固军水库重力坝几个设计要点回顾

2022-03-18曹龙江

四川水利 2022年1期

曹龙江

(四川省水利规划研究院，成都，610072)

1 基本情况

固军水库大坝为碾压混凝土重力坝，河床位置中间布置含2个泄洪表孔和2个泄洪底孔的坝段，非溢流坝段布置在两侧。泄洪及非溢流坝段最大坝高均为77.6m，坝顶高程497.60m，建基面最低高程为420.00m，水库正常蓄水位494.00m。大坝坝址区置于互层状的岩屑砂岩、含煤砂岩地基上，相同岩性地基在河床坝段与岸坡坝段的抗剪指标和地基承载力也存在差异，岩体软弱夹层较多，总体地质条件较差。上游立视、地基情况如图1、图2所示。

图1 重力坝上游立视

图2 坝基地质

2 坝体基本三角形体型设计

根据重力坝规范，具有代表性的非溢流坝段基本断面呈三角形，其顶点宜在水库最高静水位附近，下游坝坡在1∶0.6～1∶0.8之间，在满足坝体抗滑稳定及地基承载力要求情况下，力求采用工程量最小断面。固军水库大坝地基为互层状的岩屑砂岩、含煤砂岩地基，总体倾下游，根据建基要求，按各坝段位置，坝体分别建基于新鲜及弱风化基岩上。在设计中，通过粗拟基本三角形断面进行试算，由于坝基开挖后，坝基无法避免置于含煤砂岩岩层上，弱风化含煤砂岩承载力较低，在1MPa～1.5MPa之间，在将下游坝坡设至最缓1：0.8后，依然不能满足其承载力要求，因此设计将坝体基本三角形顶点调整至最高静水位以上较多，约为5m，且在坝顶高程以上，以加大坝体底宽，改善应力分布，使其满足地基承载力要求。故为满足较差的地质条件要求，固军大坝基本三角形体型设计稍大，与规范建议对比示意见图3所示。

图3 坝体体型基本三角形顶点位置设计示意

3 深层抗滑问题

3.1 深层抗滑计算模式确定

大坝地基为互层状的岩屑砂岩、含煤砂岩，岩层总体倾下游，与水平面夹角约-25°，层叠状，岩体中各类结构面较发育，层状结构面包括层间错动带、软弱夹层、煤层和层面，均与岩层层面平行，这类岩体构造带来的突出问题即为大坝深层抗滑，而这些软弱结构面将构成坝基岩体深层滑移的主滑面即第一滑面。由于坝基下游不存在自然陡立的滑移临空面，因此根据规范相关建议，固军大坝应该按双斜面组合滑动模式进行。

根据地基地质情况分析研究，坝基各类软弱夹层在坝址范围几乎均匀分布，且平行于岩层层面，倾下游，在推荐坝线位置相对好于其余部位，综合研判后主要有6条连通性较好的软弱夹层控制深层抗滑稳定性，见图2。这6条软弱面基本在上游坝踵附近出露，对于在坝基中下游范围出露的软弱面，设计认为第一滑面向上延伸后穿过坝体，而坝体厚度大，其抗剪指标较高，滑动可能性较小，因此不纳入核算范围。这6条软弱夹层分别属于双斜面滑动模式的第一滑面，其位置、向下游倾角都是确定的。而第二滑面为向下游延伸至表面的倾向上游的斜面。上下游两个组合滑面交点在坝址处假定的拉裂铅直面上。从地基地质勘探情况分析，岩体并不存在沿第二滑面趋势方向的明显软弱夹层，因此第二滑面的滑出倾角将存在不确定性，即与第一滑面组合的第二滑面将有无数个，但计算中可以采用有限归纳法，即用有限的滑面进行计算，统计内插，逼近最小的安全系数，得出可以采用的结果。因此第二滑面拟定了从较陡至较缓的倾角，范围与水平面夹角从65°到15°，间隔5°，共计11个角度滑面，分别与6个确定的第一滑面组合，进行双斜面深层抗滑稳定计算。每个需要计算的典型坝段均按上述方法进行。计算模式选择如图4所示。

图4 混凝土重力坝坝基深层抗滑稳定计算双滑面拟定示意

3.2 深层抗滑各滑面抗剪参数的选取

坝基岩体顺层面分布较多软弱夹层，组成性质不同、长短各异，连通性也不同。上游第一滑面根据地质剖面对相应滑面上的软弱夹层、正常层面长度界定，采用按长度加权平均的方法对抗剪指标进行综合取值，作为第一滑面的计算用抗剪指标，各类层面抗剪指标初始值均取地质提供范围值的中间值，正常岩层沿滑面取顺层指标。

第二滑动面与岩体层面夹角较大，也无明显软弱夹层，可以使用切层抗剪指标，但岩体裂隙分布对抗剪指标的降低存在不利影响，因此第二滑动面性质如何确定至关重要。固军大坝坝基岩体根据岸坡基岩裂隙情况精细测量统计，提出了第二滑面在不同倾角情况下的岩体裂隙分布情况，采用裂隙连通率来考虑裂隙对切层抗剪指标的降低影响。具体计算方法如下：首先量测地质剖面图中第二滑面穿过不同岩层的厚度，按厚度进行加权平均计算完整岩体的切层抗剪指标1；再考虑裂隙的影响，裂隙考虑充填物的影响，单独提出抗剪指标；再按裂隙连通率将前面计算所得切层抗剪指标1与裂隙抗剪指标进行加权平均，算得第二滑动面最终采用的计算用抗剪指标。裂隙连通率依据地质统计资料，随第二滑动面与水平面夹角变化而不同。

3.3 深层抗滑计算结果与地基处理方案

根据上述确定的计算方法，设计对几乎每一个坝段都进行了计算，对计算结果分析认为，除岸坡坝段深层抗滑满足规范要求外，坝体高度最高的河床范围坝段均不满足要求。图5为具有代表性的最高溢流坝段计算结果示意(第一滑面为6个滑面之一J3，横坐标为第二滑面与水平面夹角15°～65°，纵坐标为安全系数)。

图5 地基处理前溢流坝段第一滑面为J3时的安全系数随第二滑面夹角变化

从图5可以看出，各种工况均出现小于规范规定的基本工况3.0，特殊工况(无地震)2.5的安全系数。

因此，固军大坝需要采取工程措施进行地基处理，设计通过对控制性软弱滑面在地基范围的分布情况分析，从抗剪洞塞、抗滑桩、抗滑齿槽等方案中确定了抗滑齿槽方案。该方案处理第一滑面靠近上游坝踵坝基的范围，处理难度小、可靠性高，具体思路为挖除该范围软弱结构面，置换为混凝土地基，提高第一滑面综合抗剪指标。由于第一滑面共6条，在坝基分布深度不同，抗滑齿槽施工难度随开挖深度加大而加大，设计拟定了不同的齿槽置换深度和宽度，进行了深层抗滑试算，埋深较小的J1-J5条第一滑面均考虑采用抗滑齿槽处理，埋深最大的J6由于深度太大，且即使不采取工程措施处理，其安全系数仅个别工况略小于规范要求，因此，设计对是否有必要采用整体加深齿槽或单独采用抗剪洞方案处理J6进行了研究。由于抗剪洞仅需要布置一个，而其附加临时施工工程量很大，且软弱夹层的位置需要增加大量地质工作才能准确定位，难度太大，结合J6埋深较大，有很多有利因素并未考虑进入计算(比如两侧的岩体凝聚力c)，最终确定不采用任何处理措施，而是通过对地质参数的进一步复核优化，满足了J6滑面的深层抗滑要求。图6为大坝地基处理及具有代表性的最高溢流坝段处理后计算结果(第一滑面为6个滑面之一J3，横坐标为第二滑面与水平面夹角15°～65°，纵坐标为安全系数)。

图6 地基处理后溢流坝段第一滑面为J3时的安全系数随第二滑面夹角变化

整个抗滑齿槽，深度约20m，位于上游坝踵下部河床坝基范围。需要说明的是，抗滑齿槽均位于大坝建基面以下，低于原始河床表面，没有随坝段分缝设置贯通缝，而是整体浇筑，作为地基对待。处理方案如图7所示。

图7 混凝土重力坝坝基置换齿槽方案示意

在深层抗滑计算中，设计对下游抗力体的计算考虑如下：大坝下游原状基岩、挡土墙及回填土等可靠重量可纳入抗力体计算；泄洪时，消力池内的水重纳入计算，但为安全计，采用收缩水深水位对应水重，而第二滑面扬压力采用下游洪水位对应水深。

4 岸坡坝段侧向稳定问题

根据重力坝规范对岸坡坝段的侧向稳定计算建议，较陡的岸坡坝段，宜按整个坝段三向荷载的合力方向分析计算其抗滑稳定性，参考该条款条文说明。若岸坡较平缓，开挖后形成的分级平台高差不大，岸坡坝段的抗滑稳定计算可采用水平建基面的抗滑稳定计算公式；若岸坡较陡，计算时宜按合力计算其抗滑稳定。固军大坝每个岸坡坝段建基面开挖为台阶型，一般为2～3个台阶，平台总宽度均超过坝段宽度1/3，并保持下部平台较宽。

固军岸坡坝段采用沿水平建基面方向的抗滑稳定计算方法，计算时台阶斜面上的扬压力作用方向沿斜面的法向，分解到水平和垂直方向后分别合并带入公式计算即可，计算时考虑坝段两侧分缝处缝面作用侧向水压力，大小根据下游水位水深计算，水平建基面方向计算结果均能满足抗剪断公式安全系数要求。

设计也研究了按合力计算其抗滑稳定的情况，由于岸坡坝段坝基开挖为台阶型，其真实滑动方向和滑动型式是难以确定的，并不是简单的单一斜面滑动，尚缺少合理的计算方法，设计参考《潘家铮全集(第2卷)：重力坝的设计和计算》(北京：中国电力出版社，2016)一书，近似按类似条分法，将岸坡坝段分为平段、斜面段，分别按三向合力计算各条块沿相应斜面的滑动力、抗滑力分力，汇总后按抗剪断公式计算，其安全系数随选取的组合滑面型式各不相同，组合滑面型式见图8。按图8(a)组合滑面计算的安全系数基本能满足要求，按图8(b)组合滑面计算的安全系数大部分岸坡坝段不能满足要求，两个组合滑面方案的差异主要体现在滑面穿过的地基或结构范围不同，滑动趋势也有所差异。由于图8(b)组合滑面受下部平台影响滑动趋势并不明显，且类似条分法没有考虑相邻条块的相互作用力，设计认为其计算缺乏合理性。因此，固军大坝没有采用组合滑面类型合力计算模式成果，仅按水平建基面方向计算结果控制岸坡坝段稳定性。但笔者认为按图8(a)组合滑面是有滑出可能的，计算的结果具有一定指导意义，此时滑面穿越混凝土结构范围较大，而混凝土抗剪指标较高，容易满足要求，若不满足安全系数规定宜采取工程措施，例如横缝灌浆、加大平台宽度、减小台阶高差等。