某碾壓混凝土重力壩層面抗滑穩定分析

吳偉

（國家能源局大壩安全監察中心，浙江杭州，311122）

0 引言

碾壓混凝土采用分層澆筑，水平向防滲性能相差較大，是防滲的薄弱環節。碾壓混凝土壩壩體防滲一般采用常態混凝土防滲層、變態混凝土防滲層的防滲結構，其可靠性至關重要。施工中，碾壓混凝土層面若存在骨料架空、層面膠結不良和透水率大等質量問題，運行中則可能出現壩體混凝土溶蝕、析鈣、壩體滲透壓力升高或混凝土腐蝕等危害，影響結構安全。某工程水庫蓄水后，壩體層面滲透壓力與氣溫相關性較好，冬季滲透壓力明顯增大，滲壓系數達到0.8以上。筆者基于壩體滲壓實測值，采用材料力學法，對壩體層面抗滑穩定進行復核計算，為評價大壩壩體抗滑穩定提供參考依據。

1 工程概況及壩體防滲結構設計

1.1 工程概況

某水電站大壩為碾壓混凝土重力壩，最大壩高31.5 m，最大壩基寬度28.675 m，壩頂長216 m，分為8個壩段。上游面直立，防滲層采用0.5 m厚的富膠凝材料變態混凝土，防滲標號W8，下游面464.20 m高程以上直立，464.20 m高程以下壩坡1∶0.75。壩體典型斷面見圖1。

圖1 壩體典型斷面圖Fig.1 Typicalsection of dam

為增加大壩的抗滑穩定性，在大壩下游壩坡與1號、2號公路之間的深槽底部3.5 m回填混凝土，其上18.7 m回填碾壓堆石。

1.2 防滲結構設計

上游面防滲層采用0.5 m厚的富膠凝材料變態混凝土，抗滲標號W8，按常態混凝土振搗施工。

大壩共分8個壩段，每個壩段橫縫設兩道銅片止水。第一道止水：離上游壩面0.5 cm處至壩基，與庫盆面板接縫的表面止水連接封閉；第二道止水：離上游壩面1.0 m處至壩基，插入齒槽巖體并與庫盆面板接縫的底部銅片止水連接封閉。壩體滲透水通過排水管排入基礎廊道。

2 壩體層面滲壓監測布置

壩體滲透壓力監測設3個橫斷面，樁號分別為大壩0+050.00、0+097.00和0+150.00，每個斷面分別在447.80 m、455.80 m高程的壩體內部二級配防滲層和三級配上游側設3支滲壓計。壩體滲壓監測典型斷面布置見圖2。

圖2 壩體滲壓典型斷面布置圖Fig.2 Layout of dam seepage pressure monitoring on typical section

3 層面滲壓分析

3.1 層面滲壓規律及空間分布分析

水庫蓄水前，壩體滲透壓力很小；水庫蓄水后，滲透壓力與氣溫相關性較好，冬季滲透壓力明顯增大，表明碾壓層面在冬季張開，夏季閉合。不同壩段的層面滲透壓力差異較大，447.8 m高程壩體滲壓最大水頭為1.0～15.8 m；455.8 m高程壩體滲壓最大水頭為5.6～14.2 m。

圖3 大壩壩體滲透壓力過程線Fig.3 Process curve of seepage pressure in dam body

按DL 5077-1997《水工建筑物荷載設計規范》要求，壩體內部排水管處滲透壓力強度系數α為0.2，大壩壩體排水管布置在距上游壩面3.5 m處，選擇2018年12月20日低溫高水位測次繪制量值分布圖（見圖4）。由圖4可知：壩體滲壓橫向分布總體呈現從上游向下游遞減趨勢，經排水管折減后，壩體滲壓水頭明顯降低。從碾壓混凝土層面滲壓系數來看，壩體排水管后滲壓系數為0.05～0.86，其中455.8 m高程壩體滲壓系數較大，為0.41～0.86，均超過規范要求，表明該混凝土層面防滲能力偏弱；447.8 m高程壩體滲壓除6號壩段Pf-3-3超過規范要求外，其余壩段滲壓水頭較小，運行期后滲壓水頭總體穩定。

3.2 與上游水位相關性分析

為定性考察壩體層面滲壓與上游水位的相關關系，選擇2016年5月20～21日作為典型日，對壩體滲壓計和庫水位每小時觀測1次，持續觀測2 d，以對比分析壩體滲壓與庫水位的關系。壩體滲壓與庫水位的日變化過程線見圖5，據此可知：2號壩段455.8 m高程滲壓計Pf-1-7和Pf-1-8受庫水位影響較明顯，且有一定的滯后性；滲壓計Pf-1-9（距上游面5.5 m）基本不受庫水位波動影響。

3.3 現場檢查

現場檢查發現大壩下游面常年處于干燥狀態，未發現明顯壩體析鈣現象，壩體排水孔大多數無水，部分呈滴水狀態，壩體、壩基總滲漏量最大僅為1.24 L/s。

4 壩體抗滑穩定復核

考慮到壩后填筑至456.00 m高程，增加了大壩456.00 m高程以下層面的抗滑穩定性，且壩體447.8 m層面滲壓基本在設計值以內，故選擇壩體滲透壓力較大的455.8 m高程進行抗滑穩定復核。

圖4 大壩壩體滲壓系數橫向分布圖Fig.4 Transverse distribution of seepage pressure coefficient in dam body

圖5 壩體滲壓與庫水位日變化過程線Fig.5 Variation of dam seepage pressure and reservoir water level

4.1 計算基本資料

工程為一等大（1）型工程，大壩按1級建筑物設計，采用材料力學法，在考慮荷載基本組合的情況下，對大壩6號擋水壩段典型剖面沿455.8 m高程進行大壩靜力條件計算分析。大壩壩體斷面按常規重力壩設計，上游面直立，下游面464.20 m高程以上直立，464.20 m高程以下壩坡1∶0.75。

考慮主排水孔作用，壩體滲透壓力、揚壓力在主排水孔處折減，按DL 5077-1997《水工建筑物荷載設計規范》，壩體內部排水管處滲透壓力強度系數α為0.2。按照現行業規范NB/T 35026-2014《混凝土重力壩設計規范》進行復核，計算簡圖見圖6。

圖6 計算簡圖Fig.6 Calculation diagram

4.2 水位條件

大壩壩體穩定計算取正常蓄水位471.50 m、校核洪水位472.11 m兩種水位，混凝土容重取2.4 t/m3。取2018年12月20日低溫高水位工況，通過滲壓計實測水頭計算揚壓力。

4.3 計算參數

由于缺少壩體層面力學參數，壩體混凝土抗剪參數按壩基選取，f"=0.8，c"=600 kPa，參數取值偏保守。

根據NB/T 35026-2014《混凝土重力壩設計規范》，材料性能分項系數見表1，計算參數見表2。

表1 材料分項系數表Table 1 Material coefficients

表2 計算參數表Table 2 Calculation parameters

4.4 主要作用力

4.4.1 壩體自重

式中：γc為混凝土容重，取24 kN/m3；Ar為單寬剖面層面面積，m2。

以6號壩段為例：W=（W1+W2）γc=173.96×24=4175.04 kN/m。

4.4.2 揚壓力

式中：γw為水的容重，取9.81 kN/m3；Au為455.8 m層面的揚壓力分布圖形面積。

正常蓄水位工況：U=浮托力+滲透壓力=（0+99.6）×9.81=977.08 kN/m。

校核洪水位工況：由于缺少校核洪水位工況下的實測揚壓水位，校核洪水位工況下的壩基揚壓水位按正常蓄水位工況下的實測滲壓系數推算，U=浮托力+滲透壓力=（0+107.5）×9.81=1054.56 kN/m。

正常蓄水位+揚壓力全水頭工況：U=浮托力+滲透壓力=（0+131.6）×9.81=1290.6 kN/m。

4.4.3 靜水壓力

上游靜水壓力：Ps=0.5γwH2=0.5×9.81×16.312=1303.48 kN/m；下游靜水壓力：Px=0 kN/m。

4.5 計算結果

基本組合承載能力極限狀態設計表達式為：

計算結果見表3。由表3可知，壩體層面抗滑穩定滿足要求。

表3 大壩抗滑穩定計算結果匯總表Table 3 Calculation results of anti-sliding stability of dam

5 結語

通過壩體抗滑穩定復核可知，雖然該工程壩體滲透壓力較大，且已遠超過設計值，但由于壩高較低，壩體所承受的荷載較小，壩體沿層面的抗滑穩定富裕度較高。一般來說，對于同等壩高、壩體滲壓較高的類似工程，壩體沿層面是穩定的，但在長期運行中，需關注壩體滲壓對混凝土防滲結構耐久性的影響，如壩體溶蝕、析鈣、混凝土腐蝕等。