小山口水電站重力壩深層抗滑穩(wěn)定性分析與基礎(chǔ)處理方法探討

吳剛（新疆巴州新華水電開發(fā)有限公司新疆巴州841000）

小山口水電站重力壩深層抗滑穩(wěn)定性分析與基礎(chǔ)處理方法探討

吳剛（新疆巴州新華水電開發(fā)有限公司新疆巴州841000）

本文以小山口水電站重力壩工程為例，對重力壩的抗滑穩(wěn)定性進行了分析，并對基礎(chǔ)處理方法進行了探討，為類似工程提供了參考經(jīng)驗。

重力壩；深層抗滑；穩(wěn)定分析；基礎(chǔ)處理

1 工程概況

小山口水電站重力壩壩頂高程為552m,最大壩高為125m,壩頂?shù)目傞L度為312m,一共由21個壩段構(gòu)成。最小壩段的寬度為13m,普通壩段的寬度為16.3m,最大壩段寬度為19m，大壩的下游坡比為1:0.8,上游坡比為1:0.2。壩區(qū)所露出的地層厚度為485m,主要由粘土巖、砂巖等巖土組成。地質(zhì)屬于軟硬厚度不均的巖層。其中主要的巖層一共有5層，除KIC4-2屬于結(jié)構(gòu)比較疏松的軟巖以外，剩下的四層均為砂巖。在河床壩基下層砂巖的厚度為23m～27m，壩區(qū)的第四系分布廣泛，主要是崩滑堆積和河流沖擊形成的。左岸古滑體的厚度在20m～40m之間，河床沖積砂礫的厚度為6.2m～13.8m，最大厚度為63m。在厚層砂巖中分別分布了14層KIC2-3、11層KIC2-1、6層KIC3-2。河床的軟弱層抗剪段參數(shù)比較小，壩址處不存在斷層，但是裂縫發(fā)育，有垂直于流水方向和順水方向的兩組裂隙，裂隙的延伸長度在100m以上，傾斜角度在75°～90°。

2 抗滑穩(wěn)定性分析

重力壩內(nèi)部存在可以使巖體發(fā)生滑動的軟弱結(jié)構(gòu)面時，就會出現(xiàn)雙斜剪切滑動或單斜剪切滑動。并具有下述幾個方面的特征：（1）壩體和壩基部分的巖體一起滑動，當滑動是在介質(zhì)分界面上出現(xiàn)時，很難通過物理力學性質(zhì)來進行界定，屬于不連續(xù)各向異性體；（2）大壩滑動通道具有多元性和特定性，重力壩中存在軟弱結(jié)構(gòu)面，如果基巖的抗剪強度比較低，就會形成滑動特定通道，通道的性狀、充填物和成因都較為復(fù)雜。（3）抗滑穩(wěn)定安全判斷具有多元性。壩體出現(xiàn)滑動后會將滑動面上部帶動，為了保持穩(wěn)定性，需要依賴下游尾巖抗力體，并且要保證自身的穩(wěn)定安全系數(shù)控制在1以內(nèi)。由于重力壩的穩(wěn)定平衡系統(tǒng)主要由壩體、軟弱結(jié)構(gòu)面、滑動巖體、軟弱結(jié)構(gòu)面下部基巖、下游尾巖抗力體構(gòu)成，不能通過某一個安全系數(shù)來進行衡量，需要根據(jù)壩體、壩基、尾巖、安全系數(shù)等應(yīng)力應(yīng)變來進行綜合分析。本工程在施工過程中，由于地區(qū)的底層地勢起伏較小，軟弱夾層數(shù)量多，大壩深層抗滑穩(wěn)定性受夾層的影響大。

在《重力壩設(shè)計規(guī)范》中明確指出，壩基巖體中有緩傾角裂隙、軟弱結(jié)構(gòu)面存在時，要對深層抗滑穩(wěn)定性進行深入分析，并使用“等安全系數(shù)法”計算壩體可能出現(xiàn)的基巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性降低的概率?；瑒幽Ｊ饺鐖D1所示。

圖1 雙斜滑動面示意圖

在公式中，壩體垂直重力為W，c1'、c2'指的是AB和BC滑動面對抗剪段粘聚力，f1'和f2'指的是滑動面BC、AB的抗剪斷系數(shù)，AB面的面積和BC面的面積分別為A1、A2，AB、BC、BD面上的揚壓力分別為U1、U2和U3，AB、BC和水平面的夾角分別為α和β，水平面和BD面上剩余推力作用方向以及不平衡剩余推力的夾角分別為Q、ρ，根據(jù)安全系數(shù)來進行定義，這兩個滑塊安全系數(shù)是相同的，也就是說K1'=K2'=K'，結(jié)合公式（1）和公式（2）對K'和Q進行求解，得出巖體的物理力學參數(shù)如表1所示。

雙斜滑面法中第一滑動面凝聚力c'根據(jù)面積大小來加權(quán)，摩擦系數(shù)f'根據(jù)夾層和混凝土齒墻應(yīng)力面積進行平均加權(quán)。在雙斜滑面法中第二滑動面的凝聚力c'和摩擦系數(shù)f′按照第二滑面巖體的基本情況以及巖體的面積大小來平均加權(quán)。在對雙斜滑動面進行計算過程中，無法準確給出抗力方向角ρ。一般情況下ρ使用下面幾種方法進行取值:

表1 軟弱層帶和巖體的抗剪段參數(shù)

表2 表孔溢流壩段深層抗滑穩(wěn)定計算結(jié)果

表3 表孔溢流壩段基礎(chǔ)綜合處理措施深層抗滑穩(wěn)定（K′）計算結(jié)果

（1）假設(shè)ρ=0°，得到的最終計算結(jié)果就更偏重于安全。

（2）假設(shè)ρ=arctan(f'K')或者ρ=arctanf'，其中K'指的是安全系數(shù)，f'指的是BD面上巖體產(chǎn)生的摩擦系數(shù)，特殊組合的取值為2.3～2.5，基本組合的取值為3.0。

（3）假設(shè)α為第一滑動面的傾角，α=ρ；

（4）根據(jù)有限元最終計算得出的結(jié)論，利用BD面上主應(yīng)力產(chǎn)生的平均傾角ρ角的最終大小值進行選擇；

（5）根據(jù)以往的施工經(jīng)驗，通常將ρ設(shè)置在0°～15°的范圍中。

通常情況下，角和抗力值是成ρ正比的，ρ越大，抗力值也越大，深層抗滑穩(wěn)定計算的安全系數(shù)也就越高，所以，從經(jīng)濟角度上來說，很有必要對ρ角進行利用。根據(jù)ρ=arctan(f 'K')的理論來進行計算ρ角大約為22.5°，按照有限元的計算結(jié)果，在本大壩工程的壩基破裂面上出現(xiàn)的主應(yīng)力的傾斜角度比較大。即ρ角保持15°左右的值是最佳的。在進行比較全面的對比和分析后，本工程項目審查抗滑穩(wěn)定剛體極限平衡法中ρ角按15°進行計算。

通過使用剛極限平衡法為基礎(chǔ)對工程重力深層抗滑穩(wěn)定性全面分析后。本文將溢流壩段作為例子進行舉例說明。一共對此壩段的6組荷載組合進行了計算。本文對462.3m工況情況進行討論。此工況下壓力主要為浪潮壓力、壩體自重壓力、泥沙產(chǎn)生的重力、水對壩體產(chǎn)生的壓力。經(jīng)過計算此壩段深層抗滑穩(wěn)定的結(jié)果如表2所示。

3 基礎(chǔ)處理措施分析

根據(jù)上述數(shù)據(jù)可以看出，JS2-1-2、NS2-1-9、NS2-1-10夾層的軟巖深層抗滑性不能滿足工程安全的相關(guān)要求。需要對基礎(chǔ)進行處理，根據(jù)工程的實際情況，對以下幾種處理措施進行了分析對比：

（1）措施一：清理軟弱夾層，降低基面的高程。

（2）措施二：使用封閉式抽排的方法來達到此目的，降低重力壩基礎(chǔ)的壓力。

（3）措施三：使用防滲板設(shè)置在大壩的上游，減少壩基的揚壓力。

防滲板措施、封閉抽排，還是齒墻措施都可以對壩基深層抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)進行提升[2]。由于封閉抽排可以對壩基的揚壓力進行降低，是一個經(jīng)濟效果比較不錯的處理措施?？紤]到以上因素后，在對封閉抽排措施進行研究的基礎(chǔ)上，綜合防滲板和齒墻措施進一步進行了分析研究。為了提高經(jīng)濟效益，對三種施工的組合方式進行比較：①封閉抽排和齒墻組合方式；②防滲封閉抽排和防滲板組合的施工方式；③齒墻、封閉抽排和防滲板組合的方式。三種處理方式的工程量如表3所示。

根據(jù)表3中的數(shù)據(jù)來看，防滲板加封閉抽排的方式可以全面提高壩基深層的深層抗滑穩(wěn)定系數(shù)，但是仍然無法達到規(guī)定的安全要求，還需要使用齒墻作為輔助措施?？紤]到大壩上游的防滲板在水庫底部，如果在大壩基礎(chǔ)和防滲板設(shè)置止水防滲，會有很多無法預(yù)見的因素，一旦出現(xiàn)安全問題很難對其進行維修。并且封閉抽排和齒墻組合方式施工比較便利，工程量比較少。在認真的對比和分析以后，本項目工程決定利用封閉抽排和齒墻組合方式的施工方式進行處理。在表3中防滲板的厚度為8m，長度為25m,齒墻加封閉抽排總施工量為9120m3，齒墻、封閉抽排和防滲板組合的方式相對工程量大約為一個壩段基礎(chǔ)的施工量，總工程量為10730m3。

4 結(jié)語

本文以小山口水電站重力壩工程為例，對工程的地質(zhì)情況進行了介紹和分析，詳細分析了重力壩抗滑穩(wěn)定性，根據(jù)實際情況，本工程采取在壩踵位置設(shè)置齒墻和封閉式抽排系統(tǒng)兩種方式對基礎(chǔ)進行處理，不僅施工安全性高，而且施工方便，完成施工后取得了良好的施工效果，達到了設(shè)計要求。陜西水利

[1]王義鋒，章青.基于界面元法的向家壩重力壩深層抗滑穩(wěn)定分析[J].巖土力學.2009，（09）.

[2]江權(quán)，馮夏庭，向天兵.基于強度折減原理的地下洞室群整體安全系數(shù)計算方法探討[J].巖土力學.2009，（08）.

（責任編輯：暢妮）

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