克孜爾水庫(kù)右壩肩邊坡變形機(jī)制分析

宋瑞華 汪 洋 曲 苓 張宏科

摘要:介紹了主壩右壩肩山坡坡面存在裂縫、混凝土防滲墻頂部出現(xiàn)裂縫和壩面有不同程度的變形三個(gè)方面的問題,通過從地質(zhì)條件對(duì)右壩肩邊坡變形機(jī)制分析和利用有限元數(shù)值模擬計(jì)算對(duì)右壩肩邊坡變形機(jī)制進(jìn)行分析 ,為右壩肩傾倒體采用“卸荷固腳”的加固處理方案提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞:克孜爾水庫(kù);右壩肩;變形;機(jī)制分析

1工程概況

克孜爾水庫(kù)位于新疆阿克蘇地區(qū)拜城縣渭干河干流木扎提河與支流克孜爾河的匯合處,距庫(kù)車縣約70km,是一座以灌溉、防洪為主兼有水力發(fā)電等綜合利用性的大型水利樞紐工程,主壩為黏土心墻砂礫石壩,最大壩高44m,設(shè)計(jì)總庫(kù)容為6.40億m3,設(shè)計(jì)灌溉面積21.33萬hm²,為大(1)型Ⅰ等工程。樞紐工程由攔河主壩、副壩、副壩二道壩、溢洪道、泄洪排沙涵洞、發(fā)電引水涵洞和壩后電站組成。工程于1998年10月通過水利部主持的竣工驗(yàn)收,正式投入運(yùn)行。

2運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)的主要工程問題

2002年5月20日安全檢查時(shí),發(fā)現(xiàn)在右壩肩W150混凝土防滲墻頂部出現(xiàn)了5條裂縫,最大的一條裂縫最大高差約6mm左右,裂縫總體上北高南低,最大裂縫張開寬度約13mm。2003年3月25日,水庫(kù)管理局對(duì)右壩肩山坡坡面觀察后發(fā)現(xiàn),在壩頂以上高約100～60m的山脊1#梁、2#梁、3#梁上有裂縫出現(xiàn),裂縫一般長(zhǎng)15～20m,張開寬8～15cm,共發(fā)現(xiàn)10條裂縫。右壩肩壩面有不同程度的變形,壩頂混凝土板出現(xiàn)多條裂縫,裂縫以近東西向裂縫為主,延伸長(zhǎng)度一般4～7m,最長(zhǎng)達(dá)34m,裂縫一般南側(cè)較北側(cè)高1～20mm,裂縫張開一般15～25mm,最寬者達(dá)40mm。

3右壩肩變形機(jī)制分析

3.1基于地質(zhì)條件的右壩肩邊坡變形機(jī)制分析

3.1.1地質(zhì)條件①組成右壩肩巖體的主要巖性為泥巖和泥質(zhì)砂巖,泥巖和泥質(zhì)砂巖巖性軟弱,軟化系數(shù)較高,巖體強(qiáng)度較低,單軸抗壓強(qiáng)度僅為幾個(gè)兆帕,遇水容易軟化、崩解,這是右壩肩邊坡變形發(fā)生的內(nèi)在因素之一。②右壩肩山坡表層巖體由于傾倒變形及各種外營(yíng)力風(fēng)化作用,邊坡巖層結(jié)構(gòu)遭到較強(qiáng)烈破壞,尤其是泥巖、泥質(zhì)砂巖等軟巖巖層內(nèi)的節(jié)理裂隙更為發(fā)育,結(jié)構(gòu)松散,透水性較強(qiáng),這些也是右壩肩巖體發(fā)生變形的內(nèi)在因素之一。

3.1.2水文地質(zhì)條件①水庫(kù)蓄水改變了右壩肩混凝土防滲墻附近巖體內(nèi)的水文地質(zhì)條件,使正常蓄水位以下的巖體處于飽和狀態(tài),其間的泥巖、泥質(zhì)砂巖等軟巖在長(zhǎng)期浸泡下其強(qiáng)度必然逐步降低,軟化變形,而巖體內(nèi)先期存在的構(gòu)造裂隙為軟巖變形提供了空間。②水庫(kù)蓄水后右壩肩水文地質(zhì)邊界條件發(fā)生改變,軟弱巖體變形即開始逐步發(fā)展,變形的發(fā)生是一個(gè)長(zhǎng)期的演化過程,不是朝夕形成的。截滲墻上游側(cè)區(qū)域內(nèi)的變形量值明顯超過其它區(qū)域,表明截滲墻起到了截?cái)嗌?、下游水力?lián)系的作用,使截滲墻上、下游巖體的浸水邊界條件明顯不同,從而導(dǎo)致截滲墻上、下游邊坡巖體的變形差異。

3.1.3機(jī)制分析①由于截滲墻的作用,致使截滲墻上、下游巖體的浸水邊界條件不同,從而導(dǎo)致截滲墻上、下游邊坡巖體發(fā)生差異沉降變形,滑裂縫以外及以內(nèi)的巖體由于破碎程度差異較大,浸水飽和以后,沉降差異亦較大。正是上述原因的綜合影響導(dǎo)致混凝土防滲墻發(fā)生變形開裂。分析認(rèn)為右壩肩坡腳巖體變形主要表現(xiàn)為軟化坐落,不均勻沉降變形,由此牽引上部山體沿底部順坡向滑裂縫向下錯(cuò)動(dòng)位移,導(dǎo)致1#、2#梁山體表面一定深度內(nèi)形成數(shù)條拉裂縫。這是右壩肩邊坡的主要變形機(jī)制?；谏鲜稣J(rèn)識(shí),初步認(rèn)為右壩肩邊坡連同壩體不存在沿深部滑裂縫整體滑動(dòng)失穩(wěn)的可能性。②右壩肩邊坡的變形是一個(gè)長(zhǎng)期演變的過程,先期的幾次灌漿加固處理由于處理范圍有限,并沒有完全抑制住變形的發(fā)展。但固結(jié)灌漿對(duì)于充填巖體內(nèi)的構(gòu)造裂隙,減小變形空間,提高坡腳巖體剛度和抗變形能力無疑是一種較為有效的措施。

3.2基于有限元數(shù)值模擬的右壩肩邊坡變形機(jī)制分析采用二維彈塑性有限差分方法(FLAC)研究比較右壩肩邊坡在水庫(kù)蓄水前和蓄水后的應(yīng)力、變形和塑性區(qū)的發(fā)生、變化、發(fā)展過程,進(jìn)一步論證分析右壩肩邊坡的變形機(jī)制。

3.2.1FLAC程序簡(jiǎn)介FLAC程序(Fast Lagrangion Analysis of Continue)是由美國(guó)Itacsca公司開發(fā)的顯式有限差分程序,它設(shè)有多種本構(gòu)模型,能較好地模擬地質(zhì)材料在達(dá)到強(qiáng)度極限或屈服極限時(shí)發(fā)生的破壞或塑性流動(dòng)的力學(xué)行為,分析漸進(jìn)破壞和失穩(wěn),特別適用于模擬大變形。

3.2.2計(jì)算剖面及計(jì)算參數(shù)計(jì)算選取右壩肩邊坡典型的截滲墻軸線工程地質(zhì)剖面進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析,計(jì)算參數(shù)見表。

3.2.3計(jì)算方案整個(gè)模型全部由約10萬個(gè)四邊形單元組成,模型選取范圍為:沿剖面方向長(zhǎng)500m,豎直方向長(zhǎng)380m,主要考慮了如下兩個(gè)方案:①水庫(kù)蓄水前右壩肩邊坡應(yīng)力變形分析;②正常蓄水位工況條件下右壩肩邊坡應(yīng)力變形分析。

3.2.4計(jì)算結(jié)果及分析水庫(kù)蓄水前,在自重條件下右壩肩邊坡應(yīng)力變形及塑性區(qū)分布特征:

①應(yīng)力特征

A:第一主應(yīng)力矢量方向與邊坡面近平行,第一和第三主應(yīng)力基本呈隨距地表深度增加而應(yīng)力值增加的規(guī)律,應(yīng)力分布符合一般規(guī)律。

B:邊坡表面淺表部位出現(xiàn)小范圍的拉應(yīng)力。

C:在坡腳部位有一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

②塑性區(qū)分布特征

A:右壩肩邊坡坡腳局部以及滑裂縫中下部處于剪切屈服狀態(tài),中上部處于拉張屈服狀態(tài)。

B:在不同高程邊坡淺表層出現(xiàn)拉張破壞區(qū)。

正常蓄水位條件下右壩肩邊坡應(yīng)力變形及塑性區(qū)分布特征:

① 應(yīng)力特征分析:水庫(kù)蓄水后,水位線以下各類巖體逐步發(fā)生弱化、軟化,材料力學(xué)參數(shù)有所降低,右壩肩邊坡在坡腳和邊坡的淺表部拉應(yīng)力量值較蓄水前有所增大。② 塑性區(qū)分布特征:水庫(kù)蓄水后,右壩肩巖體內(nèi)的塑性區(qū)范圍明顯增大,特別是邊坡坡腳部位、截滲墻周圍部位以及正常蓄水位以下的部分巖體,都出現(xiàn)大范圍的拉剪破壞區(qū);滑裂縫內(nèi)的拉剪破壞區(qū)逐漸擴(kuò)大,并向邊坡表面延伸,邊坡表面及深部都出現(xiàn)較大范圍的拉剪破壞區(qū)。上述塑性區(qū)分布特征表明,水庫(kù)蓄水對(duì)右壩肩邊坡水位線以下巖體強(qiáng)度的弱化作用十分明顯,是右壩肩山體變形破壞加劇的主要誘因。③ 位移分布特征:水庫(kù)蓄水后,右壩肩邊坡巖體深部滑裂縫以外的傾倒變形體向坡外的水平位移較為明顯,最大位移出現(xiàn)在坡腳,量值可達(dá)25mm。由于巖性軟弱差異,右壩肩邊坡巖體表現(xiàn)出明顯的不均勻沉降變形特征,最大沉降可達(dá)15mm,特別是在坡腳及壩面以下截滲墻附近一定范圍內(nèi)的巖體,也出現(xiàn)不均勻的沉降位移變形,差異變形達(dá)到10mm左右。

4結(jié)論

4.1在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)資料分析和工程地質(zhì)條件分析的基礎(chǔ)上,研究認(rèn)為,組成右壩肩邊坡的泥巖、泥質(zhì)砂巖等結(jié)構(gòu)破碎的軟巖長(zhǎng)期浸水弱化和軟化,變形量相對(duì)較大,由于截滲墻的作用,致使截滲墻上、下游巖體的浸水邊界條件有所不同,從而導(dǎo)致截滲墻上、下游邊坡巖體也發(fā)生差異沉降變形。正是上述不均勻變形的影響導(dǎo)致混凝土截滲墻發(fā)生變形拉裂。

另外,靠邊坡外側(cè)的強(qiáng)傾倒體內(nèi)張性拉裂縫發(fā)育,充填物結(jié)構(gòu)疏松,架空結(jié)構(gòu)發(fā)育,巖體破碎,浸水后軟化變形量較大,右壩肩坡腳巖體變形主要表現(xiàn)為軟化坐落,不均勻沉降變形牽引上部山體沿底部順坡向滑裂縫向下錯(cuò)動(dòng)位移,導(dǎo)致1#、2#梁山體表面一定深度內(nèi)形成數(shù)條拉裂縫。這是右壩肩邊坡的主要變形機(jī)制?；谏鲜稣J(rèn)識(shí),初步認(rèn)為右壩肩邊坡連同壩體不存在沿深部滑裂縫整體滑動(dòng)失穩(wěn)的可能性。

4.2有限元數(shù)值模擬分析結(jié)果表明,水庫(kù)蓄水后右壩肩巖體內(nèi)的塑性區(qū)范圍明顯增大,特別是邊坡坡腳部位、截滲墻周圍部位以及正常蓄水位以下的部分巖體,都出現(xiàn)大范圍的拉剪破壞區(qū),同時(shí)由于張裂縫外側(cè)的巖體破碎,軟化后壓縮變形量大,而張裂縫內(nèi)側(cè)的巖體相對(duì)外側(cè)的巖體要完整,軟化后壓縮變形量較外側(cè)小,因此,在張裂縫兩側(cè)產(chǎn)生不均勻沉陷變形特征,特別是在坡腳及壩面以下截滲墻附近一定范圍內(nèi)的巖體,也出現(xiàn)不均勻的沉降位移變形。水庫(kù)蓄水對(duì)右壩肩邊坡水位線以下巖體強(qiáng)度的弱化作用十分明顯,是右壩肩山體變形破壞加劇的主要誘因。

參考資料

[1]克孜爾水庫(kù)初步設(shè)計(jì)階段地質(zhì)報(bào)告[J].

[2]克孜爾水庫(kù)除險(xiǎn)加固階段地質(zhì)報(bào)告[J].

[3]新疆渭干河克孜爾水庫(kù)右壩肩邊坡穩(wěn)定分析及加固措施研究報(bào)告[J].中國(guó)水利水電科學(xué)研究院2OO7年11月.