断层对孟底沟高拱坝坝肩变位及稳定性的影响研究

吴玉龙，张建海，李仁鸿，胡　筱，黄志刚

(1.四川大学 水利水电学院水力学及山区河流开发与保护国家重点实验室， 四川 成都 610065；2.中国水电顾问集团成都勘测设计研究院， 四川 成都 610072)



断层对孟底沟高拱坝坝肩变位及稳定性的影响研究

吴玉龙1，张建海1，李仁鸿2，胡筱2，黄志刚1

(1.四川大学 水利水电学院水力学及山区河流开发与保护国家重点实验室， 四川 成都 610065；2.中国水电顾问集团成都勘测设计研究院， 四川 成都 610072)

孟底沟水电站高拱坝由于左岸坝肩岩体受到f1、f2、f6断层的切割，使得左坝肩形成了四个大块体。由于f6与库水连通，若不做处理，蓄水后作用在f6上的全水头渗压势必将使左岸坝肩岩体向河谷变形。因此左坝肩岩体变形连续性，拱坝坝体变位对称性及坝肩控制性滑块稳定性成为该工程的突出问题。充分考虑左岸坝肩断层交汇和切割关系，采用刚体弹簧元法对上述问题进行了计算分析和研究。结果表明：f6断层水压推力作用将使得断层交汇处出现不连续变形，断层产生错动现象，断层交汇点最大错动位移达到2.03cm，同时削弱了拱坝坝体变位对称性，左右半拱顺河向和横河向最大位移差分别为1.42cm和0.86cm；坝肩控制性滑移块体稳定安全系数下降，最大降幅可达18.19%。建议对f6进行封堵或者置换处理，防止库水侵入山体。

断层错动；坝体变位；滑块稳定；刚体弹簧元；孟底沟

孟底沟水电站[1]装机240万kW(4×600 MW)，双曲拱坝坝高200 m，位于四川省凉山州木里县与甘孜州九龙县交界的雅砻江干流上。水库正常水位2 254.00 m，正常水位以下库容8.535亿m3，调节库容0.86亿m3，具有日调节性能。

坝址位于孟底沟沟口下游约0.3 km处，坝址区河谷呈基本对称“V”型谷，两岸谷坡陡峻，右岸山体雄厚，左岸稍差，未发育冲沟。左岸山体基岩岩性为燕山早期中粒花岗闪长岩，局部分布有后期热气液蚀变的浅色花岗岩化和黏土岩化蚀变岩带。蚀变岩带浅表部多强风化，一般为弱风化及浸染，呈浅黄—黄褐色，蚀变岩带中部多发育张性裂隙或局部呈空缝，且被后期断层改造利用，沿蚀变岩带发育有f1、f2、f4、f5、f6等断层(如图1)。坝址区地质条件复杂，影响拱坝坝肩稳定的结构面较多。其中，影响左岸坝肩稳定的结构面主要为陡倾角断层f1、f2、f3、f6、裂隙①、裂隙③,中陡倾角的裂隙④，缓倾角的特定结构面HL02。

图12 180 m高程平切图

1　计算原理

孟底沟水电站进行计算分析和研究的基本方法是刚体弹簧元法[2-3]。该方法具有以下优点：可模拟不连续变形，且计算简洁；可搜索最危险滑块；对初始应力场无扰动；能求出任意指定滑动面的抗滑稳定安全系数。该方法已成功用于锦屏高拱坝[4]、溪洛渡高拱坝[5]、小湾高拱坝[6]、百色重力坝[7]等大型水电工程坝肩(基)及边坡稳定性分析。

基本原理：假设模型由刚体单元以及分布在其接触面上的弹簧元构成，刚体单元本身不发生变形，变形能完全储存在接触面之间的弹簧元中，详见参考文献[8]。本次数值模拟采用的计算软件是DRIG3D。

1.1滑移模式及滑动方向判断[9]

拱坝坝肩滑块与基岩接触面可以分为底滑面、侧滑面以及下游切出面。滑块滑移模式由压紧状态面数NR决定，若NR等于0，则滑块失稳，滑动方向为合力方向；若NR不等于0，则滑动模式根据公式(1)进行判断：

(1)

(2)

图2单滑及滑动方向示意图

(3)

图3双滑及滑动方向示意图

1.2抗滑稳定安全系数计算[10-11]

滑移块体整体抗滑稳定安全系数等于总阻滑力和总下滑力之比。公式(4)～公式(7)给出了滑移块体总下滑力的具体计算公式，即：

上游拉裂面上渗压力：

(4)

第i个滑动面上的合力：

(5)

滑块上作用的总合力：

(6)

总下滑力等于合力在滑移方向上的投影：

(7)

计算采用的规范为《混凝土拱坝设计规范》[12](DL/T5346-2006)，由承载能力极限状态设计方法推导出的计算滑块整体抗滑稳定安全系数公式(8)。

(8)

式中：Ks为稳定安全系数；Fz为总阻滑力；Fh为总滑动力；γ0为结构重要性系数，取1.1；ψ为设计状况系数，取1.0；f1为抗剪断摩擦系数；N为垂直于滑动方向的法向力，103kN；C1为抗剪断黏聚力，MPa；A为滑裂面的面积，m2；γd1为结构系数，依照规范取1.2；γm1f、γm1c为材料性能分项系数，分别取2.4和3.0。

2　研究方案

如图4所示，断层f6通过左岸上游坝肩与库水连通，蓄水后，从岸坡P点至帷幕线Q点的f6断层将承受全水头压力。由于左岸坝肩岩体受到f1、f2、f6的切割，左坝肩形成了A、B、C、D四个大块体，作用在PQ之间的全水头渗压势必将使左岸坝肩岩体向河谷变形，从而对左岸坝肩岩体、拱坝坝体变位及坝肩滑块稳定性产生不利的影响。

本文针对以上问题，对f6断层水推力对左岸断层交汇处(图4中P1、P2两点)错动位移，拱坝坝体变位对称性以及坝肩控制性滑移块体稳定安全系数的影响开展研究。

2.1计算模型及计算范围

如图1所示，计算模型坐标原点与大坝坐标原点O相同。计算范围：X方向(横河向)共计取1 000 m，以指向左岸为正方向；Y方向(顺河向)共计取800 m，以指向上游为正方向；铅直向模型高程范围1 800 m～2 460 m，以竖直向上为正方向[13]。计算模型(如图5)共16 969个剖分节点，16 450个刚体单元，42 061个单元交界面[14]。

图4　2 080 m工程地质简化图及f6水压作用示意图

图5计算模型

2.2计算工况

本文采用两种工况(工况1、工况2)进行计算分析，两个工况均施加上游正常水位2 254.0 m，下游无水(高程2 059.0 m)及帷幕排水正常(帷幕折减系数α1=0.4，排水折减系数α2=0.2)条件，同时施加设计温降变温荷载。除此之外，工况2还在左岸上游2 070.0 m至2 200.0 m高程f6断层出口处P点至帷幕与f6断层交汇处Q点之间的f6断层施加如图4所示的水压推力作用。淤沙高程2 106.2 m(浮密度0.5 t/m3，内摩擦角0°)。

2.3左岸典型滑块

限于篇幅，本文着重研究如图6所示的左岸四个典型滑块[15]在工况1、工况2作用下的抗滑稳定安全系数。表1、表2分别为左岸典型滑块及计算产状统计表和左岸典型滑块滑动面力学参数表(设计院提供)。

表1　左岸典型滑块及计算产状统计表

注：以上滑块均以f1断层为侧滑面，计算产状为N70°W/NE∠75°。

表2　左岸典型滑块滑动面力学参数

图6左岸典型滑块及主滑方向图

2.4物理力学参数

孟底沟坝体混凝土主要参数：混凝土密度2.4 t/m3，弹性模量24.0 GPa，泊松比0.17，线膨胀系数1.0×10-5/℃。表3为各类岩层物理力学参数计算选用值。(设计院提供)

表3　岩体物理力学参数

2.5计算结果及分析

(1) 如图7所示，孟底沟拱坝河谷形态对称。工况1左右坝肩变形对称性良好，左右拱端变形差较小。但是工况2由于f6断层沿PQ作用有水推力，使得左拱端顺河向变位增大，两岸坝肩变形差加剧。如表4所示，拱坝下游面左拱端最大顺河向变位出现在2 155 m高程，由工况1的2.07 cm变为工况2的2.80 cm，增加了0.73 cm。工况2最大顺河向位移差出现在2 118 m高程，该高程下游面左拱端顺河向变位2.33 cm，右拱端顺河向变位0.91 cm，位移差1.42 cm，比工况1的左右拱端最大变位差0.82 cm增大了0.6 cm，增幅达到73.17%。

从坝体横河向变位看，工况2左右半拱变位对称性也弱于工况1。无f6断层水压推力作用时，最大横河向位移差出现在2 165 m高程，该高程下游坝面左拱端横河向变位0.08 cm，右拱端横河向变位0.95 cm，位移差0.86 cm。比工况1最大横河向位移差(出现在2 110 m高程)的0.34 cm增大了0.52 cm。

图7　工况1坝体下游面位移等值线图

注：负号代表位移方向与坐标系定义的正方向相反。

(2) 水库蓄水后，在f6断层无水推力作用的工况1条件下，各高程平切面P1、P2两点最大错动位移(出现在2 080 m高程)分别为0.12 cm、0.29 cm，坝肩岩体变位均匀，无位移突变现象(见图8(a))。工况2由于f6断层沿PQ作用有水推力，断层交汇点出现位移不连续变化，表明出现断层位移错动现象(见图8(b)，变位在断层交汇点出现集中现象)。各高程平切面P1点错动位移最大值由工况1的0.12 cm变为了工况2的2.03 cm(出现在2 080 m高程)，增加了1.91 cm；P2点错动位移最大值由工况1的0.29 cm变为了工况2的2.01 cm(出现在2 080 m高程)，增加了1.73 cm。

图82 080 m平切面顺河向位移等值线图

(3) 由表5可知，f6断层沿PQ作用有水推力(工况2)时，左岸部分控制性滑移块体稳定安全系数下降。其中，L12其稳定安全系数由工况1的4.188变为了工况2的3.426，下降了18.19%。L1滑块稳定安全系数由工况1的1.827变为了工况2的1.762，下降了3.56%。

3　结　论

(1) f6断层沿PQ作用水推力将使断层交汇处出现不连续变形，断层产生错动现象，2 080 m高程平切面P1、P2点最大错动位移分别达到2.03 cm和2.01 cm。

表5　控制性滑块稳定安全系数

注：滑块L1、L1P均表现为单滑，L7a、L12均表现为双滑。

(2) f6断层沿PQ作用水推力将加剧左拱端顺河向变位，并削弱拱坝坝体变位对称性。与f6断层无水推力作用相比，坝体下游面左拱端变位最大值增加了0.73 cm；坝体下游面左右拱端顺河向最大变位差为1.42 cm，增加了0.60 cm；横河向最大变位差为0.86 cm，增加了0.52 cm。

(3) f6断层沿PQ作用水推力将使拱坝坝肩控制性滑移块体稳定安全系数下降，其中滑块L12降幅度最大，可达到18.19%。

(4) 鉴于f6断层作用水推力将产生以上不利影响，建议对f6断层进行置换封堵、灌浆、排水处理，防止库水侵入山体从而保证左坝肩岩体变形协调性。

[1]中国水电顾问集团成都勘测设计研究院.孟底沟水电站可行性研究报告-工程地质[R].成都：中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，2015.

[2]张建海,范景伟,胡定.刚体弹簧元理论及应用[M].成都：成都科技大学出版社，1999.

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The Effect of Faults to Displacement and Stability of the Mengdigou High Arch Dam Abutment

WU Yulong1, ZHANG Jianhai1, LI Renhong2, HU Xiao2, HUANG Zhigang1

(1.StateKeyLaboratoryofHydraulicsandMountainRiverDevelopmentandProtection,CollegeofWaterResource&Hydropower,SichuanUniversity,Chengdu,Sichuan610065,China;2.ChinaHydropowerEngineeringConsultingGroupChengduDesign&ResearchInstitute,Chengdu,Sichuan610072,China)

The left bank rock mass of Mengdigou high arch dam abutment is cut by f6、f1、f2 faults, resulting in four big blocks in left abutment. Since the f6 fault is opening to the reservoir, if not treated, the rock mass of dam abutment in left bank is bound to deform towards valley due to the full head of seepage pressure acting on f6 fault after reservoir impounding. Therefore, the deformation continuity of the rock mass in left bank abutment, the displacement symmetry of the arch dam and the governing slip blocks’ stability of the dam abutment are prominent issues in this project. Rigid body-spring element method was used to analyze and study above issues in full consideration of faults intersecting and cutting in left bank abutment. Because of the hydraulic thrust acting on f6 fault, the results show that discontinuous deformations appear at the fault intersections, and the maximum displacement of dislocation at the fault intersections is 2.03 cm. The displacement symmetry of the arch dam is weakened for the maximum displacement differences of the left and right arch abutment at vertical and horizontal direction are respectively 1.42 cm and 0.86 cm. The stability safety factors of the governing slip blocks in dam abutment are decreased and the maximum decrease is 18.19%. The closure and replacement measures of opening f6 are suggested to prevent water intruding into the mountain.

fault dislocation; dam displacement; slip stability; rigid body-spring element method; Mengdigou

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.04.028

2016-03-24

2016-04-17

吴玉龙(1989—)，男，四川安岳人，硕士研究生，研究方向为岩土工程数值模拟、大坝与基础工程。E-mail：wuyulongscu@163.com

TV642.4+5

A

1672—1144(2016)04—0141—06