固軍水庫重力壩幾個(gè)設(shè)計(jì)要點(diǎn)回顧

曹龍江

(四川省水利規(guī)劃研究院，成都，610072)

1 基本情況

固軍水庫大壩為碾壓混凝土重力壩，河床位置中間布置含2個(gè)泄洪表孔和2個(gè)泄洪底孔的壩段，非溢流壩段布置在兩側(cè)。泄洪及非溢流壩段最大壩高均為77.6m，壩頂高程497.60m，建基面最低高程為420.00m，水庫正常蓄水位494.00m。大壩壩址區(qū)置于互層狀的巖屑砂巖、含煤砂巖地基上，相同巖性地基在河床壩段與岸坡壩段的抗剪指標(biāo)和地基承載力也存在差異，巖體軟弱夾層較多，總體地質(zhì)條件較差。上游立視、地基情況如圖1、圖2所示。

圖1 重力壩上游立視

圖2 壩基地質(zhì)

2 壩體基本三角形體型設(shè)計(jì)

根據(jù)重力壩規(guī)范，具有代表性的非溢流壩段基本斷面呈三角形，其頂點(diǎn)宜在水庫最高靜水位附近，下游壩坡在1∶0.6～1∶0.8之間，在滿足壩體抗滑穩(wěn)定及地基承載力要求情況下，力求采用工程量最小斷面。固軍水庫大壩地基為互層狀的巖屑砂巖、含煤砂巖地基，總體傾下游，根據(jù)建基要求，按各壩段位置，壩體分別建基于新鮮及弱風(fēng)化基巖上。在設(shè)計(jì)中，通過粗?jǐn)M基本三角形斷面進(jìn)行試算，由于壩基開挖后，壩基無法避免置于含煤砂巖巖層上，弱風(fēng)化含煤砂巖承載力較低，在1MPa～1.5MPa之間，在將下游壩坡設(shè)至最緩1：0.8后，依然不能滿足其承載力要求，因此設(shè)計(jì)將壩體基本三角形頂點(diǎn)調(diào)整至最高靜水位以上較多，約為5m，且在壩頂高程以上，以加大壩體底寬，改善應(yīng)力分布，使其滿足地基承載力要求。故為滿足較差的地質(zhì)條件要求，固軍大壩基本三角形體型設(shè)計(jì)稍大，與規(guī)范建議對比示意見圖3所示。

圖3 壩體體型基本三角形頂點(diǎn)位置設(shè)計(jì)示意

3 深層抗滑問題

3.1 深層抗滑計(jì)算模式確定

大壩地基為互層狀的巖屑砂巖、含煤砂巖，巖層總體傾下游，與水平面夾角約-25°，層疊狀，巖體中各類結(jié)構(gòu)面較發(fā)育，層狀結(jié)構(gòu)面包括層間錯(cuò)動(dòng)帶、軟弱夾層、煤層和層面，均與巖層層面平行，這類巖體構(gòu)造帶來的突出問題即為大壩深層抗滑，而這些軟弱結(jié)構(gòu)面將構(gòu)成壩基巖體深層滑移的主滑面即第一滑面。由于壩基下游不存在自然陡立的滑移臨空面，因此根據(jù)規(guī)范相關(guān)建議，固軍大壩應(yīng)該按雙斜面組合滑動(dòng)模式進(jìn)行。

根據(jù)地基地質(zhì)情況分析研究，壩基各類軟弱夾層在壩址范圍幾乎均勻分布，且平行于巖層層面，傾下游，在推薦壩線位置相對好于其余部位，綜合研判后主要有6條連通性較好的軟弱夾層控制深層抗滑穩(wěn)定性，見圖2。這6條軟弱面基本在上游壩踵附近出露，對于在壩基中下游范圍出露的軟弱面，設(shè)計(jì)認(rèn)為第一滑面向上延伸后穿過壩體，而壩體厚度大，其抗剪指標(biāo)較高，滑動(dòng)可能性較小，因此不納入核算范圍。這6條軟弱夾層分別屬于雙斜面滑動(dòng)模式的第一滑面，其位置、向下游傾角都是確定的。而第二滑面為向下游延伸至表面的傾向上游的斜面。上下游兩個(gè)組合滑面交點(diǎn)在壩址處假定的拉裂鉛直面上。從地基地質(zhì)勘探情況分析，巖體并不存在沿第二滑面趨勢方向的明顯軟弱夾層，因此第二滑面的滑出傾角將存在不確定性，即與第一滑面組合的第二滑面將有無數(shù)個(gè)，但計(jì)算中可以采用有限歸納法，即用有限的滑面進(jìn)行計(jì)算，統(tǒng)計(jì)內(nèi)插，逼近最小的安全系數(shù)，得出可以采用的結(jié)果。因此第二滑面擬定了從較陡至較緩的傾角，范圍與水平面夾角從65°到15°，間隔5°，共計(jì)11個(gè)角度滑面，分別與6個(gè)確定的第一滑面組合，進(jìn)行雙斜面深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算。每個(gè)需要計(jì)算的典型壩段均按上述方法進(jìn)行。計(jì)算模式選擇如圖4所示。

圖4 混凝土重力壩壩基深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算雙滑面擬定示意

3.2 深層抗滑各滑面抗剪參數(shù)的選取

壩基巖體順層面分布較多軟弱夾層，組成性質(zhì)不同、長短各異，連通性也不同。上游第一滑面根據(jù)地質(zhì)剖面對相應(yīng)滑面上的軟弱夾層、正常層面長度界定，采用按長度加權(quán)平均的方法對抗剪指標(biāo)進(jìn)行綜合取值，作為第一滑面的計(jì)算用抗剪指標(biāo)，各類層面抗剪指標(biāo)初始值均取地質(zhì)提供范圍值的中間值，正常巖層沿滑面取順層指標(biāo)。

第二滑動(dòng)面與巖體層面夾角較大，也無明顯軟弱夾層，可以使用切層抗剪指標(biāo)，但巖體裂隙分布對抗剪指標(biāo)的降低存在不利影響，因此第二滑動(dòng)面性質(zhì)如何確定至關(guān)重要。固軍大壩壩基巖體根據(jù)岸坡基巖裂隙情況精細(xì)測量統(tǒng)計(jì)，提出了第二滑面在不同傾角情況下的巖體裂隙分布情況，采用裂隙連通率來考慮裂隙對切層抗剪指標(biāo)的降低影響。具體計(jì)算方法如下：首先量測地質(zhì)剖面圖中第二滑面穿過不同巖層的厚度，按厚度進(jìn)行加權(quán)平均計(jì)算完整巖體的切層抗剪指標(biāo)1；再考慮裂隙的影響，裂隙考慮充填物的影響，單獨(dú)提出抗剪指標(biāo)；再按裂隙連通率將前面計(jì)算所得切層抗剪指標(biāo)1與裂隙抗剪指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)平均，算得第二滑動(dòng)面最終采用的計(jì)算用抗剪指標(biāo)。裂隙連通率依據(jù)地質(zhì)統(tǒng)計(jì)資料，隨第二滑動(dòng)面與水平面夾角變化而不同。

3.3 深層抗滑計(jì)算結(jié)果與地基處理方案

根據(jù)上述確定的計(jì)算方法，設(shè)計(jì)對幾乎每一個(gè)壩段都進(jìn)行了計(jì)算，對計(jì)算結(jié)果分析認(rèn)為，除岸坡壩段深層抗滑滿足規(guī)范要求外，壩體高度最高的河床范圍壩段均不滿足要求。圖5為具有代表性的最高溢流壩段計(jì)算結(jié)果示意(第一滑面為6個(gè)滑面之一J3，橫坐標(biāo)為第二滑面與水平面夾角15°～65°，縱坐標(biāo)為安全系數(shù))。

圖5 地基處理前溢流壩段第一滑面為J3時(shí)的安全系數(shù)隨第二滑面夾角變化

從圖5可以看出，各種工況均出現(xiàn)小于規(guī)范規(guī)定的基本工況3.0，特殊工況(無地震)2.5的安全系數(shù)。

因此，固軍大壩需要采取工程措施進(jìn)行地基處理，設(shè)計(jì)通過對控制性軟弱滑面在地基范圍的分布情況分析，從抗剪洞塞、抗滑樁、抗滑齒槽等方案中確定了抗滑齒槽方案。該方案處理第一滑面靠近上游壩踵壩基的范圍，處理難度小、可靠性高，具體思路為挖除該范圍軟弱結(jié)構(gòu)面，置換為混凝土地基，提高第一滑面綜合抗剪指標(biāo)。由于第一滑面共6條，在壩基分布深度不同，抗滑齒槽施工難度隨開挖深度加大而加大，設(shè)計(jì)擬定了不同的齒槽置換深度和寬度，進(jìn)行了深層抗滑試算，埋深較小的J1-J5條第一滑面均考慮采用抗滑齒槽處理，埋深最大的J6由于深度太大，且即使不采取工程措施處理，其安全系數(shù)僅個(gè)別工況略小于規(guī)范要求，因此，設(shè)計(jì)對是否有必要采用整體加深齒槽或單獨(dú)采用抗剪洞方案處理J6進(jìn)行了研究。由于抗剪洞僅需要布置一個(gè)，而其附加臨時(shí)施工工程量很大，且軟弱夾層的位置需要增加大量地質(zhì)工作才能準(zhǔn)確定位，難度太大，結(jié)合J6埋深較大，有很多有利因素并未考慮進(jìn)入計(jì)算(比如兩側(cè)的巖體凝聚力c)，最終確定不采用任何處理措施，而是通過對地質(zhì)參數(shù)的進(jìn)一步復(fù)核優(yōu)化，滿足了J6滑面的深層抗滑要求。圖6為大壩地基處理及具有代表性的最高溢流壩段處理后計(jì)算結(jié)果(第一滑面為6個(gè)滑面之一J3，橫坐標(biāo)為第二滑面與水平面夾角15°～65°，縱坐標(biāo)為安全系數(shù))。

圖6 地基處理后溢流壩段第一滑面為J3時(shí)的安全系數(shù)隨第二滑面夾角變化

整個(gè)抗滑齒槽，深度約20m，位于上游壩踵下部河床壩基范圍。需要說明的是，抗滑齒槽均位于大壩建基面以下，低于原始河床表面，沒有隨壩段分縫設(shè)置貫通縫，而是整體澆筑，作為地基對待。處理方案如圖7所示。

圖7 混凝土重力壩壩基置換齒槽方案示意

在深層抗滑計(jì)算中，設(shè)計(jì)對下游抗力體的計(jì)算考慮如下：大壩下游原狀基巖、擋土墻及回填土等可靠重量可納入抗力體計(jì)算；泄洪時(shí)，消力池內(nèi)的水重納入計(jì)算，但為安全計(jì)，采用收縮水深水位對應(yīng)水重，而第二滑面揚(yáng)壓力采用下游洪水位對應(yīng)水深。

4 岸坡壩段側(cè)向穩(wěn)定問題

根據(jù)重力壩規(guī)范對岸坡壩段的側(cè)向穩(wěn)定計(jì)算建議，較陡的岸坡壩段，宜按整個(gè)壩段三向荷載的合力方向分析計(jì)算其抗滑穩(wěn)定性，參考該條款條文說明。若岸坡較平緩，開挖后形成的分級平臺(tái)高差不大，岸坡壩段的抗滑穩(wěn)定計(jì)算可采用水平建基面的抗滑穩(wěn)定計(jì)算公式；若岸坡較陡，計(jì)算時(shí)宜按合力計(jì)算其抗滑穩(wěn)定。固軍大壩每個(gè)岸坡壩段建基面開挖為臺(tái)階型，一般為2～3個(gè)臺(tái)階，平臺(tái)總寬度均超過壩段寬度1/3，并保持下部平臺(tái)較寬。

固軍岸坡壩段采用沿水平建基面方向的抗滑穩(wěn)定計(jì)算方法，計(jì)算時(shí)臺(tái)階斜面上的揚(yáng)壓力作用方向沿斜面的法向，分解到水平和垂直方向后分別合并帶入公式計(jì)算即可，計(jì)算時(shí)考慮壩段兩側(cè)分縫處縫面作用側(cè)向水壓力，大小根據(jù)下游水位水深計(jì)算，水平建基面方向計(jì)算結(jié)果均能滿足抗剪斷公式安全系數(shù)要求。

設(shè)計(jì)也研究了按合力計(jì)算其抗滑穩(wěn)定的情況，由于岸坡壩段壩基開挖為臺(tái)階型，其真實(shí)滑動(dòng)方向和滑動(dòng)型式是難以確定的，并不是簡單的單一斜面滑動(dòng)，尚缺少合理的計(jì)算方法，設(shè)計(jì)參考《潘家錚全集(第2卷)：重力壩的設(shè)計(jì)和計(jì)算》(北京：中國電力出版社，2016)一書，近似按類似條分法，將岸坡壩段分為平段、斜面段，分別按三向合力計(jì)算各條塊沿相應(yīng)斜面的滑動(dòng)力、抗滑力分力，匯總后按抗剪斷公式計(jì)算，其安全系數(shù)隨選取的組合滑面型式各不相同，組合滑面型式見圖8。按圖8(a)組合滑面計(jì)算的安全系數(shù)基本能滿足要求，按圖8(b)組合滑面計(jì)算的安全系數(shù)大部分岸坡壩段不能滿足要求，兩個(gè)組合滑面方案的差異主要體現(xiàn)在滑面穿過的地基或結(jié)構(gòu)范圍不同，滑動(dòng)趨勢也有所差異。由于圖8(b)組合滑面受下部平臺(tái)影響滑動(dòng)趨勢并不明顯，且類似條分法沒有考慮相鄰條塊的相互作用力，設(shè)計(jì)認(rèn)為其計(jì)算缺乏合理性。因此，固軍大壩沒有采用組合滑面類型合力計(jì)算模式成果，僅按水平建基面方向計(jì)算結(jié)果控制岸坡壩段穩(wěn)定性。但筆者認(rèn)為按圖8(a)組合滑面是有滑出可能的，計(jì)算的結(jié)果具有一定指導(dǎo)意義，此時(shí)滑面穿越混凝土結(jié)構(gòu)范圍較大，而混凝土抗剪指標(biāo)較高，容易滿足要求，若不滿足安全系數(shù)規(guī)定宜采取工程措施，例如橫縫灌漿、加大平臺(tái)寬度、減小臺(tái)階高差等。

5 結(jié)語

固軍水庫重力壩地基由于地質(zhì)條件較差，設(shè)計(jì)計(jì)算需要研究的問題具有一定代表性，本文在有限的幾個(gè)方面做了較為淺表的回顧論述，實(shí)際工作中設(shè)計(jì)上開展了大量的深入研究和探討，才總結(jié)出了一些較為合適、實(shí)用的設(shè)計(jì)方法，對類似工程的設(shè)計(jì)具有一定借鑒意義。