莫若嘎哈堪达水电站碾压混凝土重力坝基深层抗滑稳定分析

2019-08-22

水利建设与管理 2019年8期

(云南能投对外能源开发有限公司，云南昆明 650228)

中国20世纪80年代初开始进行碾压混凝土重力坝技术的研究，并于1986年建成第一座碾压混凝重力坝。经过20多年的研究、实践，目前，中国已经建成世界上最高的碾压混凝土重力坝，在碾压混凝土筑坝技术方面达到国际领先水平，在设计理论、防渗排水、温控防裂、层间结合、快速施工等方面均取得重大突破，已经形成了一套具有中国特色的碾压混凝土筑坝技，使碾压混凝土重力坝发展成为中国独具特色、最具有竞争力的坝型之一。

由于莫若嘎哈堪达水电站碾压混凝土重力坝地基条件复杂，为更好适应坝基深层抗滑稳定情况，计算选取4号坝段为典型坝段，通过建立有限元模型，分别考虑了4号坝段存在滑动面A和滑动面B两种滑动的模式，采用有限元法计算坝基深层抗滑稳定性，坝基深层抗滑稳定分析主要根据规范采用假定滑动模式的方法。

1 工程概况

莫若嘎哈堪达水电站位于安邦甘加河畔，斯里兰卡科伦坡东北部约190km处，工程主要建筑物包括主坝、1号和2号副坝、水库、泄洪道、灌溉旁通通道、压力管道、坝后式地面厂房、上游副厂房等。跨越安邦河的黏土心墙土石主坝高63.50m、碾压混凝土副坝高56.50m。水库渠首工程项目正常蓄水位为185.00m，相应库容为5.87亿m3。莫若嘎哈堪达电站发电机组要泄水到不同的两条灌溉水道中(1A和1B机组泄水到EMC运河，3号和4号机组泄水到UEC运河)，主要目标是为提供灌溉供水的上依拉黑运河提供灌溉用水。运河的设计排泄能力为40m3/s。利用185m的最高供水位与165m的运行水位之间的可用水头，建设两个混流式水轮机机组，总装机容量为2×7.5MW。可考虑采用卡卢甘加河引水设施，引水至莫若嘎哈堪达水库，设计引水排泄能力为32m3/s。利用增加排泄量的可用水头，建设两个立式混流式水轮机组，装机容量2×5MW，电站总装机容量为25MW。坝基开挖后揭露地层岩性为前寒武系高地系列变质岩后期侵入体，中层状钙质片麻岩与薄层状黑云母片麻岩。从开挖揭露得知，整个坝基河床部位为一倾伏背斜构造，坝基桩号0+15～0+120段为该背斜的核部，岩层产状N33°～70°W，NE∠14°～27°，倾向下游，倾角缓。

2 计算模型

计算选取典型坝段进行坝基面和深层抗滑稳定分析，典型坝段选取4号坝段，4号坝段为溢流坝段，位于河床中部。坝底高程131.00m，坝顶高程187.59m，溢流堰顶高程为174.00m，坝高56.50m，坝基沿水流方向长50.50m，该坝段宽27m，已考虑齿墙深7m和下游冲坑影响。假设4号坝段存在两种滑动模式(滑动模式A和滑动模式B)，分别对滑动模式A和滑动模式B进行有限元法计算，取溢流堰坝段横断面进行分析，详见图1、图2，通过建立有限元模型，对两种滑动模式进行有限元法计算，分析坝基深层抗滑稳定性。

图1 滑动模式A坝体与坝基关键点的示意

图2 滑动模式B坝体与坝基关键点的示意

坝基岩体为弱风化顺水流方向缓倾角薄层状岩体，考虑齿墙深7m和下游冲坑的影响，以及4号坝段滑动模式，分别建立有限元模型来进行分析。

4号溢流坝段滑动模式的有限元网格图参见图3～图6，共划分单元12228个，节点15753个。其中坝体与地基采用3D-Solid单元，坝体根据混凝土材料的不同划分成两个分区(溢流区和非溢流区)，坝基根据岩层的走向分层建模，软弱结构面采用接触单元，上游的滑动面简化成经过坝踵和齿槽的一条软弱夹层，下游剪出破裂面与水平线夹角为23°；计算工况为：正常运行期，负荷包括：坝体自重，正常蓄水位，下游水位，淤沙压力，扬压力。

图3 滑动模式A模型坝体与坝基网格平面图

图4 滑动模式A模型坝段坝体与坝基网格立体图

图5 滑动模式B模型坝体与坝基网格平面图

3 深层抗滑稳定的综合评判方法

坝基材料采用Adina软件中的Mohr-Coulomb材料来模拟。安全系数采用抗剪强度折减法，经过折减后抗剪强度参数计算公式见式(1)，式(2)。

CF=C/K

(1)

φF=tan-1(tanφ/K)

(2)

式中CF——折减后虚拟的黏聚力，kPa；

φF——折减后虚拟的内摩擦角，(°)；

K——强度折减系数。

随着坝基深层岩体的强度指标下降，当K达到一定值时，坝基深层岩体进入塑性阶段，但这并不影响对坝段抗滑稳定性的评价。

本文对剖面选取坝踵A点和下游剪出面L点两个关键点上的位移发展情况进行分析，通过对A点和L点的顺流向位移随K变化时的演化规律，以及整体模型塑性区随着K变化的演化规律，运用上述原则对典型坝段的强度储备安全系数进行评价。

4 计算参数

坝段坝体混凝土为C25，弹性模量为22.50GPa，泊松比为0.167，重度为24kN/m3，坝基岩体的物理力学参数见表1。

表1 坝区岩体力学参数

5 坝基深层抗滑稳定分析

计算选取4号坝段为典型坝段，通过建立有限元模型，滑动模式A和滑动模式B坝基深层抗滑稳定分析如下。

5.1 滑动模式A坝基深层抗滑稳定分析

5.1.1 成果分析

图7 滑动模式A中坝踵A1点D-K关系曲线

图8 滑动模式A中剪出面L1点D-K关系曲线

图7和图8分别给出了滑动模式A下剖面坝踵A1点和剪出面上L1点的D-K变化曲线，4号坝段在正常情况下的蓄水工况，当K=1.00时，坝基几乎没有发生屈服情况，当K=2.00时，随着K的增加，坝基的塑性区不断增加，逐步形成上下游坝基的塑性连通区，构成滑移通道。当K>2.20时，A1点的D-K曲线出现明显的拐点，坝踵处的塑性区发展迅速，并出现剪切破坏区。当K>2.30时，坝体已经向下游滑移。在K从1.00到2.00的变化过程中，4号坝段的坝踵A1点、剪出面L1点的顺流向位移呈现有规律的接近线性的变化，表明坝基仍在弹性工作状态，不会发生基础滑移失稳。

5.1.2 安全系数

综上所述:从坝踵A1点的D-K关系曲线可以看出4号坝段的安全系数在2.20～2.40之间。从坝踵、坝基几乎全部发生破坏，滑移通道即将形成来分析，4号坝段的安全系数在2.20～2.30之间。

综合分析滑动模式A中坝基及A1点和L1点的位移发展规律和塑性区演化规律，可以认为4号坝段的强度储备安全系数为2.20～2.30。

5.2 滑动模式B坝基深层抗滑稳定分析

5.2.1 成果分析

图9和图10分别给出了滑动模式B中剖面坝踵A2点和剪出面上L2点的D-K变化曲线，在正常情况下的蓄水工况，坝基几乎没有发生屈服情况。当K=2.00时，随着K的增加，坝基的塑性区不断增加，逐步形成上下游坝基的塑性连通区，构成滑移通道。当K>2.20时，A2点的D-K曲线出现明显的拐点，并出现剪切破坏区。在K>2.20时，坝体已经向下游滑移。在K从1.00到2.00的变化过程中，4号坝段坝踵、剪出面关键点的顺流向位移呈现有规律的接近线性的变化，表明坝基仍在弹性工作状态，不会发生基础滑移失稳。