小山口水电站重力坝深层抗滑稳定性分析与基础处理方法探讨

2016-05-15吴刚新疆巴州新华水电开发有限公司新疆巴州841000

陕西水利 2016年3期

关键词：重力坝坝段坝基

吴刚（新疆巴州新华水电开发有限公司新疆巴州841000）

吴刚（新疆巴州新华水电开发有限公司新疆巴州841000）

本文以小山口水电站重力坝工程为例，对重力坝的抗滑稳定性进行了分析，并对基础处理方法进行了探讨，为类似工程提供了参考经验。

重力坝；深层抗滑；稳定分析；基础处理

1 工程概况

小山口水电站重力坝坝顶高程为552m,最大坝高为125m,坝顶的总长度为312m,一共由21个坝段构成。最小坝段的宽度为13m,普通坝段的宽度为16.3m,最大坝段宽度为19m，大坝的下游坡比为1:0.8,上游坡比为1:0.2。坝区所露出的地层厚度为485m,主要由粘土岩、砂岩等岩土组成。地质属于软硬厚度不均的岩层。其中主要的岩层一共有5层，除KIC4-2属于结构比较疏松的软岩以外，剩下的四层均为砂岩。在河床坝基下层砂岩的厚度为23m～27m，坝区的第四系分布广泛，主要是崩滑堆积和河流冲击形成的。左岸古滑体的厚度在20m～40m之间，河床冲积砂砾的厚度为6.2m～13.8m，最大厚度为63m。在厚层砂岩中分别分布了14层KIC2-3、11层KIC2-1、6层KIC3-2。河床的软弱层抗剪段参数比较小，坝址处不存在断层，但是裂缝发育，有垂直于流水方向和顺水方向的两组裂隙，裂隙的延伸长度在100m以上，倾斜角度在75°～90°。

2 抗滑稳定性分析

重力坝内部存在可以使岩体发生滑动的软弱结构面时，就会出现双斜剪切滑动或单斜剪切滑动。并具有下述几个方面的特征：（1）坝体和坝基部分的岩体一起滑动，当滑动是在介质分界面上出现时，很难通过物理力学性质来进行界定，属于不连续各向异性体；（2）大坝滑动通道具有多元性和特定性，重力坝中存在软弱结构面，如果基岩的抗剪强度比较低，就会形成滑动特定通道，通道的性状、充填物和成因都较为复杂。（3）抗滑稳定安全判断具有多元性。坝体出现滑动后会将滑动面上部带动，为了保持稳定性，需要依赖下游尾岩抗力体，并且要保证自身的稳定安全系数控制在1以内。由于重力坝的稳定平衡系统主要由坝体、软弱结构面、滑动岩体、软弱结构面下部基岩、下游尾岩抗力体构成，不能通过某一个安全系数来进行衡量，需要根据坝体、坝基、尾岩、安全系数等应力应变来进行综合分析。本工程在施工过程中，由于地区的底层地势起伏较小，软弱夹层数量多，大坝深层抗滑稳定性受夹层的影响大。

在《重力坝设计规范》中明确指出，坝基岩体中有缓倾角裂隙、软弱结构面存在时，要对深层抗滑稳定性进行深入分析，并使用“等安全系数法”计算坝体可能出现的基岩结构稳定性降低的概率。滑动模式如图1所示。

图1 双斜滑动面示意图

在公式中，坝体垂直重力为W，c1'、c2'指的是AB和BC滑动面对抗剪段粘聚力，f1'和f2'指的是滑动面BC、AB的抗剪断系数，AB面的面积和BC面的面积分别为A1、A2，AB、BC、BD面上的扬压力分别为U1、U2和U3，AB、BC和水平面的夹角分别为α和β，水平面和BD面上剩余推力作用方向以及不平衡剩余推力的夹角分别为Q、ρ，根据安全系数来进行定义，这两个滑块安全系数是相同的，也就是说K1'=K2'=K'，结合公式（1）和公式（2）对K'和Q进行求解，得出岩体的物理力学参数如表1所示。

双斜滑面法中第一滑动面凝聚力c'根据面积大小来加权，摩擦系数f'根据夹层和混凝土齿墙应力面积进行平均加权。在双斜滑面法中第二滑动面的凝聚力c'和摩擦系数f′按照第二滑面岩体的基本情况以及岩体的面积大小来平均加权。在对双斜滑动面进行计算过程中，无法准确给出抗力方向角ρ。一般情况下ρ使用下面几种方法进行取值:

表1 软弱层带和岩体的抗剪段参数

表2 表孔溢流坝段深层抗滑稳定计算结果

表3 表孔溢流坝段基础综合处理措施深层抗滑稳定（K′）计算结果

（1）假设ρ=0°，得到的最终计算结果就更偏重于安全。

（2）假设ρ=arctan(f'K')或者ρ=arctanf'，其中K'指的是安全系数，f'指的是BD面上岩体产生的摩擦系数，特殊组合的取值为2.3～2.5，基本组合的取值为3.0。

（3）假设α为第一滑动面的倾角，α=ρ；

（4）根据有限元最终计算得出的结论，利用BD面上主应力产生的平均倾角ρ角的最终大小值进行选择；

（5）根据以往的施工经验，通常将ρ设置在0°～15°的范围中。

通常情况下，角和抗力值是成ρ正比的，ρ越大，抗力值也越大，深层抗滑稳定计算的安全系数也就越高，所以，从经济角度上来说，很有必要对ρ角进行利用。根据ρ=arctan(f 'K')的理论来进行计算ρ角大约为22.5°，按照有限元的计算结果，在本大坝工程的坝基破裂面上出现的主应力的倾斜角度比较大。即ρ角保持15°左右的值是最佳的。在进行比较全面的对比和分析后，本工程项目审查抗滑稳定刚体极限平衡法中ρ角按15°进行计算。

通过使用刚极限平衡法为基础对工程重力深层抗滑稳定性全面分析后。本文将溢流坝段作为例子进行举例说明。一共对此坝段的6组荷载组合进行了计算。本文对462.3m工况情况进行讨论。此工况下压力主要为浪潮压力、坝体自重压力、泥沙产生的重力、水对坝体产生的压力。经过计算此坝段深层抗滑稳定的结果如表2所示。

3 基础处理措施分析

根据上述数据可以看出，JS2-1-2、NS2-1-9、NS2-1-10夹层的软岩深层抗滑性不能满足工程安全的相关要求。需要对基础进行处理，根据工程的实际情况，对以下几种处理措施进行了分析对比：

（1）措施一：清理软弱夹层，降低基面的高程。

（2）措施二：使用封闭式抽排的方法来达到此目的，降低重力坝基础的压力。

（3）措施三：使用防渗板设置在大坝的上游，减少坝基的扬压力。

防渗板措施、封闭抽排，还是齿墙措施都可以对坝基深层抗滑稳定安全系数进行提升[2]。由于封闭抽排可以对坝基的扬压力进行降低，是一个经济效果比较不错的处理措施。考虑到以上因素后，在对封闭抽排措施进行研究的基础上，综合防渗板和齿墙措施进一步进行了分析研究。为了提高经济效益，对三种施工的组合方式进行比较：①封闭抽排和齿墙组合方式；②防渗封闭抽排和防渗板组合的施工方式；③齿墙、封闭抽排和防渗板组合的方式。三种处理方式的工程量如表3所示。

根据表3中的数据来看，防渗板加封闭抽排的方式可以全面提高坝基深层的深层抗滑稳定系数，但是仍然无法达到规定的安全要求，还需要使用齿墙作为辅助措施。考虑到大坝上游的防渗板在水库底部，如果在大坝基础和防渗板设置止水防渗，会有很多无法预见的因素，一旦出现安全问题很难对其进行维修。并且封闭抽排和齿墙组合方式施工比较便利，工程量比较少。在认真的对比和分析以后，本项目工程决定利用封闭抽排和齿墙组合方式的施工方式进行处理。在表3中防渗板的厚度为8m，长度为25m,齿墙加封闭抽排总施工量为9120m3，齿墙、封闭抽排和防渗板组合的方式相对工程量大约为一个坝段基础的施工量，总工程量为10730m3。