［瑞士］ A.科利伊等

洪格林(Hongrin)壩的布局極不尋常，因?yàn)樵诤楦窳趾庸戎?，有兩座大壩攔蓄河水，從而形成了一座人工湖。兩座壩均為拱壩，其中北壩高125 m，南壩高90 m。兩壩交匯于基底位于河谷分水脊上的止推座上，且均屬薄壩。

洪格林水庫(kù)緊鄰日內(nèi)瓦湖(亦稱(chēng)萊芒湖)，庫(kù)容為5320萬(wàn)m3，系維多克斯(Veytaux)抽水蓄能電站的上庫(kù)，日內(nèi)瓦湖為下庫(kù)，電站裝機(jī)容量為240 MW。目前該工程正在擴(kuò)建，通過(guò)修建第2座電站，可以增加240 MW的容量，擴(kuò)建工程預(yù)計(jì)于2014年底完工。

兩座壩均建于1965～1969年。經(jīng)過(guò)40多年的連續(xù)運(yùn)行，目前北壩需要維修，主要為中央止推座與底孔。必要的維修工作盡可能與維多克斯電站的擴(kuò)容工程并列進(jìn)行，力求于2014年前完成。依照瑞士大壩安全機(jī)構(gòu)—瑞士聯(lián)邦能源辦公室(SFOE)發(fā)布的相關(guān)規(guī)定，目前正在對(duì)大壩及其喇叭口溢洪道建筑物進(jìn)行地震災(zāi)害檢查。北壩右岸的穩(wěn)定性也成為令人關(guān)注的焦點(diǎn)，因?yàn)樵搮^(qū)域發(fā)生滲漏等現(xiàn)象已長(zhǎng)達(dá)40 a之久。本文將參考地質(zhì)學(xué)、水文地質(zhì)學(xué)及巖石力學(xué)等一系列完整數(shù)據(jù)，對(duì)大壩存在的問(wèn)題進(jìn)行認(rèn)真研究，旨在對(duì)大壩右肩的穩(wěn)定性作出評(píng)估。在目前開(kāi)展的研究中，將對(duì)涉及大壩穩(wěn)定性的整個(gè)壩肩的作用進(jìn)行分析。

1 地質(zhì)特征

1.1 地質(zhì)學(xué)與巖土力學(xué)研究

洪格林兩座壩基巖的大部分由奧尼科姆階石灰?guī)r構(gòu)成。北壩與南壩之間中央壩肩的上部沉積層，由被稱(chēng)作紅層(Couches Rouges)的土侖階泥灰質(zhì)石灰?guī)r組成。層面向上游方向傾斜40°～50°，因而對(duì)兩座壩的綜合穩(wěn)定性較為有利。

尼奧科姆階巖石呈現(xiàn)層厚為厘米級(jí)至分米級(jí)的灰色石灰?guī)r與極薄層黑片巖夾層，并帶有大量燧石結(jié)核。已確認(rèn)壩址處的節(jié)理系含有5個(gè)主節(jié)理組。

北壩右壩肩的構(gòu)造特征比壩基其他部位更為明顯。大壩右岸內(nèi)的變形不均勻。據(jù)觀(guān)察，在大塊巖石與破損帶之間存在漸進(jìn)相變及不連續(xù)相變，該變形具有下列特征:存在大量各種規(guī)模的不連續(xù)面，局部為膠結(jié)角礫巖及縫合線(xiàn)(stylolithes)(受壓碳酸鹽巖石溶解氧化物標(biāo)志)。觀(guān)察中未發(fā)現(xiàn)非凝聚性碎裂斷層巖(角礫破碎巖)。

可以概括地將這些變形看成是均勻的，但大壩右肩與壩基其他部分不同。其差異主要為:

(1)右岸不連續(xù)性發(fā)生的變形更為頻繁。

(2)1969年帷幕灌漿時(shí)所作的水壓測(cè)試(呂榮型)及2006年的滲透測(cè)試(平均值為2×10-7m/s比2×10-8m/s，比率為10)結(jié)果表明，右岸水滲透系數(shù)高于其他部位。

(3)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定的巖體力學(xué)性能較低(右岸與其他地方平均變形模量分別為9 GPa與22 GPa)。

此外，右壩肩順層向峽谷方向輕微傾斜也產(chǎn)生了潛在的不穩(wěn)定性。由于巖石底檻存在這種弱點(diǎn)，為避免巖體潛在的不穩(wěn)定，1965～1969年大壩施工時(shí)對(duì)右肩進(jìn)行了巖錨加固。施工所用的預(yù)應(yīng)力錨桿至少有57根，承載力范圍為150～1600 kN，錨固到巖體內(nèi)的深度達(dá)37 m。

對(duì)巖石邊坡的局部坑洼，采用了混凝土填堵，并采用42根預(yù)應(yīng)力錨桿進(jìn)行支護(hù)(承載力范圍同上)。除支護(hù)系統(tǒng)外，還設(shè)計(jì)了深鉆孔排水網(wǎng)。遺憾的是，據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)察，大部分排水網(wǎng)并沒(méi)有按設(shè)計(jì)要求實(shí)施。另外，由于施工時(shí)未安裝監(jiān)測(cè)設(shè)備，目前對(duì)所有預(yù)應(yīng)力錨桿的實(shí)際狀況一無(wú)所知。畢竟已使用了40 a，錨桿的松弛效應(yīng)很可能已使部分預(yù)應(yīng)力損失。

為進(jìn)一步鑒定巖層的性質(zhì)，2006年對(duì)壩址勘測(cè)時(shí)作了巖土力學(xué)試驗(yàn)，包括現(xiàn)場(chǎng)的膨脹儀試驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)(單軸壓縮試驗(yàn)、三軸試驗(yàn)及直剪試驗(yàn))?？睖y(cè)結(jié)果對(duì)此前大壩施工時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)(液壓千斤頂加載試驗(yàn))進(jìn)行了補(bǔ)充。試驗(yàn)結(jié)果已用于對(duì)本研究中數(shù)值模型材料屬性的研究工作。

1.2 水文地質(zhì)學(xué)研究

水庫(kù)蓄水后，發(fā)現(xiàn)右壩肩有滲透水外流。根據(jù)觀(guān)察，對(duì)灌漿帷幕與排水網(wǎng)的有效性產(chǎn)生了懷疑。因此在過(guò)去10 a間，對(duì)右肩作了水文地質(zhì)學(xué)專(zhuān)門(mén)研究以評(píng)估其狀態(tài)。在研究的第1階段(1998～2004年)，建立了地下水流概念模型。由于在灌漿階段采用了減壓措施，從而導(dǎo)致帷幕淺層出現(xiàn)由少量滲流形成的滲流泉。概念模型基于下列觀(guān)測(cè)。

(1)化學(xué)分析結(jié)果顯示，泉水與湖水相似。

(2)監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，泉水滲流量與水庫(kù)水位關(guān)聯(lián)性極強(qiáng)。

(3)利用簡(jiǎn)化數(shù)值水流模型(有限元建模)對(duì)壩肩進(jìn)行試驗(yàn)的結(jié)果與觀(guān)察結(jié)果一致。由于灌漿帷幕存在無(wú)法避免的缺陷，致使?jié)B水出流。

滲漏不算嚴(yán)重(平均值約30 L/min)，但壩肩內(nèi)產(chǎn)生的水壓力會(huì)增大巖體潛在的不穩(wěn)定性。應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)排水系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)也顯示其存在嚴(yán)重缺陷。數(shù)值模型計(jì)算得出壩肩內(nèi)的水壓力大約為4 bar。

在第2階段(2006年)，在壩肩內(nèi)鉆了6個(gè)孔，安裝了16個(gè)壓力傳感器監(jiān)測(cè)地下水壓力。勘察及監(jiān)測(cè)結(jié)果(2006年至今)證實(shí)了概念模型的有效性。

(1)鉆孔巖心顯示，層理面有地下水流痕跡。層理面開(kāi)口很小，因而限制了流量。在有些不連續(xù)部位可以發(fā)現(xiàn)一些較大的孔縫(達(dá)1 cm)，局部有厘米級(jí)的喀斯特漏水通道。然而，與地面露頭觀(guān)察情況類(lèi)似，未發(fā)現(xiàn)大型的喀斯特特征;鉆孔中流量計(jì)的記錄證實(shí)沒(méi)有分散的地下水流;呂榮試驗(yàn)結(jié)果顯示離散度較低(右壩肩處K=2×10-7m/s，標(biāo)準(zhǔn)偏差=5×10-7m/s)。

(2)水壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果證實(shí)壩肩內(nèi)最大水壓力大約為0.4 MPa。

(3)水頭梯度證實(shí)有地下水流穿過(guò)灌漿帷幕上部，甚至在壩肩下游區(qū)可以觀(guān)察到水頭與水庫(kù)水位變化的關(guān)聯(lián)度較高。

(4)利用二維數(shù)值模型作出的敏感性分析證實(shí)帷幕上部存在一個(gè)缺陷區(qū)，在模型中，缺陷區(qū)可以沿著該帷幕移動(dòng)，只有采用該方法才能正確模擬現(xiàn)場(chǎng)水壓力。

基于水文地質(zhì)數(shù)據(jù)分析，可以得出結(jié)論:將巖體看成是水文地質(zhì)屬性的連續(xù)介質(zhì)。為了達(dá)到巖土力學(xué)數(shù)值模擬的目的，有理由認(rèn)為，如同從水文地質(zhì)研究中推斷出的結(jié)果一樣，沿節(jié)理及在主、次滲流泉區(qū)均存在水壓力。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型的建立

近年來(lái)各種各樣數(shù)值模型，包括有限元、邊界元及有限差分法，已被有效地應(yīng)用于處理巖土工程技術(shù)問(wèn)題，如邊坡的穩(wěn)定性分析。但其應(yīng)用主要是基于連續(xù)體，而在處理復(fù)雜的巖土力學(xué)問(wèn)題時(shí)，效果不明顯。有人曾采用所謂的離散單元法，因?yàn)樵摲椒ㄔ试S可變形的離散體有有限的位移，并能識(shí)別任何新組合中離散體之間可變形的新接觸面。

在本研究中，已應(yīng)用離散元程序—3D EC(一種三維離散元編碼)進(jìn)行巖質(zhì)邊坡數(shù)值模擬。考慮到母巖的可變形性、巖塊運(yùn)動(dòng)力學(xué)特征以及節(jié)理組附近巖塊之間的相互作用，3D EC是應(yīng)用連續(xù)與不連續(xù)介質(zhì)的混合配置。

目前已利用現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字高程模型擬定了模型的幾何形狀。通過(guò)地表地質(zhì)圖，將最主要的地質(zhì)節(jié)理組挑選出來(lái)，并在模型中合并為通過(guò)巖體單元的不連續(xù)節(jié)理(面)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，將巖體作為具有等效變形模量值為9 GPa和泊松系數(shù)為0.22的線(xiàn)彈性體來(lái)加以模擬。在該模型中，節(jié)理性能受庫(kù)倫滑動(dòng)本構(gòu)模型的支配，實(shí)驗(yàn)室?guī)r體節(jié)理剪切試驗(yàn)推算出的摩擦角為 33°，內(nèi)聚力為 60 kPa。

對(duì)地下水壓力試驗(yàn)是通過(guò)對(duì)興趣區(qū)的節(jié)理施加水壓力，并將水文地質(zhì)數(shù)據(jù)加入到模型中。因?yàn)樗畨毫Ω飨蛲?，施加的?jié)理水壓力作用，可以減小巖塊間節(jié)理的接觸力，從而避免其影響分析結(jié)果。

利用壩肩的等效節(jié)點(diǎn)荷載來(lái)考慮大壩的反力。從為了單獨(dú)研究大壩靜態(tài)及動(dòng)態(tài)性能而建立的有限元模型中，已經(jīng)獲得了大壩與巖基之間的力。

為進(jìn)一步研究，利用3D EC提供的結(jié)構(gòu)單元特性，在模型中添加了巖石錨桿。建議的支護(hù)錨桿公式表達(dá)的是只考慮巖石錨桿穿過(guò)現(xiàn)有不連續(xù)部位的局部作用，并得到了基于實(shí)驗(yàn)室錨桿穿過(guò)不連續(xù)部位應(yīng)變集中的實(shí)驗(yàn)室結(jié)果的證實(shí)。

對(duì)巖錨模擬時(shí)，是將其作為具有等效總承載能力的多個(gè)分散的結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行的。由于對(duì)其實(shí)際狀況與承載能力缺乏相應(yīng)的了解，因此進(jìn)行了敏感性分析。

2.2 穩(wěn)定性分析

本研究旨在對(duì)巖石邊坡與壩肩不同巖塊的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估，因此大壩安全系數(shù)(FOS)成為研究的重點(diǎn)。3D EC具有的分析特點(diǎn)，使之有可能通過(guò)添加或排除感興趣的參數(shù)來(lái)對(duì)大壩安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。如前所述，研究的問(wèn)題主要是受對(duì)層理面不連續(xù)的復(fù)雜體系所支配，且層理面極可能會(huì)產(chǎn)生破壞機(jī)理。本模型中的巖體性能是作為線(xiàn)彈性材料來(lái)模擬的，其被認(rèn)為對(duì)穩(wěn)定性的影響不大，因而被排除在FOS分析之外。

基于道森等人提出的強(qiáng)度折減法，完成穩(wěn)定性分析。在該方法中，通過(guò)一個(gè)折減系數(shù)，抗剪強(qiáng)度參數(shù)逐步減小直至破壞。因此當(dāng)系統(tǒng)再也不能達(dá)到平衡時(shí)，即不平衡力超過(guò)給定的容許數(shù)值時(shí)，安全系數(shù)則等于折減系數(shù)。最終平衡時(shí)的位移及應(yīng)變結(jié)果，可以為破壞機(jī)理提供有用的說(shuō)明。

對(duì)洪格林北壩右肩穩(wěn)定性的評(píng)估分3個(gè)基本步驟完成。首先，對(duì)巖石邊坡進(jìn)行無(wú)水壓力及巖石支護(hù)分析;其次，施加節(jié)理水壓力并檢查其穩(wěn)定性;最后，附加巖石支撐系統(tǒng)并作有水壓力與無(wú)水壓力分析。后者旨在評(píng)估巖錨與增設(shè)排水溝的綜合效應(yīng)。

為評(píng)估層理面間距、大壩反力及巖錨承載能力的影響，采用上述幾個(gè)基本步驟作了多組次分析。

2.3 結(jié)果與探討

不考慮大壩的推力作用，分析結(jié)果顯示，在既無(wú)水壓力也無(wú)巖石支護(hù)的自然狀態(tài)下，巖石邊坡的綜合安全系數(shù)為1.06，略呈不穩(wěn)定狀態(tài)。表明如同考慮大壩施工措施一樣，設(shè)置巖石支護(hù)系統(tǒng)很有必要。在考慮節(jié)理水壓力的情況下，安全系數(shù)降至0.72。安全系數(shù)的減小，主要是由節(jié)理上的有效接觸應(yīng)力減小所引起，而有效接觸應(yīng)力的減小，隨后又導(dǎo)致抵抗沿節(jié)理滑動(dòng)的摩擦阻力減小。

觀(guān)察發(fā)現(xiàn)，通過(guò)破壞模式下的位移情況可以更好地了解破壞機(jī)理。不出所料，隨著節(jié)理接觸力的不斷累積，巖塊失穩(wěn)的潛力從上至下逐漸減弱。模型中不穩(wěn)定區(qū)與施工時(shí)已探明的潛在不穩(wěn)定區(qū)(后納入地質(zhì)學(xué)研究)的情況一致。在識(shí)別破壞機(jī)理和由此確定大壩安全系數(shù)計(jì)算的關(guān)鍵參數(shù)方面，該證據(jù)也驗(yàn)證了模型的一致性。

通過(guò)觀(guān)察節(jié)理破壞模式的關(guān)鍵點(diǎn)，可以進(jìn)一步評(píng)估巖石的破壞機(jī)理。一些觀(guān)察結(jié)果表明，在破壞處，滑動(dòng)通常是沿著不穩(wěn)定巖塊下面的層理面發(fā)生。這意味著盡管陡坡區(qū)的節(jié)理可能存在拉伸破壞，但在已確認(rèn)失穩(wěn)可能性較高的區(qū)域破壞模式中，滑動(dòng)摩擦模式仍占主導(dǎo)地位。

在壩肩區(qū)域，增加大壩推力做點(diǎn)荷載試驗(yàn)，以便進(jìn)行同樣的分析。分析結(jié)果表明，無(wú)論是大壩的安全系數(shù)還是破壞機(jī)理，都不受大壩推力的影響，這是由大壩與不穩(wěn)定區(qū)的相對(duì)位置所決定的。由于不穩(wěn)定區(qū)(錨固區(qū))靠近壩肩的最低部分，因而大壩推力不僅不會(huì)對(duì)該區(qū)域產(chǎn)生影響，反而很可能會(huì)在該不穩(wěn)定區(qū)的后面產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)力集中增大的區(qū)域。無(wú)論怎樣，邊坡的穩(wěn)定性與大壩推力無(wú)關(guān)并不一定意味著可以互換，而壩肩的不穩(wěn)定是否會(huì)對(duì)大壩本身的穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著影響，仍有待進(jìn)一步研究。

針對(duì)在潛在不穩(wěn)定區(qū)增加巖石支護(hù)系統(tǒng)作了進(jìn)一步研究。結(jié)果表明，通過(guò)增加支護(hù)系統(tǒng)，大壩安全系數(shù)顯著增大，可達(dá)3.53，足以顯示巖石支護(hù)系統(tǒng)在邊坡穩(wěn)定性方面的重要作用。由于對(duì)巖錨實(shí)際狀態(tài)及承載能力了解有限，因而對(duì)其承載能力的參數(shù)進(jìn)行研究就顯得很有必要。

參數(shù)研究中，假設(shè)幾種錨桿承載能力從最大值遞減至最小值，每一步都需要對(duì)安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。由上述試驗(yàn)研究可以看出，最初的安全系數(shù)保持恒定，不受錨桿承載能力下降的影響，說(shuō)明巖石錨桿的初始承載能力高于穩(wěn)定所需的承載力，因而只需動(dòng)用錨桿的部分承載能力應(yīng)對(duì)安全問(wèn)題。研究中，曲線(xiàn)的演變從較低的等效承載力開(kāi)始，它與巖石支護(hù)系統(tǒng)在巖塊安全中發(fā)揮重要作用的臨界值對(duì)應(yīng)。從該臨界值開(kāi)始，可以觀(guān)察到安全系數(shù)與巖石錨桿承載力有重要的相關(guān)性。分析結(jié)果顯示，一般情形下，巖石錨桿在巖石邊坡穩(wěn)定方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

應(yīng)當(dāng)注意，實(shí)際上，巖石錨桿的任何性能降低或松弛都會(huì)降低其實(shí)際承載力。因此，應(yīng)當(dāng)采取適當(dāng)措施，以獲取有關(guān)巖石錨桿實(shí)際狀況的準(zhǔn)確信息。

3 結(jié)語(yǔ)

自20世紀(jì)60年代施工以來(lái)，洪格林北壩右肩就一直有潛在的不穩(wěn)定跡象，因而必須在壩肩下游采用預(yù)應(yīng)力錨桿進(jìn)行巖石加固。由于缺乏監(jiān)測(cè)裝置，故錨桿在使用40多年后的狀態(tài)很難估測(cè)。為了評(píng)估巖石邊坡的穩(wěn)定性及其與預(yù)應(yīng)力錨桿的關(guān)聯(lián)性，很有必要進(jìn)行專(zhuān)門(mén)研究。

在上述研究模擬評(píng)估工作中，首先是考慮壩肩右岸地質(zhì)學(xué)與水文地質(zhì)學(xué)方面的問(wèn)題。通過(guò)壓力計(jì)獲得最新的測(cè)量數(shù)據(jù)，以此對(duì)水文地質(zhì)模型進(jìn)行校準(zhǔn)，這樣就可以對(duì)壩肩下游的滲漏及巖體內(nèi)普遍存在的揚(yáng)壓力場(chǎng)進(jìn)行解釋與理解。

其次是采用地質(zhì)與水文地質(zhì)數(shù)據(jù)和離散元法建立地質(zhì)力學(xué)數(shù)值模型，以便進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

分析結(jié)果顯示，預(yù)應(yīng)力錨桿對(duì)壩肩的穩(wěn)定(尤其在有節(jié)理水壓力情況下)發(fā)揮了關(guān)鍵性的作用，同時(shí)表明，單設(shè)輔助排水系統(tǒng)并不能排除對(duì)巖石錨桿的需求，而且由大壩結(jié)構(gòu)施加到巖基中的推力，也不會(huì)對(duì)可能不穩(wěn)定巖體的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

總之，通過(guò)研究，揭示了解決巖錨問(wèn)題的必要性，或?qū)ふ倚路椒▽?duì)錨桿的殘余承載力進(jìn)行合適評(píng)估，或采取保守觀(guān)點(diǎn)，認(rèn)為錨桿已經(jīng)失效，用新預(yù)應(yīng)力錨桿替代。在對(duì)整座大壩基礎(chǔ)的后續(xù)研究中，將評(píng)估洪格林北壩右肩在大壩穩(wěn)定性方面發(fā)揮的作用。