拱坝坝肩向斜岩体结构抗滑稳定系数的计算方法

颜加珍

（中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州贵阳550081）



拱坝坝肩向斜岩体结构抗滑稳定系数的计算方法

颜加珍

（中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州贵阳550081）

摘要：拱坝坝肩有一个向斜岩体结构，该结构由于拱坝推力，会发生滑动破坏的可能性。通过有限元对坝肩、坝基渗流场与从拱坝向坝肩传递的推力进行计算，并通过三维极限抗滑稳定计算法，对向斜结构在各工况下的抗滑稳定安全系数进行计算，采用锚索加固滑动体，对于规范要求相满足且抗滑稳定安全系数所需锚索数量进行计算，同时计算分析抗滑稳定中锚索施加角度的影响。

关键词：拱坝坝肩；水工结构工程；岩体结构；抗滑稳定；计算方法

前言

某水利枢纽主要分为电站、坝身泄水建筑物及拱坝，为三等工程，这一水利枢纽最大坝的高度大约为70m，323m的坝顶高程，190.6m的坝顶弧长，坝体底部厚度最大为10.5m，2.5m的坝顶厚度，将三孔溢流堰设于坝顶，317.5m的堰顶高程，坝底部分别于高程265.6m与中心高程257.5m处创建一个放空底孔（φ1.2m）与一个导流底孔（2m× 2m），因为高于高程290.0m，减小了右岸岸坡坡度，所以，将重力墩设于右岸高程大约290.0m之上。该大坝处在“V”型河谷拐弯处，从平面上看，右岸呈向左岸凸出的鼓型山包。泥盆系中陆相沉积的碎屑岩共同组成右坝肩底层，主要是石英砂岩、砂岩以及粉砂岩夹页岩等，岩性软硬相间，而且层间破碎夹层与泥化夹层发育良好。因为向斜结构面中含有泥化夹层，具有比较低的抗剪强度，而且下游侧为冲沟，共同组成一个临空面，由于拱坝推力与绕坝渗流作用的不断加强，很可能会出现向斜结构失稳的情况，对大坝安全造成严重危害，所以，应该计算分析拱坝坝肩向斜岩体结构抗滑稳定系数。本文通过有限元措施计算岩体渗流场，以此对从重力墩向向斜结构传递的推力进行计算，对向斜抗滑稳定性予以计算，最后计算拱坝坝肩锚索加固数量。

1　拱坝坝肩地质情况

图1为拱坝坝肩地质断面示意图，由图1可知，右坝肩重力墩右侧有一个向斜结构。河谷一侧（左翼）岩层产状为NW∠42°-46°，N5°-20°E与NW∠30°-35°，N5°-20°E；山坡一侧（右翼）岩层产状为NW∠46°-56°，N0°-25°E，也就是下部分比较缓，上部分比较陡。上部岩层大多在强风化区，高于299.0m高程处，具有较低的泥化夹层抗剪强度，由此会对向斜结构本身所具有的抗滑稳定性产生一定影响。

图1　右肩坝地质断面图

2　大坝应力及渗流计算

通过有限元法对大坝坝体应力与岩体渗流进行计算，图2为有限元计算网格，以八节点等参为网格单元23951个，节点27939个，大坝和上游边界之间的距离相当于坝高的1.5倍，大坝和下游边界之间的距离相当于坝高的2.0倍，地表面属于自由面，213.0m的底面高程，与拱坝的距离为坝高的2.0倍，设定坐标系为：Y轴：指向左岸；X轴：指向下游，平行于拱坝中心线，处在0m高程；Z轴：垂直向上［1］。

图2　有限元计算网格

计算渗流时，大坝渗透性不必考虑。将帷幕设计在坝肩与拱坝坝基，于左坝肩与坝基设一排帷幕，2m的有效厚度，基岩深入大约35m，右坝肩设两排帷幕，4m的有效厚度，基岩深入大约52m，对死水位、正常水位及校核水位渗流场进行计算。死水位、正常水位及校核水位分别为283.0m、317.5m和321.9m，下游水位相应分别为266.5m、366.5m和271.6m［2-3］。

计算拱坝应力的工况主要分为4种：工况1：正常温升温度荷载设计+尾水位和正常蓄水位扬压力+自重+静水压力+泥沙压力；工况2：正常温升温度荷载设计+尾水位和水库死水位扬压力+自重+静水压力+泥沙压力；死水位大多发生在9～10月；工况3：正常温升温度荷载设计+尾水位和校核洪水位静水压力+自重+静水压力+泥沙压力；工况4：正常温升温度荷载设计+尾水位和蓄水位静水压力+自重+静水压力+泥沙压力［4］。通过弹塑性有限元对应力进行计算，计算应力变形后，通过积分方式对拱坝向坝肩传递的推力进行计算。

3　向斜结构抗滑稳定性的计算

通过抗剪公式对抗滑稳定安全系数进行计算，公式为：

公式（1）中，N表示与滑动面相垂直的法向力；K表示抗滑稳定安全系数，f表示抗剪摩擦因数，T表示沿滑动方向滑动力［5］。在计算过程中，应该对以下情况加以考虑：a.侧、底滑面垂向合力大于0，为双面滑动型，顺着侧面与底面棱线滑动为实际滑动方向；b.侧、底滑面垂向合力小于0，为单面滑动，顺着底滑面滑动为实际滑动方向。

3.1 忽略加固情况计算抗滑稳定

根据综合坡度对重力墩和向斜结构交界面加以考虑，由于向斜结构面产状存在变动范围，而且产状会影响到计算结构，所以，应该取最大相交棱线倾角、最小抗滑稳定安全系数相对的产状实施计算，软弱面摩擦因数大约为0.20，抗滑稳定计算中，依照水头值对在底滑面与侧滑面作用的渗透压力进行计算。重力墩一侧，重力墩传递的力作用于向斜结构。计算滑动块体模型为：重力墩和上游脱离面的上游面齐平，在300.0～323.0m范围内，侧滑面与底滑面交点高程范围内有所变化，靠近河谷的一侧和重力墩相接［6］。由此所计算块体稳定的算结果如表1所示，299.0m底部高程相对应的块体形状如图3所示。

表1　抗滑稳定安全系数

图3　299.0底高程中向斜结构形状

从表1计算结果可知：大于323.0m高程，因为不会受到重力墩传递力、上游水压力、渗透力作用，所以其安全系数与规范要求相满足。小于该高程，校核水位与正常水位工况下，其抗滑稳定安全系数均比规定值小；305.0～323.0m高程，抗滑稳定安全系数会由于滑动块体底部高程的降低而随之下降，低于305.0m高程，河谷侧岩层倾角下降，对滑动块体抗滑系数的增加极为有利，可见拱坝坝肩向斜岩体结构面产状对滑动块体本身所具有的稳定性有着直接性影响。

3.2 考虑加固计算抗滑稳定

依照滑动板块地形现状，锚索唯有穿过侧滑面施工，所以右翼陡倾角画面和锚索参数存在关联性，因为施工受限，基于滑面法线方向，该法线和锚索夹角于0°与上游方向大约10°处实施计算分析，从表1可以看出，校核水位与正常水位状态下的安全系数无法与向斜岩体稳定性要求相满足。基于以上两种情况的计算结果如表2、3所示。

表2　抗滑稳定安全系数

表3　抗滑稳定安全系数

分析计算结果可知：增加锚索数量有利于提高滑块安全系数，对其安全系数变化进行分析发现，温升工况+正常水位会对锚索加固量产生影响；因夹层结构面具有较低的强度参数，陡倾画面与锚索施加方向为彼此垂直状态，要想使其抗滑稳定系数提升往往比较难，若使锚索方向稍微偏转，使其与施工呈10°的夹角，则有利于提升其抗滑稳定安全系数，可使向斜结构抗滑稳定值得到有效提升，减少锚索数量。

4　结语

在坝顶之上位置，因为重力墩上部向斜结构未受到扬压力、上游水压及拱端推力作用，因此具有稳定性，然而，对于低于坝顶高程的岩层，除了死水位工况，正常水位与校核水位均无法满足稳定要求。岩层产状会影响到计算结果，应该在这一岩体结构中增加锚索数量，同时还要保证加固位置横穿侧滑面岩层，偏转锚索到上游方向，对提高锚索加固效果有很大帮助。

参考文献

［1］杨志华.山口岩拱坝碾压混凝土现场试验设计［J］.水利技术监督，2013（05）：111-112.

［2］杨强，朱玲，翟明杰.基于三维非线性有限元的坝肩稳定刚体极限平衡法机理研究［J］.岩石力学与工程学报，2005（19）：165-166.

［3］张林，费文平，李桂林，等.高拱坝坝肩坝基整体稳定地质力学模型试验研究［J］.岩石力学与工程学报，2005（19）：147-148.

［4］李建林，刘杰.隔河岩水电站厂房后边坡与拱坝的相互作用研究［J］.岩石力学与工程学报，2007（03）：187-188.

［5］刘先珊，周创兵，盛永清，等.高拱坝动力分析及坝肩稳定性研究［J］.岩石力学与工程学报，2007（S1）：132-133.

［6］赵瑜，李晓红，卢义玉，等.岩体三维非稳定渗流模型及数值模拟［J］.中国地质灾害与防治学报，2006（01）：101-102.

作者简介：颜加珍（1982年—），女，工程师。

收稿日期：2015-01-28

DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.02.020

中图分类号：TV642.4

文献标识码：B

文章编号：1672-2469（2016）02-0054-02