重力坝抗滑稳定分析中抗剪公式的适用性及安全控制标准分析研究

2011-06-05冉红玉杜华冬

水利与建筑工程学报 2011年5期

冉红玉,李倩,杜华冬,周欣

(1.长江勘测规划设计研究有限责任公司,湖北武汉 430010;2.广东省水利电力规划勘测设计研究院,广东广州 510635;3.湖北省漳河工程管理局,湖北荆门 448156)

1 问题的提出

重力坝坝基潜在滑裂面通常由不同性状的材料组成,如混凝土和基岩的接触面、节理岩体、硬性结构面或软弱夹层等。早期的重力坝3.0的允许安全系数是建立在节理岩体的“抗剪断”强度指标基础上的,这一指标中包含了极大的凝聚力,这一凝聚力是由完整岩石提供的。对于沿建基面情况,由于该接触面是凹凸不平的,真正的滑面大部分通过的仍是岩桥和节理组合。因此,“抗剪断”指标是相应于坝体沿建基面和节理岩体滑动的情况。但是,如果滑裂面是诸如层面、软弱夹层、断层等一些并不存在很高凝聚力指标的结构面,仍然按3.0的允许安全系数要求,就可能导致了许多重力坝在复核深层抗滑稳定时面临的困境。

水利行业《混凝土重力坝设计规范》[1](SL319-2005)中提出,对于坝基岩体内存在软弱结构面的深层抗滑稳定,可按抗剪公式进行计算,其安全系数指标应经论证确定。规范中未明确给出安全系数的取值,只给出了参考值。

针对以上提出的问题,本文收集了部分重力坝工程设计实例,经过归纳、比较,并进行二次计算验证和敏感性分析,总结得到重力坝抗滑稳定计算中抗剪公式的适用要求,并提出相应于抗剪公式的安全系数推荐取值。

2 工程实例验算

本文收集了三峡[2-5]、葛洲坝[6-7]、万家寨、武都、亭子口、银盘[8]、高坝洲和官地等工程的设计资料,这些工程坝基软弱面的分布及性状差别较大,采用刚体极限平衡法计算时,各工程采用的抗滑稳定计算公式及安全系数标准也不相同。

各工程的地质概况如下:

三峡左厂3#坝段坝基缓倾角结构面发育,坝基岩石为闪云斜长花岗岩,含少量小型花岗岩脉。基岩岩体质量优良,坝基范围内断层发育,断层构造岩大部胶结良好,局部胶结较差。

武都大坝坝基岩体主要由软岩和硬岩互层组成,其中软岩类页岩在坝基出露长度约378 m,约占大坝长度的63%。硬岩类岩层有泥质灰岩、粉细砂岩和石英砂岩。坝基岩体中发育有泥化剪切带、破碎夹泥剪切带。

亭子口大坝坝基岩体由软岩与中硬岩互层组成,其中溢流坝段、厂房坝段和升船机坝段由中硬岩砂岩组成,坝基的出露长度为441 m,约占大坝长度的44%,其余地段则是以软岩为主,夹少量的中硬岩。岩体中存在软弱夹层与薄层软岩,基岩中发育有顺河向宽大裂隙。

万家寨坝基岩性为中厚层鲕状灰岩、薄层灰岩、泥灰岩,分布有多组层间剪切带。层间剪切带部分已被挖除,部分保留。

葛洲坝二江泄水闸闸基为粘土质粉砂岩、砂岩互层,岩性软弱;基岩内有层面裂隙、软弱夹层等薄弱面;软弱夹层中有的已经泥化或局部泥化,其中以202号泥化夹层分布范围最广,软弱夹层的摩擦系数低至0.20～0.25。

高坝洲坝基岩性为白云岩夹灰岩、砂岩互层,基础内存在断层、裂隙、层间剪切带及顺层溶蚀地质缺陷,其中层间剪切带较为密集。

官地电站坝基岩质坚硬,基岩主要由玄武岩组成,坝区断裂构造极为发育,主要表现为断层、错动带及节理裂隙系列。

以上工程设计实例中,三峡、武都、银盘、亭子口、万家寨工程的抗滑稳定分析采用了抗剪断公式,葛洲坝和高坝洲采用了抗剪公式,官地分别采用了两种公式进行计算。

为了验证抗剪断公式和抗剪公式的适用性,采用上述几个工程的地质参数及坝基软弱结构面的滑移模式,在相同荷载及滑移模式下分别采用两种公式进行对比计算分析。计算结果见表1所示。

表1 抗滑稳定安全系数验算

从表1可以看出,当滑动面的凝聚力c'值较低时,两种公式计算得到的抗剪断和抗剪安全系数(k'和k)相差不大,如葛洲坝、高坝洲、武都,k大于1,而k'远小于3.0。随着滑动面的凝聚力c'值的增加,安全系数 k'和k相差逐步加大,如三峡、亭子口、向家坝等工程,抗剪断安全系数 k'为3.0左右时,抗剪安全系数只有1左右,三峡还小于1。

由以上验算分析可知,在分析重力坝深层抗滑稳定时,对于不同的地质条件,应采用不同的计算公式。坝基潜在滑移面由硬性结构面和岩桥组成时,按抗剪断公式计算较合适;当坝基中存在着连续分布的软弱结构面(单滑面或双滑面均为软弱结构面),且结构面强度参数较低,可采用抗剪公式计算。

3 抗剪断与抗剪安全系数的安全裕度分析

为研究不同地质条件下抗剪断安全系数标准与抗剪安全系数标准所保留安全裕度是否一致,采用不同地质条件参数,对具有代表性的双滑动面模式进行敏感性分析。

在坝基深层抗滑稳定分析领域,抗剪断安全系数标准(2.5～3.0)已被工程界认可。因此,计算中通过调整滑面倾角使得抗剪断安全系数达到3.0,然后在相同条件下采用抗剪公式计算安全系数,以比较相同条件下两套标准的安全裕度。模型分别取高坝(240 m)、中高坝(150 m)和中坝(60 m)三种模型,计算简图如图1。

计算时假定第一滑面为软弱夹层,参数为 f=0.405,f'=0.45、c'=0.1MPa;第二滑动面分别为表2中各类岩体或者结构面的参数。如图1所示,取AB面与水平面夹角α=15°、BC面与水平面夹角β=20°,假定AB面、BC面与水平面夹角不变的情况下,改变 BD的长度,则岩体ABD、BCD的重力,以及AB、BC面的扬压力也随之改变。通过调节 BD的长度,使抗剪断安全系数达到3.0,在同样的条件下,计算出对应的抗剪安全系数。AB滑面取为岩夹泥,BD面则取不同的材料,其计算结果如表2所示。

图1 双滑面抗滑稳定计算简图

表2 计算采用参数及相应计算条件安全系数汇总

从表2可以看出,对应于同一坝高,下游滑面参数从低到高发生变化,使抗剪断安全系数达到3.0时,抗剪安全系数依次减小,说明当抗剪断公式安全度一致时,抗剪公式安全度是发生变化的。当c'值较低时,不同坝高的抗剪断与抗剪公式计算得到的安全系数均差别不大、接近相等。当c'值不断增大,两套公式算得的安全系数呈分离趋势,保持抗剪断安全系数为3.0,抗剪安全系数不断减小,对于高坝最小达到1.40,低坝则只有0.56,可见c'值对抗滑稳定安全裕度的影响是较大的。

以建基面安全系数的定义可知,当抗剪断安全系数达到3.0、抗剪安全系数达到1.1就是安全的,一般来说建基面的参数c'值较大。而以软弱面来看,抗剪与抗剪断安全系数差别不大,如果以抗剪断3.0为标准,则抗剪安全系数过大,达到建基面安全系数的2倍以上,如果以抗剪安全系数为标准,则抗剪断安全系数就达不到规范要求。

对于不同坝高,使抗剪断安全系数达到3.0时,高坝抗剪安全系数从2.484减小到1.397,减小了43.8%;中高坝从 2.329减小到 1.111,减小了52.3%;中坝从2.513减小到0.560,减小了77.7%。以上说明,对于不同坝高,c'值的影响不同,对于高坝而言影响较小,则对于低坝影响较大。并且从表2中可以看出,当c'值较大时,无论怎么调整,中坝的抗剪断安全系数都无法减小到3.0,而不考虑c'值时,抗剪安全系数只有0.56,充分说明了c'值对于安全系数的影响。

由以上分析可知,对于不同的地质条件,抗剪断公式与抗剪公式得到安全系数差距变化较大,说明对于不同的地质条件两套标准所保留的安全裕度不同。当抗剪断公式满足要求时,抗剪公式不一定满足要求,反之亦然,两套公式所表现的安全度不同。安全系数主要由c'值控制,当 c'值较低时两套公式计算的安全系数差别不大,当c'值较高时两套公式计算的安全系数差别较大。因此对于软弱结构面应选择合适的计算公式及其配套的安全系数。

4 抗剪强度公式的安全控制标准

水利行业《混凝土重力坝设计规范》(SL319-2005)条文说明中对按抗剪公式计算的安全系数选取进行了特别说明。对坝基岩体内存在软弱结构面、缓倾角裂隙时,应首先按抗剪断强度公式进行坝基深层抗滑稳定分析,如采取工程措施后仍不能满足规范要求时,可按抗剪强度公式,计算坝基深层抗滑稳定安全系数,其指标应经论证后确定,论证时可参考表3所示的安全系数。

表3 坝基深层抗滑稳定安全系数(按抗剪强度)

对于双滑面、多滑面等情况,由于垂直分裂面是假定的,φ值通常取为0,用等K法计算,应有一定安全裕度。但对于单滑面,没有上述安全裕度,其安全系数取值尤须慎重。在已建工程中,坝基存在软弱结构面的情况较为普遍,采用抗剪断公式计算不能满足规范要求而采用抗剪公式计算的实例也较多,因规范未提出确定的安全系数标准,各工程根据自身地质条件及工程重要性提出了各自的安全系数要求,见表4。

表4 国内若干已建工程坝基软弱结构面抗滑稳定设计参数指标

这些工程根据自身地质条件及工程重要性提出了相应的安全系数要求,其设计安全系数在1.1～1.4之间,加固后的安全系数分别为1.2左右,实践证明上述设计安全系数标准有较大安全储备。

根据以上实例总结和归纳分析,提出抗剪公式计算的安全系数的推荐取值,见表5。一般情况下取安全系数的上限,当采用多种加固措施以后仍不能满足上限要求,经过论证后可以取安全系数的下限。

5 结语

通过对已有工程实例的归纳比较与计算算例的验证分析可知,抗剪断公式与抗剪公式所得到的安全系数不具有可比性,对于不同的地质条件,其值相差较大。当结构面为硬性结构面,凝聚力较高时,两者的差别可达到2倍甚至3倍以上;而当结构面凝聚力较低时,其值相当。对于不同的坝高,随c'值的变化,抗滑稳定安全系数所表现出的安全裕度也不相同。