瑞士洪格林拱坝坝肩稳定性评估

2012-04-14瑞士科利伊等

水利水电快报 2012年3期

［瑞士］ A.科利伊等

洪格林(Hongrin)坝的布局极不寻常，因为在洪格林河谷中，有两座大坝拦蓄河水，从而形成了一座人工湖。两座坝均为拱坝，其中北坝高125 m，南坝高90 m。两坝交汇于基底位于河谷分水脊上的止推座上，且均属薄坝。

洪格林水库紧邻日内瓦湖(亦称莱芒湖)，库容为5320万m3，系维多克斯(Veytaux)抽水蓄能电站的上库，日内瓦湖为下库，电站装机容量为240 MW。目前该工程正在扩建，通过修建第2座电站，可以增加240 MW的容量，扩建工程预计于2014年底完工。

两座坝均建于1965～1969年。经过40多年的连续运行，目前北坝需要维修，主要为中央止推座与底孔。必要的维修工作尽可能与维多克斯电站的扩容工程并列进行，力求于2014年前完成。依照瑞士大坝安全机构—瑞士联邦能源办公室(SFOE)发布的相关规定，目前正在对大坝及其喇叭口溢洪道建筑物进行地震灾害检查。北坝右岸的稳定性也成为令人关注的焦点，因为该区域发生渗漏等现象已长达40 a之久。本文将参考地质学、水文地质学及岩石力学等一系列完整数据，对大坝存在的问题进行认真研究，旨在对大坝右肩的稳定性作出评估。在目前开展的研究中，将对涉及大坝稳定性的整个坝肩的作用进行分析。

1 地质特征

1.1 地质学与岩土力学研究

洪格林两座坝基岩的大部分由奥尼科姆阶石灰岩构成。北坝与南坝之间中央坝肩的上部沉积层，由被称作红层(Couches Rouges)的土仑阶泥灰质石灰岩组成。层面向上游方向倾斜40°～50°，因而对两座坝的综合稳定性较为有利。

尼奥科姆阶岩石呈现层厚为厘米级至分米级的灰色石灰岩与极薄层黑片岩夹层，并带有大量燧石结核。已确认坝址处的节理系含有5个主节理组。

北坝右坝肩的构造特征比坝基其他部位更为明显。大坝右岸内的变形不均匀。据观察，在大块岩石与破损带之间存在渐进相变及不连续相变，该变形具有下列特征:存在大量各种规模的不连续面，局部为胶结角砾岩及缝合线(stylolithes)(受压碳酸盐岩石溶解氧化物标志)。观察中未发现非凝聚性碎裂断层岩(角砾破碎岩)。

可以概括地将这些变形看成是均匀的，但大坝右肩与坝基其他部分不同。其差异主要为:

(1)右岸不连续性发生的变形更为频繁。

(2)1969年帷幕灌浆时所作的水压测试(吕荣型)及2006年的渗透测试(平均值为2×10-7m/s比2×10-8m/s，比率为10)结果表明，右岸水渗透系数高于其他部位。

(3)现场试验确定的岩体力学性能较低(右岸与其他地方平均变形模量分别为9 GPa与22 GPa)。

此外，右坝肩顺层向峡谷方向轻微倾斜也产生了潜在的不稳定性。由于岩石底槛存在这种弱点，为避免岩体潜在的不稳定，1965～1969年大坝施工时对右肩进行了岩锚加固。施工所用的预应力锚杆至少有57根，承载力范围为150～1600 kN，锚固到岩体内的深度达37 m。

对岩石边坡的局部坑洼，采用了混凝土填堵，并采用42根预应力锚杆进行支护(承载力范围同上)。除支护系统外，还设计了深钻孔排水网。遗憾的是，据现场观察，大部分排水网并没有按设计要求实施。另外，由于施工时未安装监测设备，目前对所有预应力锚杆的实际状况一无所知。毕竟已使用了40 a，锚杆的松弛效应很可能已使部分预应力损失。

为进一步鉴定岩层的性质，2006年对坝址勘测时作了岩土力学试验，包括现场的膨胀仪试验与实验室试验(单轴压缩试验、三轴试验及直剪试验)。勘测结果对此前大坝施工时的现场数据(液压千斤顶加载试验)进行了补充。试验结果已用于对本研究中数值模型材料属性的研究工作。

1.2 水文地质学研究

水库蓄水后，发现右坝肩有渗透水外流。根据观察，对灌浆帷幕与排水网的有效性产生了怀疑。因此在过去10 a间，对右肩作了水文地质学专门研究以评估其状态。在研究的第1阶段(1998～2004年)，建立了地下水流概念模型。由于在灌浆阶段采用了减压措施，从而导致帷幕浅层出现由少量渗流形成的渗流泉。概念模型基于下列观测。

(1)化学分析结果显示，泉水与湖水相似。

(2)监测结果显示，泉水渗流量与水库水位关联性极强。

(3)利用简化数值水流模型(有限元建模)对坝肩进行试验的结果与观察结果一致。由于灌浆帷幕存在无法避免的缺陷，致使渗水出流。

渗漏不算严重(平均值约30 L/min)，但坝肩内产生的水压力会增大岩体潜在的不稳定性。应当指出，对排水系统的监测也显示其存在严重缺陷。数值模型计算得出坝肩内的水压力大约为4 bar。

在第2阶段(2006年)，在坝肩内钻了6个孔，安装了16个压力传感器监测地下水压力。勘察及监测结果(2006年至今)证实了概念模型的有效性。

(1)钻孔岩心显示，层理面有地下水流痕迹。层理面开口很小，因而限制了流量。在有些不连续部位可以发现一些较大的孔缝(达1 cm)，局部有厘米级的喀斯特漏水通道。然而，与地面露头观察情况类似，未发现大型的喀斯特特征;钻孔中流量计的记录证实没有分散的地下水流;吕荣试验结果显示离散度较低(右坝肩处K=2×10-7m/s，标准偏差=5×10-7m/s)。

(2)水压力监测结果证实坝肩内最大水压力大约为0.4 MPa。

(3)水头梯度证实有地下水流穿过灌浆帷幕上部，甚至在坝肩下游区可以观察到水头与水库水位变化的关联度较高。

(4)利用二维数值模型作出的敏感性分析证实帷幕上部存在一个缺陷区，在模型中，缺陷区可以沿着该帷幕移动，只有采用该方法才能正确模拟现场水压力。

基于水文地质数据分析，可以得出结论:将岩体看成是水文地质属性的连续介质。为了达到岩土力学数值模拟的目的，有理由认为，如同从水文地质研究中推断出的结果一样，沿节理及在主、次渗流泉区均存在水压力。

2 数值模拟

2.1 模型的建立

近年来各种各样数值模型，包括有限元、边界元及有限差分法，已被有效地应用于处理岩土工程技术问题，如边坡的稳定性分析。但其应用主要是基于连续体，而在处理复杂的岩土力学问题时，效果不明显。有人曾采用所谓的离散单元法，因为该方法允许可变形的离散体有有限的位移，并能识别任何新组合中离散体之间可变形的新接触面。

在本研究中，已应用离散元程序—3D EC(一种三维离散元编码)进行岩质边坡数值模拟。考虑到母岩的可变形性、岩块运动力学特征以及节理组附近岩块之间的相互作用，3D EC是应用连续与不连续介质的混合配置。

目前已利用现场数字高程模型拟定了模型的几何形状。通过地表地质图，将最主要的地质节理组挑选出来，并在模型中合并为通过岩体单元的不连续节理(面)。

根据现场试验，将岩体作为具有等效变形模量值为9 GPa和泊松系数为0.22的线弹性体来加以模拟。在该模型中，节理性能受库伦滑动本构模型的支配，实验室岩体节理剪切试验推算出的摩擦角为 33°，内聚力为 60 kPa。

对地下水压力试验是通过对兴趣区的节理施加水压力，并将水文地质数据加入到模型中。因为水压力各向同性，施加的节理水压力作用，可以减小岩块间节理的接触力，从而避免其影响分析结果。

利用坝肩的等效节点荷载来考虑大坝的反力。从为了单独研究大坝静态及动态性能而建立的有限元模型中，已经获得了大坝与岩基之间的力。

为进一步研究，利用3D EC提供的结构单元特性，在模型中添加了岩石锚杆。建议的支护锚杆公式表达的是只考虑岩石锚杆穿过现有不连续部位的局部作用，并得到了基于实验室锚杆穿过不连续部位应变集中的实验室结果的证实。

对岩锚模拟时，是将其作为具有等效总承载能力的多个分散的结构单元进行的。由于对其实际状况与承载能力缺乏相应的了解，因此进行了敏感性分析。

2.2 稳定性分析

本研究旨在对岩石边坡与坝肩不同岩块的稳定性进行评估，因此大坝安全系数(FOS)成为研究的重点。3D EC具有的分析特点，使之有可能通过添加或排除感兴趣的参数来对大坝安全系数进行计算。如前所述，研究的问题主要是受对层理面不连续的复杂体系所支配，且层理面极可能会产生破坏机理。本模型中的岩体性能是作为线弹性材料来模拟的，其被认为对稳定性的影响不大，因而被排除在FOS分析之外。

基于道森等人提出的强度折减法，完成稳定性分析。在该方法中，通过一个折减系数，抗剪强度参数逐步减小直至破坏。因此当系统再也不能达到平衡时，即不平衡力超过给定的容许数值时，安全系数则等于折减系数。最终平衡时的位移及应变结果，可以为破坏机理提供有用的说明。

对洪格林北坝右肩稳定性的评估分3个基本步骤完成。首先，对岩石边坡进行无水压力及岩石支护分析;其次，施加节理水压力并检查其稳定性;最后，附加岩石支撑系统并作有水压力与无水压力分析。后者旨在评估岩锚与增设排水沟的综合效应。

为评估层理面间距、大坝反力及岩锚承载能力的影响，采用上述几个基本步骤作了多组次分析。

2.3 结果与探讨

不考虑大坝的推力作用，分析结果显示，在既无水压力也无岩石支护的自然状态下，岩石边坡的综合安全系数为1.06，略呈不稳定状态。表明如同考虑大坝施工措施一样，设置岩石支护系统很有必要。在考虑节理水压力的情况下，安全系数降至0.72。安全系数的减小，主要是由节理上的有效接触应力减小所引起，而有效接触应力的减小，随后又导致抵抗沿节理滑动的摩擦阻力减小。

观察发现，通过破坏模式下的位移情况可以更好地了解破坏机理。不出所料，随着节理接触力的不断累积，岩块失稳的潜力从上至下逐渐减弱。模型中不稳定区与施工时已探明的潜在不稳定区(后纳入地质学研究)的情况一致。在识别破坏机理和由此确定大坝安全系数计算的关键参数方面，该证据也验证了模型的一致性。

通过观察节理破坏模式的关键点，可以进一步评估岩石的破坏机理。一些观察结果表明，在破坏处，滑动通常是沿着不稳定岩块下面的层理面发生。这意味着尽管陡坡区的节理可能存在拉伸破坏，但在已确认失稳可能性较高的区域破坏模式中，滑动摩擦模式仍占主导地位。

在坝肩区域，增加大坝推力做点荷载试验，以便进行同样的分析。分析结果表明，无论是大坝的安全系数还是破坏机理，都不受大坝推力的影响，这是由大坝与不稳定区的相对位置所决定的。由于不稳定区(锚固区)靠近坝肩的最低部分，因而大坝推力不仅不会对该区域产生影响，反而很可能会在该不稳定区的后面产生一个应力集中增大的区域。无论怎样，边坡的稳定性与大坝推力无关并不一定意味着可以互换，而坝肩的不稳定是否会对大坝本身的稳定性产生显著影响，仍有待进一步研究。

针对在潜在不稳定区增加岩石支护系统作了进一步研究。结果表明，通过增加支护系统，大坝安全系数显著增大，可达3.53，足以显示岩石支护系统在边坡稳定性方面的重要作用。由于对岩锚实际状态及承载能力了解有限，因而对其承载能力的参数进行研究就显得很有必要。

参数研究中，假设几种锚杆承载能力从最大值递减至最小值，每一步都需要对安全系数进行计算。由上述试验研究可以看出，最初的安全系数保持恒定，不受锚杆承载能力下降的影响，说明岩石锚杆的初始承载能力高于稳定所需的承载力，因而只需动用锚杆的部分承载能力应对安全问题。研究中，曲线的演变从较低的等效承载力开始，它与岩石支护系统在岩块安全中发挥重要作用的临界值对应。从该临界值开始，可以观察到安全系数与岩石锚杆承载力有重要的相关性。分析结果显示，一般情形下，岩石锚杆在岩石边坡稳定方面发挥着关键作用。

应当注意，实际上，岩石锚杆的任何性能降低或松弛都会降低其实际承载力。因此，应当采取适当措施，以获取有关岩石锚杆实际状况的准确信息。