复杂基岩重力坝施工中应力稳定性以及加固方案研究

陈勇军

(广东省水利水电第三工程局有限公司，广东 东莞 523710)

0 引 言

重力坝是水利工程极其重要的坝型，在修建重力坝之前需对地基进行地质勘察，以防重大安全问题的发生。设计重力坝的基础是对复杂基岩重力坝的应力稳定进行分析，主要分析沿坝基面和地基深层软弱结构面的岩体抗滑稳定安全度[1-3]。重力坝抗滑稳定分析方法中，现阶段主要研究手段为分项系数法、地质力学模型试验法、有限单元法、刚体极限平衡法等。重力坝加固措施方法主要为加高坝体、喷涂防渗面层、混凝土防渗面板处理、换面及嵌缝处理、铺镶卷材处理、灌浆处理等[4-6]。目前，对于复杂基岩重力坝施工中的应力稳定性和加固方案而言，学者还没有给出较好的研究思路，无法确定应力稳定性的影响因素以及加固方案的加固效果。本文针对重力坝深层抗滑稳定性分析及齿墙加固方案进行研究，以期为复杂基岩重力坝的施工提供科学依据。

1 重力坝深层抗滑稳定性和加固方案

1.1 工程实例和应力分析

本文研究选取的水利工程为沱江干流上游四川省D坝，枢纽包括地面场区、坝身、碾压混凝土重力坝、岸塔式进水口等。坝顶轴线长度为231.5m，坝顶宽度为11m，最大坝高为106m，坝顶高程为1 481m。从右到左依次为右岸非溢流坝段61m、 溢流表孔坝段91.5m、泄洪底孔坝段14m、左岸非溢流坝段65m。坝体的基本断面为三角形，下游坝坡坡度10:7，上游高程1 410m以下坡度为5:1、1 401m以上为直立面。电站装机容量为900MW，水库总库容为2.62×108m3。本研究选用模型试验分析重力坝应力，即笛卡尔坐标系。坐标原点为上游坝踵处，X轴、Y轴、Z轴分别为顺河向、横河向、竖直向。为了探究坝踵应力的影响以及深层抗滑稳定性，坝段坝基建模过程中需充分考虑软弱夹层和断层破碎带。由于正常溢洪道防洪要求较低，且坝基的软弱夹层的存在，研究有限元分析的范围为重力坝溢流坝段，计算的坝基深度约为2.0倍坝高，坝趾和坝踵向上和向下延伸至坝高的2倍左右。为了建模的方便，本研究对某些部分的材料进行了简化，坝基区域的材料见表1。大坝常态混凝土的材料等级为C9020，静态弹性模量为24.0GPa，泊松比为0.168，容量为24.1kN/m3。

表1 坝基区域的材料参数

计算模型网络单元为八节点六面体缩减积分实体单元，整个模型的总单元数和总节点数分别为4 708和6 217。约束条件如下：固定约束为底部，连杆约束的位置为下游边界和地基。由于重力坝基岩混凝土可看作是线弹性材料，因此重力坝的计算模型可视为各向同性线弹性模型，应力应变关系的表达式为：

(1)

式中：v为泊松比；G为剪切模量；E为抗压弹性模量；εx、εy、εz、εxy、εyz、εxz分别为相应方向或平面上的应力；σx、σy、σz为相应方向应变；τxy、τyz、τzx为相应方向的剪应力。

由于坝踵应力受到多种因素的影响，本研究从计算范围、坝基模量、坝体-坝基结合方式、坝基软弱带4个方面入手。

1.2 抗滑稳定性分析

由于抗滑稳定性计算与荷载加载路径相关，因此在计算过程中需考虑地基与浪压力、上下游水压力、坝体自重的作用，包括永久作用、可变作用。永久作用是指坝体自重及永久设备自重。坝体自重荷载需计算坝体、导墙、闸墩等的重量，忽略永久设备。混凝土容重为24kN/m3，地基容重为26kN/m3。可变作用包括正常蓄水位静水压力、浪压力。参考坝体的材料分区情况，坝体材料的参数和相应指标见表2。

表2 坝体材料的参数和相应指标

采用Drueker-prager屈服准则，该准则的本构性为理想弹塑性，适用于土壤、岩石、混凝土等材料。准则F相应的表达关系为：

F=J2+aI1-k=0

(2)

式中：J2、I1分别为应力偏量的第二不变量和应力张量的第一不变量；a、k为材料参数。

随着坝基失稳模式的不同，位移突变判据也存在着差异。另外，作为位移和塑性应变突变的特征点也不易表示出来。因此，突变性判据作为坝基系统失稳的判据，最好再辅以其他判据共同判断分析。对于塑性区贯通判据，其优势为简单直观，且具有一定的理论支撑，即塑性区贯通可以表明区域内材料强度的极限状态。但当基岩构造复杂时，塑性区的形成也比较困难[7-9]。因此，单独使用该种方法判定结构的稳定性不具有完全的说服力。

本研究通过位移突变判据和塑性区贯通判据来评判结构失稳状态。相较于刚体极限平衡法，强度折减法理论更为完善，该方法可以考虑断层、节理等不利影响，因此得出的应力、变形结果较为可靠。根据缓倾角裂隙部位的位移与折减系数之间关系曲线的变化特征确定失稳状态，在模型的关键部位，选取一系列关键点进行统计分析，综合判定突变部位。在进行深层抗滑稳定分析中，重点是研究地基可能滑动面上的稳定性，因此保持坝体参数不变，折减地基中岩体参数。

1.3 混合加固方案

目前，增加重力坝抗滑安全稳定性的方法可分为两大类，分别是增加垂直向正压力和提高滑动面力学指标。前者包括增加坝体重量、利用水重、防渗措施、施加预应力措施，后者包括混凝土塞加固、抽水措施、加固地基。采用深孔锚固高强度钢索，施加预应力，以期增加正应力，减少坝踵部位的拉应力，提高安全系数。渗透压力增大时，滑动力增加，对大坝产生不利影响，故依据上堵下排原则，尽可能减小渗透压力，如上游处设置防渗帷幕，下游处设置排水孔。当滑动面力学参数较小时，往往将大坝的上游面倾向上游，以增加坝面上水重来提高抗滑稳定性。

本研究给出了混合加固加固方案，坝踵齿槽深入地基7m，宽5m。混凝土铜塞加固方面，当坝基有平缓的倾角或与软弱结构面平行，同时其埋藏的深度和厚度的数值也比较大。为了提升软弱结构面的抗剪断能力，防止坝基出现滑动问题，降低因明挖引发过大的工程量，可依据浇筑混凝土铜塞。对于深齿墙而言，通过增强抗力体抗力来进行加固，坝踵齿墙图见图1。由于一般岩体阻力与阻力体高度的平方和阻力体上部竖向荷载强度成正比，所以当坝趾和坝尾无缺陷时，下游岩体为由相对完整的岩体支撑或倾向于被埋在更下游的位置。当坝基存在深软倾角弱夹层时，可以充分利用全岩体的抗力[8-10]。由于增加尾岩抗力可以通过增加尾岩抗力体的高度来实现，这样可以进一步避免坝基沿软弱结构面产生滑动失稳，则在坝趾下游设置深齿墙不失为一种行之有效的措施。通过防渗排水或抽水等一系列措施，降低坝基面扬压力。如果出现下游水位较高且浮托力较大时，可在灌浆帷幕后的主排水孔下游，添加一些辅助排水孔。同时增添专门的排水廊道，促使坝基排水系统的形成，定期使用水泵抽出多余的水，排入下游，以减小扬压力。通过灌浆封闭横缝提高大坝边坡的稳定状态，以此约束其侧向位移，如果地形、地质条件允许，可将岸坡开挖成若干高差不大且有足够宽度的平台，以此增加横向滑动阻力，改善大坝边坡稳定性。

图1 坝踵齿墙图

2 复杂基岩重力坝施工中应力稳定性以及加固效果分析

本文从计算范围、坝基模量、坝体-坝基结合方式、坝基软弱带4个方面，分析复杂基岩重力坝的应力，结果见表3。地基计算范围延伸至坝高的1倍、2倍、3倍，相应坝踵处最大拉应力值分别为2.157、2.234、2.159MPa。整体来看，3种计算范围下的最大拉应力相差并不是特别大，因此地基计算范围不会对最大拉应力的数值有较大影响，说明并不是计算范围越大越好。单元越多，计算所花费的时间也越多，因此地基计算范围选取为向上游延伸2倍坝高。对于不同的坝基与坝体弹性模量比，当弹性模量比为0.25时，坝踵应力数值为1.625MPa；而当弹性模量比为 8.0 时，坝脚对应的拉应力值为 4.024MPa。随着基础强度的增加，坝脚处的最大拉应力不断增加。可以看出，坝基与坝体的弹性模量比对最大拉应力有显著影响，在模拟分析中要注意材料参数的选择。带窗台和不带窗台的模型在坝脚处都有拉应力，坝体前方的窗台高度对坝体受力有正向影响，可以减小坝脚的最大主拉应力，但门槛高不利于拉应力区的分布，将导致坝脚附近的受力区从基础向坝体上升。弱区的存在对坝脚最大拉应力的取值影响较大，如果没有弱区，坝脚拉应力为2.034 MPa；对于存在软弱带的情况，拉应力为 1.538MPa。可以看出，薄弱区的存在对坝体应力产生了有益的影响，有效降低了坝后部的拉应力，从而减少了因应力集中引起的坝后部应力变形问题。

表3 复杂基岩重力坝应力的具体情况

从模型中提取3个特征点 A、B、C，分别位于坝踵、软弱结构面处，见图2。随着地基材料强度不断折减，得到特征点顺河向、竖向的位移变化规律。综合关键点 A、B、C 位移与折减系数关系曲线以及塑性区与折减系数关系曲线得出结论，折减系数k值为 2.7～2.8 之间，两个方向位移均发生突变。由塑形区示意图可以看出，坝踵坝址首先进入塑形区，随着折减系数的增大，塑性区扩张，形成深层滑移通道。

分析深层抗滑稳定的影响因素，结果见图3。图3(a)和图3(b)分别为分层施工和运行期蓄水对地基稳定性的作用。

当坝高25m，相应安全系数3.56；坝高50m，相应安全系数3.44；坝高75m，相应安全系数3.31。随着施工高度的增加，基础段以上荷载增加，安全稳定系数减低。当坝高达到100m时，安全系数为3.22，比建坝初期降低0.34，但仍满足稳定要求。不同坝高下的潜在滑动断裂带位于薄弱夹层区，上述现象和规律与工程经验基本一致。

当蓄水位25m，对应安全系数3.07；蓄水位50m，对应安全系数2.95；蓄水位75m，对应安全系数2.86。随着蓄水高度的增加，地基上部水荷载增加，安全系数降低，稳定性降低。当蓄水达到100m时，安全系数为2.78，比初始蓄水位低0.29水库，但仍满足稳定性要求。不同蓄水高度下的潜在滑移带均位于薄弱夹层区，与有限元计算得出的塑性区基本一致，上述现象和规律与工程经验基本一致。

图2 折减系数和位移的关系图

图3 分层施工和运行期蓄水对地基稳定性的作用

图4为原重力坝和混合加固的计算结果。从图4可知，设置齿墙于坝踵部位，位移和应力相较于原始情况更低，最大拉应力从1.68MPa下降至1.08MPa，最大总位移从32.09mm下降至31.05mm。因此，设置齿墙能够阻断较浅的软弱面，还能降低滑面，不仅能增加滑动体重量，同时也能提升抗滑体阻力，进而改善坝踵应力。

图4 原重力坝和齿墙加固的计算结果

3 结 论

针对复杂基岩重力坝应力稳定性加固进行研究分析，并提出了混合加固措施。

地基计算范围延伸坝高的1倍、2倍、3倍，相应坝踵处最大拉应力值分别为2.157M、2.234、2.159MPa，3种计算范围下最大拉应力相差并不是特别大。

随着基础强度的增加，坝脚处的最大拉应力不断增加。弱区的存在对坝脚最大拉应力的取值影响较大，如果没有弱区，坝脚拉应力为2.034 MPa；对于存在软弱带的情况，拉应力为 1.538MPa。

随着施工高度的增加，基础段以上荷载增加，当坝高达到100m时，安全系数为3.22，比建坝初期降低0.34。当蓄水达到100m时，安全系数为2.78，比初始蓄水低0.29，但水库仍满足稳定性要求。

研究结果表明，复杂基岩重力坝的应力稳定性影响因素的分布规律以及加固措施的效果，研究成果可为重力坝的设计提供科学依据。