云河拱坝抗滑稳定分析

靳筱宏

（汉中市水利水电建筑勘测设计院 陕西 汉中 723000）

1 工程概况

云河水利水电工程枢纽拱坝位于南郑县城西南40km的钢厂乡境内，系由云河龙门垭河谷建坝向濂水河红寺坝灌区补水并结合发电的一项中型跨流域引水综合利用工程，水库枢纽为中型三等，工程建筑物按地震烈度六度设防，大坝设计洪水位894.90m（P=2%），校核洪水位 896.5m（P=0.2%），溢流堰顶高程（正常蓄水位）890.40m，死水位867.70m，坝顶高程897.5m，河床建基面高程830.00m，最大坝高67.5m。

由于坝址区地形极不对称，左右坝肩岩体物理力学指标相差较大，设计采用抛物线变厚切缝重力拱坝，左右坝端875m高程以上采用重力坝，切竖向缝，使拱端推力分布到830m至875m高程，最终确定的拱坝体型为变厚抛物线切缝双曲重力拱坝，坝高67.5m，坝顶宽4m,拱冠梁27m，厚高比0.4，左坝端厚（830）30.082m,右坝端厚（830）28.524m，坝顶至875m高程切竖向永久缝13条，其中参考轴以左7条，参考轴以右6条，缝底高程为889.5m～875m不等，立面上缝底连线近似为抛物线，左右两边缝以外各设长8m的重力坝与坝肩衔接。坝顶长162.74m，中心角82°，弦高比近似为1.34。

2 坝址处工程地质概况

坝址位于云河峡谷段，主河道由南向北至坝轴线下游50m后成45°折转由南东向西北流，河谷地形逐渐开阔，河谷深切为“V”型，河床宽度约25m～30m，河床基岩面高程831m～833m，两岸对称性差，基岩裸露，左岸山坡稍凸向河谷，自然坡度45°～60°，坡面平整，右岸山坡弯向坡内，冲沟发育，坡度均匀性差，局部为倒或直立坡。

坝址区岩性主要为下元古代流纹质碎熔岩、碎裂流纹质碎屑（角砾）熔岩、辉绿岩脉，其次在河床和缓坡段分布有第四系松散覆盖层，岩石共同点是“硬、脆、碎”。坝址区地质构造形迹主要为断层、裂隙和节理。

2.1 断层

坝址区断层发育，总计14条，按走向可分为四组，分别是近SN-NNW向、NW向、NE向和EW向。除EW向为张性正断层外，其余均为压扭性逆断层，其中规模较大、延伸较远、贯穿坝址区的断层有F15、F10、F104、F101 四条，F15 断层，近 SN向，倾向坡内55°～75°，出露于左岸900m高程附近，破碎带宽达18.50m。F101断层为NNW向，倾向坡内75°左右，破碎带宽度变化较大，约0.02m～1.40m。F10断层及F104断层均位于右岸，其中F10断层与F101为一组平行断层，间距 2m～2.5m，走向 N37°～42°W，倾向NE∠77°～88°，F104断层出露于875m高程附近，走向N13°～45°W，倾向NW∠63°～88°，为影响右岸拱座稳定的主要结构面。

2.2 裂隙

坝址裂隙据统计有200多条，发育程度及切割强度受主干断层F15控制，产状及力学性质与主要断层（F15、F10、F104、F101）一致，裂隙、节理很发育，按走向可分为近SN-NNW向、NW向、NE向，近EW向及缓倾角等5组，①SN-NNW向组，裂隙宽一般0.1cm～0.3cm，个别为0.5cm～5cm，绿色泥质充填，软塑，局部为岩屑或泥夹岩屑充填，局部裂面平直光滑，以扭性为主。②NW向组与NE向组力学性质均以扭性为主，宽度约20cm，延伸长度约5.0m，裂面光滑，泥质充填或不充填。③EW向组，力学性质以张扭性为主，裂面粗糙，以直立的陡倾角为主，出露线平行于地形等高线。④缓倾角裂隙组，主要分布于河谷近谷地部位，走向大致平行地形走向，延伸长度2m～5m，以卸荷回弹张裂隙及岩浆冷凝原生节理为主。

根据坝址区地层岩性、地质构造及岩体风化程度，汉中市水利水电设计院地质组多次邀请有关专家商讨，提出地质物理力学指标，附图1即为拱坝轴线坝基岩体力学参数分区图（力学参数表略）。

3 稳定分析

首先分析两岸岩体的工程地质及水文地质资料，了解岩石结构面以及结构面中填充物的物理力学特性，特别注意查明影响岩体滑动的主要软弱结构面的产状、不平整度、连同率、有无填充物和错动情况，以及结构面的可能组合和拱座岩体内地下渗流的性质及分布特性，并合理选用设计参数。同时研究和确定作用在拱座上的各种作用力，并采用合理的稳定分析方法。

3.1 滑动面的确定

根据地质资料分析，左岸地质条件较右岸差，根据各结构面的产状，对以下几种情况进行了稳定分析计算。

3.1.1 左岸稳定性分析

第一种，底滑面水平，侧滑面为经过875m高程拱端上坝趾沿F15主走向N15°W的铅直面（实际倾坡内），对不同高程以上切割的岩体进行整体稳定分析。

第二种，侧滑面仍为沿F15主走向的铅直面，底滑面倾向下游10°，对不同高程（坝上游）以上切割的岩体进行整体稳定分析。

第三种，侧滑面按L14、L15或组裂隙主走向N10W的铅直面（实际倾坡内），底滑面水平，对不同高程以上切割的岩体进行整体稳定分析。

第四种，滑移面同第三种，分台阶（5m或10m）进行稳定分析计算。

3.1.2 右岸稳定性分析

侧滑面按F104主走向N35°W的铅直面，底滑面水平，分台阶（5m或10m）进行稳定分析计算（从地质平切图看），870m以上拱端穿过F104，860m～830m高程范围各层拱端基本位于F104附近，计算中从860m高程处切剖面至830m高程）。

3.2 基本假定及地质力学参数的取值

（1）计算中假定滑体为刚体，不要考虑其中各部分的相对位移及力矩平衡条件，忽略拱坝内力重分布作用，不计算滑面（铅直面）以外倾向坡内的岩体自重及渗压。

（2）地质参数直接采用地质建议值。

3.3 滑移体上作用的荷载计算

作用在滑移体上的荷载包括拱端传给岩体的三向推力，岩体上游面（库内）所受水压力，底、侧滑面上的渗压，底侧滑面上岩体间的凝聚力和摩擦力以及滑体自重。

3.4 计算结果

采用剪摩公式计算。根据不同荷载组合计算各种滑动面组合情况下的稳定安全系数，发现各工况下抗滑安全系数均满足规范要求。左岸第二种、第四种滑动面情况下抗滑最为不利，最小安全系数为2.58。详见表 1，表 2。

从刚体极限平衡理论计算的拱座稳定安全系数分析，左岸应加强基础处理工作，特别是拱端径向及竖向抗滑安全幅度较小。

4 存在的问题及评价

4.1 存在的问题

（1）地质力学参数只能通过有限的几个点或线去测定，不可能做到全面、准确。

（2）计算中的基本假定，主要指滑移面的假定不可能与实际完全相符。

（3）计算作用与可滑移体上的荷载与实际可能有所出入。

4.2 综合评价

由于采用刚体极限平衡法进行稳定分析中存在不同程度的假定，是一种较为粗略的方法，成果具有近似性。在云河这种地形、地质较为恶劣的条件下，虽对各种情况均做了计算，计算安全系数也达到设计要求，但计算中许多问题考虑不很严谨，应通过有限元分析或地质模型试验结果予以验证，并进行综合评价。陕西水利

[1]潘家铮，黎展眉编.拱坝[M].水利电力出版社,1982年.

[2]《混凝土拱坝设计规范》（SL25-91）.水利电力出版社,1991年.

[3]《水工设计手册》第五卷-混凝土坝[M].水利电力出版社,1982年.

[4]汉中市水利水电勘测设计院.南郑县云河水利水电工程初步设计报告[R]、南郑县云河水利水电工程初步设计地质报告[R].1997.

[5]王汉杰主编.水资源工程学[M].农业出版社，1990年.

[6]耿克勤、吴永平编.云河拱坝及坝肩岩体的三维非线性有限元分析[M]，中国水科院，1999年.