陳鱗泉 ，楊 磊 ，李麗勤 ，張寅寅

（1.四川大學(xué)-香港理工大學(xué) 災(zāi)后重建與管理學(xué)院，四川 成都610065；2.甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，甘肅 蘭州 730000）

重力壩是主要依靠壩體自重所產(chǎn)生的抗滑力來(lái)維持穩(wěn)定的擋水建筑物，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、適應(yīng)性強(qiáng)和耐久性好等優(yōu)點(diǎn)[1]?？够€(wěn)定安全是重力壩設(shè)計(jì)中最為關(guān)心的問(wèn)題之一[2]，目的是核算壩體沿建基面或地基軟弱結(jié)構(gòu)面的安全度，決定了壩體的剖面設(shè)計(jì)[3]。實(shí)際工程中壩址具有良好地質(zhì)條件的情況較少，隨著中國(guó)大壩建設(shè)的快速發(fā)展，壩基地質(zhì)情況的復(fù)雜性也越來(lái)越大[4]，復(fù)雜地質(zhì)條件下的深層抗滑穩(wěn)定性更是成為重力壩設(shè)計(jì)中的普遍而關(guān)鍵的問(wèn)題[5]。目前研究重力壩壩基穩(wěn)定性問(wèn)題的方法[6－8]主要有剛體極限平衡法、地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)方法和數(shù)值分析方法等。剛體極限平衡法作為一種半經(jīng)驗(yàn)、半理論的方法，是重力壩抗滑穩(wěn)定分析中最常用的分析方法。地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)中模型是真實(shí)的物理實(shí)體，能夠模擬多種復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造，作為研究壩體變形破壞的重要手段。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展和數(shù)值計(jì)算軟件的廣泛應(yīng)用，數(shù)值模擬方法成為進(jìn)行重力壩深層抗滑分析的重要手段[9]。其中，F(xiàn)LAC軟件由于其采用動(dòng)態(tài)松弛技術(shù)，而不需解大型聯(lián)立的方程組，提高了計(jì)算速度，從而可以節(jié)省計(jì)算時(shí)間[10]。同時(shí)基于FLAC軟件的強(qiáng)度折減方法是一種可靠、有效的方法，在分析巖土體穩(wěn)定性、求解安全系數(shù)方面具有可以反映巖土體非線型本構(gòu)關(guān)系、不需進(jìn)行滑移面假設(shè)等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)能夠較為準(zhǔn)確的判斷出復(fù)雜結(jié)構(gòu)的破壞位置。當(dāng)前,重力壩壩址的地質(zhì)情況均較復(fù)雜,深層穩(wěn)定性已經(jīng)成為壩身與壩基穩(wěn)定的關(guān)鍵。因此本文結(jié)合新集水庫(kù)重力壩,建立具有不同深度潛在滑移面的數(shù)值模型，重點(diǎn)采用強(qiáng)度折減法進(jìn)行壩基穩(wěn)定性分析，計(jì)算得出各種滑動(dòng)組合的安全系數(shù)。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

新集水庫(kù)位于甘肅省平?jīng)鍪徐`臺(tái)縣境內(nèi)的達(dá)溪河上，工程區(qū)位處于隴東黃土高原南緣河谷溝壑區(qū)。水庫(kù)設(shè)計(jì)總庫(kù)容為3218萬(wàn)m3，混合壩型(混凝土重力壩+均質(zhì)土壩)。壩基巖體為白堊系下統(tǒng)(K1)青灰色泥質(zhì)粉砂巖和粉砂質(zhì)泥巖，局部夾薄層淺褐色泥巖，水平層理，互層狀結(jié)構(gòu)，單層厚0.1～0.5 m，巖層厚度極不穩(wěn)定，時(shí)厚時(shí)薄，巖相變化頻繁隨機(jī)，局部可見(jiàn)交錯(cuò)層理發(fā)育，屬河流相沉積。巖性軟弱，巖體較完整，層間結(jié)合較差。壩基置于弱風(fēng)化帶中下部巖體上，次生結(jié)構(gòu)面不發(fā)育，僅存在原生結(jié)構(gòu)面（層面），微風(fēng)化帶以下巖體層面多閉合，完整性較好，壩基巖體中層面可能是構(gòu)成潛在底滑面的結(jié)構(gòu)面。

1.2 數(shù)值模型

建立如圖1模型?？紤]5種主要的結(jié)構(gòu)和地質(zhì)材料，即壩體、覆蓋層、回填土、基巖和軟弱結(jié)構(gòu)面。模擬時(shí)，軟弱結(jié)構(gòu)面和剪出口搜索區(qū)采用的是彈塑性本構(gòu)關(guān)系，其他巖體均采用彈性本構(gòu)關(guān)系。計(jì)算模型共劃分節(jié)點(diǎn)44018個(gè)，單元21563個(gè)。

不同的工況下分別按照表1的荷載組合施加邊界條件，其中自重按照初始應(yīng)力考慮，靜水壓力分別施加在壩身、壩踵和拉裂縫上；揚(yáng)壓力根據(jù)滲流分析結(jié)果施加在滑動(dòng)面上；浪壓力根據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL319-2005）的式（B-6）計(jì)算得到，作用在水面與壩身交界處；作用在壩身的泥沙壓力按照《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL319-2005）的式（B-2）計(jì)算得到，作用在壩踵的泥沙壓力按照泥沙的浮容重計(jì)算；地震工況下的水平向地震慣性力按照《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（DL-5073-2000）的式（4.5.9）計(jì)算得到。

圖1 計(jì)算模型示意圖

表1 基礎(chǔ)面抗滑穩(wěn)定及基礎(chǔ)面應(yīng)力計(jì)算作用組合

表2 FLAC3D計(jì)算參數(shù)表

其中，壩體為C15混凝土；覆蓋層為沙壤土、砂礫石和粉土的按厚度權(quán)重的平均值，其彈性模量的取值參照《工程地質(zhì)手冊(cè)》和《土質(zhì)學(xué)與土力學(xué)》；軟弱結(jié)構(gòu)面取為泥質(zhì)粉砂巖在ZK7~10區(qū)間的平均值，其抗剪強(qiáng)度為巖石與巖石抗剪斷強(qiáng)度；基巖取為泥質(zhì)粉砂巖和粉砂質(zhì)泥巖的強(qiáng)度平均值。根據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范SL319-2005》的規(guī)定要求，按抗剪斷計(jì)算得出抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。

2 計(jì)算思路及方法

2.1 研究思路

新集水庫(kù)重力壩工程壩基地質(zhì)條件復(fù)雜，具有水平互層、巖體較破碎、巖層厚度極不穩(wěn)定的復(fù)雜地質(zhì)情況，同時(shí)存在多條潛在的滑移面，壩基深層抗滑穩(wěn)定問(wèn)題十分突出。因此壩基中各軟弱結(jié)構(gòu)面對(duì)穩(wěn)定性的影響程度如何是工程安全建設(shè)的關(guān)鍵問(wèn)題。本文結(jié)合新集水庫(kù)重力壩壩段，采用強(qiáng)度折減法進(jìn)行了壩基穩(wěn)定性分析。

研究?jī)?nèi)容主要為：結(jié)合新集水庫(kù)重力壩壩段建立了具有不同深度潛在滑移面的數(shù)值模型，采用強(qiáng)度折減法進(jìn)行了壩基穩(wěn)定性分析，提出了各種滑動(dòng)組合的安全系數(shù)，同時(shí)確定具有最危險(xiǎn)情況下的軟弱結(jié)構(gòu)面深度。

2.2 研究方法

目前壩基失效破壞的判斷準(zhǔn)則主要有4種：①特征點(diǎn)位移法，位移曲線出現(xiàn)較為明顯的轉(zhuǎn)折處對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度折減系數(shù)作為該研究對(duì)象的安全系數(shù)；②滑動(dòng)面某一幅值的廣義剪應(yīng)變的貫通；③數(shù)值模擬中如有限差分、有限元平衡計(jì)算不收斂；④出現(xiàn)貫通的塑性區(qū)。目前工程界中還未有統(tǒng)一的判斷依據(jù)。特征點(diǎn)位移法的應(yīng)用困難在于曲線的拐點(diǎn)不明顯，合適的安全系數(shù)取值困難。廣義剪應(yīng)變的大小能夠在一定程度上反映剪切破壞狀態(tài)，但是并不能準(zhǔn)確地描述塑性區(qū)的發(fā)生與發(fā)展過(guò)程。數(shù)值計(jì)算不收斂準(zhǔn)則對(duì)數(shù)值計(jì)算軟件和所建模型的質(zhì)量依賴(lài)較大，作為收斂準(zhǔn)則缺乏客觀性。使用塑性區(qū)貫通法不但理論上與極限平衡法一致，而且應(yīng)用上標(biāo)準(zhǔn)客觀，操作性強(qiáng)。因此本文主要以④作為主要判斷依據(jù)確定最終的安全系數(shù)。

本文主要采用強(qiáng)度折減法進(jìn)行計(jì)算，其基本原理是將將巖土體強(qiáng)度指標(biāo)c、Φ值按照公式（1）、（2）同時(shí)除以一個(gè)折減系數(shù)RF，得到一組新的c1、Φ1值。然后將折減后的參數(shù)，即c1、Φ1代入數(shù)值仿真程序中計(jì)算。不斷增加折減系數(shù)RF進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)判斷準(zhǔn)則來(lái)確定壩基失效破壞，此時(shí)的折減系數(shù)RF即為該壩的整體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。

式中，c為凝聚力；Φ為內(nèi)摩擦角；RF為折減系數(shù)。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 塑性區(qū)分析

以引起潛在破壞的軟弱結(jié)構(gòu)面位于建基面以下h=2 m模型，正常蓄水情況工況為例：塑性區(qū)發(fā)展過(guò)程如圖2、3所示，紅色為拉破壞區(qū)，藍(lán)色為剪切破壞區(qū)。強(qiáng)度折減過(guò)程中未屈服的單元范圍呈遞減趨勢(shì)。當(dāng)強(qiáng)度折減系數(shù)RF=2.82時(shí)，已形成連續(xù)的屈服區(qū)，即安全系數(shù)Fs=2.82。隨著強(qiáng)度折減系數(shù)的增大，塑性區(qū)沿回填土和下游覆蓋層界面不斷擴(kuò)展直至RF=2.82時(shí)貫通。塑性區(qū)貫通的先后順序一定程度上反映了砼重力擋水壩段潛在的變形失穩(wěn)特征，即擋水壩段失穩(wěn)過(guò)程是由下游段淺部回填土和下游覆蓋層地表界面處和深層深部軟弱結(jié)構(gòu)面同時(shí)發(fā)展，最后擴(kuò)展貫通的。

圖2 正常蓄水情況，RF=2.82，h=2 m，塑性區(qū)

圖3 正常蓄水情況 ，RF=3.33，h=6 m，塑性區(qū)

3.2 結(jié)果分析

以塑性區(qū)貫通為判據(jù)，由強(qiáng)度折減法所求得安全系數(shù)，其隨軟弱結(jié)構(gòu)面深度關(guān)系如圖4所示。安全系數(shù)隨軟弱結(jié)構(gòu)面深度的增加整體上呈增大趨勢(shì)。最危險(xiǎn)情況為軟弱結(jié)構(gòu)面深度2 m的情況，正常蓄水情況安全系數(shù)2.82，校核洪水情況安全系數(shù)2.72，地震情況安全系數(shù)2.07。可以解釋為，隨著軟弱結(jié)構(gòu)面埋深的增加，上方基巖厚度增加，抵抗剪斷的能力也隨之增加。

圖4 安全系數(shù)vs軟弱結(jié)構(gòu)面深度

軟弱結(jié)構(gòu)面、回填土和下游覆蓋層地表界面處位移發(fā)生有突變，將引起潛在的破壞。其結(jié)果和塑性區(qū)分析的結(jié)果是一致的。同時(shí)拉應(yīng)力主要集中在大壩底部及回填土區(qū)，壩頂與壩趾處有少量拉應(yīng)力，但數(shù)值不大，隨著軟弱層深度增大，壩底拉應(yīng)力減小。因結(jié)果分析表明最危險(xiǎn)情況為軟弱結(jié)構(gòu)面深度2 m的情況，故建議通過(guò)灌漿來(lái)提高基巖的整體性和強(qiáng)度，降低壩踵處的拉應(yīng)力。

因安全系數(shù)隨軟弱結(jié)構(gòu)面深度的減小而減小，故分析中進(jìn)一步復(fù)核了引發(fā)潛在失穩(wěn)的軟弱結(jié)構(gòu)面在建基面直下的情況，h=0 m（見(jiàn)圖 5）。

圖5 正常蓄水情況，RF=2.67，h=0m，塑性區(qū)

正常蓄水情況安全系數(shù)2.67，校核洪水情況安全系數(shù)2.64，地震情況安全系數(shù)2.02，正常蓄水情況安全系不滿(mǎn)足規(guī)范安全系數(shù)要求。

對(duì)照規(guī)范計(jì)算公式分別對(duì)軟弱結(jié)構(gòu)面0 m和2 m進(jìn)行抗剪斷系數(shù)進(jìn)行計(jì)算（見(jiàn)表3）。結(jié)果表明隨著軟弱結(jié)構(gòu)面埋深的增加，抵抗剪斷的能力也隨之增加。同時(shí)正常蓄水情況安全系數(shù)、校核洪水情況安全系數(shù)和地震情況均分別能滿(mǎn)足規(guī)范抗剪斷和抗剪安全系數(shù)要求。

表3 抗剪與抗剪斷安全系數(shù)對(duì)照表

4 結(jié)論

（1）存在較多水平互層結(jié)構(gòu)的復(fù)雜地形，安全系數(shù)隨軟弱結(jié)構(gòu)面深度的增加整體上呈增大趨勢(shì)。最危險(xiǎn)情況為軟弱結(jié)構(gòu)面深度2 m時(shí)。

（2）在軟弱結(jié)構(gòu)面深度8 m~10 m時(shí)安全系數(shù)隨深度變化的趨勢(shì)出現(xiàn)了突變，初步認(rèn)為這是由于防滲帷幕為8 m，8 m以下深度防滲帷幕將失去作用，8 m~10 m之間揚(yáng)壓力的作用相對(duì)增加更為顯著，其后，安全系數(shù)變化趨勢(shì)恢復(fù)為隨深度的增加而增加。

（3）地震與洪水對(duì)大壩抗滑穩(wěn)定均有影響，由于水庫(kù)校核洪水位較設(shè)計(jì)水位增加較小，洪水對(duì)大壩安全影響較小，同一軟弱結(jié)構(gòu)面深度分別在地震情況、校核洪水情況和正常蓄水情況下安全系數(shù)逐漸增大。

本文研究成果已應(yīng)用于實(shí)際工程，為新集水庫(kù)水電站的加固處理提供了科學(xué)依據(jù)，可為類(lèi)似工程的穩(wěn)定分析和加固處理提供參考。

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