某混凝土重力壩深層地基抗滑穩(wěn)定性分析

張 坤 （安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院，安徽 合肥 230032）

1 工程概況

某工程為一座混凝土重力壩，壩頂高程391.70m，最大壩高36.7m，是一座中高等大壩。

1.1 水文地質(zhì)條件

工程流域內(nèi)植被情況尚好，水土流失不嚴(yán)重，泥沙不多。流域內(nèi)多年平均降水量923mm，最大年降水量1255mm（1984年），最小年降水量613mm（1976年）。每年4～10月為汛期，暴雨多出現(xiàn)在7～9月。三個(gè)典型年分別為：豐水年（P=15%）1989年，平均流量20.7m3/s；平水年（P=50%）2001年，平均流量15.10m3/s；枯水年（P=85%）1990年，平均流量為10.60m3/s。

1.2 工程地質(zhì)條件

工程流域內(nèi)出露的地層為一套寒武系～志留系的碎屑巖建造，總厚度大于1800m。河床的主要巖性有：礁灰?guī)r、泥質(zhì)條帶灰?guī)r、粉砂質(zhì)絹云母板巖、含粉砂質(zhì)絹云母板巖夾炭質(zhì)板巖和透鏡狀灰?guī)r。壩址基巖主要為絹云母泥質(zhì)、砂質(zhì)板巖夾炭質(zhì)板巖，屬Ⅳ類較軟巖。

壩址地質(zhì)條件復(fù)雜，存在多種地質(zhì)構(gòu)造。壩踵處有傾向下游的斷層，下游壩基內(nèi)有傾向上游的緩傾斷層和破碎帶。這些軟弱結(jié)構(gòu)相互交錯(cuò)組合，形成多條潛在的雙向滑移面。

2 拉沙孔壩段抗滑穩(wěn)定性分析

2.1 模型建立

選取某混凝土重力壩的拉沙孔壩段為研究對(duì)象，根據(jù)有限元分析計(jì)算范圍確定：地基巖體高取2倍壩高，長取5倍壩高，裂縫寬度取0.1m，建立三維數(shù)值網(wǎng)格模型，具體見圖1。計(jì)算單元采用四節(jié)點(diǎn)等參單元，4357個(gè)單元，8994個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖1 三維模型網(wǎng)格及材料劃分示意圖

2.2 邊界條件

模型除壩基頂面設(shè)為自由面，其余5面都在該面垂直方向施加邊界約束條件。

施加荷載為：上游靜水壓力為4268.58kN、下游靜水壓力為50.23kN、上游淤沙壓力為380.94kN、壩基揚(yáng)壓力2805.75kN，浪壓力相對(duì)較小，忽略不計(jì)。

2.3 參數(shù)擬定

根據(jù)相關(guān)資料關(guān)于巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)數(shù)據(jù)及相關(guān)參數(shù)建議值，確定混凝土重力壩和壩基物理力學(xué)參數(shù)見表1。

物理力學(xué)參數(shù) 表1

3 拉沙孔壩段抗滑穩(wěn)定性分析結(jié)果

3.1 壩體應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果分析

通過對(duì)混凝土重力壩進(jìn)行有限元分析得出壩體X、Z方向應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D，具體見圖2、圖3。

從圖2（a）看出，由于大壩上游承受上游水壓力和淤沙壓力，位移較大的地方集中在大壩上游底端。由圖2（b）看出，由于大壩在重力作用下產(chǎn)生沉降，壩頂產(chǎn)生最大豎向位移，其次是壩底。從圖3（a）看出，應(yīng)力集中的地方位于大壩上游底端和下游破碎帶附近；上游底端承受水壓力和淤沙壓力，下游破碎帶附近承受沿斜面向上的剪力。由圖3（b）可知，Z方向應(yīng)力由上向下逐漸增大，最大應(yīng)力在所建模型底部。

圖2 混凝土重力壩X、Z方向位移云圖（m）

圖3 混凝土重力壩X、Z方向應(yīng)力云圖（pa）

圖4 雙斜面滑動(dòng)受力分析

3.2 滑動(dòng)面應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果分析

本次計(jì)算的大壩壩段為拉沙孔壩段，地基深層的主要滑動(dòng)形式為雙斜面滑動(dòng)。將雙斜面所組成的巖體ABC分為ABD和BCD兩塊，受力分布如圖4所示：

3.2.1 AB滑動(dòng)面

AB滑動(dòng)面是由上游向下傾斜的破碎帶組成，是雙斜面滑動(dòng)的第一個(gè)滑動(dòng)面。AB面應(yīng)力分布見圖5。

圖5 AB滑動(dòng)面X、Z方向應(yīng)力云圖（pa）

上圖可知，AB面左端承受拉應(yīng)力，右端承受壓應(yīng)力，說明下游區(qū)域地基對(duì)ABD區(qū)域有支撐作用。AB面承受彎矩，左端受揚(yáng)壓力的作用有向上位移的趨勢，右端由于重力克服揚(yáng)壓力，向下沉降。

3.2.2 BC滑動(dòng)面

BC面由大壩下游傾斜的破碎帶組成。由于重力壩有對(duì)下游地基強(qiáng)度穩(wěn)定的依賴性，所以一旦下游地基變形破壞，重力壩就會(huì)崩塌。BC面應(yīng)力云圖見圖6。

圖6 BC滑動(dòng)面X、Z方向應(yīng)力云圖（pa）

由圖6可知：BC面左端承受拉應(yīng)力，右端承受壓應(yīng)力。BD面承受彎矩，左端在重力的作用下，產(chǎn)生沉降；右端在揚(yáng)壓力的作用下，有向上位移的趨勢。

3.3 應(yīng)力狀態(tài)分析

3.3.1 計(jì)算AB面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

通過截取滑動(dòng)面AB在工作平面上的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力情況確定單元應(yīng)力 σx、σz、τxz和斜面應(yīng)力 σx’、τxz’。

節(jié)點(diǎn)之間的平均長度均為1.936m，計(jì)算剪切應(yīng)力∑σx’得到沿斜面方向的推力∑P，計(jì)算法向應(yīng)力∑τxz’得到垂直于斜面的壓力∑G。通過抗剪斷強(qiáng)度公式得到AB面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

式中：f為抗剪斷強(qiáng)度，f=0.3；c為凝聚力，c=0.02；A為滑動(dòng)面接觸面積，A=42.7m。

計(jì)算得K1=1.488，表示AB面抗滑穩(wěn)定。

3.3.2 計(jì)算BC面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

通過截取滑動(dòng)面BC在工作平面上的節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力情況確定單元應(yīng)力 σx、σz、τxz和斜面應(yīng)力 σx’、τxz’。

節(jié)點(diǎn)3456～3513的17個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)之間平均長度均為1.89m，節(jié)點(diǎn)3513～2450的3個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)之間平均長度均為1.553m，節(jié)點(diǎn)2450～2445的7個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)之間平均長度均為1.756m。計(jì)算剪切應(yīng)力∑σx’得到沿斜面方向的推力∑P，計(jì)算法向應(yīng)力∑τxz’得到垂直于斜面的壓力∑G。

通過式（1）得到BC面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。K2=0.97，表示BC面有滑動(dòng)失穩(wěn)的可能性。

4 結(jié)論

本文以某混凝土重力壩拉沙孔壩段為例，通過有限元分析拉沙孔壩段深層地基的抗滑穩(wěn)定性，計(jì)算出斜面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，主要得到以下結(jié)論。

①由拉沙孔壩段應(yīng)力應(yīng)變分析可知，由于受上游水壓力和淤沙壓力影響，應(yīng)力應(yīng)變較大的地方集中在大壩上游底端，且下游破碎帶附近應(yīng)力也較大，并受沿斜面向上的剪力；通過對(duì)滑面應(yīng)力應(yīng)變分析得出，AB面左端承受拉應(yīng)力，右端承受壓應(yīng)力，說明下游區(qū)域地基對(duì)ABD區(qū)域有支撐作用。BC面左端承受拉應(yīng)力，右端承受壓應(yīng)力。

②通過計(jì)算拉沙孔壩段深層地基雙斜面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K1、K2可以看出，AB滑面抗滑穩(wěn)定，而BC滑面有滑動(dòng)失穩(wěn)的可能性，為防止大壩失穩(wěn)破壞，需要對(duì)大壩地基進(jìn)行相應(yīng)的加固措施。