新疆金沟河灌区总干渠退水闸深层抗滑稳定分析

贠立明

（新疆金沟河流域管理局，新疆 塔城 832100）

金沟河灌区位于新疆北部准噶尔盆地南缘塔城地区沙湾县境内，地处天山北麓，准噶尔盆地南缘，东以宁家河为邻，西与巴音沟河相连。灌区断层规模较小，闸基范围25°以下低倾角压性及扭性断层较多，在水平构造应力作用下，灌区软弱夹层层间错动频发，地下水运动主要为层间水平运动，上下缺乏连通性，断裂构造和层间错动处透水性明显。

1 抗滑稳定处理方案

退水闸闸孔安全系数Kc≤1.3，必须采用混凝土齿墙进行补充阻滑处理，切断混凝土齿墙抗滑力最弱的夹层，利用墙体嵌固力增加阻滑力。中齿墙靠近合力点，其位移和夹层应力比上齿墙小，但是退水闸闸首灌溉排水廊道已有一道齿墙，其后设置中齿墙不利于排水降压，故采用加深切断闸首混凝土齿墙方案便于阻滑。同时在闸室上游设防渗板，通过前移帷幕与排水至防渗板首部廊道，借助防渗板水重增大阻滑力。为增强灌浆帷幕效果，在上游防冲板分缝位置利用弹性聚氨酯填缝止水，增大渗径，降低渗水压，预防泥化夹层管涌出现[1]。

2 抗滑稳定计算

2.1 各类岩石与夹层的力学参数

2.1.1 粘土质粉砂岩

结合金沟河灌区干渠退水闸运行条件、渗压水时间效应、振东、荷载等对强度可能的影响，设计采用值取抗剪试验比例极限，如表1，其中φ为最大速度滞后角，C为平均竖向固结系数，E为变形模量。金沟河灌区总干渠基岩处三向应力，设计采用值须以三轴强度为依据，综合各种实验条件，基岩三轴强度设计参数如下：

式中：σ1为主压应力；σ3为测压应力；τ为抗剪强度；σ为正应力；F 取 3.54～4.2,；R 取 20～21 kg/cm2；摩擦系数 f取 0.56～0.87；C取5.02～5.4 kg/cm2；E根据闸基应力状态确定，详见表1。根据统计结果，垂直和水平方向变形属性一致。

表1 基岩与夹层的力学参数

2.1.2 软弱夹层力学特性

（1）剪切流变特性

软弱夹层剪切破坏塑性变形特性显著，随着破坏塑性值的增大，变形速率随之增大，同时随着剪切历时的延长，屈服值逐渐下降并最终趋于稳定。

（2）抗剪强度特性

软弱夹层抗剪强度随着黏粒含量和含水量的增加而逐渐降低，通过试验可以发现，夹层间泥化带抗剪强度最低，所以根据残余强度与流变强度确定设计值。

（3）抗力岩体强度

软弱夹层引起闸室深层滑动，通过尾岩抗力帮助稳定，通过现场试验获取层状岩体抗力值以及比例极限、屈服极限与破坏值。基于地质条件综合分析结果，抗力体屈服值按下式计算：

2.2 深层滑动计算

根据试验结果，夹层剪切强度为岩石的一半，且金沟河灌区总干渠退水闸滑动稳定控制条件为沿夹层深层滑动。

2.2.1 常规计算

混凝土重力坝设计规范所列抗滑稳定计算公式仅适用于沿建基面浅层滑动，深层滑动应结合岩体抗力阻滑作用，按下式计算：

式中：f为摩擦系数；ΣV为夹层以上垂直荷载之和；ΣH为夹层以上水平荷载之和；P为抗力；α为夹层顺流向倾角。

（1）侧向阻力

深层滑动涉及三向应力问题，基岩的连续性导致其间的裂隙或断层存在一定的咬合作用[2]，经灌浆等加固处理，间隙间所填充的浆体会产生侧向阻力，但是金沟河灌区河床宽阔，岩层倾角缓和，软弱夹层性能稳定，所以相邻岩层安全系数取值接近，误差在0.15以内，同时在闸孔施加阻滑措施才能增强稳定性，故不考虑侧向阻滑，仅按平面问题对待。

（2）上游水压力

考虑到本灌区总干渠退水闸基岩透水性较小，帷幕灌浆对增强基岩抗渗效果并不显著，所以在高程20 m以上的基岩内采用全水头，在20 m以下基岩内按50%折减，帷幕灌浆排水口渗压系数为0.3。

（3）尾岩抗力

退水闸闸基岩体软弱，层面夹层较多，受力后变形严重，为了保证其安全裕度，可以考虑运用散粒体理论，令第一破裂面摩擦系数f1=0.35，第二破裂面摩擦系数f2=0，则水平方向 P=G0tg（β+φ）。式中：G0为抗力体总垂直力，f1=tgφ，β 为裂隙倾角。

（4）层面倾角

退水闸岩层倾斜线斜交于坝轴线，所以实际滑动方向斜交于流向，故应按斜向滑动计算层面倾角。在顺流向情况下安全系数偏大，为确保所求层面倾角的准确性，令滑动角θ=2.5°，所求结果与斜向滑动结果相等。

（5）安全裕度分析

根据退水闸地质条件和计算公式，主要考虑其计算参数、抗力和荷载三个方面的裕度。将试验取样点设置在灌区岩层软弱区域，并确保40%试样的剪切面起伏差在1 mm左右，这类试样的强度比平整面高出20%，其余参数仍按平整面试样残余值取值，所以计算参数安全裕度良好。退水闸深层基岩裂隙发育度低，而抗滑稳定设计中假设裂隙全部贯通，实际上不存在第二破裂面，同时不考虑破裂面摩擦力，所以抗力计算裕度良好，所得平均水平应力为3～3.8 kg/cm2，如果采用抗力体试验所得抗力屈服极限公式且考虑岩体混凝土护坦板压重，则抗力数值将增加至11.63 kg/cm2。灌区干渠水压力与扬压力比实际值大，如果采用电拟试验流网图计算荷载，则应以夹层高程20 m计，且水推力降低5%，扬压力降低50%，由于蓄水后的观测数据小于电拟试验，所以荷载计算安全裕度良好。

综合抗力和荷载安全裕度数据，防渗板夹层高程20 m、摩擦系数残余值0.2，则安全系数将从1.3增大至2.2，深层抗滑稳定效果显著。

2.2.2 有限元分析

常规计算无法反应退水闸深层基岩各部位的应力与位移，为此还必须进行有限元分析。

退水闸基岩内存在两条泥化夹层，抗滑稳定设计深度取一倍闸长，由于基岩坚硬，变形模量为粉砂岩的20倍，进行二向固定预支，上下游只进行水平向预支。基岩内渗流场岩层渗透系数不同，上层渗透系数为下层的100倍，运用三向电拟试验流网图计算，岩层内水平向渗透系数为垂直向的10倍，夹层按节理单元处理，基岩按三角单元处理，运用变刚度法和应力转移两种方法进行抗滑稳定非线性分析，按照浅齿墙、深齿墙、浅齿防渗板和深齿防渗板四个方案进行分析。

（1）荷载作用下各部位应力情况

上游基岩拉应力从齿墙开始逐渐降低，从基岩顶面自上而下至第二条夹层浅齿墙方案拉应力最大，可达2.7 kg/cm2，此拉应力进一步增大了基岩内陡倾角节理裂隙，不利于防渗和抗滑稳定处理。闸基以下的压应力在2～5 kg/cm2之间，深齿墙处压应力最大可达16 kg/cm2，按照三轴强度参数核算的安全系数为3。闸尾岩体内向压应力在3.9 kg/cm2以下，与抗力体试验所得到的屈服值相比存在3.5～6的安全储备。

夹层以上的剪应力逐渐增大，到闸尾处增加到最大，上下夹层f均为0.25时，抗剪强度fσn≤剪应力τs，则在闸室下游存在约 10～20 m 滑移区，再往下游则剪应力变小，fσn＞τs，不存在滑移。

（2）水荷载下各部位应力情况

退水闸各部位所承担水荷载情况如表2，夹层越深则所承担的水平力比重越大，抗力越小。齿墙切穿夹层越深，则齿墙作用越明显。防渗板为减轻夹层上剪应力而承受15%～35%的水荷载。

表2 不同方案各部位承担水荷载情况

沿夹层的安全系数按下式计算：

式中：σni、τsi、Li为第i节理单元的正应力、剪应力和单元长度。计算结果见表3。

表3 各方案上下夹层安全系数K

从上表可知，浅齿墙所对应安全系数值较小，当f=0.2时安全系数均不足2.0，安全度不够。夹层越深则安全系数值越大，如果在计算公式中考虑齿墙混凝土断裂面摩阻力fσy(f=0.7)，则安全系数值将会提高，如表3中括号内数据所示。

（3）闸室位移

不同方案下闸室水平位移均为10 mm，其中防渗板方案位移最小，水压力增加后，闸室将沿逆时针方向位移。随着基岩变形模量的变化，闸室位移所发生的变化详见表4。随着变形模量E的下降，水平位移会增加30%～50%，垂直位移将增加85%，而当变形模量E增大一倍，水平和垂直位移分别降低25%～45%和50%，在保持基岩变形模量不变时改变夹层变形模量，则闸室位移将变动5%～10%。可见，影响闸室位移的主要是基岩变形模量[3]。

表4 闸室位移计算结果 单位：mm

（4）深层滑动的破坏机制

不同方案均在闸尾下游夹层处存在滑移区，计算中所采用的下游固定水位为39 m，上游水位分49 m、54 m、59 m和66 m四级分别计算，当水位为59 m时便会发生滑移，继续升至66 m时滑移又会扩展至下一单元，降低f值后滑移区将明显向上下游方向拓展，夹层处剪应力发生变化，而抗力体应力基本不变。随着上游水压力的作用，闸尾下游夹层所发生的滑移将向二旁扩展，位移随之增加，直至滑移区后帷幕发生剪坏，改变荷载条件，闸孔发生不均匀位移，止水片拉坏、失稳，这就是深层滑动的破坏机制。

3 结论

抗力体是深层滑动稳定设计的重要因素，在稳定计算中抗力体的强弱直接影响抗滑安全，当抗力体位置基岩变形模量降低一半，则其所承担的水平力将下降15%，其与应力将转移至夹层，夹层剪应力增大。从上述计算可知，抗力体对退水闸深层抗滑稳定设计影响较大，为增强岩体重量与刚度，应将护坦斜坡坡度从1∶6减缓到1∶12，并对闸孔增加钢筋混凝土加固桩，利用其抗剪强度承受滑移剪力，退水闸使用68根Ф850 mm直径桩和106根Ф219 mm的交叉桩，底部埋入中部砂岩，通过连接顶部与护坦板，增强混凝土与基岩连接的抗力。

新疆金沟河灌区总干渠退水闸阻滑措施实施后，采用散粒体公式进行抗力体计算和深层滑动分析，安全度均在2.0以上。