慮大壩下游蓋重的深層抗滑穩定計算結果

筆者針對上述三種滑動模式進行了分析，發現在不考慮大壩下游14 m厚的土石蓋重情況下，第二種滑動模式(即以第③組裂隙面為上游拉裂面、以巖層層面為初滑面組成雙滑面滑動模式)情況下，大壩的深層抗滑穩定計算結果不滿足規范要求(表3)。但這種模式的計算結果是基于計算中BD面為假定面、計算值φ取0且采用等K法計算，該計算假設過于保守。

表3 第二種滑動模式的壩基深層抗滑穩定計算結果表

2.6 考慮大壩下游蓋重的深層抗滑穩定計算結果

經分析并結合現場實際情況，在計算壩基雙滑面深層抗滑穩定情況時，由于下游河床高程比建基面高13.5～16.5 m，因此考慮了阻滑塊BCD上存在14 m厚的土石壓重層，土石壓重層容重取值為25 kN/m3。對該假定重新修正后，進行了大壩深層抗滑穩定計算。

(1)第一種滑動模式計算成果見表4。

上游拉裂面與水平面的夾角α=80°，下游出滑面與水平面的夾角β=35°。

表4 第一種滑動模式的壩基深層抗滑穩定計算結果表

(2)第二種滑動模式計算成果見表5。

上游拉裂面與水平面的夾角α=45°，下游出滑面與水平面的夾角β=35°。

表5 第二種滑動模式的壩基深層抗滑穩定計算結果表

(3)第三種滑動模式計算結果見表6。

上游拉裂面與水平面的夾角α=45°，下游出滑面與水平面的夾角β分別選取10°，15°，20°，25°，30°，35°，40°，45°，得到：當β=30°時，壩基深層抗滑穩定系數最不利。

表6 壩基深層抗滑穩定計算結果表

3 結論及建議

結合工程實際情況，對大壩深層抗滑穩定計算進行了深入分析。針對設計規范計算模型中下游滑塊基本荷載的選取進行了進一步的研究與解讀，將大壩下游蓋重作為有利荷載考慮到工程設計中，經計算，三種滑動模式情況下大壩深層抗滑穩定計算均滿足規范要求。在保證工程安全的前提下，避免了設計安全系數裕度過大造成的浪費，值得相關類似工程借鑒。