（中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林長(zhǎng)春130021）

瓦托水電站壩基抗滑穩(wěn)定研究

齊立偉，都興洋，鄭玉玲，寧衛(wèi)琦

（中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林長(zhǎng)春130021）

瓦托水電站廠房為壩后式廠房，受引水管道底高程控制采用上游建基面高、下游建基面低的布置方式，導(dǎo)致壩基抗滑穩(wěn)定計(jì)算存在沿壩基的雙滑面滑動(dòng)問題，本文擬定了3種傳遞方式，并分別進(jìn)行抗滑穩(wěn)定計(jì)算，最終的計(jì)算結(jié)果表明，采用壩基應(yīng)力分配法比采用自重分配法抗力作用比系數(shù)可提高約10%，壩體自重分配法過(guò)于保守，不能真實(shí)地反映壩基巖體的載荷分布情況,因此對(duì)于特殊雙滑面采用壩基應(yīng)力分配法比較合理。

重力壩；壩基；雙滑面穩(wěn)定計(jì)算；抗力作用比系數(shù)；瓦托水電站

1 概述

重力壩是靠自身重量維持穩(wěn)定的一種擋水建筑物，重力壩的失事往往是由壩體滑動(dòng)導(dǎo)致的，因此抗滑穩(wěn)定成為研究壩體穩(wěn)定的主要課題。重力壩抗滑穩(wěn)定計(jì)算是設(shè)計(jì)重力壩首先要考慮的問題，抗滑穩(wěn)定分析主要有2種情況：一種是沿壩基面抗滑穩(wěn)定分析，另一種是深層抗滑穩(wěn)定分析。實(shí)際工程中，重力壩的廠房引水壩段經(jīng)常受引水管體型的控制采用上游建基面高、下游建基面低的布置方式，這就導(dǎo)致壩基抗滑穩(wěn)定計(jì)算存在沿壩基的雙滑面滑動(dòng)問題。下面結(jié)合瓦托水電站發(fā)電廠房的壩式進(jìn)水口壩段對(duì)重力壩雙滑面穩(wěn)定問題做具體分析。

2 工程概況

瓦托水電站工程在瀾滄江一級(jí)支流金河下游河段上，是金河水電規(guī)劃中的第五個(gè)梯級(jí)電站，壩址位于昌都市卡若區(qū)列巴村金河下游約2.5km處，在已建金河大壩上游約5.0km處，水庫(kù)總庫(kù)容0.1383×108m3，電站裝機(jī)容量50MW，是一座以發(fā)電為主的中型水電樞紐工程。瓦托水電站廠房為壩后式廠房，廠房受引水管道底高程控制采用上游建基面高、下游建基面低的布置方式，這就導(dǎo)致壩基抗滑穩(wěn)定計(jì)算存在沿壩基的雙滑面滑動(dòng)問題，此次設(shè)計(jì)難點(diǎn)就是雙滑面滑動(dòng)穩(wěn)定計(jì)算問題。

3 抗滑穩(wěn)定計(jì)算

重力壩壩基抗滑穩(wěn)定計(jì)算采用剛體極限平衡法，剛體極限平衡法是壩基巖體抗滑穩(wěn)定分析中應(yīng)用最廣泛且為規(guī)范所推薦的一種方法。它計(jì)算工作量小，有許多成功的工程實(shí)例,還具有與該方法相配套的安全判定標(biāo)準(zhǔn)。剛體極限平衡法假定壩基巖體可能滑動(dòng)塊為不發(fā)生變形的剛體,以抗滑力(矩)與滑動(dòng)力(矩)之比的抗力作用比系數(shù)作為穩(wěn)定安全系數(shù),以此安全系數(shù)判斷可能滑動(dòng)塊是否失穩(wěn)。

瓦托水電站發(fā)電廠房壩式進(jìn)水口壩段壩基基巖為細(xì)砂巖夾泥質(zhì)砂巖巖組（J1ch2）、泥質(zhì)砂巖與細(xì)砂巖互層巖組（J1ch1）。壩基巖體抗剪斷指標(biāo)見表1。發(fā)電廠房壩式進(jìn)水口壩段抗滑穩(wěn)定分析簡(jiǎn)圖見圖1。

表1 壩基巖體抗剪斷指標(biāo)表

由圖1可以看出，重力壩壩基可能的滑動(dòng)面有2個(gè)，一個(gè)是沿ADBC面滑動(dòng)，一個(gè)是沿ABC面滑動(dòng)，沿ADBC面滑動(dòng)可用常規(guī)的沿單滑面滑動(dòng)進(jìn)行計(jì)算，沿ABC面滑動(dòng)則是沿AB和BC兩個(gè)滑動(dòng)面滑動(dòng)，即是沿雙滑面滑動(dòng)問題。經(jīng)計(jì)算抗滑穩(wěn)定的控制工況為設(shè)計(jì)洪水位工況，下面僅就設(shè)計(jì)洪水位工況對(duì)2種滑動(dòng)面的抗滑穩(wěn)定進(jìn)行分析計(jì)算。

3.1 單滑面抗滑穩(wěn)定計(jì)算

單滑面抗滑穩(wěn)定計(jì)算可按常規(guī)的重力壩抗滑穩(wěn)定計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算，經(jīng)計(jì)算設(shè)計(jì)洪水位工況的抗力作用比系數(shù)η=1.23，具體的計(jì)算公式，計(jì)算過(guò)程本文不再詳述。

3.2 雙滑面抗滑穩(wěn)定計(jì)算

取整個(gè)壩段為計(jì)算單元，計(jì)算簡(jiǎn)圖見圖1。

圖1 雙滑面抗滑穩(wěn)定計(jì)算簡(jiǎn)圖

3.2.1 計(jì)算方法

由圖1可以看出，滑動(dòng)面不在一個(gè)平面上，無(wú)法按常規(guī)計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算，參考相關(guān)規(guī)范，引用重力壩深層抗滑穩(wěn)定相關(guān)計(jì)算方法進(jìn)行分析計(jì)算，既在轉(zhuǎn)折點(diǎn)處（圖中B點(diǎn)）將重力壩分上下2個(gè)滑面，AB滑面和BC滑面，采用等安全系數(shù)法求出重力壩的整體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。經(jīng)上述假設(shè)，如何將壩體豎向荷載分配到上、下滑塊上就成為計(jì)算中應(yīng)考慮的關(guān)鍵問題，這里有2種方法：

1）壩體自重分配法，即以轉(zhuǎn)折點(diǎn)（圖中B點(diǎn)）垂直向上引以假象平面（BF）將壩體及基巖自重分為兩部分,分別加載到兩滑動(dòng)面上，采用等安全系數(shù)法計(jì)算出最終結(jié)果。

2）壩基應(yīng)力分配法，即將作用在壩體上的豎向荷載轉(zhuǎn)化成正應(yīng)力，將水平荷載轉(zhuǎn)化成切應(yīng)力分別作用在上、下滑塊上，采用等安全系數(shù)法計(jì)算出最終結(jié)果。

下面對(duì)上述2種方法進(jìn)行分析，壩基自重分配法只是將壩體自重簡(jiǎn)單地分配到各滑面上，沒有考慮壩體實(shí)際運(yùn)行中壩基實(shí)際應(yīng)力情況（壩踵壓應(yīng)力小，壩趾壓應(yīng)力大），因重力壩大部分重量集中在壩體上游側(cè)，這就導(dǎo)致壩體自重分配法過(guò)于保守，因此對(duì)于特殊雙滑面采用壩基應(yīng)力分配法比較合理，這也將在下面計(jì)算結(jié)果中得到進(jìn)一步驗(yàn)證。

采用壩基應(yīng)力分配法將壩基應(yīng)力傳遞到滑動(dòng)塊上有2種方式：第一種方式是以ADBC以上壩體為脫離體計(jì)算整個(gè)混凝土壩的壩基應(yīng)力，然后將壩基應(yīng)力計(jì)算結(jié)果分別分配到AD和BC面上，再加上其他水平向及豎向荷載，采用等安全系數(shù)法計(jì)算出抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。第二種方式是以ADE以上壩體為脫離體，計(jì)算作用在ADE面上的應(yīng)力，然后將壩基應(yīng)力計(jì)算結(jié)果分別分配到AD和DE面上，再加上作用在上、下滑塊上其他水平向及豎向荷載，采用等安全系數(shù)法計(jì)算出抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。

下面對(duì)上述壩體自重分配法、壩基應(yīng)力分配法（2種應(yīng)力傳遞方式）進(jìn)行抗滑穩(wěn)定計(jì)算。

3.2.2 計(jì)算公式

2種計(jì)算方法的計(jì)算公式均引用壩基深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算公式，將公式中相關(guān)參數(shù)根據(jù)計(jì)算模型實(shí)際情況作相應(yīng)調(diào)整：

式中：γθ——結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，對(duì)于結(jié)構(gòu)安全級(jí)別為Ⅱ級(jí)的結(jié)構(gòu)及構(gòu)件，采用1.05；Ψ——設(shè)計(jì)狀況系數(shù)，對(duì)應(yīng)于持久狀況、短暫狀況、偶然狀況，可分別取用1.00，0.95，0.85——作用效應(yīng)函數(shù)；——結(jié)構(gòu)及構(gòu)件抗力函數(shù)；γG——永久作用的分項(xiàng)系數(shù)；γQ——可變作用的分項(xiàng)系數(shù)；GK——永久作用標(biāo)準(zhǔn)值；QK——可變作用標(biāo)準(zhǔn)值；ak——幾何參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值（可作為定值處理）；fk——材料性能的標(biāo)準(zhǔn)值；γm——材料性能的分項(xiàng)系數(shù)；γd——結(jié)構(gòu)系數(shù)；η——抗力作用比系數(shù)。

式中荷載和材料性能均采用設(shè)計(jì)值計(jì)算，其中：∑W1，∑W2——上、下滑塊所受壩體傳遞的垂直力之和；∑P1，∑P2——作用于滑動(dòng)面的全部水平向作用之和；G1，G2——分別為上、下滑塊巖體（混凝土）重量的垂直作用——分別為AB，BC滑動(dòng)面的抗剪斷摩擦系數(shù)；——分別為AB，BC滑動(dòng)面的抗剪斷凝聚力；A1，A2——分別為AB，BC面的面積；α，β——分別為AB，BC與水平面的夾角；U1，U2，U3——分別為AB，BC，BD面上的揚(yáng)壓力；Q，φ——分別為BD面上的作用力及作用力與水平面的夾角，從偏于安全考慮φ可取為0。

3.2.3 計(jì)算結(jié)果及分析

經(jīng)計(jì)算，采用單滑面計(jì)算出的抗滑穩(wěn)定抗力作用比系數(shù)大于雙滑面抗力作用比系數(shù)，雙滑面是計(jì)算的最危險(xiǎn)滑面。

雙滑面抗滑穩(wěn)定計(jì)算采用壩體自重分配法時(shí)，抗力作用比系數(shù)η=0.949；采用壩基應(yīng)力分配法第一種壩基應(yīng)力傳遞方式時(shí)，抗滑穩(wěn)定抗力作用比系數(shù)η=1.031；采用壩基應(yīng)力分配法第二種壩基應(yīng)力傳遞方式時(shí)，抗滑穩(wěn)定抗力作用比系數(shù)η=1.055。

由上述計(jì)算可知，雙滑面是抗滑穩(wěn)定計(jì)算最危險(xiǎn)滑面，雙滑面抗滑穩(wěn)定計(jì)算采用壩基應(yīng)力分配法比采用自重分配法抗力作用比系數(shù)可提高約10%，這也和計(jì)算方法中的分析結(jié)果相吻合；壩基應(yīng)力分配法采用第一種與第二種應(yīng)力傳遞方式抗力作用比系數(shù)變化不大。

4 結(jié)語(yǔ)

壩基抗滑穩(wěn)定計(jì)算不僅要計(jì)算沿一個(gè)平面的單滑面抗滑穩(wěn)定，沿壩基雙滑面抗滑穩(wěn)定也是抗滑穩(wěn)定計(jì)算中經(jīng)常遇到的問題，其計(jì)算的核心是如何將壩體的自重傳遞到滑動(dòng)面上，本文擬定了3種傳遞方式，并分別進(jìn)行抗滑穩(wěn)定計(jì)算，最終的計(jì)算結(jié)果表明，采用壩基應(yīng)力分配法比采用自重分配法抗力作用比系數(shù)可提高約10%，壩體自重分配法過(guò)于保守，不能真實(shí)地反映壩基巖體的載荷分布情況,因此對(duì)于特殊雙滑面采用壩基應(yīng)力分配法比較合理。壩基應(yīng)力分配法采用第一種與第二種應(yīng)力傳遞方式抗力作用比系數(shù)變化不大，計(jì)算時(shí)可同時(shí)采用2種計(jì)算方法，對(duì)比分析計(jì)算結(jié)果。

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