某混凝土重力壩深層地基抗滑穩定性分析

張 坤 （安徽省建筑科學研究設計院，安徽 合肥 230032）

1 工程概況

某工程為一座混凝土重力壩，壩頂高程391.70m，最大壩高36.7m，是一座中高等大壩。

1.1 水文地質條件

工程流域內植被情況尚好，水土流失不嚴重，泥沙不多。流域內多年平均降水量923mm，最大年降水量1255mm（1984年），最小年降水量613mm（1976年）。每年4～10月為汛期，暴雨多出現在7～9月。三個典型年分別為：豐水年（P=15%）1989年，平均流量20.7m3/s；平水年（P=50%）2001年，平均流量15.10m3/s；枯水年（P=85%）1990年，平均流量為10.60m3/s。

1.2 工程地質條件

工程流域內出露的地層為一套寒武系～志留系的碎屑巖建造，總厚度大于1800m。河床的主要巖性有：礁灰巖、泥質條帶灰巖、粉砂質絹云母板巖、含粉砂質絹云母板巖夾炭質板巖和透鏡狀灰巖。壩址基巖主要為絹云母泥質、砂質板巖夾炭質板巖，屬Ⅳ類較軟巖。

壩址地質條件復雜，存在多種地質構造。壩踵處有傾向下游的斷層，下游壩基內有傾向上游的緩傾斷層和破碎帶。這些軟弱結構相互交錯組合，形成多條潛在的雙向滑移面。

2 拉沙孔壩段抗滑穩定性分析

2.1 模型建立

選取某混凝土重力壩的拉沙孔壩段為研究對象，根據有限元分析計算范圍確定：地基巖體高取2倍壩高，長取5倍壩高，裂縫寬度取0.1m，建立三維數值網格模型，具體見圖1。計算單元采用四節點等參單元，4357個單元，8994個節點。

圖1 三維模型網格及材料劃分示意圖

2.2 邊界條件

模型除壩基頂面設為自由面，其余5面都在該面垂直方向施加邊界約束條件。

施加荷載為：上游靜水壓力為4268.58kN、下游靜水壓力為50.23kN、上游淤沙壓力為380.94kN、壩基揚壓力2805.75kN，浪壓力相對較小，忽略不計。

2.3 參數擬定

根據相關資料關于巖土體的物理力學性質數據及相關參數建議值，確定混凝土重力壩和壩基物理力學參數見表1。

物理力學參數 表1

3 拉沙孔壩段抗滑穩定性分析結果

3.1 壩體應力應變結果分析

通過對混凝土重力壩進行有限元分析得出壩體X、Z方向應力應變云圖，具體見圖2、圖3。

從圖2（a）看出，由于大壩上游承受上游水壓力和淤沙壓力，位移較大的地方集中在大壩上游底端。由圖2（b）看出，由于大壩在重力作用下產生沉降，壩頂產生最大豎向位移，其次是壩底。從圖3（a）看出，應力集中的地方位于大壩上游底端和下游破碎帶附近；上游底端承受水壓力和淤沙壓力，下游破碎帶附近承受沿斜面向上的剪力。由圖3（b）可知，Z方向應力由上向下逐漸增大，最大應力在所建模型底部。

圖2 混凝土重力壩X、Z方向位移云圖（m）

圖3 混凝土重力壩X、Z方向應力云圖（pa）

圖4 雙斜面滑動受力分析

3.2 滑動面應力應變結果分析

本次計算的大壩壩段為拉沙孔壩段，地基深層的主要滑動形式為雙斜面滑動。將雙斜面所組成的巖體ABC分為ABD和BCD兩塊，受力分布如圖4所示：

3.2.1 AB滑動面

AB滑動面是由上游向下傾斜的破碎帶組成，是雙斜面滑動的第一個滑動面。AB面應力分布見圖5。

圖5 AB滑動面X、Z方向應力云圖（pa）

上圖可知，AB面左端承受拉應力，右端承受壓應力，說明下游區域地基對ABD區域有支撐作用。AB面承受彎矩，左端受揚壓力的作用有向上位移的趨勢，右端由于重力克服揚壓力，向下沉降。

3.2.2 BC滑動面

BC面由大壩下游傾斜的破碎帶組成。由于重力壩有對下游地基強度穩定的依賴性，所以一旦下游地基變形破壞，重力壩就會崩塌。BC面應力云圖見圖6。

圖6 BC滑動面X、Z方向應力云圖（pa）

由圖6可知：BC面左端承受拉應力，右端承受壓應力。BD面承受彎矩，左端在重力的作用下，產生沉降；右端在揚壓力的作用下，有向上位移的趨勢。

3.3 應力狀態分析

3.3.1 計算AB面抗滑穩定安全系數

通過截取滑動面AB在工作平面上的節點應力情況確定單元應力 σx、σz、τxz和斜面應力 σx’、τxz’。

節點之間的平均長度均為1.936m，計算剪切應力∑σx’得到沿斜面方向的推力∑P，計算法向應力∑τxz’得到垂直于斜面的壓力∑G。通過抗剪斷強度公式得到AB面的抗滑穩定安全系數

式中：f為抗剪斷強度，f=0.3；c為凝聚力，c=0.02；A為滑動面接觸面積，A=42.7m。

計算得K1=1.488，表示AB面抗滑穩定。

3.3.2 計算BC面抗滑穩定安全系數

通過截取滑動面BC在工作平面上的節點的應力情況確定單元應力 σx、σz、τxz和斜面應力 σx’、τxz’。

節點3456～3513的17個相鄰節點之間平均長度均為1.89m，節點3513～2450的3個相鄰節點之間平均長度均為1.553m，節點2450～2445的7個相鄰節點之間平均長度均為1.756m。計算剪切應力∑σx’得到沿斜面方向的推力∑P，計算法向應力∑τxz’得到垂直于斜面的壓力∑G。

通過式（1）得到BC面的抗滑穩定安全系數。K2=0.97，表示BC面有滑動失穩的可能性。

4 結論

本文以某混凝土重力壩拉沙孔壩段為例，通過有限元分析拉沙孔壩段深層地基的抗滑穩定性，計算出斜面抗滑穩定安全系數，主要得到以下結論。

①由拉沙孔壩段應力應變分析可知，由于受上游水壓力和淤沙壓力影響，應力應變較大的地方集中在大壩上游底端，且下游破碎帶附近應力也較大，并受沿斜面向上的剪力；通過對滑面應力應變分析得出，AB面左端承受拉應力，右端承受壓應力，說明下游區域地基對ABD區域有支撐作用。BC面左端承受拉應力，右端承受壓應力。

②通過計算拉沙孔壩段深層地基雙斜面的抗滑穩定安全系數K1、K2可以看出，AB滑面抗滑穩定，而BC滑面有滑動失穩的可能性，為防止大壩失穩破壞，需要對大壩地基進行相應的加固措施。