天花板拱坝坝肩稳定分析及处理措施研究

周飞平，陈卓卓，林健勇

（中国水电顾问集团北京勘测设计研究院，北京 100024）

1 工程概况

天花板大坝采用碾压混凝土双曲拱坝，坝顶高程1 076.80 m，最低建基面高程969.80 m，最大坝高107.0 m，坝轴线长159.87 m，拱冠梁顶宽6.005 m，拱坝最大中心角93.3°，拱冠梁底宽22.643 m，拱端最大厚度24.086 m，厚高比0.212。

坝址位于牛栏江与清水河交口上游1.2～1.7 km处的天花板峡谷进口段，河流方向基本为NW300°，为典型的峡谷河段，两岸地形陡峻，两岸坡度在60°～80°， 河谷整体断面呈 “U” 形。

坝址区出露地层以震旦系地层和第四系松散堆积物为主。震旦系地层岩性主要有东龙潭组灰黑色含藻粉晶白云岩 （Z2dl1-1）、深灰-浅灰色粉晶白云岩（Z2dl1-2）、 灰黑色富藻粉晶白云岩 （Z2dl2） 和灰白色粉晶白云岩 （Z2dl3）。

坝址位于谓姑背斜中段东翼与大脑包向斜南段之间，白云岩岩层倾向上游，倾斜平缓，为一倾向SE 的单斜构造， 左岸岩层产状为 NE55°～60°SE∠16°，右岸岩层产状为 NE25°～30°SE∠11°～15°。

整个坝址岩性为白云岩，厚层状结构。左坝肩岩体相对较完整，岩石为弱～微风化，结构面分布较少，主要断层裂隙有f5、L27、L28等；f5断层走向为顺河向，陡倾角，离左拱肩槽较近，约15～20 m，其把左拱端持力体从左坝肩隔离出来，成为影响左坝肩稳定的重要因素；L27、L28为缓倾角裂隙，走向基本与河流方向垂直，两裂隙与f5断层组合可能形成滑动体，影响左坝肩稳定。右坝肩主要断层有f15、f27、 f34、 f51、 f53等， 其中以f15为主要断层， 自右拱端顺拱轴线方向延伸， 与f27、f34、f51、f53组合形成可能滑动块体，对右坝肩稳定不利。

2 研究方法和思路

根据规范要求和目前一般工程的处理原则，采用刚体极限平衡法作为计算坝肩稳定的基本计算方法。鉴于计算坝体应力有拱梁分载法和有限元法两种，在用此两种方法计算的坝体应力和拱端推力的基础上，分别进行坝肩稳定分析。荷载组合见表1。Ⅱ、Ⅲ1、Ⅲ2、Ⅳ类岩体与刚性无夹泥结构面、夹泥结构面抗剪断强度分别为1.5、0.9、0.6、0.55、0.15、0.05； 摩擦系数分别为1.25、1、1.07、0.7、0.6、0.65、0.35。

表1 荷载组合

3 计算及结果分析

3.1 刚体极限平衡法

3.1.1 初始边界条件

左坝肩分布有断层f5，走向与拱肩推力方向垂直，距拱肩槽建基面15～40 m，与自然边坡可以形成拱端滑块；另外，有缓倾角裂隙L27、L28在1 007～1 021 m高程之间穿过左拱端，与f5组合也能形成滑块。右坝肩f15断层以近拱端轴线方向以77°～82°角从右拱端穿过， 与顺河向的 f27、 f34、 f53组合，以下游边坡为临空面，形成了可能滑块。

另外，根据坝基开挖实际揭露的基岩性状，考虑基岩内部性状的不确定性，在进行拱梁分载法坝体应力分析时，考虑坝体对基础的适应范围的敏感性分析，选了两组基岩参数，左岸基岩综合变形模量为10～11 GPa，右岸基岩综合变形模量第一组为 8.3～9.0 GPa， 第二组为 9.4～10.1 GPa。

3.1.2 计算结果与分析

各种荷载组合情况下，各滑块在两种地基条件下的稳定性如表2、3所示。

表2 坝基条件为变形模量1坝肩抗滑稳定安全系数Kh

从表2、3可以看出：两种地基变形模量条件下，各滑块的抗滑稳定安全系数都满足规范安全标准要求；在右岸坝肩地基条件变好的情况下 （计算两岸坝肩稳定的地质条件并无变化），特殊组合工况2和特殊组合工况3的安全系数有较大提高，可见基础条件差时，坝肩排水措施的采用显得尤为重要。

表3 坝基条件为变形模量2坝肩抗滑稳定安全系数Kh

3.2 有限元法稳定分析

3.2.1 计算边界条件

有限元法稳定分析是将刚体极限平衡法和有限元计算分析相结合，求解坝肩潜在滑移楔形体的稳定性。具体做法是：有限元网格剖分时，置有限元节点于拱坝坝肩的可能滑动块体表面，完成有限元静、动力分析后，将块体表面各节点的静、动应力进行积分，求出块体拱推力及作用于块体上的地震荷载等，然后由刚体极限平衡法分析拱坝坝肩静、动力稳定安全度。上述方法的特点是能充分利用有限元和刚体极限平衡两种分析方法的优点。该方法可以充分考虑坝、库水、地基的动力相互作用以及地基辐射阻尼和坝体分缝的影响。分别进行了静力和动力抗滑稳定分析，静力情况取基本组合工况一，动力情况进行了设计地震和校核地震的稳定分析。

3.2.2 静力抗滑稳定分析

静力计算工况为基本组合工况1，1 063、1 049、1 035、1 027、1 021、1 007 m高程滑移体的高度分别为14、28、42、50、56、70 m，对应左坝肩静力抗滑稳定安全因子Kh为1.86、1.78、2.02、2.22、2.31、2.55，右坝肩静力抗滑稳定安全因子Kh为2.12、 1.96、 1.85、 1.76、 1.75、 1.87。

从计算结果可知：左右岸拱座分别在1 049 m和1 021 m高程推出时Kh最小，分别为1.78和1.75；天花板拱坝坝肩岩体的静力抗滑稳定安全因子Kh为1.75，满足持久状况Kh＞1.0的稳定要求。

3.2.3 动力抗滑稳定分析

计算大坝在持时20 s的设计地震动作用下的坝体、坝基的地震反应，进行坝肩岩体动力抗滑稳定性分析。分别计算不同高程坝肩潜在滑动块体动力抗滑稳定安全度。

左坝肩分别计算从1 063、1 049、1 035、1 027 m高程推出的安全因子Kh，滑移体的高度分别为14、28、42、50 m，分别表示为左岸1、2、3、4号滑移块；右坝肩分别计算从1 063、1 049、1 027、1 007 m高程推出的安全因子Kh，楔形体的高度分别为14、28、42、50、56、70 m，分别表示为右岸1、2、3、4号滑移块。根据有限元计算成果，提取侧滑面和底滑面的相关受力，分别计算左、右岸不同滑移体的安全因子Kh，结果如表4所示。

表4 坝肩可能滑动体地震工况下的安全因子Kh

由表4可以看出：校核地震工况下的安全因子比设计地震工况低，体现了地震强度对坝肩稳定的影响；天花板双曲拱坝的动力抗滑稳定安全因子Kh为1.94，满足偶然状况Kh≥0.85的要求，因此，天花板拱坝校核地震工况下动力稳定性满足规范要求。

4 基础处理

受断层分布影响，天花板拱坝右坝肩岩体性能相对于左坝肩较差，这使得拱坝坝肩存在不均匀性；同时，由于右坝肩被f15等断层切割，其稳定性也是需重点考虑的问题，在前面的刚体极限平衡法中，尽管各滑块体的安全稳定性都满足规范要求，但是有些滑块 （尤其是右坝肩的f53滑块）安全储备并不高，因此还需进行相应处理，以提高安全储备。主要采取如下措施：

（1）针对f15断层和f53滑块右坝肩进行高压深层灌浆处理，以提高右坝肩整体性和稳定性。

（2）地质缺陷置换处理，对建基面出露的f15、f11等断层进行槽挖回填混凝土处理，并在坝体与该缺陷带接触面铺设钢筋网进行加强。

（3）对f5断层进行深层高压固结灌浆和洞塞置换处理。在左坝肩1 007 m和1 027 m高程顺断层面设两条水平混凝土置换洞，在拱端附近顺断层设一竖向置换洞，竖向置换洞和水平置换洞联结成一整体，以提高左坝肩的稳定余度。

5 结论

根据地质状况和结构形式，用刚体极限平衡法和有限元法对天花板碾压混凝土拱坝进行了坝肩稳定分析，另外针对安全储备问题增加了坝肩稳定处理措施。主要结论如下：

（1）无论是刚体极限平衡法还是有限元方法，稳定分析结果表明，天花板拱坝两岸坝肩的稳定安全系数在规范允许范围内，满足安全要求。

（2）在刚体极限平衡法分析中，针对两组地基性状的拱端推力的坝肩稳定分析结果表明，在地质条件较差时，采取提高坝肩排水性能等人为措施，对坝肩稳定尤为重要。

（3）由刚体极限平衡法和有限元法分析结果对比可以看出，有限元法所得安全系数一般要比刚体极限平衡法高，也就是刚体极限平衡法计算结果相对偏保守。

（4）针对两岸坝肩某些部位 （诸如f53滑块和f5滑块）坝肩稳定安全储备不高的情况，专门对这些部位进行了混凝土置换和高压固结灌浆等处理，提高了其安全性。