蒙江上尖坡水電站重力壩深層抗滑穩定設計研究

周仕剛,馮楚橋

(貴州省水利水電勘測設計研究院，貴州 貴陽 550002)

1 概述

重力壩因緩傾角巖層或深層軟弱夾層引起的深層抗滑穩定問題在工程建設過程經常遇到。深層抗滑穩定問題決定著壩型及基礎處理措施的選擇，是大壩勘察設計的重點，也是工程項目安全控制和投資控制的重點。工程界、學術界為此也進行了很多研究和應用，主要方法有剛體極限平衡法和多種有限元法。各種有限元法的計算結果差異較大，其穩定安全系數也有不同的定義，尚難作為工程設計的依據[1]。因此，工程應用仍采用較為成熟、判據明確的剛體極限平衡法。筆者在工作中經常遇到工程界新人請教具體計算方法和設計思路，相關設計手冊和規范并不詳細，而目前能搜索到的論文中，詳細論述受力分析、參數取值、齒墻內力計算等關鍵問題的文章也較為少見。本文以上尖坡水電大壩泥化夾層處理作為工程案例，通過受力分析圖和詳細的計算過程，簡要闡明大壩深層抗滑穩定的實際分析過程及處理措施設計方法，并提供了具體建筑物尺寸、齒墻配筋等具體參數供同行參考。

上尖坡水電站位于珠江流域蒙江左源支流漣江末段，混合式開發，大壩為碾壓混凝土重力壩，最大壩高82.8 m，壩軸線長278.4 m，壩頂寬8 m，上游壩坡1∶0.2，下游壩坡1∶0.8。右岸地形坡度25°～40°，覆蓋層厚0～10 m，基巖為吳家坪組第一段(P2w1)中厚層燧石灰巖，巖層傾向左岸，傾角30°～32°，順巖層發育NJ1泥化夾層和1層大溶隙帶，同時發育2組陡傾角裂隙。左岸地形坡度30°～39°，覆蓋層厚0～5 m，基巖為吳家坪組第二段(P2w2)中厚層團塊燧石灰巖硅質條帶灰巖，順巖層發育4層泥化夾層，同時發育2組陡傾角裂隙。河床偏左岸為(P2w1)與(P2w2)的分界線。

右壩肩泥化夾層NJ1，距地面水平深41.5 m，泥化程度較高，含水量較大，厚8～10 cm，連通率約70%，大溶隙距地面水平深度16.5 m，空度10～80 cm，70%被溶空，其上盤巖體基本處于極限穩定狀態。右壩肩的NJ1泥化夾層和大溶隙帶，存在深層滑動問題，需重點處理。

左岸4層泥巖夾層(NJ2、NJ3、NJ4、NJ5)，發育于壩肩中部，炭質泥巖因層風化作用而泥化，泥化程度較高，含水量較大，厚1～25 cm不等，因該處泥化夾層位于逆向坡內，挖除回填即可，對壩基穩定影響不大。

地質剖面見圖1，泥化夾層和大溶隙帶位置見圖2。

圖1 壩軸線地質剖面

2 壩基處理方案分析

對右壩肩而言，大溶隙位于弱風化層中部，NJ1泥化夾層位于弱風化底部，壩基可置于大溶隙以下或NJ1泥化夾層以下。經過布置和計算，若壩基置于大溶隙與NJ1泥化夾層之間，需要設大齒墻截斷NJ1泥化夾層才能解決深層抗滑穩定問題，相應大壩混凝土方量約35萬m3，若壩基置于NJ1泥化夾層以下，則可避免大壩深層抗滑穩定問題，但大壩混凝土方量約47萬m3，壩基開挖量也將由43萬m3增加到62萬m3，同時會大大增加右岸順層邊坡工程量。顯然設大齒墻經濟性更優，因而設計采用了齒墻方案。齒墻方案的大壩縱剖面見圖2。如圖所示，右岸大壩建基面位于大溶隙帶之下，齒墻建基面位于NJ1泥化夾層之下；左岸泥化夾層集分布在1/2壩高位置，將該處壩基端面邊坡坡度放陡至1∶0.5，基本挖除泥化夾層；另外，壩以下泥化夾層空度8～10 cm，會發生壓縮變形，本工程采用了充填灌漿的方式處理并取得了成功。

因壩址河谷為走向谷，巖層傾向左岸，傾角32°，順水流方向巖層視傾角1.9°。大壩除了泥化夾層導致的深層抗滑穩定問題外，還需滿足沿巖層面滑動的深層抗滑穩定要求。所以，大壩體型尺寸的設計應滿足下列3個原則。

a)按滿足壩基面抗滑穩定和應力要求確定大壩基本斷面尺寸。

圖2 大壩下游立視

b)保證齒墻足夠的結構尺寸和抗剪強度來滿足大壩沿泥化夾層面的抗滑穩定要求。

c)齒墻建基面伸入到泥化夾層以下的深度同時滿足：①保證大壩沿齒墻底部的緩傾角巖層面的抗滑穩定要求；②泥化夾層以下齒墻嵌固段下游面基巖不被壓壞。

3 大壩體型尺寸的確定

大壩體型尺寸根據建基面的抗滑穩定和應力要求計算確定，沿壩基面抗滑穩定按下式計算：

K′=(f′∑W+c′A)/∑P

式中K′——抗滑穩定安全系數；∑W——作用在1 m長壩體上全部荷載的鉛直向合力，kN；∑P——作用在1 m長壩體上全部荷載的水平向合力，kN；f′——壩基面的抗剪斷摩擦系數，本處f′= 0.9(由于齒墻頂面積占壩基面積比重較小，偏安全地，不考慮齒墻頂面對壩基參數的提高作用，下同)；c′——壩基面抗剪斷黏聚力，c′=700 kPa；A——1 m長壩基面的面積，m2。

壩基面應力按下式計算：

σy=∑W/A±∑Mx/J

式中σy——壩踵、壩趾垂直正應力，kN/m2；∑W——同上；∑M——作用于1 m長壩體上全部荷載對壩基截面形心軸的力矩總和，kN·m；A——同上；x——壩基面上計算點到形心軸的距離，m；J——1 m壩長的壩基面對形心軸的慣性矩，m4。

因為最大壩高較大，為盡量節約工程量，非溢流壩段采用2組控制斷面，按上述公式計算，確定各部位壩體尺寸見表1，大壩沿建基面的抗滑穩定及應力計算成果見表2。

表1 大壩體型參數成果

表2 大壩沿建基面抗滑穩定及應力計算成果

4 壩基深層滑動分析和計算

壩基齒墻的作用是抵抗深層抗滑穩定的剩余下滑力，需要具有足夠的體型尺寸和抗剪能力。上尖坡大壩基礎巖層傾向左岸，走向與河流方向一致，右岸壩基以下沿巖層之間發育一道大面積的泥化夾層NJ1，因此右壩肩有如下4種深層滑動可能：①沿壩基巖層和裂隙面雙滑面滑動；②沿壩基巖層單滑面滑動；③沿壩基泥化夾層單滑面滑動；④沿壩基泥化夾層和裂隙面雙滑面滑動。根據地質資料，深層滑動地質參數見表3。

表3 右岸非溢流壩段深層抗滑穩定計算參數

4.1 右壩段巖層面雙滑面抗滑穩定分析

以齒墻底部的巖層面為底滑面，以裂隙結構面為滑出面形成雙滑面滑動，底滑面的巖層面視傾角1.9°，滑出面的裂隙面視傾角54.4°，取壩基面EL 600 m斷面作受力分析(圖3)。

參照SL 319—2005《混凝土重力壩設計規范》，采用剛體極限平衡法，取1 m長壩體進行分析計算，因按軟弱層面計算，其黏聚力較低，宜采用抗剪公式計算。

考慮圖3中ABD塊的穩定，則有：

K1=f1[(W+G1)cosα-Hsinα-Qsin(φ-α)-U1+U3sinα)]/{[(W+G1)sinα+Hcosα-U3cosα]-Qcos(φ-α)}

(1)

考慮BCD塊的穩定，則有：

K2=f2[G2cosβ+Qsin(φ+β)-U2+U3sinαβ)]/[Qcos(α+β)+U3cosβ-G2sinβ]

(2)

式中W——作用于壩體上全部荷載(不包括揚壓力)的鉛直分力，包括建基面以上壩體自重、上游壩面以上的水重、上游壩面以上的泥沙重，泥沙重量按浮容重計算，下游壩面上的水重，回填土重量忽略，MN；H——作用于壩體上全部荷載的水平分力，上游靜水壓力、下游靜水壓力、上游淤沙壓力、浪壓力，MN；G1——ABD塊體的自重，包括巖體和齒墻自重，MN；G2——抗滑體BCD的自重，MN；α——AB面與水平面的夾角，即巖層面視傾角，α=1.9°；β——BC面與水平面的夾角，即裂隙面視傾角，β=54.4°；U1——底滑面AB面上的揚壓力，岸坡壩段揚壓力折減系數取0.35，MN；U2——剪出面BC面上的揚壓力，MN；U3——BD面上的揚壓力，MN；Q——BD面上的作用力，MN；φ——BD面上的作用力Q與水平面的夾角,偏安全地取φ=0°；f1——底滑面AB面上的抗剪摩擦系數；f2——滑出面BC面上的抗剪摩擦系數，按裂隙面參數取值。

圖3 沿齒墻底部巖層面抗滑穩定計算(雙滑面模式)

通過式(1)和式(2)及K1=K2=K求解Q、K，采用試算法計算，結果見表4。

表4 沿齒墻底部巖層面抗滑穩定計算(雙滑面模式)

根據計算結果，沿巖層面雙滑面滑動的安全系數為1.50～1.60，滿足抗滑穩定要求。

4.2 右壩段巖層面單滑面抗滑穩定分析計算

假設壩體與齒墻控制范圍內的基巖沿巖層面整體滑動，取壩基面EL 600 m斷面作受力分析(圖4)。

考慮壩體、齒墻及下部巖整體沿巖層面滑出，用下式計算其抗滑穩定安全系數：

K=f[(W+G1+G2浮)cosα-U1-

Hsinα]/[Hcosα+(W+G1+G2浮)sinα]

(3)

式中W——同上；H——同上；G1——ABD塊體的自重，包括巖體和齒墻自重，MN；G2浮——抗滑體BECD的自重(扣掉浮力)，MN；α——ABE面與水平面的夾角，即巖層面視傾角，α=1.9°；U1——底滑面AB面上的揚壓力，MN；f——底滑面ABE面上的抗剪摩擦系數，按巖層面參數取值。經計算得巖層面單滑面的抗滑穩定安全系數見表5。

圖4 沿齒墻底部巖層面抗滑穩定計算(單滑面模式)

表5 沿齒墻底部巖層面抗滑穩定計算(單滑面模式)

根據計算結果，沿巖層面單滑面滑動的安全系數為1.45～1.51，滿足抗滑穩定要求。

4.3 沿壩基泥化夾層單滑面抗滑穩定分析及剩余下滑力計算

假設壩體切斷齒墻沿泥化夾層面整體滑動，取壩基面EL 600 m斷面作受力分析，滑動面為NJ1泥化夾層面。抗滑穩定安全系數計算公式采用式(3)。上游水壓力和下游水壓力計算點高程為泥化夾層高程，淤沙壓力計算點高程為壩基面高程。

經計算，沿泥化夾層面滑動的安全系數和齒墻需承擔的力見表6。

表6 沿泥化夾層面抗滑穩定計算(單滑面模式)

由計算可知，沿泥化夾層面滑動時齒墻需承擔剪力17.8 MN。

4.4 沿壩基泥化夾層雙滑面抗滑穩定分析計算

以泥化夾層面為底滑面，以裂隙結構面為滑出面形成雙滑面滑動，底滑面的泥化夾層面視傾角1.9°，滑出面的裂隙面視傾角54.4°，取壩基面EL 600 m斷面作受力分析，見圖5。抗滑穩定安全系數計算公式采用式(1)和(2)。

按前述，底滑面AB的抗剪摩擦系數按加權計，取f1=0.33，滑出面BC為節理裂隙面，其抗剪摩擦系數按表3取f2=0.55。通過式(1)和式(2)及K1=K2=K求解Q、K，采用試算法計算。經計算知，沿泥化夾層面的雙滑面模式抗滑穩定安全系數K<1，見表7，不滿足穩定要求，增加4.3節計算所需要的17.8 MN齒墻阻滑力后，安全系數大幅提高，見表7中K阻滑，滿足穩定要求。

表7 沿泥化夾層面抗滑穩定計算(雙滑面模式)

圖5 沿泥化夾層面抗滑穩定計算(雙滑面模式)

5 齒墻結構研究設計

5.1 齒墻寬度的確定

通過上述計算分析可知，壩基面和巖層面抗滑穩定滿足要求，泥化夾層面的抗滑穩定不滿足要求，每1 m長壩體需要齒墻承擔至少17.8 MN的阻滑力，才能滿足深層抗滑穩定要求。

齒墻最主要的作用是抗剪，根據GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》，h/b≥6時，矩形截面的受剪截面應符合下列條件：

V≤0.2βcfcbh0

(4)

式中V——構件斜截面上的最大剪力設計值，MN；βc——混凝土強度影響系數，當混凝土強度等級不超過C50時，βc=1.0，當混凝土強度等級超過C80時，βc=0.8，其間按線性內插法確定；b——矩形截面寬度，本處取b=1 m；h0——截面有效高度，m；fc——混凝土抗壓強度，MPa，本處取C30混凝土，fc=14.3 MPa。

經計算，齒墻底寬取為9 m可滿足要求，式(4)的左邊算式0.2βcfcbh0=25.4 MN，大于所需要的剪力21.36 MN。

5.2 齒墻嵌入深度的確定

要切穿泥化夾層，齒墻需要嵌入泥化夾層以下一定深度，這個深度主要控制條件是齒墻下游的嵌固巖體不被壓壞。依上述計算，齒墻所承擔的剪力設計值為21.36 MN，根據地質參數，本處基巖的承載能力為8.5 MPa，因而確定齒墻嵌入泥化夾層以下垂直深度為3.0 m，巖面平均壓應力為7.12 MPa，能保證下游基巖不被壓壞。由此可知，從壩基面算起，齒墻深度8～12 m，考慮開挖方便，又不至于過多增加齒墻斷面，同時便于齒槽邊坡穩定，齒墻上、下游側開挖邊坡按1∶0.3。齒墻標準斷面見圖6。

圖6 齒墻斷面

5.3 齒墻內力及配筋

5.3.1結構力學法

齒墻受力分析見圖7a，可簡化為一根懸臂梁，考慮泥化夾層的影響范圍，固定端點位于泥化夾層以下1 m，受下滑力的作用使墻身上游面受拉。但大壩及泥化夾層以上巖體的下滑力是如何傳遞到齒墻身上的，這個機理還比較抽象和復雜，目前并沒有簡明的分析和計算方法，而泥化夾層以下的齒墻受力卻是明確的，即地基反力，見圖7b。地基反力形成的墻身彎矩與下滑力形成的墻身彎矩相等，偏安全地，與圖7a對稱，最大彎矩值位于泥化夾層以上1 m。由此可求出墻身彎矩。

a)齒墻簡化為懸臂梁

b)按基礎反力計算齒墻受力圖7 齒墻內力計算

懸臂梁受嵌固段的地基反力，近似地按三角形分布計算，三角形面積等于齒墻所需承擔的剪力，該剪力值即為前述21.36 MN。最大彎矩位于圖7b所示B點，彎矩值按下式計算：

M=qL2/6

式中M——懸臂梁最大彎矩，MN·m；L——懸臂梁長度，m，根據圖紙量算L=4 m；q——懸壁梁上的荷載值，本處q由圖7b中荷載三角形面積反推為q=10.68 MN·m。由此計算得M=28.48 MN·m。此即為墻身上游面的最大彎矩，梁斷面尺寸b×h=1 m×9 m，按深梁計算所需彎矩鋼筋5 394 mm2，配置C36@167鋼筋即可。

齒墻抗剪鋼筋按深梁計算，1 m×9 m C30鋼筋混凝土梁截面可承載剪力22.5 MN，而本處只需承擔剪力21.36 MN，抗剪截面滿足要求，按構造配置抗剪鋼筋為C28@200。

5.3.2有限元法

有限元模型見圖8，網格以等四邊形單元為主，共有單元31 685個(含壩體1 074個)，邊界采用法向約束。泥化夾層位于圖8中的陰影部位。在校核洪水位工況下，其順河向位移分布見圖9，主應力分布見圖10。

圖8 壩體-壩基整體有限元網格

圖9 順河向位移計算結果

根據有限元計算結果，齒墻上游面拉應力值較大，可作為配筋控制截面。根據應力計算結果可統計得到齒墻結構各節點應力值，并根據節點最大主控應力計算總拉力值(在截面上的投影)，從而計算配筋面積。根據SL 191—2008《水工混凝土結構設計規范》，配筋面積計算公式為As=KT/fy，對3級建筑物，取K=1.2。選取熱軋鋼筋HRB400進行配筋計算，其強度設計值fy=360 N/mm2。

b)第三主應力圖10 校核洪水位時主應力分布等值線

表8 齒墻結構控制應力及配筋面積

由表8可知，結構力學方法計算所需配筋5 394 mm2，有限元法計算所需配筋4 500 mm2，有限元法計算結果小于結構力學方法的計算結果，為安全起見，采用結構力學方法計算成果，齒墻配筋見圖6。

6 結語

a)上尖坡水電站大壩地質條件較為復雜，受壩基深部泥化夾層、大溶隙、順向坡巖層面、裂隙面等不良地質現象的影響，大壩深層抗滑穩定不滿足要求，設計采用了挖除大溶隙帶，并設大齒墻切穿泥化夾層，同時利用加深壩基固結灌漿孔順便充填泥化夾層空間的工程措施，圓滿解決了深層軟弱夾層的問題。工程于2017年4月下閘蓄水，同年5月投產發電，至2018年底已蓄水運行2個汛期，大壩等各建筑物均未發現異常。工程的成功，表明本工程泥化夾層處理措施是可行和可靠的，可供同行參考。

b)文章重點按3號壩段闡述了齒墻設計的思想路線、計算方法和結構尺寸，3號壩段的壩高較大，相應的齒墻底寬為9 m，而1、2號壩段的壩高較小，所需齒墻體型尺寸也變小，經計算其底寬為4.5 m，此處特別說明。

c)齒墻是在壩基巖體上開挖深槽，需要爆破開挖和出渣運輸，施工條件較差，因而槽身尺寸要滿足施工工作面的需要。齒槽的開挖應采用光面爆破，盡量減少爆破對壩基巖體的破壞。

d)齒墻埋設于壩基內，雖然布置了鋼筋，但混凝土散熱問題仍然不容忽視。本工程采用了冷卻水管通水冷卻的措施，取得了較好溫控效果。