某重力坝坝基缓倾断层影响分析及处理措施研究

章宏生，朱瑞晨，吴世勇，卢 乾

(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南 长沙 410000)

1 概 述

1.1 工程概况

西部某水电站位于高海拔寒冷地区，坝址区控制流域面积约16万km2。水电站为II等大(2)型工程，开发任务以发电为主，电站装机容量为660 MW，多年平均发电量32.045亿kWh，保证出力(P=5%)173.43 MW，水库具有日调节性能。

枢纽建筑物主要由混凝土重力坝、坝身泄洪、右岸坝后式引水发电系统及升压站等建筑物组成。拦河坝为碾压混凝土重力坝，发电厂房采用坝后式布置，主要由主厂房、副厂房、变电站等组成，主厂房尺寸163.00 m×29.50 m×63.50 m(长×宽×高)，安装4台单机容量165 MW的混流式水轮发电机组。

1.2 地质条件

坝址处河段为高山峡谷地貌，呈“V”字形，两岸地形较陡峭，坡度一般为40°～50°，局部为陡崖，沿坡脚岸边及冲沟口分布有堆积台地。地层岩性为喜山期黑云母花岗闪长岩，局部夹黑云母角闪石英闪长岩条带状岩脉，厚约30～50 cm，局部3～5 m，两者多呈裂隙接触，局部呈熔融接触。

坝址区构造发育，主要构造形式有断层、节理等。主要以NNW、NNE向为主，多为陡倾角结构面，带内一般由碎块岩、碎裂岩、岩屑及少量泥膜组成。

右岸13～14号厂房坝段坝基发育缓倾坡内F3断层，如图1所示。F3断层沿右岸坝基由上游向下游延展，断层产状为N30-40°E，SE∠20-30°，带宽0.4～3.5 m。其中坝基范围内桩号坝下0 m～坝下5 m、坝下13 m～坝下21 m处带宽0.4～0.6 m，桩号坝下5 m～坝下13 m处带宽1.0～1.5 m，坝下21 m～坝下28.3 m处带宽1.30～1.60 m。带内为碎块岩、碎裂岩、岩屑充填，发育4～5条灰白色泥化条带，厚约0.5～2 cm，带内岩体破碎、呈强风化，为岩屑夹泥型[1]。F3断层在坝体建基面出露情况见图2。

图1 13号厂房坝段剖面图

图2 F3断层在坝体建基面出露情况

1.3 存在问题

据记载[2]，重力坝失事案例中40%是由于地质问题造成，地质条件是造成重力坝失事的主要原因。1911年，奥斯丁坝失事的根本原因是坝基下砂、页岩互层层面间抗剪强度过低，基础嵌深过浅，大坝沿软弱层面产生滑动。1928年，美国圣弗朗西斯坝因为坝基顺河向断层透水，断层上盘第三系砾岩遇水崩解，断层下盘云母片岩软弱破碎，在水的作用下，坝基岩体丧失必需的承载力导致坝体失事。

重力坝坝基破坏主要有3种情况[3]，重力坝体与基岩接触面发生剪切破坏而形成的浅层滑动；重力坝和坝基一部分岩体共同沿坝基深层软弱结构面产生剪切破环而形成的深层滑动问题；介于浅层滑动与深层滑动之间的混合滑动问题。

F3断层距离建基面最近约6～7 m，坝基开挖后，岩体卸荷回弹，浇筑坝体混凝土后，该断层在大坝混凝土的压重下，应力变形情况对坝基稳定有重要影响。目前，重力坝坝基抗滑稳定评价仍以刚体极限平衡法为主，有限元计算为辅[4]。但该坝段坝基采用台阶面开挖，F3断层的剪出口位于台阶状坝基的斜坡面，坝基存在深层和浅层的组合滑动问题，采用有限元计算方法不仅满足受力平衡，适应岩土体的应力变形关系，也更接近坝基滑动真实情况[5-13]。为了深入研究F3断层对大坝应力变形以及稳定的影响，笔者采用非线性有限元方法计算水库蓄水后大坝及坝基的应力变形[14]，采用强度折减法，进一步分析坝基的安全储备系数，并对该断层提出处理措施，以满足工程的安全性和经济性。

2 坝基数值计算分析

2.1 计算模型

13号坝段坝基部位断层上盘岩体较薄，对坝基应力位移、稳定较为不利，因此计算选取13号坝段作为计算模型。采用8节点等参单元剖分网格，建立坝体和坝基岩体、断层共同作用的三维模型。计算上下游分别取2倍坝高(200 m)，竖直方向开挖面以下取2倍坝高(200 m)，计算模型如图3所示。模型底面采用固定支座，各侧面采用约束水平位移的滚动约束。

图3 有限元计算网格

2.2 坝基岩土力学参数

坝基范围F3断层上盘面充填1～2 cm泥质，带内夹碎块岩、碎裂岩、片状岩。坝基岩性为黑云母花岗闪长岩，结构稍密～中密。坝基岩层的地质力学参数如表1所示。

表1 坝基岩体物理力学计算参数

2.3 应力变形计算分析

笔者利用通用有限元软件ABAQUS，采用增量法，将每个荷载分成若干个荷载增量步施加在模型上计算大坝及坝基的应力变形。

计算分析共分为三步。第一步，不考虑大坝混凝土的影响，仅考虑开挖后坝基岩体自重，将岩体自重应力场作为初始地应力场；第二步，清除第一步初始应力场产生的位移，考虑浇筑后坝体自重，计算分析坝体混凝土与岩体共同作用的应力变形情况；第三步，考虑蓄水后，施加上下游水压力以及扬压力等荷载的情况，分析计算坝体混凝土与岩体共同作用的应力变形情况。通过以上三步分析大坝运行后，F3断层对坝基的影响。蓄水后大坝及基础位移见图4，大坝及基础竖向应力见图5，F3断层位移变形见图6，坝基塑性屈服区分布见图7。

图4 蓄水后大坝及坝基位移云图

图5 蓄水后大坝及坝基竖向应力云图

图6 蓄水后坝基F3断层位移云图

图7 蓄水后坝基塑性屈服区分布云图

计算结果表明，水库蓄水后，大坝最大位移为1.8 cm，位于大坝坝顶。坝基F3断层最大位移为0.38 cm，位于坝轴线部位。坝基及F3断层部位无竖向拉应力，坝基范围等效塑性应变值均很小，大坝处于稳定状态，为进一步分析大坝的稳定安全储备能力，下文采用强度折减法进一步分析计算大坝的稳定安全储备系数。

2.4 强度折减法分析

利用ABAQUS软件中的场变量，分别建立场变量、增量步时间、材料参数的函数关系，采用强度折减法分析计算F3断层对该重力坝稳定的影响。考虑非关联准则，剪胀角设为0。逐步地降低坝基岩体及大坝混凝土的抗剪强度参数，进行迭代计算，研究坝基失稳的渐进破坏过程，得到强度储备系数k[15]。

计算完成后，提取坝顶下游特征点的水平位移、强度折减系数，绘制相关曲线，如图8所示，由图8可知，随着折减系数的增大，特征点的水平位移逐步增大，当折减系数达到3.5时，特征点的水平位移突然增大，对应坝基安全储备系数为3.5。坝基塑性屈服区分布如图9所示，当折减系数达到3.5时，大坝与基岩接触面、F3断层上下游塑性屈服区贯通。

图8 坝顶特征点位移-强度折减关系曲线

图9 不同强度折减系数下坝基塑性屈服分布云图

3 坝基处理措施

由于F3断层对坝基稳定有重要影响，结合工程经验，建议对该坝段坝踵部位采取固结灌浆。F3断层上盘面充填1～2 cm泥质，带内夹碎块岩、碎裂岩、片状岩，易成为渗漏通道，且断层距离该坝段建基面最大距离为16 m，距坝基近，若发生渗水，则产生较大扬压力，对坝基稳定产生重大影响，为防止帷幕灌浆无法完全阻渗，对该坝段F3断层采用混凝土防渗墙进行防渗处理，防渗墙底高程位于F3断层下盘1～2 m，同时加强对该坝段蓄水后的坝基扬压力监测，确保防渗措施的稳定可靠。

4 结 语

1)采用强度折减法计算分析，得到的坝基安全储备系数较高，满足规范要求。

2)对于地质条件较为复杂的重力坝坝基稳定问题，有必要进行有限元计算分析，为坝基处理提供依据。为进一步保证大坝永久运行安全，对坝踵塑性屈服区处加强固结灌浆。F3断层上盘至建基面岩体采用混凝土防渗墙防渗。该处理措施可供类似重力坝坝基缓倾断层处理时参考、借鉴。

3)大坝蓄水运行后，仍应加强对该坝段坝基扬压力的监测，确保F3断层无渗漏通道。