楊 杰

(塔里木河流域喀什管理局，新疆 莎車 844700)

1 工程概況

某泄洪沖砂閘段全長430 m，根據(jù)水庫運(yùn)行方式，當(dāng)流量小于1 200 m3/s時(shí)，開啟沖砂閘進(jìn)行泄洪沖砂，考慮沖砂閘工程投資，并通過模型試驗(yàn)和參考類似工程布置，確定沖砂閘孔數(shù)為5孔，泄洪閘孔數(shù)為26孔。泄洪閘段長442.0 m，共26孔，采用閘底板分縫，閘孔凈寬14 m，閘墩厚3 m；沖砂閘段長88.0 m，采用閘底板分縫，閘孔凈寬14 m，閘墩厚3 m。泄洪閘段右側(cè)為右儲門槽壩段，左側(cè)為沖砂閘段。泄洪沖砂閘采用相同結(jié)構(gòu)布置，均為開敞式平底寬頂堰型，單孔凈寬14.0 m，閘室順?biāo)鞣较蜷L36.0 m。

閘頂高程為292.50 m，閘底板頂高程為275.00 m，基礎(chǔ)高程為270.00 m，最大閘高22.5 m。閘墩采用C25鋼筋混凝土，閘室底板上層采用厚0.5 m耐磨混凝土，以提高抗沖刷能力，耐磨混凝土下部設(shè)厚4.5 mC25鋼筋混凝土。閘墩上下游均采用圓型。根據(jù)工程設(shè)計(jì)要求，采用ANSYS軟件對該泄洪沖砂閘進(jìn)行了壩基深層抗滑穩(wěn)定三維分析，重點(diǎn)對工程設(shè)計(jì)進(jìn)行整體穩(wěn)定驗(yàn)算。

2 工程地質(zhì)條件

工程區(qū)地形平坦，地面高程280.7～281.7 m，階面與枯水期水面高差約6.2～7.2 m。表層由第四系全新統(tǒng)近代河流沖積堆積層所組成，該層具有明顯的二元結(jié)構(gòu)，上部粉土，厚度1.8～2.3 m，下部礫卵石土所組成，厚度5.1～5.5 m，結(jié)構(gòu)稍密為主，滲透系數(shù)K=2.40×10-2～6.38×10-1cm/s，屬強(qiáng)透水層。下伏基巖為粉砂質(zhì)泥巖夾薄層泥質(zhì)粉砂巖和砂巖，巖體強(qiáng)弱風(fēng)化帶厚度分別為1.0～1.3和11.9～12.4 m。巖體中石膏溶蝕孔洞發(fā)育底界深度258.72～267.86 m，其相對不透水層(q<5 Lu)埋深16.5～17.0 m。

泄洪沖砂閘位于主河床右岸及河漫灘，據(jù)鉆孔揭示，表層由現(xiàn)代河流沖積堆積的礫卵石土組成，厚度一般1.7～2.6 m，最厚可達(dá)5.1 m，屬松散～稍密結(jié)構(gòu)，滲透系數(shù)K=6.2×10-3～4.7×10-2cm/s，屬中等～強(qiáng)透水層。基巖頂板高程為272.7～273.5 m，巖性為粉砂質(zhì)泥巖夾薄層泥質(zhì)粉砂巖和砂巖。在高程261.3～264.2和258.6～258.7 m，各分布一層厚約0.35～0.36和0.05 m的巖塊巖屑型剪切破碎帶(Cr4、Cr2)，其中Cr4延伸長度160 m，Cr2長度僅達(dá)50～60 m。巖體強(qiáng)弱風(fēng)化帶厚為0.0～2.7 m、6.6～11.1 m。壩基巖體質(zhì)量分類弱風(fēng)化的粉砂質(zhì)泥巖為 CⅣ2類，新鮮的粉砂質(zhì)泥巖為CⅣ1類。強(qiáng)風(fēng)化巖體滲透系數(shù)K=5.7×10-5～3.5×10-4cm/s；弱風(fēng)化巖體透水率q=4.1～13 Lu，均屬中等透水層為主，夾弱透水層透鏡體?？紤]到河床覆蓋層較薄，清除后將泄洪沖砂閘閘室及消力池基礎(chǔ)置于強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖上，基礎(chǔ)底高程270.00 m。

3 抗滑穩(wěn)定計(jì)算

3.1 計(jì)算條件

根據(jù)工程設(shè)計(jì)，沖砂閘室基礎(chǔ)置于弱風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖，根據(jù)壩址區(qū)巖體物理力學(xué)參數(shù)建議值，混凝土與基巖抗剪摩擦系數(shù)取0.36，抗剪斷摩擦系數(shù)取0.5，抗剪斷凝聚力為C=200 kPa，基礎(chǔ)允許承載力[R]=0.6 MPa，帷幕折減系數(shù)取0.7，本工程地震設(shè)計(jì)烈度為6度，樞紐建筑物可不進(jìn)行抗震計(jì)算。

本次分析采用美國有限元軟件ANSYS[1-3]進(jìn)行建模和網(wǎng)格劃分，然后對泄洪閘典型壩段進(jìn)行非線性有限元計(jì)算。為了消除邊界效應(yīng)的影響，選取計(jì)算范圍為：壩體上游面至基礎(chǔ)邊界長度為100 m，壩體下游面至基礎(chǔ)邊界長度為100 m，壩基的最大深度60 m。網(wǎng)格劃分時(shí)以六面體為主，有限元模型節(jié)點(diǎn)數(shù)量為16 739個(gè)，單元數(shù)量為11 284個(gè)。邊界條件：底面三向約束，其余邊界為法向約束。模型中巖基和軟弱破碎帶采用Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則，壩體為彈性材料，軟弱破碎帶與巖基之間采用接觸摩擦模型模擬。坐標(biāo)系以指向河流下游方向?yàn)閄軸正向，以鉛直向上為 Y 軸正向，以指向右岸為 Z 軸正向。選取關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行位移突變觀測，關(guān)鍵點(diǎn)選取有閘壩底面節(jié)點(diǎn)340(關(guān)鍵點(diǎn)A)，閘壩上游巖基節(jié)點(diǎn)432(關(guān)鍵點(diǎn) B)和Cr4軟弱破碎帶上表面節(jié)點(diǎn)76(關(guān)鍵點(diǎn) C)，計(jì)算模型見圖1，計(jì)算參數(shù)見表1。

圖1 泄洪沖砂閘三維有限元計(jì)算模型

3.2 計(jì)算方法

超載系數(shù)法[4-6]假定壩基的巖體力學(xué)參數(shù)不變，將作用在壩體外部的外荷載逐步放大，直至滑動面上的抗滑穩(wěn)定處于臨界狀態(tài)，

此時(shí)荷載的放大倍數(shù)即視為安全系數(shù)[7-9]。但是由于作用在壩體上的荷載較為復(fù)雜，很難考慮所有作用力的同時(shí)超載，一般只逐步增加上游水荷載。在工程上的實(shí)際意義可以理解為：突發(fā)洪水來臨等對壩基穩(wěn)定安全度的影響。采用超載系數(shù)法可以采用增加水容重，也可以采用抬高水位的辦法以增加水平荷載P。結(jié)構(gòu)的超載能力可以由破壞時(shí)相應(yīng)的外荷載與設(shè)計(jì)荷載的比值來衡量，稱為超載安全系數(shù)，并用它來評價(jià)工程的安全性。當(dāng)采用增加水容重時(shí)，其表達(dá)式為：

式中：Pm和Pn分別為破壞時(shí)相應(yīng)的外荷載與設(shè)計(jì)荷載；γm和γn分別為破壞時(shí)與設(shè)計(jì)時(shí)外荷載的水容重。

3.3 計(jì)算結(jié)果

通過建立泄洪閘典型壩段三維有限元模型，選取正常蓄水位工況時(shí)(上下游水頭差最大，即最危險(xiǎn)工況)進(jìn)行強(qiáng)度折減法的深層抗滑穩(wěn)定分析計(jì)算，計(jì)算不同折減系數(shù)下壩基的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，具體計(jì)算結(jié)果見圖2～圖6。

當(dāng)Kc=3時(shí)，順河向位移逐漸增大，最大位移位于閘門中央，值為0.947 cm，未發(fā)生突變，順河向位移見圖2。

當(dāng)Kc=5.8時(shí)，順河向最大位移發(fā)生在Cr4軟弱破碎帶上方巖體，最大值為8.347 cm，位移發(fā)生突變，順河向位移見圖3，順河向位移矢量見圖4；壩體上下游巖基均發(fā)生塑性屈服，壩體及基巖也就沿著 Cr4 軟弱破碎帶上表面整體滑動，等效塑性應(yīng)變分布見圖5。

圖3 Kc=5.8時(shí)，模型順河向(X正向)位移云圖

圖4 Kc=5.8時(shí)，順河向(X正向)位移矢量圖

圖5 Kc=5.8時(shí)，模型等效塑性應(yīng)變分布

當(dāng)Kc=6.1時(shí)，由于變形過大，計(jì)算不收斂。由此判斷采用超載系數(shù)法得到的深層抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)應(yīng)小于6.1。

對選取的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行位移突變觀測，其順河向位移隨超載系數(shù)變化見圖6。當(dāng)超載系數(shù)Kc為5.8時(shí)，關(guān)鍵點(diǎn)A和B順河向位移均發(fā)生突變，位移增加較大；關(guān)鍵點(diǎn)C順河向位移并未發(fā)生突變，表明 Cr4 軟弱破碎帶沒有跟隨壩體及基巖一起發(fā)生滑動，主要是由于Cr4軟弱破碎帶未完全塑性屈服，具有一定的抗剪強(qiáng)度，且與上層巖體之間為接觸摩擦。因此，采用超載系數(shù)法計(jì)算的壩體深層抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)在5.8～6.1之間，滿足規(guī)范要求。

圖6 關(guān)鍵點(diǎn)沿順河向位移與安全系數(shù)Kc的關(guān)系曲線

4 結(jié) 論

本文以某水利工程泄洪沖砂閘為研究對象，以有限元軟件ANSYS為分析平臺，采用超載系數(shù)法對該泄洪沖砂閘的壩基深層抗滑穩(wěn)定進(jìn)行三維計(jì)算和分析，通過不斷增加閘壩所受到的外部荷載參數(shù)，得到壩基巖體等效塑性應(yīng)變和位移的變化趨勢，得到以下結(jié)論：

1) 隨著折減系數(shù)的增加，閘壩巖體發(fā)生的位移也逐漸增大。

2) 當(dāng)折減系數(shù)為5.8時(shí)，壩基塑性屈服區(qū)貫通Cr4軟弱破碎帶，位移發(fā)生突變，認(rèn)為Cr4軟弱破碎帶為閘壩穩(wěn)定的控制性因素。

3) 根據(jù)關(guān)鍵點(diǎn)沿順河方向位移與超載系數(shù)Kc的關(guān)系曲線，確定該閘壩深層抗滑穩(wěn)定最大安全系數(shù)在5.8～6.1之間。