黃河龍口水利樞紐大壩抗滑穩(wěn)定分析

任 杰 謝居平 李洪蕊

1 樞紐工程地質(zhì)

壩址區(qū)地層主要由奧陶系中統(tǒng)馬家溝組(O2m)、石炭系本溪組(C2b)、上統(tǒng)太原組(C3t)和第四系(Q3+Q4)地層構(gòu)成。壩址區(qū)構(gòu)造變動(dòng)微弱,地層總體呈平緩的單斜,總體走向NW315°～350°,傾向SW,傾角2°～ 6°。

壩基持力層馬家溝組O2m2-12 巖層致密堅(jiān)硬,試驗(yàn)濕抗壓強(qiáng)度在100MPa以上。其中弱風(fēng)化巖體地震波縱波速度范圍值為1590～2800m/s,平均值為2120m/s;新鮮巖體波速范圍為2700～5700m/s,平均值為4522m/s。層內(nèi)存在6條泥化夾層及鈣質(zhì)充填物與泥質(zhì)混合類狀?yuàn)A層,對(duì)壩基抗滑穩(wěn)定起控制作用。

工程區(qū)處于大地構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定地塊,地震基本烈度6°。地層分布穩(wěn)定,附近無(wú)較大斷層及新構(gòu)造斷裂。壩基巖體、軟弱夾層抗剪強(qiáng)度指標(biāo)建議值表見表1。

表1 壩基巖體、結(jié)構(gòu)面、軟弱夾層抗剪強(qiáng)度指標(biāo)建議值表

2 邊界條件及滑移模式

2.1 計(jì)算滑動(dòng)面

本工程各壩段可能滑動(dòng)面為壩基下巖體內(nèi)的軟弱夾泥層及鈣質(zhì)充填物與泥質(zhì)混合類夾層等結(jié)構(gòu)面,包括自上而下分布的NJ304、NJ303、NJ302等多條軟弱夾泥層。根據(jù)各壩段位置及建基面高程可知:表孔壩段及底孔壩段下控制滑動(dòng)面為NJ304、NJ303;電站壩段下控制滑動(dòng)面為NJ303、NJ302。

2.2 滑動(dòng)模式

壩基下深層滑動(dòng)模式一般分為單斜面滑動(dòng)和雙斜面滑動(dòng)。本工程由于壩基下軟弱結(jié)構(gòu)面走向均為傾向下游,底孔壩段、表孔壩段下游消能方式為底流消能,設(shè)二級(jí)消力池,消力池后無(wú)較深沖刷坑,結(jié)構(gòu)面在壩后無(wú)出露點(diǎn),因此本工程控制滑動(dòng)面為雙斜滑動(dòng)面,計(jì)入壩體下游尾巖的抗力作用,但不考慮巖體的側(cè)向連接作用。壩體深層滑動(dòng)第一滑裂面為壩基夾泥層面;第三破裂面為壩趾處鉛直面;第二破裂面與水平面夾角 E,按最不利傾角計(jì)算,即抗力體提供最小抗力時(shí)的傾角;壩踵處破裂面為鉛直面。

3 壩體抗滑穩(wěn)定計(jì)算

3.1 計(jì)算方法

深層抗滑穩(wěn)定分析采用兩種方法:剛體極限平衡法(等K法)和平面非線性有限元法,但以剛體極限平衡法為主,有限元法作為參考。剛體極限平衡法以安全系數(shù)做為穩(wěn)定安全度的判據(jù),同時(shí)控制第三破裂面上平均水平壓應(yīng)力。壩基深層抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)規(guī)范:基本組合K≥3.0,特殊組合K≥2.5?？沽w第三破裂面上的平均水平壓應(yīng)力,根據(jù)本工程巖體特性,控制在1.0mPa左右。有限元法以壩基的應(yīng)力、位移、帷幕處夾泥層的錯(cuò)位值、滑動(dòng)通道的破壞比、富裕系數(shù)及強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)等指標(biāo)綜合分析確定壩的穩(wěn)定安全度。本文僅介紹剛體極限平衡法計(jì)算過(guò)程。

3.2 計(jì)算假定

河床壩段(包括底孔、表孔及電站壩段)在底部分別連成整體,但連接部位較低,由于連接區(qū)面積占整個(gè)壩段橫縫面積比例較小,一般小于30%,因此抗滑穩(wěn)定按單個(gè)壩段計(jì)算,不考慮大壩的整體作用。

3.3 計(jì)算荷載

計(jì)算荷載及荷載組合見表2。

表2 荷載組合

3.4 計(jì)算公式

壩基抗滑穩(wěn)定采用抗剪斷公式進(jìn)行計(jì)算。

抗剪斷公式 :式中,Σ W為作用在壩體上全部荷載對(duì)滑動(dòng)面的法向分力(包括揚(yáng)壓力),Σ P為作用在壩體上全部荷載對(duì)滑動(dòng)面的切向分力,A為基礎(chǔ)接觸面截面積,f′、c′為滑動(dòng)面抗剪斷摩擦系數(shù)及抗剪斷凝聚力。

壩體壩基面垂直正應(yīng)力采用材料力學(xué)方法進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算公式如下:式中,Σ W為作用于壩基上全部豎向荷載總和,T為壩基順?biāo)飨驅(qū)挾?Σ M為作用于壩基上全部荷載對(duì)計(jì)算截面形心的力矩總和。

深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算采用抗剪斷公式,計(jì)算公式如下:式中,K為深層抗滑穩(wěn)定安全系數(shù),Q為壩體下游巖體可提供抗力,V1為壩下基巖滑動(dòng)面以上的垂直荷載總和,V2為抗力體滑動(dòng)面以上的垂直荷載總和,H為壩下基巖滑動(dòng)面以上的水平荷載總和,U1為作用在壩基滑動(dòng)面上的揚(yáng)壓力,U2為作用在抗力體滑動(dòng)面上的揚(yáng)壓力,U3為作用在抗力體垂直面上的滲透壓力,α為壩下基巖滑動(dòng)面傾向下游的視傾角β為抗力體的滑裂角,由試算法求出最危險(xiǎn)滑裂面,γ為被動(dòng)抗力與水平面夾角,γ=14°,f1、c1為壩基下滑動(dòng)面的強(qiáng)度指標(biāo),f2、c2為抗力體滑裂面的強(qiáng)度指標(biāo),f2=0.8,c2=800 kPa,A1為壩下基巖滑動(dòng)面面積,A2為抗力體滑裂面面積。

3.5 建基面抗滑穩(wěn)定分析

按上述方法對(duì)表孔壩段、底孔壩段、電站壩段分別進(jìn)行抗滑穩(wěn)定計(jì)算,計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 各典型壩段壩基抗滑穩(wěn)定及壩基應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表

由表3可知,在各種荷載組合下壩基面最小垂直壓應(yīng)力均大于零,壩基面所承受的最大垂直壓應(yīng)力均小于壩基允許壓應(yīng)力 [σ]=8.0MPa。在各種荷載組合下建基面抗滑穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。

3.6 深層抗滑穩(wěn)定分析

深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見表4～6。

表4 表孔壩段深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果表

表5 底孔壩段深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果表

表6 電站壩段深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果表

由表4～6可知,表孔壩段、底孔壩段沿NJ304滑動(dòng)深層抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)和電站壩段沿NJ303滑動(dòng)深層抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均不滿足規(guī)范要求,須對(duì)壩基進(jìn)行加固處理。

4 壩基加固后大壩抗滑穩(wěn)定計(jì)算

國(guó)內(nèi)外已建和在建的大、中型水利水電工程中,在壩基存在軟弱夾層的復(fù)雜地基處理方面,取得了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。根據(jù)這些經(jīng)驗(yàn),對(duì)軟弱夾層的處理措施,應(yīng)按其產(chǎn)狀、埋深、夾層性狀及其對(duì)壩體的影響程度,結(jié)合工程規(guī)模進(jìn)行研究,按照施工條件和工程進(jìn)度,綜合分析確定。對(duì)于已建工程壩基深層軟弱夾層已采用過(guò)而又行之有效的處理措施有明挖、洞挖、大口徑混凝土樁,深齒槽(壩踵處,壩趾處)和預(yù)應(yīng)力錨索等,歸納起來(lái)為以下三大類:

(1)提高軟弱夾層抗剪指標(biāo);

(2)增加尾巖抗力;

(3)同時(shí)提高軟弱夾層抗剪指標(biāo)與增加尾巖抗力。

由于壩基泥化夾層多且連續(xù)性好,抗剪斷強(qiáng)度低,故大壩深層抗滑穩(wěn)定問(wèn)題是本工程的重大技術(shù)問(wèn)題。為確保大壩安全,本工程設(shè)計(jì)中采取了如下工程措施:

(1)挖除淺層連續(xù)泥化夾層(如NJ305);

(2)壩踵設(shè)置齒槽。

在壩踵設(shè)置齒槽,齒槽底寬 12m,齒槽深入NJ304下1m,利用齒槽的抗剪斷作用提高NJ304以上各夾泥層的抗滑穩(wěn)定性,并利用齒槽控制壩體沿NJ304以下夾泥層滑動(dòng)。電站壩段結(jié)合廠房開挖,在壩基中部設(shè)置齒槽,齒槽上口寬22m,齒槽深入NJ303以下1m。

壩基加固后,表孔壩段、底孔壩段和電站壩段深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見表7。

表7中表孔壩段、底孔壩段沿NJ304及電站壩段沿NJ303滑動(dòng)計(jì)算時(shí),由于壩體加固設(shè)計(jì)混凝土齒槽切斷該結(jié)構(gòu)面,計(jì)算時(shí)滑動(dòng)面上強(qiáng)度指標(biāo)為混凝土與結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度指標(biāo)加權(quán)平均值。

表7 表孔、底孔和電站壩段加固后深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果表

由表7可知各種工況下典型壩段深層抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

5 結(jié) 語(yǔ)

(2)結(jié)合本工程特點(diǎn),參考其他工程經(jīng)驗(yàn),確定采用增設(shè)壩體混凝土齒槽切斷滑動(dòng)面等綜合措施,壩基處理后,大壩穩(wěn)定安全系數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求,說(shuō)明經(jīng)過(guò)處理加固后大壩抗滑穩(wěn)定有保證。