復(fù)雜地質(zhì)條件下壩肩抗滑穩(wěn)定計算及處理設(shè)計

符昌勝，汪 羅，馬富強

(貴州省水利水電勘測設(shè)計研究院有限公司，貴陽 550002)

1 工程概況

五嘎沖水庫工程位于貴州省普安縣境內(nèi)，水庫總庫容9 912×104m3，正常蓄水位1 337 m，工程規(guī)模為中型，工程等別為Ⅲ等。水庫樞紐區(qū)包括碾壓砼拱壩、壩頂溢洪道、泄洪沖沙底孔、發(fā)電及灌溉取水建筑物和電站廠房。碾壓混凝土雙曲拱壩最大壩高108 m，按2級建筑物設(shè)計。壩頂長186.43 m，壩頂寬6～6.6 m。拱冠梁底厚26 m，厚高比0.24，為中厚拱壩。

2 壩址地質(zhì)條件和地質(zhì)參數(shù)

壩址河道狹窄，兩岸陡峭，總體呈U形型深切河谷，河道走向總體呈S形，大壩下游河道約170 m向右轉(zhuǎn)彎形成右岸山脊地形，左岸山體雄厚，邊坡陡立高差約300 m。壩肩持力層出露地層主要為三迭系中統(tǒng)關(guān)嶺組中厚層灰?guī)r。巖層緩傾下游偏左岸，傾向53°，傾角7°～8°。

壩高范圍內(nèi)兩岸出露兩層軟弱夾層：①軟弱層2位于T2g2-1地層與T2g2-2地層分界處，處于壩高中部位置，厚0.8 m左右，成分為薄層泥灰?guī)r、泥質(zhì)白云巖及鈣質(zhì)泥巖。②泥化夾層(NJ1)處于壩高的中下部，為層間泥化夾層，厚25～27 cm,局部達30 cm,沿層面延伸，成分為黃色、黃褐色黏土夾碎石。

山體平行發(fā)育幾組卸荷裂隙，裂隙走向與河道走向夾角35°～40°，其中L1裂隙對大壩穩(wěn)定影響大。L1為一小型逆斷層，破碎帶寬約5～15 cm，斷距約25 cm，走向N60°E，與拱壩端面近平行，距離右岸壩頂約22 m，傾向SE或直立(傾角85°～90°)，可見溶蝕現(xiàn)象，延展性較好。L1裂隙在壩頂高程以上表現(xiàn)為多條裂隙組成的裂隙帶，向下切割逐步收攏為一道裂隙，同時裂隙本身存在一定的傾角，而且在垂向上也呈波浪狀扭曲。壩址物理力學(xué)指標(biāo)建議值見表1。

表1 壩址物理力學(xué)指標(biāo)建議值

3 計算方法及結(jié)論[1-2]

3.1 抗滑穩(wěn)定計算模式選取

右壩肩山體受巖層產(chǎn)狀、連通好的L1、L2裂隙和6組節(jié)理裂隙切割，形成如圖1所示的抗滑巖體獨立體。右岸裂隙產(chǎn)狀與壩肩位置關(guān)系見圖1。

圖1 右岸裂隙產(chǎn)狀與壩肩位置關(guān)系圖

右壩肩拱端不利地質(zhì)結(jié)構(gòu)面陡立的有：貫通的L1裂隙、巖體發(fā)育的裂隙①，緩傾的有位于壩高中間的軟弱層2和中下部的泥化夾層(NJ1)。根據(jù)《拱壩壩肩巖體穩(wěn)定分析》空間穩(wěn)定分析的分段等Kc值法中“在壩肩巖體中有底部水平結(jié)構(gòu)面及兩個鉛直結(jié)構(gòu)面呈折面滑移的空間穩(wěn)定分析”，采用等Kc法折線側(cè)滑面進行剛體極限平衡分析計算。結(jié)合裂隙玫瑰圖分析，裂隙②發(fā)育明顯，可作為兩個滑移塊體之間的錯動面，因此形成了由裂隙①和裂隙②切割形成的上游滑移塊Ⅰ、由裂隙②和L1切割形成的下游滑移塊Ⅱ。等Kc滑動模式計算示意圖見圖2。

圖2 等Kc滑動模式計算示意圖

此外，根據(jù)初設(shè)勘察，右岸山體發(fā)育有多條平行卸荷裂隙，L1下游不遠即有L2裂隙，因此假設(shè)下游繼續(xù)發(fā)育規(guī)模較小的平行裂隙，上述滑動模式中裂隙①與L1交點按不利滑動面對平行裂隙進行切割。平行卸荷裂隙與裂隙①組合形成的臺階擬合面，與L1夾角按5°～20°取值，壩肩至L1的裂隙①為上游滑面。

3.2 計算假設(shè)和計算公式

3.2.1 基本假定

1) 滑移體視為剛體，不考慮其中各部分間的相對位移。

2) 只考慮滑移體上力的平衡，不考慮力矩的平衡，認(rèn)為后者可由力的分布自行調(diào)整滿足，因此在拱端作用的力系中也不考慮彎矩的影響。

3) 忽略拱壩內(nèi)力重分布的影響，認(rèn)為拱端作用在巖體上的力系為定值。

4) 達到極限平衡狀態(tài)時，滑裂面上的剪力方向?qū)⑴c滑移的方向平行，指向相反，數(shù)值達到極限值。

3.2.2 計算公式

壩肩穩(wěn)定分析采用“剛體極限平衡法”，荷載組合與拱壩應(yīng)力計算組合一致。1、2級拱壩及高拱壩采用式(1)進行計算：

(1)

式中：K為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；N為垂直于滑裂面的作用力；T為沿滑裂面的作用力；A為計算滑裂面的面積；f1為抗剪斷摩擦系數(shù)；c1為抗剪斷凝聚力。

f1和c1值應(yīng)按相應(yīng)于材料的峰值強度(小值平均值)采用。對脆性破壞的材料，采用比例極限；對塑性或脆塑性破壞的材料，采用屈服強度；對已經(jīng)剪切錯斷過的材料，采用殘余強度。

3.3 荷載計算

拱端力系：采用ADASO程序計算得出的相應(yīng)各層拱圈在不同荷載組合下的拱端推力作為拱端力系。

抗滑巖體上游面水壓力P2：滲透壓力折減系數(shù)取0.35。根據(jù)地質(zhì)建議，裂隙①連通率約為40%，裂隙走向與拱肩推力、剪力合力方向基本一致，蓄水后合力不會導(dǎo)致裂隙連通率有大的變化，同時設(shè)計對壩肩進行固結(jié)灌漿，并對拱肩明顯的裂隙進行專門的追蹤鉆孔灌漿處理。綜合考慮，上游面水壓力根據(jù)裂隙貫通計算，并總體乘以0.5的折減系數(shù)。

滑塊Ⅰ底面揚壓力U2：就整個抗滑巖體底部揚壓力分部而言，上游近壩一側(cè)局部位于帷幕上游，水頭較高，但壩后即為臨空面，上游L1一側(cè)受帷幕和排水幕控制，水頭較低。同時結(jié)合滲流場分析，綜合考慮揚壓力僅作用于滑塊Ⅰ，滑塊Ⅱ不考慮揚壓力，滑塊Ⅰ揚壓力水頭為0.35倍水頭差，水頭不漸變。

滑塊Ⅰ巖體自重W2：巖體自重采用各高程平切面積計算，計算公式采用臺體體積公式，巖體容重取2.7 t/m3。平切面積含強風(fēng)化巖體，層面抗滑計算時不考慮強風(fēng)化巖體。

滑塊Ⅱ側(cè)面水壓力P3：采用各高程平切面計算側(cè)滑面水壓力，側(cè)滑面上游端水頭為相應(yīng)高程與水位高差的0.35倍，下游端為零。

滑塊Ⅱ底面揚壓力U3：結(jié)合滲流場分析，綜合考慮揚壓力僅作用于滑塊Ⅰ，U3=0。

滑塊Ⅱ巖體自重W3：巖體自重采用各高程平切面積計算，計算公式采用臺體體積公式，巖體容重取2.7 t/m3。平切面積含強風(fēng)化巖體，層面抗滑計算時不考慮強風(fēng)化巖體。

兩滑塊之間推力Q及推力角φ：兩滑塊之間推力為試算值，輸入Q值使得滑塊Ⅰ抗滑穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。推力角φ為錯動面上正應(yīng)力和剪應(yīng)力的合力角，φ取值需滿足兩個條件：Q力沿合力角分解后與其他荷載共同作用使得裂隙①面無拉應(yīng)力；錯動面可提供的抗剪斷力除Q力沿錯動面形成的剪力大于抗滑安全系數(shù)(錯動面抗剪斷面積取實際面積扣除強風(fēng)化后取80%)。

荷載分解：底滑面巖層傾下游偏左岸，傾角7.5°。滑塊Ⅰ計算時，考慮拱端豎向力W1和巖體自重W2沿層面向下游切向分力，分力分解方向同P1，巖層傾角按垂直裂隙①面的視傾角計算?；瑝KⅡ計算時，考慮拱端豎向力W3沿層面向下游切向分力，巖層傾角按沿L1走向的視傾角計算。

3.4 雙側(cè)滑面壩肩穩(wěn)定計算

對滑塊Ⅰ進行抗滑穩(wěn)定計算，計算簡圖見圖3。

注：ε：為巖層真傾角；ε′：巖層視傾角；S1：錯動面面積；S2：底面面積；S2′：側(cè)面面積。圖3 滑塊Ⅰ計算簡圖

對于滑塊Ⅰ安全系數(shù)采用式(2)進行計算：

(2)

同時對錯動面采用式(3)進行抗剪強度復(fù)核：

(3)

式中：f②′、c②′為裂隙②面裂隙與巖體抗剪斷參數(shù)的加權(quán)值；f′、c′為巖層層面與處理措施抗剪斷參數(shù)的加權(quán)值；S1考慮扣除強風(fēng)化層，乘以面積系數(shù)0.8。

對滑塊Ⅱ進行抗滑穩(wěn)定計算，計算簡圖見圖4。

對于滑塊Ⅱ采用式(4)進行安全系數(shù)：

注：ε：巖層真傾角；ε′：巖層視傾角；S3：底面面積；S3′：側(cè)面面積。圖4 滑塊Ⅱ計算簡圖

(4)

計算時，輸入Q值和φ值試算，使得滑塊Ⅰ抗滑安全系數(shù)和錯動面抗剪斷滿足規(guī)范要求。將Q值和φ值列入滑塊Ⅱ計算抗滑安全系數(shù)，若不滿足規(guī)范要求，則計算需補充的抗滑力。

3.5 計算結(jié)果

L1面未處理，底滑面采用層面參數(shù)，不同工況穩(wěn)定計算需補充抗滑力見表2。

表2 不同工況穩(wěn)定計算需補充抗滑力表

由表2可見，死水位水荷載小、校核洪水工況規(guī)范要求安全系數(shù)低，因此壩肩抗滑不利工況為正常蓄水位，尤其是溫升工況。

L1面處理后，底滑面采用層面參數(shù)，工況一、工況三穩(wěn)定計算需補充抗滑力見表3。

表3 工況一、工況三穩(wěn)定計算需補充抗滑力表(一)

L1面處理后，1 288和1 275 m高程采用軟弱層參數(shù)，其余采用層面參數(shù)，工況一、工況三穩(wěn)定計算需補充抗滑力見表4。

表4 工況一、工況三穩(wěn)定計算需補充抗滑力表(二)

L1面處理后，1 288和1 275 m高程采用抗剪平洞處理后加權(quán)參數(shù)，其余采用層面參數(shù)，工況一、工況三穩(wěn)定計算需補充抗滑力見表5。

表5 工況一、工況三穩(wěn)定計算需補充抗滑力表(三)

通過計算可見，右岸壩肩整體穩(wěn)定需通過L1處理和預(yù)應(yīng)力錨索提供6.63×104t抗滑力，其中L1處理提供5.33×104t抗滑力，預(yù)應(yīng)力錨索提供1.3×104t抗滑力。對于軟弱夾層，1 275 m高程需通過抗剪平洞提供2.47×104t抗滑力，1 288 m高程需通過抗剪平洞提供1.93×104t抗滑力。

4 加固處理措施[3-4]

4.1 L1裂隙處理

L1處理對拱壩右壩肩抗滑穩(wěn)定安全至關(guān)重要，同時也是壩肩壓縮變形控制的基礎(chǔ)。設(shè)計考慮對L1裂隙面進行置換處理，處理措施有兩個：①采用豎井+平洞沿裂隙面開挖，然后采用鋼筋混凝土充填開挖斷面，并對開挖斷面附近巖體進行固結(jié)灌漿；②以豎井和平洞作為施工通道，對豎井、平洞周邊裂隙進行高壓水沖洗，并采用C30一級配自密實混凝土回填。

4.2 緩傾軟弱層處理

根據(jù)抗滑穩(wěn)定計算，需對軟弱層處理，設(shè)計采用抗剪平洞進行面積置換?？辜羝蕉磳? m，高4.5 m，為城門洞型，沿軟弱層出露追蹤開挖，使得軟弱層位于洞身高度一半位置，平面布置結(jié)合前期勘探平洞進行布置，平洞開挖均位于弱風(fēng)化巖體內(nèi)。平洞開挖完成后，需對洞周巖體進行固結(jié)灌漿。

4.3 壩肩預(yù)應(yīng)力錨索設(shè)計

結(jié)合右岸山體地形、地質(zhì)和施工條件，錨索布置自下而上取3層分布。上層錨索布置高程1 320和1 318 m，共布置25束；中層錨索布置高程1 300、1 298和1 296 m，共布置45束；下層錨索布置高程1 281、1 279和1 277 m，共布置60束。

4.4 壩肩山體排水設(shè)計

根據(jù)抗滑穩(wěn)定計算分析，壩肩山體滲水對穩(wěn)定影響較大，因此需對右岸抗滑山體采取系統(tǒng)截水和排水措施。主要有：①兩層帷幕灌漿平洞進行壩肩帷幕灌漿，同時下層灌漿平洞下游側(cè)設(shè)排水幕；②利用勘探平硐穿過L1部分作為排水洞，對L1靠山一側(cè)進行排水；③抗滑巖體臨河一側(cè)設(shè)置排水孔；④兩層施工平洞臨近L1部分不襯砌，作為平行L1的其他裂隙排水通道；⑤對抗滑山體頂部地表進行截水覆蓋，地表裂隙進行封堵。

4.5 下游山體護腳處理

壩肩右岸山體巖層傾下游偏左岸，地形陡峭，局部有倒懸，卸荷裂隙發(fā)育，巖體完整性較差。護腳采用C25鋼筋混凝土護腳，沿消力池護坦右側(cè)向下游布置，長64 m。

5 結(jié) 語

五嘎沖拱壩右壩肩地質(zhì)條件復(fù)雜，受其中L1裂隙、軟弱層2和NJ1的影響，壩肩穩(wěn)定計算成果不滿足規(guī)范要求。設(shè)計采用L1裂隙和軟弱層置換、預(yù)應(yīng)力錨索和護腳加固、減少山體滲水等綜合措施進行處理，保證了大壩的抗滑安全，也能為同類工程提供借鑒與參考。