蘇阿皮蒂重力壩深層抗滑穩(wěn)定分析研究

姚帥強(qiáng)，王美齋，巴海濤

(黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450003)

0 引 言

深層抗滑穩(wěn)定分析是重力壩設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，目的是核算壩體沿壩基內(nèi)軟弱夾層抗滑穩(wěn)定的安全度，其穩(wěn)定分析的成果是重力壩剖面設(shè)計(jì)及提出地基加固處理措施的重要依據(jù)[1-3]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在中國已建和正在建設(shè)的大中型重力壩工程中，有大約92座工程中的壩基存在軟弱結(jié)構(gòu)面或復(fù)雜地基，其壩基深層抗滑問題已普遍受到專家學(xué)者的重視，如葛洲壩、龍開口、觀音巖、百色、向家壩、阿海、官地、銅街子、亭子口等工程[4-9]。因此，對(duì)于在這類復(fù)雜地質(zhì)條件下建設(shè)的工程，對(duì)其開展深層抗滑穩(wěn)定分析研究十分必要。

目前在重力壩抗滑穩(wěn)定分析中，主要有剛體極限平衡法、有限元法、地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)法等，其中剛體極限平衡法是國內(nèi)進(jìn)行深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算的主要方法。對(duì)于重大工程和復(fù)雜地基，必要時(shí)采用有限元法和地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)等方法進(jìn)行輔助復(fù)核，并進(jìn)行綜合分析評(píng)定[10-12]。

1 壩基深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算方法

重力壩深層抗滑穩(wěn)定取決于壩基內(nèi)的軟弱結(jié)構(gòu)面，當(dāng)壩基內(nèi)存在不利的軟弱結(jié)構(gòu)面時(shí)，在水荷載作用下，壩體有可能連同部分基巖沿軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生滑移，即所謂的深層滑動(dòng)。計(jì)算抗滑穩(wěn)定時(shí)，根據(jù)滑動(dòng)面的分布情況綜合分析，可分為單滑面、雙滑面和多滑面計(jì)算模式[10，12]。

1.1 單滑面抗滑穩(wěn)定

當(dāng)壩基內(nèi)只存在一條軟弱結(jié)構(gòu)面時(shí)，計(jì)算時(shí)可將壩體及結(jié)構(gòu)面上部的巖體當(dāng)作一個(gè)整體，進(jìn)行復(fù)核壩體沿軟弱結(jié)構(gòu)面的抗滑穩(wěn)定。

1.2 雙滑面抗滑穩(wěn)定

雙滑面計(jì)算模式在壩基深層滑動(dòng)中最為常見，計(jì)算時(shí)將滑移體分成兩塊，其分界面可以是巖體內(nèi)實(shí)際存在的另一個(gè)結(jié)構(gòu)面，也可為人為設(shè)置的面。雙滑面有三種計(jì)算方法：等安全系數(shù)法、被動(dòng)抗力法、剩余推力法。SL319—2018《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》[13]規(guī)定深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算采用等安全系數(shù)法、按抗剪斷強(qiáng)度公式或抗剪強(qiáng)度公式進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算簡圖如圖1所示。

圖1 深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算示意

采用抗剪斷公式計(jì)算，同時(shí)考慮滑塊ABD、BCD的穩(wěn)定擴(kuò)，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為

(1)

(2)

式中，W為壩體上全部荷載(不包括揚(yáng)壓力，下同)的垂直分值，kN；H為作用于壩體上全部荷載的水平分值，kN；G1、G2分別為巖體ABD、BCD重量的垂直作用力，kN；f1′、f2′分別為AB、BC滑動(dòng)面的抗剪斷摩擦系數(shù)；c1′、c2′分別AB、BC滑動(dòng)面的抗剪斷凝聚力，kPa；A1、A2分別為AB、BC滑動(dòng)面的面積，m2；α、β分別為AB、BC滑動(dòng)面與水平面的夾角；U1、U2、U3分別為AB、BC、BD面上的揚(yáng)壓力，kN；Q為分裂面BD上的作用力，kN；φ為BD面上的作用力Q與水平面的夾角，從偏于安全考慮，φ一般取0°。

按照等安全系數(shù)法，令K1′=K2′=K′，聯(lián)立式(1)～(2)，求解得到Q、K′。

1.3 多滑面抗滑穩(wěn)定

壩基巖體內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶分布較為復(fù)雜時(shí)，危險(xiǎn)滑移通道常由多個(gè)滑裂面組成，此時(shí)采用多滑面方法進(jìn)行計(jì)算在滑移模式和參數(shù)選取上均更接近實(shí)際情況。多滑面方法在邊坡穩(wěn)定計(jì)算中較為常見，在壩基深層抗滑中應(yīng)用還比較少。目前，國內(nèi)仍以混凝土重力壩推薦的雙滑面作為深層抗滑穩(wěn)定的計(jì)算方法[11，13]。

2 工程應(yīng)用實(shí)例

2.1 工程概況

蘇阿皮蒂水利樞紐位于幾內(nèi)亞西部孔庫雷河中游，距下游已建成凱樂塔水電站6 km，是孔庫雷河梯級(jí)開發(fā)中非常重要的一個(gè)梯級(jí)電站。

蘇阿皮蒂水利樞紐正常蓄水位210 m，設(shè)計(jì)洪水位213.11 m，校核洪水位213.56 m，水庫總庫容74.89×108m3，裝機(jī)容量450 MW，多年平均年發(fā)電量20.16×108kW·h，工程為Ⅰ等大(1)型。

擋水大壩為碾壓混凝土重力壩，最大壩高120 m，壩線總長1 164 m，共分為52壩段，樞紐布置自左至右分別為左岸擋水壩段423.45 m(其中94.02 m位于泥質(zhì)粉砂巖/砂巖巖體上，最大壩高64.9 m)、發(fā)電引水壩段97 m、導(dǎo)流底孔壩段60 m、泄洪底孔壩段25 m、溢流壩段173.55 m和右岸擋水壩段385 m(其中183.45 m位于泥質(zhì)粉砂巖/砂巖巖體上，最大壩高82.5 m)。大壩為全斷面碾壓混凝土重力壩，發(fā)電廠房位于左岸發(fā)電引水壩段壩后。

2.2 工程地質(zhì)

壩址區(qū)地層巖性主要為第四系殘坡積物、沖洪積物、古生代輝綠巖和奧陶系(粉)砂巖。奧陶系(粉)砂巖主要為薄層鈣質(zhì)砂巖和極薄層泥質(zhì)粉砂巖，互層分布，并以泥質(zhì)粉砂巖為主、巖體完整性及力學(xué)性能較差，變形模量低，有連續(xù)性較好且順層分布的軟弱夾層和泥化夾層，粉砂巖發(fā)育水平泥質(zhì)條帶，泥質(zhì)含量高，遇水軟化。河床輝綠巖裸露，頂部強(qiáng)風(fēng)化卸荷帶層厚3 m左右，受風(fēng)化卸荷及水的作用，發(fā)育延伸較長的緩傾角及豎向裂隙，有的脫離母巖成為孤石；弱風(fēng)化卸荷帶層厚3～10 m，巖體完整或較完整，裂隙較發(fā)育，局部發(fā)育，裂隙多閉合或充填石英；微風(fēng)化卸荷輝綠巖巖體完整，裂隙不發(fā)育，局部較發(fā)育。

3 抗滑穩(wěn)定計(jì)算

蘇阿皮蒂水利樞紐河床壩段為輝綠巖，兩岸岸坡壩段為砂巖。砂巖壩段基本為砂巖和薄層泥質(zhì)粉砂巖相互交替分布，近水平層理發(fā)育，互層狀結(jié)構(gòu)，單層厚度一般在5～15 cm，巖層厚度相對(duì)穩(wěn)定，砂巖為較硬巖，泥質(zhì)粉砂巖為軟巖，受構(gòu)造影響，多沿層面發(fā)育為泥化夾層，軟弱夾層，基本上為全泥型。根據(jù)實(shí)際開挖地質(zhì)揭露情況，右岸砂巖壩段分布有9條泥化夾層，見圖2。

圖2 右岸砂巖壩段泥化夾層分布位置示意(單位：m)

本文以44號(hào)壩段為例，按照SL319—2018《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求對(duì)壩基建基面和建基面以下的泥化夾層進(jìn)行深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算，計(jì)算方法采用“等K法”。

3.1 地質(zhì)參數(shù)

壩基巖體及結(jié)構(gòu)面的力學(xué)計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 壩基巖體及結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)

表2 計(jì)算工況及荷載組合

3.2 主要荷載

(1)自重。混凝土容重采用24.5 kN/m3。

(2)水重。水重按實(shí)際體積以及容重計(jì)算，水的容重采用9.81 kN/m3。

(3)揚(yáng)壓力。揚(yáng)壓力按實(shí)際水位計(jì)算，排水孔處的折減系數(shù)取0.35。

(4)靜水壓力。水的容重采用9.81 kN/m3。

(5)巖體重力。砂巖巖體容重采用27 kN/m3。

(6)堆石重力。下游堆石浮容重采用18 kN/m3。

(7)泥沙荷載。壩前泥沙浮容重10 kN/m3，淤沙內(nèi)摩擦角16°，壩前淤沙高程為114.5 m。

(8)地震荷載。壩址區(qū)最大可信地震MCE值為0.15g，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)地震DBE值為0.10g。

一般情況下，混凝土重力壩在抗震設(shè)計(jì)中可以只計(jì)入順?biāo)飨虻乃较虻卣鹱饔谩？拐鹩?jì)算考慮的地震作用包括地震慣性力和水平向地震作用的動(dòng)水壓力，此時(shí)，大壩上游水位采用正常蓄水位。

3.3 計(jì)算工況及荷載組合

根據(jù)SL319—2018《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》，壩體穩(wěn)定計(jì)算工況及荷載組合見表2。本文計(jì)算時(shí)，下游水位取壩后回填混凝土的高程，增加了排水孔失效的工況(即壩基無排水孔)。

4 計(jì)算結(jié)果及分析

對(duì)于44號(hào)壩段，建基面高程為147.50 m，泥化夾層Ny8在壩趾處的高程為147.50 m，泥化夾層Ny9在壩趾處的高程為137.40 m，泥化夾層Ny8、Ny9分布位置見圖3。泥化夾層Ny8基本被挖掉，因此控制大壩抗滑穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)面為建基面以下的泥質(zhì)粉砂巖層面和泥化夾層Ny9。雙滑面計(jì)算時(shí)，通過不斷的試算，來搜索第二滑裂面角度對(duì)應(yīng)的抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)。

4.1 沿147.5 m高程建基面以下泥質(zhì)粉砂巖層面抗滑穩(wěn)定計(jì)算

計(jì)算建基面不采取任何措施的工況，采用深層雙滑抗剪斷公式，第一滑裂面為泥質(zhì)粉砂巖層面，抗剪斷參數(shù)取f′=0.40、c′=0.1 MPa，第二滑裂面根據(jù)弱風(fēng)化(粉)砂巖和微風(fēng)化(粉)砂巖所占比重綜合考慮，抗剪斷參數(shù)取f′=0.6、c′=0.45 MPa。經(jīng)計(jì)算，最小安全系數(shù)對(duì)應(yīng)的第二滑裂面發(fā)生在與水平面成35°方向。正常蓄水工況的最小安全系數(shù)k=2.976，設(shè)計(jì)洪水工況的最小安全系數(shù)k=2.661，均小于設(shè)計(jì)允許值3.0，不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。通常，須通過挖除部分軟弱結(jié)構(gòu)面并設(shè)置齒槽、增大壩體剖面、加固地基等措施來提高壩基抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。因此，結(jié)合本工程實(shí)際情況，采用在建基面下方設(shè)置混凝土齒槽方案，對(duì)巖基進(jìn)行部分混凝土置換。具體尺寸見圖3。147.5 m高程建基面，壩基范圍內(nèi)的長度為52.85 m，其中18.05 m被C25混凝土齒槽截?cái)唷Ｄ噘|(zhì)粉砂巖層面的抗剪斷參數(shù)為f′=0.40、c′=0.1 MPa。C9025混凝土齒槽抗剪斷參數(shù)f′=1.1、c′=1.3 MPa.采用混凝土齒槽后，其綜合抗剪斷參數(shù)為f′=0.639，c′=0.51 MPa。采用深層雙滑抗剪斷公式，第一滑裂面抗剪斷參數(shù)取f′=0.639、c′=0.51 MPa，第二滑裂面根據(jù)弱風(fēng)化(粉)砂巖和微風(fēng)化(粉)砂巖所占比重綜合考慮，抗剪斷參數(shù)取f′=0.6、c′=0.45 MPa。經(jīng)計(jì)算，最小安全系數(shù)對(duì)應(yīng)的第二滑裂面發(fā)生在與水平面成40°方向，各工況的最小安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表3，由表3可知，抗滑穩(wěn)定系數(shù)滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

表3 147.5 m高程建基面有齒槽結(jié)構(gòu)滑裂面的最小安全系數(shù)

4.2 沿泥化夾層Ny9抗滑穩(wěn)定計(jì)算

泥化夾層Ny9傾向下游約2°，在壩趾處的高程為137.40 m，泥化夾層Ny9抗剪斷參數(shù)f′=0.25、c′=0.02 MPa；采用深層雙滑抗剪斷公式，第一滑裂面抗剪斷參數(shù)取f′=0.25、c′=0.02 MPa，第二滑裂面根據(jù)弱風(fēng)化(粉)砂巖和微風(fēng)化(粉)砂巖所占比重綜合考慮，抗剪斷參數(shù)取f′=0.6、c′=0.45 MPa。經(jīng)計(jì)算，最小安全系數(shù)對(duì)應(yīng)的第二滑裂面發(fā)生在與水平面成5°方向，正常蓄水工況的最小安全系數(shù)k=2.285，設(shè)計(jì)洪水工況的最小安全系數(shù)k=2.069，均小于設(shè)計(jì)允許值3.0，抗滑穩(wěn)定系數(shù)不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。考慮混凝土齒槽伸入泥化夾層Ny9以下1.0 m，具體尺寸見圖3。壩基范圍內(nèi)的長度53.35 m，C25混凝土齒槽底高程為136.50 m，其中9.37 m被C25混凝土齒槽截?cái)唷Ｄ嗷瘖A層Ny9抗剪斷參數(shù)為f′=0.25、c′=0.02 MPa；C25混凝土齒槽抗剪斷參數(shù)f′=1.1、c′=1.3 MPa.采用混凝土齒槽后，其綜合抗剪斷參數(shù)為f′=0.399、c′=0.245 MPa。采用深層雙滑抗剪斷公式，第一滑裂面抗剪斷參數(shù)取f′=0.399，c′=0.245 MPa，第二滑裂面根據(jù)弱風(fēng)化(粉)砂巖和微風(fēng)化(粉)砂巖所占比重綜合考慮，抗剪斷參數(shù)取f′=0.6、c′=0.45 MPa。經(jīng)計(jì)算，最小安全系數(shù)對(duì)應(yīng)的第二滑裂面與水平面夾角為0°，各工況的最小安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表4，由表4可知，抗滑穩(wěn)定系數(shù)滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

表4 泥化夾層Ny9有齒槽結(jié)構(gòu)滑裂面的最小安全系數(shù)

4.3 沿齒槽底部抗滑穩(wěn)定計(jì)算

齒槽底部高程為SMK136.50 m，采用深層雙滑抗剪斷公式，第一滑裂面為泥質(zhì)粉砂巖層面，抗剪斷參數(shù)取f′=0.4，c′=0.1 MPa，第二滑裂面根據(jù)弱風(fēng)化(粉)砂巖和微風(fēng)化(粉)砂巖所占比重綜合考慮，抗剪斷參數(shù)取：f′=0.6，c′=0.45 MPa。經(jīng)計(jì)算，最小安全系數(shù)對(duì)應(yīng)的第二滑裂面與水平面夾角為35°，各工況的最小安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表5，由表5可知，除校核工況和地震工況外，其他各工況的抗滑穩(wěn)定系數(shù)均滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

表5 齒槽底部結(jié)構(gòu)滑裂面的最小安全系數(shù)

綜上所述，44號(hào)壩段采取混凝土齒槽(齒槽深度11 m，底高程為136.50 m，底寬8.0 m)、壩后回填13 m混凝土和16.25 m堆石的處理措施，沿147.5 m高程建基面以下的泥質(zhì)粉砂巖和泥化夾層的抗滑穩(wěn)定均能滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

5 結(jié)論及建議

本文采取《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》推薦的“等K法”，對(duì)蘇阿皮蒂水利樞紐44號(hào)壩段進(jìn)行了建基面以下泥質(zhì)粉砂巖層面、泥化夾層和齒槽底部的抗滑穩(wěn)定計(jì)算，通過分析和研究，可知在靠近壩趾處設(shè)置齒槽可以將壩基存在的軟弱夾層截?cái)啵⑶引X槽深入軟弱夾層一定深度，能夠有效阻斷大壩潛在滑移通道，提高深層抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。計(jì)算結(jié)果表明，設(shè)置齒槽的處理措施安全可靠、經(jīng)濟(jì)，且施工便利。

本文采用的剛體極限平衡法為一種半理論半經(jīng)驗(yàn)的方法，但該方法在長期實(shí)踐應(yīng)用中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，并且具備較為完善的安全系數(shù)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。因此，目前仍是計(jì)算壩基抗滑穩(wěn)定的主要計(jì)算方法，被《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》所推薦采用。有限元法因其屈服準(zhǔn)則、本構(gòu)關(guān)系和判別標(biāo)準(zhǔn)等因素對(duì)計(jì)算結(jié)果有著較大影響，所以，在大多數(shù)情況下僅作為高壩和復(fù)雜地質(zhì)條件下壩基處理措施的必要論證和參考。