黄河龙口水利枢纽大坝抗滑稳定分析

任 杰 谢居平 李洪蕊

1 枢纽工程地质

坝址区地层主要由奥陶系中统马家沟组(O2m)、石炭系本溪组(C2b)、上统太原组(C3t)和第四系(Q3+Q4)地层构成。坝址区构造变动微弱,地层总体呈平缓的单斜,总体走向NW315°～350°,倾向SW,倾角2°～ 6°。

坝基持力层马家沟组O2m2-12 岩层致密坚硬,试验湿抗压强度在100MPa以上。其中弱风化岩体地震波纵波速度范围值为1590～2800m/s,平均值为2120m/s;新鲜岩体波速范围为2700～5700m/s,平均值为4522m/s。层内存在6条泥化夹层及钙质充填物与泥质混合类状夹层,对坝基抗滑稳定起控制作用。

工程区处于大地构造相对稳定地块,地震基本烈度6°。地层分布稳定,附近无较大断层及新构造断裂。坝基岩体、软弱夹层抗剪强度指标建议值表见表1。

表1 坝基岩体、结构面、软弱夹层抗剪强度指标建议值表

2 边界条件及滑移模式

2.1 计算滑动面

本工程各坝段可能滑动面为坝基下岩体内的软弱夹泥层及钙质充填物与泥质混合类夹层等结构面,包括自上而下分布的NJ304、NJ303、NJ302等多条软弱夹泥层。根据各坝段位置及建基面高程可知:表孔坝段及底孔坝段下控制滑动面为NJ304、NJ303;电站坝段下控制滑动面为NJ303、NJ302。

2.2 滑动模式

坝基下深层滑动模式一般分为单斜面滑动和双斜面滑动。本工程由于坝基下软弱结构面走向均为倾向下游,底孔坝段、表孔坝段下游消能方式为底流消能,设二级消力池,消力池后无较深冲刷坑,结构面在坝后无出露点,因此本工程控制滑动面为双斜滑动面,计入坝体下游尾岩的抗力作用,但不考虑岩体的侧向连接作用。坝体深层滑动第一滑裂面为坝基夹泥层面;第三破裂面为坝趾处铅直面;第二破裂面与水平面夹角 E,按最不利倾角计算,即抗力体提供最小抗力时的倾角;坝踵处破裂面为铅直面。

3 坝体抗滑稳定计算

3.1 计算方法

深层抗滑稳定分析采用两种方法:刚体极限平衡法(等K法)和平面非线性有限元法,但以刚体极限平衡法为主,有限元法作为参考。刚体极限平衡法以安全系数做为稳定安全度的判据,同时控制第三破裂面上平均水平压应力。坝基深层抗滑稳定安全系数规范:基本组合K≥3.0,特殊组合K≥2.5。抗力体第三破裂面上的平均水平压应力,根据本工程岩体特性,控制在1.0mPa左右。有限元法以坝基的应力、位移、帷幕处夹泥层的错位值、滑动通道的破坏比、富裕系数及强度储备系数等指标综合分析确定坝的稳定安全度。本文仅介绍刚体极限平衡法计算过程。

3.2 计算假定

河床坝段(包括底孔、表孔及电站坝段)在底部分别连成整体,但连接部位较低,由于连接区面积占整个坝段横缝面积比例较小,一般小于30%,因此抗滑稳定按单个坝段计算,不考虑大坝的整体作用。

3.3 计算荷载

计算荷载及荷载组合见表2。

表2 荷载组合

3.4 计算公式

坝基抗滑稳定采用抗剪断公式进行计算。

抗剪断公式 :式中,Σ W为作用在坝体上全部荷载对滑动面的法向分力(包括扬压力),Σ P为作用在坝体上全部荷载对滑动面的切向分力,A为基础接触面截面积,f′、c′为滑动面抗剪断摩擦系数及抗剪断凝聚力。

坝体坝基面垂直正应力采用材料力学方法进行计算,计算公式如下:式中,Σ W为作用于坝基上全部竖向荷载总和,T为坝基顺水流向宽度,Σ M为作用于坝基上全部荷载对计算截面形心的力矩总和。

深层抗滑稳定计算采用抗剪断公式,计算公式如下:式中,K为深层抗滑稳定安全系数,Q为坝体下游岩体可提供抗力,V1为坝下基岩滑动面以上的垂直荷载总和,V2为抗力体滑动面以上的垂直荷载总和,H为坝下基岩滑动面以上的水平荷载总和,U1为作用在坝基滑动面上的扬压力,U2为作用在抗力体滑动面上的扬压力,U3为作用在抗力体垂直面上的渗透压力,α为坝下基岩滑动面倾向下游的视倾角β为抗力体的滑裂角,由试算法求出最危险滑裂面,γ为被动抗力与水平面夹角,γ=14°,f1、c1为坝基下滑动面的强度指标,f2、c2为抗力体滑裂面的强度指标,f2=0.8,c2=800 kPa,A1为坝下基岩滑动面面积,A2为抗力体滑裂面面积。

3.5 建基面抗滑稳定分析

按上述方法对表孔坝段、底孔坝段、电站坝段分别进行抗滑稳定计算,计算结果见表3。

表3 各典型坝段坝基抗滑稳定及坝基应力计算结果表

由表3可知,在各种荷载组合下坝基面最小垂直压应力均大于零,坝基面所承受的最大垂直压应力均小于坝基允许压应力 [σ]=8.0MPa。在各种荷载组合下建基面抗滑稳定满足规范要求。

3.6 深层抗滑稳定分析

深层抗滑稳定计算结果见表4～6。

表4 表孔坝段深层抗滑稳定计算结果表

表5 底孔坝段深层抗滑稳定计算结果表

表6 电站坝段深层抗滑稳定计算结果表

由表4～6可知,表孔坝段、底孔坝段沿NJ304滑动深层抗滑稳定安全系数和电站坝段沿NJ303滑动深层抗滑稳定安全系数均不满足规范要求,须对坝基进行加固处理。

4 坝基加固后大坝抗滑稳定计算

国内外已建和在建的大、中型水利水电工程中,在坝基存在软弱夹层的复杂地基处理方面,取得了丰富的实践经验。根据这些经验,对软弱夹层的处理措施,应按其产状、埋深、夹层性状及其对坝体的影响程度,结合工程规模进行研究,按照施工条件和工程进度,综合分析确定。对于已建工程坝基深层软弱夹层已采用过而又行之有效的处理措施有明挖、洞挖、大口径混凝土桩,深齿槽(坝踵处,坝趾处)和预应力锚索等,归纳起来为以下三大类:

(1)提高软弱夹层抗剪指标;

(2)增加尾岩抗力;

(3)同时提高软弱夹层抗剪指标与增加尾岩抗力。

由于坝基泥化夹层多且连续性好,抗剪断强度低,故大坝深层抗滑稳定问题是本工程的重大技术问题。为确保大坝安全,本工程设计中采取了如下工程措施:

(1)挖除浅层连续泥化夹层(如NJ305);

(2)坝踵设置齿槽。

在坝踵设置齿槽,齿槽底宽 12m,齿槽深入NJ304下1m,利用齿槽的抗剪断作用提高NJ304以上各夹泥层的抗滑稳定性,并利用齿槽控制坝体沿NJ304以下夹泥层滑动。电站坝段结合厂房开挖,在坝基中部设置齿槽,齿槽上口宽22m,齿槽深入NJ303以下1m。

坝基加固后,表孔坝段、底孔坝段和电站坝段深层抗滑稳定计算结果见表7。

表7中表孔坝段、底孔坝段沿NJ304及电站坝段沿NJ303滑动计算时,由于坝体加固设计混凝土齿槽切断该结构面,计算时滑动面上强度指标为混凝土与结构面的强度指标加权平均值。

表7 表孔、底孔和电站坝段加固后深层抗滑稳定计算结果表

由表7可知各种工况下典型坝段深层抗滑稳定安全系数均满足规范要求。

5 结 语

(2)结合本工程特点,参考其他工程经验,确定采用增设坝体混凝土齿槽切断滑动面等综合措施,坝基处理后,大坝稳定安全系数满足设计要求,说明经过处理加固后大坝抗滑稳定有保证。