复杂软弱带控制下官地水电站坝基三维抗滑稳定分析与处理

闫 勇，彭文明

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

官地水电站位于四川省凉山彝族自治州西昌市盐源县，系雅砻江卡拉至江河口河段水电规划五级开发的第三个梯级电站。电站主要任务是发电，水库正常蓄水位1330.00m，总库容7.6亿m3，装机容量2400MW。拦河大坝为碾压混凝土重力坝，大坝坝顶高程1334.00m，最大坝高168m，坝轴线方位N12°E，为国内已建碾压混凝土第四高坝。大坝自左至右分别布置左岸挡水坝段、左侧中孔坝段、河床溢流坝段、右侧中孔坝段、右岸挡水坝段。

在坝基开挖过程中发现，11#～13#溢流坝段坝基下主要发育有3条缓倾角错动带：fxh05(产状EW/S∠30～35°)、fxh13-7(产状N20°～30°E/SE∠15°～20°)、fxh13-8(产状N10°～20°W/NE∠15°～20°)；并有多条缓倾角裂隙：①(产状N20°～50°W/NE∠15°～30°)、②(产状N20°E/SE∠15°～35°)、③(产状N10°～20°E/NW∠20°～25°)。其中，fxh13-7和fxh13-8的走向均与坝轴线小角度相交，且分别倾向于左、右岸，导致溢流坝段，尤其是13号溢流坝段两端的断面相差很大(如图1—4所示)，不同断面间的滑移模式和滑移通道均差异较大。以往针对此类问题，通常选取2～3个典型剖面进行二维稳定计算，得到各断面的安全系数。对于各断面安全系数存在差异的问题，通常偏保守考虑，要求每个断面都满足抗滑稳定要求。这种做法有时会造成巨大的浪费，而三维抗滑稳定分析可以弥补传统二维分析方法难以解决的各断面安全系数差异较大的缺陷。

图1 桩号(坝)0+060.00横断面

图2 桩号0+255.50纵断面

图3 桩号0+277.00纵断面

图4 桩号0+263.50纵断面

近年来，边坡三维稳定分析在理论、计算方法和相应程序开发方面均有了较大的发展。以中国水利水电科学研究院陈祖煜院士为代表的专家进行了深入的边坡三维稳定分析理论研究[1- 2]，并将理论大量应用于工程实践[3]。采用基于边坡稳定计算的三维极限平衡分析方法进行重力坝的三维稳定分析是边坡三维稳定分析理论的延伸，近年来也在三峡大坝3号坝段深层抗滑[4]、百色水利枢纽大坝深层抗滑[5]、沙陀水电站大坝深层抗滑[6]等问题的解决中得到应用。

在三维稳定计算问题上，最难以解决的问题是三维滑体的平衡条件不易满足。迄今为止，几乎所有已公开发表的三维方法基本只能满足3～5个平衡条件[7～11]。本文所使用的由郑宏提出的严格三维极限平衡法[12- 13]，在满足滑体6个平衡条件基础上建立整体平衡方程式。该方法虽然在条柱之间作用力的假定方面物理意义较为模糊，但对整体平衡条件的满足上前进了一步，可较好解决坝基三维抗滑稳定计算问题。下面介绍这一方法的基本原理和思路。

1 三维严格刚体极限平衡法

目前抗滑稳定三维分析通常存在平衡条件未被全部满足的局限，基于这种情况，郑宏提出严格三维极限平衡法。该方法对滑体考虑整体受力平衡和力矩平衡，其求解路线如下：

(1)列出滑移体整体平衡方程组

在满足3个力平衡条件和3个力矩平衡条件下，列出滑体整体平衡方程组：

∬Sdf+fext=0

(1a)

∬SdmC+mext=0

(1b)

假定滑面满足Mohr-Coulomb准则，则当滑体处于极限平衡状态时，有

(2)

代入上述力平衡和力矩平衡方程，可知：上述方程组包含6个方程等式，其中作用在滑移体上的主动力矢为fext，包括重力、加固力和地震力等，fext关于参考点rC的力矩为mext，均可直接求解。

(2)列出滑裂面上的法向应力表达式

对微元滑裂面而言，其法向应力可表达为

σ=σ0+f(x，y；a)

(3)

式中，σ0—体积力和滑移体外已知载荷的贡献(不包括滑面上的孔隙水压力)；f(x，y；a)—条间力对滑面法向应力的贡献，是静不定的，为一个含待定的5阶向量a、关于水平坐标(x，y)的函数。采用分片三角形线性插值来构造f(x，y；a)，可得

f(x，y；a)=lTa

(4)

图5 滑面法向应力插值三角网

(3)列出以Fs和a={a1，a2，a3，a4，a5}T为未知变量的方程等式

将σ代入前述整体方程组，可得到以和a为未知量的非线性方程组：

g(Fs，a)=FsAa+Ba+Fsc+d=0

(5)

式中，A、B—6×5阶矩阵，c、d—6阶向量，均可通过微元面求解。

(4)用Newton法求解方程等式

2 官地溢流坝段坝基深层抗滑稳定分析

2.1 二维稳定分析

官地溢流坝段，尤其是13号溢流坝段下发育有多条缓倾角错动带。各错动带的走向和倾向均差异较大，导致13号溢流坝段两端(桩号0+255.50和0+277.00)断面相差很大，如图2—3所示，两断面的滑移模式和滑移通道均差异较大。按照传统二维分析思路，为研究13号坝段深层抗滑稳定性，在坝段中部增加考察桩号0+263.50断面(图4)，分别分析这3个断面的抗滑稳定性。

根据上述3个断面坝基岩体结构面的分布特性，经过比较得到如图6—8所示的各断面深层滑动模式，在该滑动模式下断面安全系数最小，具体滑动模式见表1。

表1 13号坝段滑移模式表

图6 桩号0+255.50纵断面的控制滑移模式

图7 桩号0+263.50纵断面的控制滑移模式

图8 桩号0+277.00纵断面的控制滑移模式

根据地勘资料，各结构面的抗剪断参数和连通率见表2，按加权平均法得到滑动面的综合抗剪断强度指标。采用二维刚体极限平衡法得到的各个断面的二维深层抗滑稳定安全系数见表3。

表2 材料抗剪断强度参数表

表3 深层抗滑稳定计算成果表

从计算结果看，断面0+255.50和断面0+263.50在正常工况和地震工况下的深层抗滑稳定安全系数均不满足规范要求。

2.2 三维稳定分析

从二维稳定分析看，13号溢流坝段各个断面的控制结构面不尽相同，安全系数也差异较大，难以确定坝段整体的安全性。考虑到坝基结构面具有明显的空间分布特性，二维刚体极限平衡法不能较真实的反映沿基础内不利结构面的抗滑稳定性。因此，应考虑把13号溢流坝段作为三维整体来计算其稳定性。

计算中未考虑滑体侧面的约束作用，且滑块间的作用力与水平面的夹角φ=0°[14- 15]，其计算结果是偏保守的。对13号坝段和整个溢流坝段的控制滑移模式建立三维模型，如图9—10所示。采用三维刚体极限平衡法对这两个模型进行深层滑动计算，计算结果见表4。

图9 13号坝段深层滑动计算模型

图10 溢流坝段整体深层滑动计算模型

表4 13号坝段各滑移模式三维计算结果

从计算结果可以看出，在考虑结构面的空间分布后，抗滑稳定安全系数有明显提高。无论是13号溢流坝段还是溢流坝段整体，在不采取任何措施的情况下，其深层抗滑稳定安全系数均超过3.0，但安全裕度不大。

2.3 加固措施设计

若按照传统思路，即要求二维刚体极限平衡法计算中的三个断面都满足抗滑稳定要求，经计算，需在坝踵设置一个底宽23m、深6m的混凝土齿槽；同时，需在坝基中部设置一个底宽20m、深20m的混凝土齿槽，挖除部分fxh13- 7、fxh13- 8缓倾角错动带，截断滑移通道。

上述措施固然可以解决坝基深层滑动问题，但考虑到二维计算无法考虑结构面空间分布对安全系数的提高作用，该措施明显是过于保守的。当时大坝基坑整体已开挖完成，基础缺陷处理后即可开始浇筑坝体混凝土，而溢流坝段又是最高、最先需要开展碾压施工的坝段。若在其坝基下开挖底宽20m、深20m的深齿槽，开挖和爆破难度均较大，经测算，工程直线工期将推迟3个月。

而若按三维刚体极限平衡法的计算成果，以规范对二维计算规定的安全系数为标准，则不需要采取任何加固措施。考虑到三维计算成果更能反映大坝的真实滑动状态，但其安全裕度不大，综合考量，采用了以下较容易实施、且不影响工程直线工期的加固方案。

(1)在坝踵设置底宽23m、深6m的混凝土齿槽，截断滑移通道。

(2)在消力池底部设置锚筋桩和锚索将消力池回填混凝土与基岩连成整体；并采取必要的混凝土温控措施使消力池回填混凝土不分缝，保证回填混凝土的整体性，以加强消力池回填混凝土的抗剪断作用。

这一措施的主要加固重点在消力池部位，不占工程直线工期，有力地保证了工程按期投产发电。同时，加强了滑移通道进口和出口的阻滑作用，也保证了工程的安全。

4 结语

三维严格刚体极限平衡法基于刚体极限平衡理论，理论意义严格，易于被工程人员理解和接受，其弥补了传统二维刚体极限平衡法无法解决的各断面安全系数存在差异的局限性。

针对官地水电站溢流坝，若以二维分析成果为主要依据，则需设置20m深齿槽，不仅工程量大，且严重影响工程工期。采用三维严格刚体极限平衡法进行分析，结果表明：不采取任何措施，溢流坝段的安全系数即达到3.0。考虑到三维计算结果的安全裕度不大，采取了不占用直线工期的坝踵开挖浅齿槽、加强消力池回填混凝土整体性的综合处理方案，保证了工程按期完工。电站至今已运行数年，大坝各项工作状态正常，表明处理措施合理，三维分析对合理评价工程安全性、避免浪费很有意义。