苏阿皮蒂重力坝深层抗滑稳定分析研究

姚帅强，王美斋，巴海涛

(黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 450003)

0 引 言

深层抗滑稳定分析是重力坝设计中的一项重要内容，目的是核算坝体沿坝基内软弱夹层抗滑稳定的安全度，其稳定分析的成果是重力坝剖面设计及提出地基加固处理措施的重要依据[1-3]。据不完全统计，在中国已建和正在建设的大中型重力坝工程中，有大约92座工程中的坝基存在软弱结构面或复杂地基，其坝基深层抗滑问题已普遍受到专家学者的重视，如葛洲坝、龙开口、观音岩、百色、向家坝、阿海、官地、铜街子、亭子口等工程[4-9]。因此，对于在这类复杂地质条件下建设的工程，对其开展深层抗滑稳定分析研究十分必要。

目前在重力坝抗滑稳定分析中，主要有刚体极限平衡法、有限元法、地质力学模型试验法等，其中刚体极限平衡法是国内进行深层抗滑稳定计算的主要方法。对于重大工程和复杂地基，必要时采用有限元法和地质力学模型试验等方法进行辅助复核，并进行综合分析评定[10-12]。

1 坝基深层抗滑稳定计算方法

重力坝深层抗滑稳定取决于坝基内的软弱结构面，当坝基内存在不利的软弱结构面时，在水荷载作用下，坝体有可能连同部分基岩沿软弱结构面产生滑移，即所谓的深层滑动。计算抗滑稳定时，根据滑动面的分布情况综合分析，可分为单滑面、双滑面和多滑面计算模式[10，12]。

1.1 单滑面抗滑稳定

当坝基内只存在一条软弱结构面时，计算时可将坝体及结构面上部的岩体当作一个整体，进行复核坝体沿软弱结构面的抗滑稳定。

1.2 双滑面抗滑稳定

双滑面计算模式在坝基深层滑动中最为常见，计算时将滑移体分成两块，其分界面可以是岩体内实际存在的另一个结构面，也可为人为设置的面。双滑面有三种计算方法：等安全系数法、被动抗力法、剩余推力法。SL319—2018《混凝土重力坝设计规范》[13]规定深层抗滑稳定计算采用等安全系数法、按抗剪断强度公式或抗剪强度公式进行计算，计算简图如图1所示。

图1 深层抗滑稳定计算示意

采用抗剪断公式计算，同时考虑滑块ABD、BCD的稳定扩，抗滑稳定安全系数为

(1)

(2)

式中，W为坝体上全部荷载(不包括扬压力，下同)的垂直分值，kN；H为作用于坝体上全部荷载的水平分值，kN；G1、G2分别为岩体ABD、BCD重量的垂直作用力，kN；f1′、f2′分别为AB、BC滑动面的抗剪断摩擦系数；c1′、c2′分别AB、BC滑动面的抗剪断凝聚力，kPa；A1、A2分别为AB、BC滑动面的面积，m2；α、β分别为AB、BC滑动面与水平面的夹角；U1、U2、U3分别为AB、BC、BD面上的扬压力，kN；Q为分裂面BD上的作用力，kN；φ为BD面上的作用力Q与水平面的夹角，从偏于安全考虑，φ一般取0°。

按照等安全系数法，令K1′=K2′=K′，联立式(1)～(2)，求解得到Q、K′。

1.3 多滑面抗滑稳定

坝基岩体内错动带分布较为复杂时，危险滑移通道常由多个滑裂面组成，此时采用多滑面方法进行计算在滑移模式和参数选取上均更接近实际情况。多滑面方法在边坡稳定计算中较为常见，在坝基深层抗滑中应用还比较少。目前，国内仍以混凝土重力坝推荐的双滑面作为深层抗滑稳定的计算方法[11，13]。

2 工程应用实例

2.1 工程概况

苏阿皮蒂水利枢纽位于几内亚西部孔库雷河中游，距下游已建成凯乐塔水电站6 km，是孔库雷河梯级开发中非常重要的一个梯级电站。

苏阿皮蒂水利枢纽正常蓄水位210 m，设计洪水位213.11 m，校核洪水位213.56 m，水库总库容74.89×108m3，装机容量450 MW，多年平均年发电量20.16×108kW·h，工程为Ⅰ等大(1)型。

挡水大坝为碾压混凝土重力坝，最大坝高120 m，坝线总长1 164 m，共分为52坝段，枢纽布置自左至右分别为左岸挡水坝段423.45 m(其中94.02 m位于泥质粉砂岩/砂岩岩体上，最大坝高64.9 m)、发电引水坝段97 m、导流底孔坝段60 m、泄洪底孔坝段25 m、溢流坝段173.55 m和右岸挡水坝段385 m(其中183.45 m位于泥质粉砂岩/砂岩岩体上，最大坝高82.5 m)。大坝为全断面碾压混凝土重力坝，发电厂房位于左岸发电引水坝段坝后。

2.2 工程地质

坝址区地层岩性主要为第四系残坡积物、冲洪积物、古生代辉绿岩和奥陶系(粉)砂岩。奥陶系(粉)砂岩主要为薄层钙质砂岩和极薄层泥质粉砂岩，互层分布，并以泥质粉砂岩为主、岩体完整性及力学性能较差，变形模量低，有连续性较好且顺层分布的软弱夹层和泥化夹层，粉砂岩发育水平泥质条带，泥质含量高，遇水软化。河床辉绿岩裸露，顶部强风化卸荷带层厚3 m左右，受风化卸荷及水的作用，发育延伸较长的缓倾角及竖向裂隙，有的脱离母岩成为孤石；弱风化卸荷带层厚3～10 m，岩体完整或较完整，裂隙较发育，局部发育，裂隙多闭合或充填石英；微风化卸荷辉绿岩岩体完整，裂隙不发育，局部较发育。

3 抗滑稳定计算

苏阿皮蒂水利枢纽河床坝段为辉绿岩，两岸岸坡坝段为砂岩。砂岩坝段基本为砂岩和薄层泥质粉砂岩相互交替分布，近水平层理发育，互层状结构，单层厚度一般在5～15 cm，岩层厚度相对稳定，砂岩为较硬岩，泥质粉砂岩为软岩，受构造影响，多沿层面发育为泥化夹层，软弱夹层，基本上为全泥型。根据实际开挖地质揭露情况，右岸砂岩坝段分布有9条泥化夹层，见图2。

图2 右岸砂岩坝段泥化夹层分布位置示意(单位：m)

本文以44号坝段为例，按照SL319—2018《混凝土重力坝设计规范》的要求对坝基建基面和建基面以下的泥化夹层进行深层抗滑稳定计算，计算方法采用“等K法”。

3.1 地质参数

坝基岩体及结构面的力学计算参数如表1所示。

表1 坝基岩体及结构面力学参数

表2 计算工况及荷载组合

3.2 主要荷载

(1)自重。混凝土容重采用24.5 kN/m3。

(2)水重。水重按实际体积以及容重计算，水的容重采用9.81 kN/m3。

(3)扬压力。扬压力按实际水位计算，排水孔处的折减系数取0.35。

(4)静水压力。水的容重采用9.81 kN/m3。

(5)岩体重力。砂岩岩体容重采用27 kN/m3。

(6)堆石重力。下游堆石浮容重采用18 kN/m3。

(7)泥沙荷载。坝前泥沙浮容重10 kN/m3，淤沙内摩擦角16°，坝前淤沙高程为114.5 m。

(8)地震荷载。坝址区最大可信地震MCE值为0.15g，设计基准地震DBE值为0.10g。

一般情况下，混凝土重力坝在抗震设计中可以只计入顺水流向的水平向地震作用。抗震计算考虑的地震作用包括地震惯性力和水平向地震作用的动水压力，此时，大坝上游水位采用正常蓄水位。

3.3 计算工况及荷载组合

根据SL319—2018《混凝土重力坝设计规范》，坝体稳定计算工况及荷载组合见表2。本文计算时，下游水位取坝后回填混凝土的高程，增加了排水孔失效的工况(即坝基无排水孔)。

4 计算结果及分析

对于44号坝段，建基面高程为147.50 m，泥化夹层Ny8在坝趾处的高程为147.50 m，泥化夹层Ny9在坝趾处的高程为137.40 m，泥化夹层Ny8、Ny9分布位置见图3。泥化夹层Ny8基本被挖掉，因此控制大坝抗滑稳定的结构面为建基面以下的泥质粉砂岩层面和泥化夹层Ny9。双滑面计算时，通过不断的试算，来搜索第二滑裂面角度对应的抗滑稳定最小安全系数。

4.1 沿147.5 m高程建基面以下泥质粉砂岩层面抗滑稳定计算

计算建基面不采取任何措施的工况，采用深层双滑抗剪断公式，第一滑裂面为泥质粉砂岩层面，抗剪断参数取f′=0.40、c′=0.1 MPa，第二滑裂面根据弱风化(粉)砂岩和微风化(粉)砂岩所占比重综合考虑，抗剪断参数取f′=0.6、c′=0.45 MPa。经计算，最小安全系数对应的第二滑裂面发生在与水平面成35°方向。正常蓄水工况的最小安全系数k=2.976，设计洪水工况的最小安全系数k=2.661，均小于设计允许值3.0，不满足现行规范要求。通常，须通过挖除部分软弱结构面并设置齿槽、增大坝体剖面、加固地基等措施来提高坝基抗滑稳定安全系数。因此，结合本工程实际情况，采用在建基面下方设置混凝土齿槽方案，对岩基进行部分混凝土置换。具体尺寸见图3。147.5 m高程建基面，坝基范围内的长度为52.85 m，其中18.05 m被C25混凝土齿槽截断。泥质粉砂岩层面的抗剪断参数为f′=0.40、c′=0.1 MPa。C9025混凝土齿槽抗剪断参数f′=1.1、c′=1.3 MPa.采用混凝土齿槽后，其综合抗剪断参数为f′=0.639，c′=0.51 MPa。采用深层双滑抗剪断公式，第一滑裂面抗剪断参数取f′=0.639、c′=0.51 MPa，第二滑裂面根据弱风化(粉)砂岩和微风化(粉)砂岩所占比重综合考虑，抗剪断参数取f′=0.6、c′=0.45 MPa。经计算，最小安全系数对应的第二滑裂面发生在与水平面成40°方向，各工况的最小安全系数计算结果见表3，由表3可知，抗滑稳定系数满足现行规范要求。

表3 147.5 m高程建基面有齿槽结构滑裂面的最小安全系数

4.2 沿泥化夹层Ny9抗滑稳定计算

泥化夹层Ny9倾向下游约2°，在坝趾处的高程为137.40 m，泥化夹层Ny9抗剪断参数f′=0.25、c′=0.02 MPa；采用深层双滑抗剪断公式，第一滑裂面抗剪断参数取f′=0.25、c′=0.02 MPa，第二滑裂面根据弱风化(粉)砂岩和微风化(粉)砂岩所占比重综合考虑，抗剪断参数取f′=0.6、c′=0.45 MPa。经计算，最小安全系数对应的第二滑裂面发生在与水平面成5°方向，正常蓄水工况的最小安全系数k=2.285，设计洪水工况的最小安全系数k=2.069，均小于设计允许值3.0，抗滑稳定系数不满足现行规范要求。考虑混凝土齿槽伸入泥化夹层Ny9以下1.0 m，具体尺寸见图3。坝基范围内的长度53.35 m，C25混凝土齿槽底高程为136.50 m，其中9.37 m被C25混凝土齿槽截断。泥化夹层Ny9抗剪断参数为f′=0.25、c′=0.02 MPa；C25混凝土齿槽抗剪断参数f′=1.1、c′=1.3 MPa.采用混凝土齿槽后，其综合抗剪断参数为f′=0.399、c′=0.245 MPa。采用深层双滑抗剪断公式，第一滑裂面抗剪断参数取f′=0.399，c′=0.245 MPa，第二滑裂面根据弱风化(粉)砂岩和微风化(粉)砂岩所占比重综合考虑，抗剪断参数取f′=0.6、c′=0.45 MPa。经计算，最小安全系数对应的第二滑裂面与水平面夹角为0°，各工况的最小安全系数计算结果见表4，由表4可知，抗滑稳定系数满足现行规范要求。

表4 泥化夹层Ny9有齿槽结构滑裂面的最小安全系数

4.3 沿齿槽底部抗滑稳定计算

齿槽底部高程为SMK136.50 m，采用深层双滑抗剪断公式，第一滑裂面为泥质粉砂岩层面，抗剪断参数取f′=0.4，c′=0.1 MPa，第二滑裂面根据弱风化(粉)砂岩和微风化(粉)砂岩所占比重综合考虑，抗剪断参数取：f′=0.6，c′=0.45 MPa。经计算，最小安全系数对应的第二滑裂面与水平面夹角为35°，各工况的最小安全系数计算结果见表5，由表5可知，除校核工况和地震工况外，其他各工况的抗滑稳定系数均满足现行规范要求。

表5 齿槽底部结构滑裂面的最小安全系数

综上所述，44号坝段采取混凝土齿槽(齿槽深度11 m，底高程为136.50 m，底宽8.0 m)、坝后回填13 m混凝土和16.25 m堆石的处理措施，沿147.5 m高程建基面以下的泥质粉砂岩和泥化夹层的抗滑稳定均能满足现行规范要求。

5 结论及建议

本文采取《混凝土重力坝设计规范》推荐的“等K法”，对苏阿皮蒂水利枢纽44号坝段进行了建基面以下泥质粉砂岩层面、泥化夹层和齿槽底部的抗滑稳定计算，通过分析和研究，可知在靠近坝趾处设置齿槽可以将坝基存在的软弱夹层截断，并且齿槽深入软弱夹层一定深度，能够有效阻断大坝潜在滑移通道，提高深层抗滑稳定安全系数。计算结果表明，设置齿槽的处理措施安全可靠、经济，且施工便利。

本文采用的刚体极限平衡法为一种半理论半经验的方法，但该方法在长期实践应用中积累了丰富的经验，并且具备较为完善的安全系数评判标准。因此，目前仍是计算坝基抗滑稳定的主要计算方法，被《混凝土重力坝设计规范》所推荐采用。有限元法因其屈服准则、本构关系和判别标准等因素对计算结果有着较大影响，所以，在大多数情况下仅作为高坝和复杂地质条件下坝基处理措施的必要论证和参考。