不良地質條件下的拱壩拱座穩定分析

戴 偉

(安徽省水利水電勘測設計院，安徽 合肥 230022)

1 工程概況

1.1 工程簡介

揚溪源水庫壩址位于績溪縣揚之河上游的揚溪鎮章家園處,水庫總庫容1 052.1萬m3,工程等別為Ⅲ等。拱壩壩型采用重力拱壩,拱壩中心線方位角N5°54′4″W,基本位于該段河床主弘線。頂拱中心角為97.403°,壩頂上游面半徑110.0 m,弧長187.0 m。拱壩壩頂高程334.8 m,最大壩高55.8 m,壩頂寬4.0 m,拱冠處壩底厚23.53 m,厚高比為0.422。主壩采用C20埋石混凝土澆筑。

1.2 地質構造

壩址區巖層呈單斜產出,傾向上游偏左岸,層面產狀整體較穩定,左岸壩肩無不利結構面切割山體,且左岸山體較為雄厚,下游無臨空面,因此左岸壩肩較為穩定,拱座復核計算以右岸壩肩穩定計算為重點。

(1) 斷層。壩址區斷裂構造明顯,破碎帶發育,多呈入字形展布。但壩基內沒有發現較大規模的斷裂構造。f102(N53°W,NE∠65～80°)帶寬5～15 cm,在建基面、上下游側邊坡及SK5鉆孔揭露,帶內巖石擠壓破碎,全～強風化,局部夾泥。

(2) 裂隙。壩區構造節理發育,根據地質測繪成果,右岸拱座控制裂隙有2組:

① 層面裂隙是控制右岸巖體及壩肩穩定的主要結構面,一般N25～50°W,NE∠25～40°。

② N20～30°W,SW∠65～75°,普遍發育,少數傾角較陡近直立或傾向北東。

2 拱座穩定分析

2.1 基本公式

在計算拱壩拱座安全度上廣泛采用剛體極限平衡法理論,將有滑動趨勢范圍內的壩肩巖體劃分為一個個小塊體,通過塊體的平衡建立整個壩肩巖體的平衡方程。

空間抗滑穩定系數表達式為:

2.2 拱座穩定計算分析

2.2.1 滑動模式一

壩肩巖體以層面裂隙組① 為側滑面,以剪斷巖體為底滑面滑出,層面裂隙組① 埋深分別為C101、C102、C103,產狀為N25～50°W,NE∠25～40°。

(1) 雙滑面模式。F2為水平剪斷面,F1層面裂隙傾角δ1。如圖1所示,作用在滑動巖體上的力有:∑N、∑G、∑Q;反力R1、u1、s1和R2、u2、s2;水平力s1和s2,平行于兩個面的交會線。

圖1 滑動模式一計算示意圖(雙滑面)

根據巖體的平衡條件:

R1sinδ1+u1sinδ1=ΣN

R1cosδ1+R2+u1cosδ1+u2=ΣG

s1+s2=ΣQ

穩定安全系數K為:

(2) 單滑面模式。若R1或R2為負值,滑移面受拉,假定該滑移面在實際受力時與周圍巖體脫開,如圖2所示，滑動模式轉化為單滑面滑動,脫開面揚壓力作為外荷載考慮。

圖2 滑動模式一計算示意圖(單滑面)

根據巖體的平衡條件:

① 若F2面脫開，則:

(R1+u1)sinδ1+s2cosδ1=ΣN

(R1+u1)cosδ1-s2sinδ1=ΣG-u2

② 若F1面脫開,則：

u1sinδ1+s2=ΣN

u1cosδ1+R2+u1=ΣG

穩定安全系數K為:

2.2.2 滑動模式二

壩肩巖體以層面裂隙組① 為側滑面,以裂隙組② 為底滑面滑出,根據前述計算,層面裂隙組① 取最危險產狀,埋深為C101,產狀為N25°W,NE∠25°,裂隙組② 產狀為N20～30°W,SW∠65～75°。

(1)雙滑面模式。軟弱面F1及F2的傾角分別為δ1和δ2,兩者走向的夾角為a。由F1和F2兩個軟弱面,將壩肩巖體切割成一個楔體,有可能沿著F1(層面裂隙①)和F2(裂隙組②)的交匯線方向滑動,如圖3所示。

圖3 滑動模式二計算示意圖

交會線的鉛直面,分別與F1和F2走向的夾角為a1和a2,交會線AB與水平面的夾角為θ。它們的值按下列公式計算:

a1+a2=a

tgθ=sina1tgδ1=sina2tgδ2

求出交會線AB的方向和傾角后,將滑動巖體范圍內的壩基荷載和巖體自重,合成三個分力;牽制力∑G,正交于交會線AB方向的水平力∑H,平行于交會線AB方向的水平力∑V,如圖4所示。

圖4 滑動模式二巖體受力示意圖

平行于交會線方向的滑動力:

Q=ΣGsinθ+ΣVcosθ

正交于交會線方向的作用力:

N=ΣGcosθ-ΣVsinθ

正交于交會線方向的水平力:ΣH

滑動巖體的正交交會線方向的楔體夾角:

根據正交力ΣN、水平力ΣH及楔體夾角,根據剛體塊體法,求算出在F1和F2面上的正交反力R1和R2,如圖5所示。

圖5 剛性塊體法巖體受力示意圖

穩定安全系數

(2)單滑面模式。若R1或R2為負值,則假定F1或F2面脫開,計算原理同滑動模式一。

(3)F1與F2走向相同。層面② (N30°W,SW∠65°)與層面④ (N30°W,NE∠33°)、層面⑤ (N33°W,NE∠31°)、層面⑧ (N31°W,NE∠43°),簡化為形成楔體兩層面走向一致的滑動模式計算。

水平力s1和s2,平行于交會線。由巖體的平衡條件:

(R1+u1)sinδ1+(R2+u2)sinδ2=ΣN

(R1+u1)cosδ1+(R2+u2cosδ2=ΣG

由上式聯立求解R1及R2。

滑動力s1+s2=ΣQ

穩定安全系數:

2.2.3 滑動模式三

以裂隙組② 為側滑面,以剪斷巖體為底滑面,從右岸下游沖溝內滑出。裂隙組② 產狀為N20°～30°W,SW∠65～75°。

滑動模式三與滑動模式一計算方法相同,拱端推力及抗力體自重分別為各相鄰拱圈間拱端推力及抗力體自重沿高程之和。

2.3 拱座穩定計算分析結論

應用剛體極限平衡法,運用敏感性分析手段,找出各滑動模式組合下的最危險走向、傾角及埋深。根據計算,揚溪源水庫大壩壩肩抗滑穩定最小安全系數為3.22,滿足規范要求。

3 總 結

(1) 根據理論計算和實踐經驗,一般認為在大壩的上游面基礎內,存在著一個水平拉應力區,有產生垂直裂縫的可能,因此滑動體的上游邊界,在計算模型中,均假定從拱座的上游面開始,基于此種假定,采用剛體極限平衡法計算的抗滑穩定系數較實際工況是偏小的。

(2) 提高封拱溫度對降低拱端推力作用明顯,在壩肩巖體地質構造發育的情況下,適當提高封拱溫度,可加大拱座穩定性。但封拱溫度過高,容易惡化壩體應力,因此,在實際工程實踐中應結合工程地質,通過多種組合試算,綜合確定封拱溫度。

(3) 壩基揚壓力對壩肩穩定影響應充分重視,在做好帷幕灌漿及壩基排水孔的基礎上,于壩趾部位增設水平排水孔,有利于進一步降低各滑動面揚壓力,提高壩肩巖體整體穩定安全裕度。

(4) 壩肩下伏層面裂隙埋深、產狀、物理力學參數等巖體地質構造情況是對拱壩拱座穩定分析的基礎,拱座穩定在前期計算的基礎上,還應根據施工期開挖揭示地質構造情況做進一步復核。