云河拱壩抗滑穩(wěn)定分析

靳筱宏

（漢中市水利水電建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)院 陜西 漢中 723000）

1 工程概況

云河水利水電工程樞紐拱壩位于南鄭縣城西南40km的鋼廠鄉(xiāng)境內(nèi)，系由云河龍門埡河谷建壩向濂水河紅寺壩灌區(qū)補(bǔ)水并結(jié)合發(fā)電的一項(xiàng)中型跨流域引水綜合利用工程，水庫(kù)樞紐為中型三等，工程建筑物按地震烈度六度設(shè)防，大壩設(shè)計(jì)洪水位894.90m（P=2%），校核洪水位 896.5m（P=0.2%），溢流堰頂高程（正常蓄水位）890.40m，死水位867.70m，壩頂高程897.5m，河床建基面高程830.00m，最大壩高67.5m。

由于壩址區(qū)地形極不對(duì)稱，左右壩肩巖體物理力學(xué)指標(biāo)相差較大，設(shè)計(jì)采用拋物線變厚切縫重力拱壩，左右壩端875m高程以上采用重力壩，切豎向縫，使拱端推力分布到830m至875m高程，最終確定的拱壩體型為變厚拋物線切縫雙曲重力拱壩，壩高67.5m，壩頂寬4m,拱冠梁27m，厚高比0.4，左壩端厚（830）30.082m,右壩端厚（830）28.524m，壩頂至875m高程切豎向永久縫13條，其中參考軸以左7條，參考軸以右6條，縫底高程為889.5m～875m不等，立面上縫底連線近似為拋物線，左右兩邊縫以外各設(shè)長(zhǎng)8m的重力壩與壩肩銜接。壩頂長(zhǎng)162.74m，中心角82°，弦高比近似為1.34。

2 壩址處工程地質(zhì)概況

壩址位于云河峽谷段，主河道由南向北至壩軸線下游50m后成45°折轉(zhuǎn)由南東向西北流，河谷地形逐漸開闊，河谷深切為“V”型，河床寬度約25m～30m，河床基巖面高程831m～833m，兩岸對(duì)稱性差，基巖裸露，左岸山坡稍凸向河谷，自然坡度45°～60°，坡面平整，右岸山坡彎向坡內(nèi)，沖溝發(fā)育，坡度均勻性差，局部為倒或直立坡。

壩址區(qū)巖性主要為下元古代流紋質(zhì)碎熔巖、碎裂流紋質(zhì)碎屑（角礫）熔巖、輝綠巖脈，其次在河床和緩坡段分布有第四系松散覆蓋層，巖石共同點(diǎn)是“硬、脆、碎”。壩址區(qū)地質(zhì)構(gòu)造形跡主要為斷層、裂隙和節(jié)理。

2.1 斷層

壩址區(qū)斷層發(fā)育，總計(jì)14條，按走向可分為四組，分別是近SN-NNW向、NW向、NE向和EW向。除EW向?yàn)閺埿哉龜鄬油?，其余均為壓扭性逆斷層，其中?guī)模較大、延伸較遠(yuǎn)、貫穿壩址區(qū)的斷層有F15、F10、F104、F101 四條，F(xiàn)15 斷層，近 SN向，傾向坡內(nèi)55°～75°，出露于左岸900m高程附近，破碎帶寬達(dá)18.50m。F101斷層為NNW向，傾向坡內(nèi)75°左右，破碎帶寬度變化較大，約0.02m～1.40m。F10斷層及F104斷層均位于右岸，其中F10斷層與F101為一組平行斷層，間距 2m～2.5m，走向 N37°～42°W，傾向NE∠77°～88°，F(xiàn)104斷層出露于875m高程附近，走向N13°～45°W，傾向NW∠63°～88°，為影響右岸拱座穩(wěn)定的主要結(jié)構(gòu)面。

2.2 裂隙

壩址裂隙據(jù)統(tǒng)計(jì)有200多條，發(fā)育程度及切割強(qiáng)度受主干斷層F15控制，產(chǎn)狀及力學(xué)性質(zhì)與主要斷層（F15、F10、F104、F101）一致，裂隙、節(jié)理很發(fā)育，按走向可分為近SN-NNW向、NW向、NE向，近EW向及緩傾角等5組，①SN-NNW向組，裂隙寬一般0.1cm～0.3cm，個(gè)別為0.5cm～5cm，綠色泥質(zhì)充填，軟塑，局部為巖屑或泥夾巖屑充填，局部裂面平直光滑，以扭性為主。②NW向組與NE向組力學(xué)性質(zhì)均以扭性為主，寬度約20cm，延伸長(zhǎng)度約5.0m，裂面光滑，泥質(zhì)充填或不充填。③EW向組，力學(xué)性質(zhì)以張扭性為主，裂面粗糙，以直立的陡傾角為主，出露線平行于地形等高線。④緩傾角裂隙組，主要分布于河谷近谷地部位，走向大致平行地形走向，延伸長(zhǎng)度2m～5m，以卸荷回彈張裂隙及巖漿冷凝原生節(jié)理為主。

根據(jù)壩址區(qū)地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造及巖體風(fēng)化程度，漢中市水利水電設(shè)計(jì)院地質(zhì)組多次邀請(qǐng)有關(guān)專家商討，提出地質(zhì)物理力學(xué)指標(biāo)，附圖1即為拱壩軸線壩基巖體力學(xué)參數(shù)分區(qū)圖（力學(xué)參數(shù)表略）。

3 穩(wěn)定分析

首先分析兩岸巖體的工程地質(zhì)及水文地質(zhì)資料，了解巖石結(jié)構(gòu)面以及結(jié)構(gòu)面中填充物的物理力學(xué)特性，特別注意查明影響巖體滑動(dòng)的主要軟弱結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀、不平整度、連同率、有無(wú)填充物和錯(cuò)動(dòng)情況，以及結(jié)構(gòu)面的可能組合和拱座巖體內(nèi)地下滲流的性質(zhì)及分布特性，并合理選用設(shè)計(jì)參數(shù)。同時(shí)研究和確定作用在拱座上的各種作用力，并采用合理的穩(wěn)定分析方法。

3.1 滑動(dòng)面的確定

根據(jù)地質(zhì)資料分析，左岸地質(zhì)條件較右岸差，根據(jù)各結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀，對(duì)以下幾種情況進(jìn)行了穩(wěn)定分析計(jì)算。

3.1.1 左岸穩(wěn)定性分析

第一種，底滑面水平，側(cè)滑面為經(jīng)過(guò)875m高程拱端上壩趾沿F15主走向N15°W的鉛直面（實(shí)際傾坡內(nèi)），對(duì)不同高程以上切割的巖體進(jìn)行整體穩(wěn)定分析。

第二種，側(cè)滑面仍為沿F15主走向的鉛直面，底滑面傾向下游10°，對(duì)不同高程（壩上游）以上切割的巖體進(jìn)行整體穩(wěn)定分析。

第三種，側(cè)滑面按L14、L15或組裂隙主走向N10W的鉛直面（實(shí)際傾坡內(nèi)），底滑面水平，對(duì)不同高程以上切割的巖體進(jìn)行整體穩(wěn)定分析。

第四種，滑移面同第三種，分臺(tái)階（5m或10m）進(jìn)行穩(wěn)定分析計(jì)算。

3.1.2 右岸穩(wěn)定性分析

側(cè)滑面按F104主走向N35°W的鉛直面，底滑面水平，分臺(tái)階（5m或10m）進(jìn)行穩(wěn)定分析計(jì)算（從地質(zhì)平切圖看），870m以上拱端穿過(guò)F104，860m～830m高程范圍各層拱端基本位于F104附近，計(jì)算中從860m高程處切剖面至830m高程）。

3.2 基本假定及地質(zhì)力學(xué)參數(shù)的取值

（1）計(jì)算中假定滑體為剛體，不要考慮其中各部分的相對(duì)位移及力矩平衡條件，忽略拱壩內(nèi)力重分布作用，不計(jì)算滑面（鉛直面）以外傾向坡內(nèi)的巖體自重及滲壓。

（2）地質(zhì)參數(shù)直接采用地質(zhì)建議值。

3.3 滑移體上作用的荷載計(jì)算

作用在滑移體上的荷載包括拱端傳給巖體的三向推力，巖體上游面（庫(kù)內(nèi)）所受水壓力，底、側(cè)滑面上的滲壓，底側(cè)滑面上巖體間的凝聚力和摩擦力以及滑體自重。

3.4 計(jì)算結(jié)果

采用剪摩公式計(jì)算。根據(jù)不同荷載組合計(jì)算各種滑動(dòng)面組合情況下的穩(wěn)定安全系數(shù)，發(fā)現(xiàn)各工況下抗滑安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。左岸第二種、第四種滑動(dòng)面情況下抗滑最為不利，最小安全系數(shù)為2.58。詳見表 1，表 2。

從剛體極限平衡理論計(jì)算的拱座穩(wěn)定安全系數(shù)分析，左岸應(yīng)加強(qiáng)基礎(chǔ)處理工作，特別是拱端徑向及豎向抗滑安全幅度較小。

4 存在的問題及評(píng)價(jià)

4.1 存在的問題

（1）地質(zhì)力學(xué)參數(shù)只能通過(guò)有限的幾個(gè)點(diǎn)或線去測(cè)定，不可能做到全面、準(zhǔn)確。

（2）計(jì)算中的基本假定，主要指滑移面的假定不可能與實(shí)際完全相符。

（3）計(jì)算作用與可滑移體上的荷載與實(shí)際可能有所出入。

4.2 綜合評(píng)價(jià)

由于采用剛體極限平衡法進(jìn)行穩(wěn)定分析中存在不同程度的假定，是一種較為粗略的方法，成果具有近似性。在云河這種地形、地質(zhì)較為惡劣的條件下，雖對(duì)各種情況均做了計(jì)算，計(jì)算安全系數(shù)也達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但計(jì)算中許多問題考慮不很嚴(yán)謹(jǐn)，應(yīng)通過(guò)有限元分析或地質(zhì)模型試驗(yàn)結(jié)果予以驗(yàn)證，并進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。陜西水利

[1]潘家錚，黎展眉編.拱壩[M].水利電力出版社,1982年.

[2]《混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL25-91）.水利電力出版社,1991年.

[3]《水工設(shè)計(jì)手冊(cè)》第五卷-混凝土壩[M].水利電力出版社,1982年.

[4]漢中市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院.南鄭縣云河水利水電工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告[R]、南鄭縣云河水利水電工程初步設(shè)計(jì)地質(zhì)報(bào)告[R].1997.

[5]王漢杰主編.水資源工程學(xué)[M].農(nóng)業(yè)出版社，1990年.

[6]耿克勤、吳永平編.云河拱壩及壩肩巖體的三維非線性有限元分析[M]，中國(guó)水科院，1999年.