亭子口大坝深层抗滑稳定试验研究

姜小兰，孙绍文，朱杰兵

（长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010）

亭子口大坝深层抗滑稳定试验研究

姜小兰，孙绍文，朱杰兵

（长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010）

深层抗滑稳定一直是重力坝设计中的关键性问题。实际工程坝基岩体往往存在软弱结构面、缓倾角裂隙、断层等，这些不利结构面组合可能构成坝基内连续或断续的滑裂面，从而对坝基的深层抗滑稳定性造成严重威胁。为了给设计基础处理优化方案提供依据，并对数值分析进行验证，采用地质力学模型试验技术，研究亭子口表孔坝段深层抗滑稳定问题。试验分别进行基础处理和不处理2个方案的研究，对运行工况下大坝及基础关键部位位移场及规律进行分析，并得出超载作用下大坝及基础位移规律、破坏机理、滑动路径和抗滑安全系数。对基础处理前后的亭子口坝基深层抗滑稳定性及加固处理措施作出安全评价。

抗滑稳定；地质力学模型试验；亭子口水利枢纽；深层滑动；超载安全系数

1 概 述

亭子口水利枢纽位于四川省广元市苍溪县境内，是嘉陵江干流开发中唯一的控制性工程，枢纽开发的主要任务是防洪、灌溉、发电、航运及其它综合利用。大坝为混凝土重力坝，坝轴线总长1 108 m，坝顶高程468.5 m，最大坝高114 m，枢纽正常蓄水位458 m，设计洪水位461.3 m，校核洪水位463.04 m，电站总装机1 100 MW。坝址出露地层为白垩系下统苍溪组长石石英砂岩、黏土岩、粉砂岩和岩屑砂岩等，大坝修建在红层上。坝址区岩层近于水平，分布有各类软弱夹层，根据夹层的分布、厚度与性状分为三类：Ⅰ类为层间破碎夹层，Ⅱ类为层间破碎夹泥且局部泥化的夹层，Ⅲ类为泥化夹层。这些软弱夹层在坝基内普遍存在，其抗剪强度低，对坝基的深层抗滑稳定十分不利［1］。

复杂的地质赋存环境形成了亭子口水电工程建设和运行的外在客观条件，给大坝设计和施工带来了巨大的挑战，由此也形成了亭子口水电站工程的工程地质问题。所以，开展深层抗滑稳定研究是十分必要的。地质力学模型试验是研究变形破坏特征和深层抗滑规律的另一有效手段，可为大坝的设计提供可靠而有力的科学依据。通过深入研究坝基沿软弱夹层的深层抗滑稳定性及加固处理措施，为优化设计提供科学依据，达到确保枢纽安全运行，且节省投资，方便施工的目的。

2 试验方案及内容

亭子口工程坝基岩层倾向下游，倾角平缓，坝基砂岩中，存在黏土夹层和破碎泥化夹层，其软弱夹层的抗剪强度低，必须采取适当的工程处理措施。为了给设计基础处理优化方案提供依据，并对数值分析进行验证，本试验研究方案以大坝溢流坝表孔坝段作为模型试验对象，重点研究软弱夹层对大坝稳定所产生的影响。为了便于对比分析，作基础齿墙处理和无基础处理2个方案对比模拟试验。

根据其几何、物理力学相似关系，选取典型坝段即表孔坝段作为物理模型试验研究对象。试验中模拟坝体、软弱夹层及岩层等物理力学性能指标。荷载模拟自重、上下游水压、泥沙压力等。通过直观的定量分析，得出在运行工况下大坝关键部位位移场及规律，坝基断夹层相对位移。得出超载作用下大坝及基础位移规律、破坏机理、失稳模式、滑移路径和抗滑安全系数。对坝基深层抗滑稳定性及加固处理措施作出评价，对其运行的安全性进行评估。

3 模型概化与材料

3.1 几何比尺与模拟范围

模型模拟大致范围：大坝坝踵处向上游模拟87 m，坝址处向下游模拟269 m，坝基深度模拟122 m，模型模拟整个范围为467 m×235 m×52 m。上游坝基长度不小于1.3倍的坝底宽；下游坝基长度不小于2.0倍的坝底宽；坝基深度不小于1.5倍的坝底宽［2－4］。

根据亭子口表孔坝段地质资料，坝基岩层主要有5种：①粉细及砂砾卵石；②石英砂岩及粉砂岩；③黏土岩；④岩屑砂岩＋黏土岩；⑤粉砂岩。其主要岩层为和。坝基岩层和模型范围见图1。

以上这些地质特性，在模型试验中均以考虑，但受模型尺寸的限制，有些软弱带厚度较小，为了不影响模拟试验中变形因素，夹层厚度较小的软弱带变形模量在模型中按变形等效原则加以考虑。由于NS2-1-8软弱带正处于大坝下面，离建基面较近，且规模也不小，模型中模拟了该夹层的抗剪指标，同时模拟了夹层JS2-1-1，JS2-1-2和JS1-5的抗剪指标。

双向调压井是一种兼具注水和泄水缓冲式的水锤防护措施，一旦管道中压力降低，调压井迅速向管道补水，以防止管道总产生负压。当管路中水锤压力升高时，允许高压力水流进入调压井，从而起到缓冲水锤压力升高的作用。单向调压井带有普通止回阀，水泵正常运行时，注水管上的止回阀处于关闭状态。当事故停泵水压降到事先设定的压力值时，止回阀迅速开启，向管道注水，从而防止发生负压并控制泵管系统中的水锤压力振荡与危害。

3.2 相似关系与材料

根据地质力学模型试验相似条件得出模型相似系数见表1。岩体及软弱夹层抗剪参数见表2，原型岩体物理力学参数及建基面抗剪参数见表3。模型材料力学参数见表4。

表1 原型与模型相似系数Table1 Sim ilarity coefficients of prototype and model

表2 岩体及软弱夹层抗剪及抗剪断参数［1］Table2 Parameters of shear and cutting strength of rock mass and weak intercalation

模型材料的相似性直接影响模型试验的成果。模型试验中，研究了许多材料，共做了60多组试验，最后才找到模型所需材料。

模型材料由重晶石粉、石灰石粉、立德粉、膨润土和机油等材料按不同的成分和不同的配比通过压力机压制而成［5，6］。其中石灰石粉、重晶石粉为主填料，机油为胶结剂，立德粉、膨润土为调节剂。这样压制出来的材料无需烘烤，稳定性能好，制模方便。模型粘结材料用107胶和石灰石粉，按一定比例混合而成。拼块尺寸一般为20 cm×20 cm×（5～15）cm。这些材料都是通过多次反复的试验与研究，基本满足模型坝体与岩体的重度及应力应变关系、强度等要求。模型中的软弱夹层f值是通过两层聚脂薄膜夹电化铝及涂二硫化钼来实现的［5，6］。

图1 模型图（单位：m）Fig.1 Diagram ofmodel（unit in m）

表3 岩体物理力学参数及建基面抗剪断（抗剪）参数［1］Table3 Physico-mechanical parameters of rock m ass and cutting（shear）strength parameters of foundation surface

表4 模型各类岩体材料力学性能指标Table4 M echanical p roperties ofmodel rock m aterial

4 模型加载与测量

模型荷载主要考虑了水压力、淤砂压力、自重、扬压力的组合。

自重荷载是用模型材料本身的重量来模拟，不需外加荷载，用体积力较好模拟了自重梯度。水压力按三角形分布，用精密微型千斤顶施加。水压力采用稳定性能较好的液压稳压器施加，荷载满足同步要求，加载顺序按模型设计的荷载的20%，40%，60%，80%，100%逐级施加，每级荷载稳定20～30 min后进行检测。达到设计荷载后，再对模型进行超载，按设计荷载的1.2倍、1.4倍、1.6倍……直至模型破坏（滑动）。扬压力的模拟，只考虑了浮托力，即在下游水位以下的坝体及岩体均按浮容重考虑。

在模型坝顶的上下游面，坝踵，坝趾及抗力体等关键部位均布置有水平和铅直两方向的位移测点。基础在沿NS2-1-8，JS2-1-2，JS2-1-1，JS1-5软弱夹层上下面上均布置位移测点，监测软弱夹层的相对位移。

5 试验成果及分析

5.1 大坝关键部位位移及位移规律

在试验荷载的P0（P0设计荷载）、1.4 P0和2.4 P0作用下，各主要点的位移值见表5，安全系数见表6。水平方向指向下游为正，指向上游为负；铅直位移上抬为正，下沉为负。

表5 方案1和方案2坝体关键部位水平和铅直位移Table5 Horizontal and vertical disp lacements of key positions of scheme 1 and scheme 2

由表5可知，在设计荷载作用下，方案2与方案1的水平位移比率在90%以上，垂直位移比率在80%以上，即安全性提高了10%～20%；而荷载在1.4P0作用下，方案2与方案1的水平位移比率降到48%～70%，垂直位移比率也降到70%以下，即安全性提高了30%以上；2.4P0作用下方案2与方案1的水平位移比率更低，安全性提高更多。比较方案1和方案2的坝体位移成果可知，方案1的成果普遍比方案2大。在设计荷载作用下，两方案位移成果相差较小，随着荷载的增加，位移相差愈来愈大，齿墙处理方案体现的作用效果更显著。

如图2，方案1在1.2倍设计荷载以前，荷载和位移基本呈线性增加；1.2 P0以后，曲线斜率明显发生改变，这说明坝基局部区域进入弹塑性变形阶段；1.6 P0～1.8P0以后，曲线斜率再次发生改变，斜率越来越小，此时坝踵处肉眼已观测到裂缝，断夹层有滑动趋势；2.8P0～3.2P0以后，坝踵处开裂较大，断夹层滑动明显，坝趾下游处压屈破坏。方案2在1.6P0以前，荷载和位移基本呈线性增加；1.6P0以后，曲线斜率明显发生改变；3.2P0以后，曲线斜率再次发生改变，曲线斜率越来越小，而且此时坝踵处沿齿墙上游面、并沿坝踵斜穿齿墙到下游的裂缝显而易见，虽说肉眼未观察到断夹层滑动，但在齿墙下游的夹层有相对滑动位移。

图2 方案1和方案2坝顶水平位移Fig.2 Horizontal disp lacment of scheme 1 and scheme 2

表6 方案1和方案2坝体超载试验结果Table6 Safety factors of overloaded dam for scheme 1 and scheme 2

5.2 断夹层相对位移及位移规律

模型试验中，主要模拟的断夹层有NS2-1-8，JS2-1-1，JS2-1-2和JS1-5。并且沿NS2-1-8，JS2-1-1，JS2-1-2夹层的上下盘均布置有位移测点。

方案1以NS2-1-8夹层的相对位移最大，在1.2 P0作用下，产生第一拐点，在1.8P0作用下，产生第二拐点，到3.2P0荷载，位移再次发生突变。由此可见，当水压超到1.2P0时，夹层就有相对滑动趋势，1.8P0时完全滑动，到3.2P0荷载，已观察到沿第一层夹层从上游到下游明显滑动现象。相对来说，其它夹层相对位移较小，而且在整个加载过程中，除NS2-1-8以外的夹层尚未滑动。

方案2同样以NS2-1-8夹层的相对位移最大，在2.0P0作用下，产生第一拐点，但直到3.2P0以后，拐点不明显。由此可见，当水压加到2.0P0时，夹层有相对滑动趋势，但滑动不明显。到3.2P0以后，齿墙下游夹层JS2-2-1和JS2-1-2相对位移有些变化，但位移值较小，同时肉眼未观察到明显滑动现象。在这里要说明的是，在整过超载试验中，方案2未观查到沿夹层相对滑动现象。

方案1相对位移只集中在夹层NS2-1-8，其它夹层JS2-1-1，JS2-1-2相对位移很小。说明无处理方案，在浅层就有滑动的可能。而方案2夹层NS2-1-8，JS2-1-1，JS2-1-2在齿墙的下游和底部均有相对位移，说明它不是集中在NS2-1-8夹层上，将由浅层转向到了更深层，且更分散、更均匀发展，其位移值不大，没有像方案1那样产生明显的滑动。

表7是方案1和方案2在超载过程中沿NS2-1-8夹层的相对位移值对照表。由该表可知，方案2比方案1的位移小得多，特别是在坝踵处，方案2直到超载3.2P0时，位移值几乎没多少变化，说明齿墙起到较大的作用。

表7 方案1和方案2沿NS2－1－8夹层相对位移值比较Table7 Com parison of the relative displacement along the intercalation of scheme 1 and scheme 2 NS2-1-8

方案1在1.4P0～2.0P0时，坝趾抗力体处有位移突变，在3.0倍设计荷载以后位移更大，同时模型上也观察到压剪破坏。方案1中离坝趾近处的测点，受荷初期受压，2.0P0荷载以后转向受拉，3.0P0后位移拱出；离坝趾较远处的测点，受荷初期位移无变化，1.4P0～2.0P0以后位移就有拱出现象。方案2中离坝趾近处的测点，在加载过程中一直受压，而离坝趾较远处的测点，位移一直无变化，试验过程中模型上未观察到破坏现象。这也说明齿墙方案起的作用较明显。

5.3 超载破坏情况

无处理试验方案，首先从坝踵处拉裂（1.2P0），然后沿坝踵处继续向深部基岩拉开，直到夹层NS2-1-8，再沿NS2-1-8产生滑移（1.2P0），同时大坝坝趾处及其抗力体部分挤压破坏（1.4P0）。基础滑动问题明显，而且安全余度较小。模型试验破坏示意图见图3。

齿墙处理试验方案，上游坝踵处先拉开（1.6 P0），而后就沿齿墙的上游面拉开（1.8P0），再沿坝踵处斜拉（剪）齿墙直到齿墙下游边后（3.2P0），影响齿墙下游的夹层，3.6P0以后其夹层JS2-1-2位移曲线产生拐点，夹层有相对滑动趋势。模型试验破坏示意图见图4。

图3 方案1模型破坏示意图Fig.3 M odel destruction of scheme 1

图4 方案2模型破坏示意图Fig.4 M odel destruction of scheme 2

6 结 语

（1）由试验成果可知，方案1的位移普遍比方案2大。随着荷载的增加，相同荷载下的位移相差愈来愈大，齿墙处理方案体现的作用效果愈显著。

（2）由基础位移成果可知，方案1相对位移只集中在夹层NS2-1-8，其它夹层JS2-1-1和JS2-1-2相对位移很小，在浅层就有滑动的可能。方案2中，夹层NS2-1-8，JS2-1-1，JS2-1-2只是在齿墙被破坏后，在齿墙的下游和底部处才有相对位移，未产生滑动现象。

（3）从两方案的破坏情况来看，无处理试验方案，纯属一个基础滑动问题，而且安全度不大。而齿墙处理以后，由滑动问题转向强度问题和更深层的滑动问题，安全系数提高较大。

从试验的结果来看，亭子口大坝基础处理是非常必要的，齿墙处理方案大大提高了工程抗滑安全性。但在超载过程中，齿墙下游和齿墙底部的深部夹层相对位移比方案1的还要大，所以建议齿墙方案还可作进一步的优化，如齿墙在上下游方向更长一些，可能会更好。另外齿墙施工的质量很重要，一定要保证其强度性能达标，以确保大坝安全。

［1］ 陈小平，谭书全，郭 贵，等.嘉陵江亭子口水利枢纽初步设计报告（工程地质）［R］.武汉：长江水利委员会，2008.（CHEN Xiao-ping，TANG Shu-quan，GUO Gui，et al.preliminary design report of dam of Tingzikou in Jianglin River［R］.Wuhan：Changjiang Water Resources Commission，2008.（in Chinese））

［2］ 富马加利·E.静力模型与地质力学模型［M］.蒋彭年，彭光履，赵 欣，译.北京：水利电力出版社，1979.（Fumagall.Static Model and the Geomechanical Model［M］.Translated by JIANG Peng-nian，PENGGuang-lu，ZHAO Xin-yi.Beijing：Water Conservancy and Electric Power Press，1979.（in Chinese））

［3］ 陈兴华.脆性材料结构模型试验［M］.北京：水利电力出版社，1984.（CHEN Xin-hua.Structural Model Test of Brittle Materials［M］.Beijing：Water Conservancy and Electric Power Press，1984.（in Chinese））

［4］ 龚召熊，陈 进.岩石力学模型试验及其在三峡工程中得应用与发展［M］.北京：水利电力出版社，1996.（GONG Zhao-xiong，CHEN Jin.Rock Mechanics Model Test and Its Application in the Three Gorges Project Development［M］.Beijing：Water Conservancy and Electric Power Press，1996.（in Chinese））

［5］ 任自明，沈 泰.三峡工程坝基岩体工程研究［M］.武汉：中国地质大学出版社，1998.（REN Zi-ming，SHEN Tai.Three Gorges Dam Foundation Engineering Research［M］.Wuhan：China University of Geosciences Press，1998.（in Chinese））

［6］ 姜小兰，陈 进，孙绍文.锦屏工程地质力学模型坝基岩体新材料研究［J］.长江科学院院报，2009，（6）：20－22.（JIANG Xiao-lan，CHEN Jin，SUN Shao-wen.Jinping dam engineering geological rock massmechanical model of the new material research［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2009，（6）：20－22.（in Chinese） ）

（编辑：曾小汉）

M odel Test of Stability against Deep Sliding in Tingzikou Dam

JIANG Xiao-lan，SUN Shao-wen，ZHU Jie-bing
（Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of the Ministry ofWater Resources，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

Stability against deep sliding of gravity dam design has been a key issue.In natural rock ofmany engineerings，there are often weak structure planes，gently-dipping fissures and faults in the dam foundation rock.The combination of theseunsafely structuralsurfacesmay constitutea continuousordiscontinuousslip surface in the dam

foundation，thus，brings a serious threat to the deep sliding stability of dam.In order to provide the basis for optimization scheme of foundation treatment，and to verify numerical analysis，we use geomechanicalmodel test technique to study deep sliding stability of the spillway section of Tingzikou Dam.There were two programs with processing and without processing.On the basis of operating conditions of the dam，the displacement fields and law of the key parts in dam and foundation were analyzed，and the displacement development law，failure mechanism，sliding path and anti-slide safety factor under the overload were observed.Safety evaluation for deep anti-slide stability and reinforcement treatmentmeasures for Tingzikou Dam foundation before and after treatmentweremade.

stability against sliding；geomechanicalmodel test；Tingzikou Hydroproject；deep slide；overload safety factor

TV223

A

1001－5485（2010）09－0065－05

2010-06-22

“十一五”国家科技支撑项目（2008BAC47B01－5）；国家自然科学基金项目（50539030－2－4）

姜小兰（1964-），女，湖北鄂州人，高级工程师，主要从事水工结构与岩石力学物理模型试验研究工作，（电话）027-28289737（电子信箱）jiangxl668＠163.com。