曹龍江

(四川省水利規(guī)劃研究院，成都，610072)

1 基本情況

固軍水庫大壩為碾壓混凝土重力壩，河床位置中間布置含2個泄洪表孔和2個泄洪底孔的壩段，非溢流壩段布置在兩側。泄洪及非溢流壩段最大壩高均為77.6m，壩頂高程497.60m，建基面最低高程為420.00m，水庫正常蓄水位494.00m。大壩壩址區(qū)置于互層狀的巖屑砂巖、含煤砂巖地基上，相同巖性地基在河床壩段與岸坡壩段的抗剪指標和地基承載力也存在差異，巖體軟弱夾層較多，總體地質條件較差。上游立視、地基情況如圖1、圖2所示。

圖1 重力壩上游立視

圖2 壩基地質

2 壩體基本三角形體型設計

根據重力壩規(guī)范，具有代表性的非溢流壩段基本斷面呈三角形，其頂點宜在水庫最高靜水位附近，下游壩坡在1∶0.6～1∶0.8之間，在滿足壩體抗滑穩(wěn)定及地基承載力要求情況下，力求采用工程量最小斷面。固軍水庫大壩地基為互層狀的巖屑砂巖、含煤砂巖地基，總體傾下游，根據建基要求，按各壩段位置，壩體分別建基于新鮮及弱風化基巖上。在設計中，通過粗擬基本三角形斷面進行試算，由于壩基開挖后，壩基無法避免置于含煤砂巖巖層上，弱風化含煤砂巖承載力較低，在1MPa～1.5MPa之間，在將下游壩坡設至最緩1：0.8后，依然不能滿足其承載力要求，因此設計將壩體基本三角形頂點調整至最高靜水位以上較多，約為5m，且在壩頂高程以上，以加大壩體底寬，改善應力分布，使其滿足地基承載力要求。故為滿足較差的地質條件要求，固軍大壩基本三角形體型設計稍大，與規(guī)范建議對比示意見圖3所示。

圖3 壩體體型基本三角形頂點位置設計示意

3 深層抗滑問題

3.1 深層抗滑計算模式確定

大壩地基為互層狀的巖屑砂巖、含煤砂巖，巖層總體傾下游，與水平面夾角約-25°，層疊狀，巖體中各類結構面較發(fā)育，層狀結構面包括層間錯動帶、軟弱夾層、煤層和層面，均與巖層層面平行，這類巖體構造帶來的突出問題即為大壩深層抗滑，而這些軟弱結構面將構成壩基巖體深層滑移的主滑面即第一滑面。由于壩基下游不存在自然陡立的滑移臨空面，因此根據規(guī)范相關建議，固軍大壩應該按雙斜面組合滑動模式進行。

根據地基地質情況分析研究，壩基各類軟弱夾層在壩址范圍幾乎均勻分布，且平行于巖層層面，傾下游，在推薦壩線位置相對好于其余部位，綜合研判后主要有6條連通性較好的軟弱夾層控制深層抗滑穩(wěn)定性，見圖2。這6條軟弱面基本在上游壩踵附近出露，對于在壩基中下游范圍出露的軟弱面，設計認為第一滑面向上延伸后穿過壩體，而壩體厚度大，其抗剪指標較高，滑動可能性較小，因此不納入核算范圍。這6條軟弱夾層分別屬于雙斜面滑動模式的第一滑面，其位置、向下游傾角都是確定的。而第二滑面為向下游延伸至表面的傾向上游的斜面。上下游兩個組合滑面交點在壩址處假定的拉裂鉛直面上。從地基地質勘探情況分析，巖體并不存在沿第二滑面趨勢方向的明顯軟弱夾層，因此第二滑面的滑出傾角將存在不確定性，即與第一滑面組合的第二滑面將有無數個，但計算中可以采用有限歸納法，即用有限的滑面進行計算，統(tǒng)計內插，逼近最小的安全系數，得出可以采用的結果。因此第二滑面擬定了從較陡至較緩的傾角，范圍與水平面夾角從65°到15°，間隔5°，共計11個角度滑面，分別與6個確定的第一滑面組合，進行雙斜面深層抗滑穩(wěn)定計算。每個需要計算的典型壩段均按上述方法進行。計算模式選擇如圖4所示。

圖4 混凝土重力壩壩基深層抗滑穩(wěn)定計算雙滑面擬定示意

3.2 深層抗滑各滑面抗剪參數的選取

壩基巖體順層面分布較多軟弱夾層，組成性質不同、長短各異，連通性也不同。上游第一滑面根據地質剖面對相應滑面上的軟弱夾層、正常層面長度界定，采用按長度加權平均的方法對抗剪指標進行綜合取值，作為第一滑面的計算用抗剪指標，各類層面抗剪指標初始值均取地質提供范圍值的中間值，正常巖層沿滑面取順層指標。

第二滑動面與巖體層面夾角較大，也無明顯軟弱夾層，可以使用切層抗剪指標，但巖體裂隙分布對抗剪指標的降低存在不利影響，因此第二滑動面性質如何確定至關重要。固軍大壩壩基巖體根據岸坡基巖裂隙情況精細測量統(tǒng)計，提出了第二滑面在不同傾角情況下的巖體裂隙分布情況，采用裂隙連通率來考慮裂隙對切層抗剪指標的降低影響。具體計算方法如下：首先量測地質剖面圖中第二滑面穿過不同巖層的厚度，按厚度進行加權平均計算完整巖體的切層抗剪指標1；再考慮裂隙的影響，裂隙考慮充填物的影響，單獨提出抗剪指標；再按裂隙連通率將前面計算所得切層抗剪指標1與裂隙抗剪指標進行加權平均，算得第二滑動面最終采用的計算用抗剪指標。裂隙連通率依據地質統(tǒng)計資料，隨第二滑動面與水平面夾角變化而不同。

3.3 深層抗滑計算結果與地基處理方案

根據上述確定的計算方法，設計對幾乎每一個壩段都進行了計算，對計算結果分析認為，除岸坡壩段深層抗滑滿足規(guī)范要求外，壩體高度最高的河床范圍壩段均不滿足要求。圖5為具有代表性的最高溢流壩段計算結果示意(第一滑面為6個滑面之一J3，橫坐標為第二滑面與水平面夾角15°～65°，縱坐標為安全系數)。

圖5 地基處理前溢流壩段第一滑面為J3時的安全系數隨第二滑面夾角變化

從圖5可以看出，各種工況均出現(xiàn)小于規(guī)范規(guī)定的基本工況3.0，特殊工況(無地震)2.5的安全系數。

因此，固軍大壩需要采取工程措施進行地基處理，設計通過對控制性軟弱滑面在地基范圍的分布情況分析，從抗剪洞塞、抗滑樁、抗滑齒槽等方案中確定了抗滑齒槽方案。該方案處理第一滑面靠近上游壩踵壩基的范圍，處理難度小、可靠性高，具體思路為挖除該范圍軟弱結構面，置換為混凝土地基，提高第一滑面綜合抗剪指標。由于第一滑面共6條，在壩基分布深度不同，抗滑齒槽施工難度隨開挖深度加大而加大，設計擬定了不同的齒槽置換深度和寬度，進行了深層抗滑試算，埋深較小的J1-J5條第一滑面均考慮采用抗滑齒槽處理，埋深最大的J6由于深度太大，且即使不采取工程措施處理，其安全系數僅個別工況略小于規(guī)范要求，因此，設計對是否有必要采用整體加深齒槽或單獨采用抗剪洞方案處理J6進行了研究。由于抗剪洞僅需要布置一個，而其附加臨時施工工程量很大，且軟弱夾層的位置需要增加大量地質工作才能準確定位，難度太大，結合J6埋深較大，有很多有利因素并未考慮進入計算(比如兩側的巖體凝聚力c)，最終確定不采用任何處理措施，而是通過對地質參數的進一步復核優(yōu)化，滿足了J6滑面的深層抗滑要求。圖6為大壩地基處理及具有代表性的最高溢流壩段處理后計算結果(第一滑面為6個滑面之一J3，橫坐標為第二滑面與水平面夾角15°～65°，縱坐標為安全系數)。

圖6 地基處理后溢流壩段第一滑面為J3時的安全系數隨第二滑面夾角變化

整個抗滑齒槽，深度約20m，位于上游壩踵下部河床壩基范圍。需要說明的是，抗滑齒槽均位于大壩建基面以下，低于原始河床表面，沒有隨壩段分縫設置貫通縫，而是整體澆筑，作為地基對待。處理方案如圖7所示。

圖7 混凝土重力壩壩基置換齒槽方案示意

在深層抗滑計算中，設計對下游抗力體的計算考慮如下：大壩下游原狀基巖、擋土墻及回填土等可靠重量可納入抗力體計算；泄洪時，消力池內的水重納入計算，但為安全計，采用收縮水深水位對應水重，而第二滑面揚壓力采用下游洪水位對應水深。

4 岸坡壩段側向穩(wěn)定問題

根據重力壩規(guī)范對岸坡壩段的側向穩(wěn)定計算建議，較陡的岸坡壩段，宜按整個壩段三向荷載的合力方向分析計算其抗滑穩(wěn)定性，參考該條款條文說明。若岸坡較平緩，開挖后形成的分級平臺高差不大，岸坡壩段的抗滑穩(wěn)定計算可采用水平建基面的抗滑穩(wěn)定計算公式；若岸坡較陡，計算時宜按合力計算其抗滑穩(wěn)定。固軍大壩每個岸坡壩段建基面開挖為臺階型，一般為2～3個臺階，平臺總寬度均超過壩段寬度1/3，并保持下部平臺較寬。

固軍岸坡壩段采用沿水平建基面方向的抗滑穩(wěn)定計算方法，計算時臺階斜面上的揚壓力作用方向沿斜面的法向，分解到水平和垂直方向后分別合并帶入公式計算即可，計算時考慮壩段兩側分縫處縫面作用側向水壓力，大小根據下游水位水深計算，水平建基面方向計算結果均能滿足抗剪斷公式安全系數要求。

設計也研究了按合力計算其抗滑穩(wěn)定的情況，由于岸坡壩段壩基開挖為臺階型，其真實滑動方向和滑動型式是難以確定的，并不是簡單的單一斜面滑動，尚缺少合理的計算方法，設計參考《潘家錚全集(第2卷)：重力壩的設計和計算》(北京：中國電力出版社，2016)一書，近似按類似條分法，將岸坡壩段分為平段、斜面段，分別按三向合力計算各條塊沿相應斜面的滑動力、抗滑力分力，匯總后按抗剪斷公式計算，其安全系數隨選取的組合滑面型式各不相同，組合滑面型式見圖8。按圖8(a)組合滑面計算的安全系數基本能滿足要求，按圖8(b)組合滑面計算的安全系數大部分岸坡壩段不能滿足要求，兩個組合滑面方案的差異主要體現(xiàn)在滑面穿過的地基或結構范圍不同，滑動趨勢也有所差異。由于圖8(b)組合滑面受下部平臺影響滑動趨勢并不明顯，且類似條分法沒有考慮相鄰條塊的相互作用力，設計認為其計算缺乏合理性。因此，固軍大壩沒有采用組合滑面類型合力計算模式成果，僅按水平建基面方向計算結果控制岸坡壩段穩(wěn)定性。但筆者認為按圖8(a)組合滑面是有滑出可能的，計算的結果具有一定指導意義，此時滑面穿越混凝土結構范圍較大，而混凝土抗剪指標較高，容易滿足要求，若不滿足安全系數規(guī)定宜采取工程措施，例如橫縫灌漿、加大平臺寬度、減小臺階高差等。

5 結語

固軍水庫重力壩地基由于地質條件較差，設計計算需要研究的問題具有一定代表性，本文在有限的幾個方面做了較為淺表的回顧論述，實際工作中設計上開展了大量的深入研究和探討，才總結出了一些較為合適、實用的設計方法，對類似工程的設計具有一定借鑒意義。