某大型重力坝深厚覆盖层纵向围堰沉井抗滑稳定及处理措施研究

雷 茜

（国家知识产权局专利局材料发明审查部，北京 100088）

1 引 言

我国西南地区的岷江、大渡河、雅砻江和金沙江等河流可开发的水能资源十分丰富，但河床覆盖层均较为深厚，一般40～70m，有的深达百米以上。处理围堰地基深厚覆盖层的方法有：采用沉井以挡土并兼作围堰堰体，采用地下连续墙以挡土并兼作围堰堰体等［1］。

当坝基或堰基内有缓倾角软弱结构面且地形不利时，应核算抗滑稳定性。目前常用的分析方法有刚体极限平衡法、有限元法和地质力学模型试验法。当抗滑稳定安全度不足时，则必须加以处理以提高抗滑能力满足抗滑稳定要求。常用的处理措施有：明挖处理、增加坝体重量、坝基设封闭式抽水减压排水系统降低扬压力、设置防渗板或阻滑板、设置深齿墙、设置混凝土洞塞、设置抗剪桩和采用预应力钢索锚固等。

2 抗滑稳定计算方法

抗滑稳定安全判据是设计中必须首先考虑的重要指标，它的计算方法与参数取值也直接影响到能否正确判断建筑物的安全稳定。刚体极限平衡法应用广泛且有统一的控制标准，而在刚体极限平衡法的被动抗力法、剩余推力法和等安全系数法中又以等安全系数法应用最广泛，2005年水利部颁发的《混凝土重力坝设计规范》［2］在坝基深层抗滑稳定计算中所采用的就是等安全系数法，所以在工程实际中采用这种方法来进行抗滑稳定分析相对有限元方法而言更有参考性。

坝基岩体中存在软弱结构面，尤其是缓倾角的连续、夹泥或易于泥化的软弱夹层时，由于大部分软弱结构面的实际走向与坝轴线并不垂直，而是斜交于某一夹角。这样，当一部分坝体连同其下的岩体在软弱结构面上失稳向下游滑动时，如果两侧的坝体是稳定的，则由于其侧向受到约束，不可能沿软弱结构面的真倾向滑动，而只可能顺河流向滑动，就在滑移体两侧基岩中形成侧裂面，侧裂面上要受到侧向阻力，其中包括摩阻力和黏着力［3］。所以当计算结果不满足抗滑稳定要求时适当的计入侧裂面上的侧向阻力也是合理的，此时就要对滑动体运用空间的刚体极限平衡法分析。

根据所给的各个断面的结构图以及地质剖面图，可以建立需要进行抗滑稳定分析对象的三维模型，对滑动体和抗力体运用三维的刚体极限平衡法分析，可分别得抗滑稳定安全系数。

式中，∑N1、∑N2分别为滑动体和抗力体的总法向力，∑P1、∑P2分别为滑动体和抗力体的总下滑力，∑Q1、∑Q2分别为滑动体和抗力体的总侧向力及分别为底滑裂面、抗裂面及滑动体和抗力体的侧裂面上的抗剪断摩擦系数、黏结力、渗透压力和断面积。

令Kc1＝Kc2＝K即为所求的抗滑稳定安全系数［3］。

3 重力坝纵向围堰沉井概况

某大型重力坝位于金沙江下游河段，工程枢纽由混凝土重力坝、左岸坝后厂房，右岸地下厂房、左岸垂直升船机和两岸灌溉取水口等组成。

由于大坝上游段二期纵向围堰地基覆盖层深达45～62m，因此，围堰地基处理是二期纵向围堰设计的关键，直接影响一期工程施工进度。经过多方案比选，对大坝上游段二期纵向围堰桩号二纵上0－168.900m～二纵上0±000.000m段（大致为二期上游横向围堰以下段），选定了结构可靠、施工方法可行、施工进度指标适中、施工技术难度相对较小、施工布置较方便、能满足工程总进度要求、工程投资最少的10个沉井处理方案作为大坝上游段二期纵向围堰地基覆盖层处理方案。

图1 二期纵堰结构布置图

图2 沉井平面布置图

将沉井在覆盖层中下沉至基岩面，再以填充后的沉井体系作为挡土结构（有时也兼做堰体基础结构），开挖覆盖层、浇筑混凝土堰体。二期纵向围堰的剖面图见图1，沉井平面布置图见图2。

3.1 堰基岩石条件

二期纵向围堰上游段地基的下伏基岩主要为T32岩组，以中至巨厚层的砂岩为主，仅夹少量泥质岩石透镜体。浅表层岩石一般呈中等风化或微风化，受构造影响，节理裂隙较发育，岩体完整性较差，岩体质量一般为Ⅲ～Ⅳ类。基岩除构造破碎带需局部处理外，承载力均能满足要求。

3.2 堰基覆盖层的组成

覆盖层主要为卵砾石夹砂和砂层，含块（碎）石和崩石、粉砂土、砂壤土以及淤泥质土。其组成大致可以归并为3大层，从上至下依次为：①层为卵砾石夹砂，底部堆积含卵砾石的砂壤土。卵砾石夹砂层，以卵砾石为主，其含量一般占80%左右，中间粒径（细砾）偏少，细颗粒含量约为20%。不均匀系数大，曲率系数一般大于3.0，说明卵砾石夹砂层的级配不良。卵石的磨圆度好，粒径一般在2～8cm之间，较大的达十几厘米，其母岩主要为玄武岩，其次为砂岩和灰岩。②层为砂层，局部夹有透镜状的砂壤土或淤泥质土。砂层，为黄色、黄绿色、棕黄色或黄褐色以及灰色的粉细砂至中粗砂，总体上以中细砂为主，局部含淤泥质土。大于5mm的砾石含量2.5%左右，粘粒含量10%左右。砂层的分选性较好，但级配不良。③层为含块石的砂卵砾石层。含块石的砂卵砾石层，厚8～22m，该层的砂卵砾石组成与特征和第①层相似，其突出特点是较普遍地含有块石。

3.3 计算参数

计算时各类堰基（抗力体）岩体、结构面等材料强度参数和特性指标见表1。对浅层滑动面进行抗滑稳定分析时，其强度参数统一采用破碎加泥层Pn的参数。

表1 岩体本身的抗剪断强度参数表

4 重力坝纵向围堰沉井抗滑稳定计算

二期围堰为Ⅲ级建筑物，计算的工况为围堰后浇混凝土部位的地基开挖完毕，未浇混凝土，即沉井左侧临空、右侧为一期土石围堰，沉井作为挡土墙的工况。考虑的荷载主要有：自重、土压力和扬压力。对于沉井右侧的土压力，是通过建立有限元模型计算得出作用于沉井右侧的水平推力，此法计算得出的水平推力值介于主动土压力与静止土压力之间，比较接近真实情况。

建立三维的沉井模型后根据抗力体的剪出点不同，计算中分为两种滑动模式：（1）滑动块不从沉井底部断开来搜索最危险滑出点；（2）滑动块从沉井底部断开来搜索最危险滑出点。滑动模式的剖面示意图见图3。

图3 滑动模式的剖面示意图

为了保证施工时即使出现地勘未发现的破碎夹泥层也能有应急处理措施，本文不仅对已勘明的地质情况，即软弱夹层为实际埋深时的单个沉井的抗滑稳定作了计算，也对假想的最不利的地质情况，即软弱夹层在每个沉井上游侧右下刃角出露时的单个沉井的抗滑稳定作了计算，并且对成组的沉井的抗滑稳定也作了计算。

抗滑稳定计算结果不满足规范［2］所规定的安全系数2.50的要求时，就计入滑动体侧裂面面积较小侧——上游侧的侧裂面的凝聚力c3A3作为抗力。抗力体侧裂面的凝聚力c4A4及所有侧裂面的侧向力∑Q1、∑Q2都作为安全储备不计入抗力。

4.1 软弱夹层出露点为沉井上游侧右下刃角时的抗滑稳定计算结果

4.1.1 沉井终沉面高程为设计高程

在分析中，开始不考虑侧裂面抗力，后来对不满足规范要求，即安全系数小于2.50的沉井考虑侧裂面抗力后，也都满足了2.50的要求，并且对侧裂面凝聚力做了敏感性分析，计算结果见表2。

4.1.2 沉井终沉面高程抬高

对沉井终沉面高程较设计终沉面高程抬高较多的沉井六、沉井七和沉井八也单独作了校核计算，高程变化见表4，计算结果见表3和表5。

沉井七在滑动模式一中考虑了侧裂面抗力后抗滑稳定安全系数还是不满足规范的要求，所以针对沉井七的终沉面高程也作了敏感性分析，计算结果见表5。表中计算结果表明当侧裂面的凝聚力取第二列中的值，终沉面高程抬高值取第三列中的值时，沉井七在滑动模式一中的抗滑稳定安全系数能达到2.50。

表2 单个沉井的抗滑稳定安全系数（最不利地质情况）

表3 终沉面高程抬高后的单个沉井的抗滑稳定安全系数（最不利地质情况）

表4 沉井终沉面高程对比表（单位：m）

表5 沉井七终沉面高程敏感性分析（滑动模式一）

图4 沉井分组平面示意图

表6 成组沉井的抗滑稳定安全系数（最不利地质情况）

4.1.3 沉井成组抗滑稳定计算

考虑到沉井的成组滑动的可能性，所以对抗滑稳定安全系数较小的几个沉井在不考虑侧裂面抗力的情况下又做了成组计算，分别是：沉井三和沉井四，沉井二、沉井三和沉井四，沉井四和沉井五，沉井七和沉井八，并且对不满足要求的沉井三和沉井四考虑了侧裂面抗力后又进行了计算，并作了侧裂面凝聚力敏感性分析，沉井的分组示意图见图4。

由沉井平面布置图（图2）可知沉井之间有错动，所以在作成组计算时只对滑动模式一的抗滑稳定进行了计算，并对不满足要求的沉井三和沉井四组合计入侧裂面抗力后作了计算。计算结果见表6。

4.2 软弱夹层实际埋深时的抗滑稳定计算结果

在分析中，开始不考虑侧向岩石之间的凝聚力，后来对抗滑稳定安全系数小于2.50的沉井考虑上游侧的岩石之间的凝聚力后，安全系数都满足了2.50的要求，并且对凝聚力做了敏感性分析，计算结果见表7。因为沉井四的已勘明地质情况就是假设的最不利的地质情况，所以两种地质情况下的抗滑稳定安全系数相同。

表7 单个沉井的抗滑稳定安全系数（已勘明地质情况）

4.3 沉井四底部与基岩接触面积的敏感性分析

为了验证软弱夹层出露点为沉井上游侧右下刃角时为最危险的工况，对沉井四作了软弱夹层出露点不同时的抗滑稳定计算，即沉井四底部与基岩的接触面积的敏感性分析。计算的情况分为三种，依次如图5所示，阴影部分为沉井底部直接与基岩接触部分，计算结果见表8。

图5 沉井四底部与基岩接触面积示意图

表8 接触面积敏感性分析的抗滑稳定安全系数

5 重力坝纵向围堰及沉井处理措施

软弱夹层实际埋深时的各个沉井抗滑稳定安全系数在考虑了侧裂面抗力后都是满足2.50的要求的，但如果软弱夹层出现在最不利位置时，而沉井的终沉面高程又抬高较大，则即使考虑了侧裂面的抗滑力后沉井六和沉井七的抗滑稳定安全系数还是达不到2.50的要求，所以为了做好预案，对沉井七也进行了加固预案计算。常用的加固措施有很多种，考虑到该工况是临时建筑物的施工工况，所以综合施工难易程度和投资的大小，采用素混凝土抗剪桩这种加固措施。素混凝土桩的强度参数取为f＇＝1.1，c＇＝1.1MPa，置换面积是投影到水平面后的计算值，计算结果见表9。

表9 沉井终沉面高程抬高后的加固预案

6 结 语

（1）某大型重力坝上游段二期纵向围堰结构中的沉井在做挡土墙时，单个沉井的抗滑稳定安全系数在考虑了部分的侧裂面凝聚力后，大部分都达到了规范安全系数2.50的要求，个别沉井即使出现了最危险的软弱夹层稍作处理也能满足规范的要求。单个沉井的抗滑稳定安全系数明显小于成组的沉井的抗滑稳定安全系数，所以单个沉井抗滑稳定计算不能满足要求时应考虑整个沉井组之间的相互作用。（2）计算结果表明某大型重力坝上游段二期纵向围堰采用沉井作为处理深厚覆盖层地基的方案是科学可行的，为西南地区其他的水利枢纽建设在处理深厚覆盖层地基方面积累了宝贵的经验。

［1］郭征红，徐 伟.深基坑技术在大型水电站堰基中的应用研究［J］.岩土工程学报，2006，28（增刊）：1702－1706.

［2］SL319－2005，混凝土重力坝设计规范［S］.

［3］王瑞骏.重力坝深层抗滑稳定性的空间刚体极限平衡分析［J］.西北水资源与水工程，1996，（4）：1－5.

［4］弥宏亮，陈祖煜，汪小刚.三峡左岸坝段三维抗滑稳定性分析［J］.岩石力学与工程学报，2003，22（12）：1960－1965.

［5］徐千军，李 旭，陈祖煜.百色水利枢纽主坝坝基三维抗滑稳定分析［J］.岩石力学与工程学报，2006，25（3）：533－538.

［6］潘家铮.重力坝设计［M］.北京：水利电力出版社，1987.

［7］王宏硕.水工建筑物（专题部分）［M］.武汉：水利电力出版社，1990.