翁养水库重力坝深层抗滑稳定计算分析

陈 晨

(上海勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610041)

1 概 述

在混凝土重力坝设计中，当坝基岩体内存在软弱结构面、缓倾角裂隙时，重力坝深层抗滑稳定的分析方法按现行重力坝设计规范(SL319-2005)采用基于等安全系数法的刚体极限平衡法进行计算。按该规范建立滑动计算模型时，对一些地质条件特殊复杂的工程简化了某些具有明确物理力学意义的控制因素，得出与实际情况相差较大的计算结果。虽然保证了工程安全，但在一定程度上是以失去工程经济性为代价的。规范中计算双滑面滑动模式BD面为假定面、计算值φ取0并采用等K法计算，尤其是在计算模型简化设计中，对下游BCD滑块上部盖重的考虑没有相关说明，出于对种种安全因素的考虑，叠加导致计算的安全系数裕度较大，对工程的经济性不利。笔者针对翁养水库重力坝下游河床高程高出建基面高程13.5～16.5 m、考虑阻滑块BCD上部原状岩石在施工中不予挖除的实际情况，在深层抗滑稳定计算中考虑了这部分岩土的盖重作用。计算模型更符合工程实际情况，计算结果安全可靠，可供类似工程设计借鉴。

翁养水库挡水建筑物为碾压混凝土重力坝，坝顶高程1 337 m，建基面高程1 284 m，最大坝高53 m，坝顶宽度为5 m，坝轴线长度为159.35 m。大坝布置从左至右分别为：左岸挡水坝段、取水放空坝段、溢流坝段、右岸挡水坝段。左、右岸挡水坝段坝长分别为53.5 m和68.85 m，取水放空坝段长20 m，坝顶溢洪道坝段长17 m。重力坝坝体上游面为铅直面，下游在1 330.33 m高程之上为铅直面，以下坝坡为1∶0.75。计算选取的典型断面见图1。

该工程计算坝段基础上部覆盖薄层残坡积含碎砾石粘土层，其下为强风化岩体，厚10～16 m，完整性差，镶嵌～碎裂状结构，裂隙发育，一般均强烈锈染，岩体松弛，卸荷裂隙中普遍充填次生泥，RQD=20%～40%，Vp=2 000～3 500 m/s，坝体深埋段不能满足建坝要求，笔者建议挖除。弱风化岩体厚约14～21 m，为BⅢ2级岩体，完整性较好，次块状～镶嵌结构，RQD=20%～50%，Vp=3 000～4 500 m/s，可满足建坝要求。按规范要求，该工程重力坝建基面选择弱风化岩体中部。

图1 最大非溢流坝段剖面图(计算断面)

2 大坝深层抗滑稳定计算分析

2.1 基本假定

以单位宽度进行的坝体深层抗滑稳定计算分析以最大断面作为计算断面，基础面按水平面考虑。

作用荷载中不考虑坝顶结构、闸门及其启闭设备的附加重量。

2.2 深层滑动的三种计算模型

河床坝基部位岩体中的裂隙总体上可以分为以下三组：①N65°～70°E/NW∠70°～85°(与河道轴线近正交，陡倾下游偏左岸)；②N55°～65°W/SW∠70°～85°(与河道轴线斜交，陡倾上游左岸)；③N20°～30°E/NW∠45°～55°(与河道轴线斜交，中度陡倾下游左岸)。层面产状：N30°～45°E/SE∠30°～40°(倾上游偏右岸)。上述可能构成坝基深层抗滑稳定的不利结构面在河床挡水坝段出现。河床坝段结构面组合情况见图2。

经分析可知，坝基深层抗滑稳定存在三种可能的滑动模式：

第一种是以第①组裂隙为上游拉裂面、以岩层层面为初滑面组成单滑面滑动模式；

第二种是以第③组裂隙面为上游拉裂面、以岩层层面为初滑面组成双滑面滑动模式；

第三种是以第③组裂隙面为上游拉裂面、以岩石最危险剪断面为初滑面组成双滑面滑动模式。

图2 河床坝基岩体结构面组合示意图

2.3 深层滑动面参数

大坝建基面位于弱风化BⅢ2级岩体。本次深层抗滑稳定分析计算中滑出面和拉裂面涉及弱风化(BⅢ2)岩体和微新(BⅢ1)岩体。岩体剪断面(滑出面)处于弱风化岩体中，采用弱风化岩石抗剪断参数；层面(滑出面)采用弱风化及微新岩体层面抗剪断参数；第③组裂隙面(拉裂面)同时考虑裂隙的连通率与各级岩体中拉裂面的占比，采用加权系数法求得。

坝基深层抗滑稳定分析滑面采用的综合参数见表1。

表1 滑面分析采用的综合参数表

其计算公式为：

①单滑面深层抗滑稳定计算情况见图3及式(1)。

图3 单滑面深层抗滑稳定计算示意图

考虑ABC块的稳定，BC为滑动面，则有：

(1)

式中K′为按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数；W为作用于坝体上全部荷载(不包括扬压力，下同)的垂直分值；H为作用于坝体上全部荷载的水平分值，kN；G为岩体ABC重量的垂直作用力，kN，岩体容重取26 kN/m3；f′为BC滑动面的抗剪断摩擦系数；c′为BC滑动面上的抗剪断凝聚力，kPa；A为BC面的面积，m2；α、β分别为AB、BC面与水平面的夹角；U1、U2分别为AB、BC面上的扬压力，kN。

②双滑面深层抗滑稳定根据《混凝土重力坝设计规范》附录E，采用抗剪断强度公式进行计算。

计算示意图见图4及式(2、3)。

图4 双滑面深层抗滑稳定计算示意图

考虑ABD块的稳定，则有：

(2)

考虑BCD块的稳定，则有：

(3)

2.4 作用荷载

作用荷载根据《混凝土重力坝设计规范》附录B进行计算。主要作用荷载有：自重、静水压力、淤沙压力、扬压力、浪压力。

根据规范，大坝稳定计算中应考虑的设计工况、荷载组合及其相应的荷载计算成果见表2。

表2 荷载计算成果表 /kN

2.5 不考虑大坝下游盖重的深层抗滑稳定计算结果

笔者针对上述三种滑动模式进行了分析，发现在不考虑大坝下游14 m厚的土石盖重情况下，第二种滑动模式(即以第③组裂隙面为上游拉裂面、以岩层层面为初滑面组成双滑面滑动模式)情况下，大坝的深层抗滑稳定计算结果不满足规范要求(表3)。但这种模式的计算结果是基于计算中BD面为假定面、计算值φ取0且采用等K法计算，该计算假设过于保守。

表3 第二种滑动模式的坝基深层抗滑稳定计算结果表

2.6 考虑大坝下游盖重的深层抗滑稳定计算结果

经分析并结合现场实际情况，在计算坝基双滑面深层抗滑稳定情况时，由于下游河床高程比建基面高13.5～16.5 m，因此考虑了阻滑块BCD上存在14 m厚的土石压重层，土石压重层容重取值为25 kN/m3。对该假定重新修正后，进行了大坝深层抗滑稳定计算。

(1)第一种滑动模式计算成果见表4。

上游拉裂面与水平面的夹角α=80°，下游出滑面与水平面的夹角β=35°。

表4 第一种滑动模式的坝基深层抗滑稳定计算结果表

(2)第二种滑动模式计算成果见表5。

上游拉裂面与水平面的夹角α=45°，下游出滑面与水平面的夹角β=35°。

表5 第二种滑动模式的坝基深层抗滑稳定计算结果表

(3)第三种滑动模式计算结果见表6。

上游拉裂面与水平面的夹角α=45°，下游出滑面与水平面的夹角β分别选取10°，15°，20°，25°，30°，35°，40°，45°，得到：当β=30°时，坝基深层抗滑稳定系数最不利。

表6 坝基深层抗滑稳定计算结果表

3 结论及建议

结合工程实际情况，对大坝深层抗滑稳定计算进行了深入分析。针对设计规范计算模型中下游滑块基本荷载的选取进行了进一步的研究与解读，将大坝下游盖重作为有利荷载考虑到工程设计中，经计算，三种滑动模式情况下大坝深层抗滑稳定计算均满足规范要求。在保证工程安全的前提下，避免了设计安全系数裕度过大造成的浪费，值得相关类似工程借鉴。