电站坝基岩体评价及深层抗滑稳定性分析

米 猛

（中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，成都 610072）

混凝土重力坝一直以来都是水利枢纽建设中主要的坝型之一，主要是依靠坝体自身重量于基础之上产生的摩擦力及坝体与基础之间的凝聚力来抵抗水压力以满足稳定要求。所以混凝土重力坝基础岩体必须具备足够的强度、承载力，以满足坝体对稳定和强度的要求。一般情况下，不同岩性、不同程度风化卸荷的坝基岩体强度常常不同，且往往因复杂的节理裂隙、断层或挤压带等地质构造而使坝基岩体结构完整性不均一。坝基岩体岩级的划分对确定建基面承载力确定有重要的意义。

节理裂隙、断层或挤压带等地质构造往往可以组合形成不可预知的滑移通道。蓄水后在库水推力作用下，坝体可能连结某些区域的坝基岩体沿滑移通道而产生滑移失稳，从而导致深层抗滑问题。如何对坝基岩体质量进行科学评价、采用何种方式准确分析坝基岩体深层抗滑稳定性在水利水电建设中显得尤为重要。

1 坝址工程地质条件简介

水电站位于雅鲁藏布江中游桑日至加查峡谷段出口处，坝型为混凝土重力坝，最大坝高116m，属高坝。坝基基岩岩性为二长花岗岩，岩质较坚硬。岩体风化主要表现为矿物蚀变、裂面锈染等；岩体卸荷较明显。弱风化岩体锤击声较清脆，水平深度一般 40～60m，河床垂直埋深(基岩面以下)为 9.0～35.7m；弱卸荷水平深度一般 20～40m，河床垂直埋深(基岩面以下)为 1.5～5.25m；强卸荷推测水平深度 3～10m；微新岩体：岩石新鲜，锤击声清脆。

2 坝基岩体质量评价

坝基岩体是存在于一定环境中的地质体，其形成和发展经受过地质历史时期各种内外动力地质作用的改造和影响，坝基岩体的质量直接影响大的的安全和经济。

坝基岩体质量是取决于岩质类型、岩体的风化卸荷、岩体结构类型、岩体紧密程度、岩体透水性等多种因素的综合，各种因素对岩体力学性质的影响是不同的，任何单一因素的分类都不可能全面反映岩体的整体特性，必须采用多因素综合评判的方法，考虑各种因素的相互影响，进行系统的分析评价，进而建立完整的工程岩体质量体系。其中坝基岩体构造发育程度对坝基岩体质量有着重要的影响。坝基岩体构造主要以节理裂隙、挤压带及小断层为主，结构面类型以刚性结构面、软弱结构面为主。

为准确查明岩体质量，主要采用以下工作方法。

2.1 岩体物理力学实验

岩体物理力学实验能定量反应不同风化卸荷强度岩体力学参数、不同类型结构面力学参数，对岩体质量评价及坝基岩体深层抗滑稳定计算具有重要的意义。

2.2 工程地质编录

工程地质编录能于平面查明大坝基础岩体风化卸荷强度、岩体结构及结构面发育状况，其中针对结构面采用精测方式，并进行对比分析，对优势结构面、缓倾结构面则结合坝基岩体深层抗滑稳定进行综合分析。

2.3 地球物理勘探

地球物理勘探主要采用常规声波测试、对穿声波测试、钻孔电视全景图像及孔内变模测试等方式以查明大坝建基面下部空间岩体结构、风化卸荷深度及结构面发育状况。大坝建基面下部空间岩体结构面发育状况主要由钻孔电视全景图像解译而来。

岩体质量分级评价标准：大坝基础岩体质量分级评价标准，主要根据坝址区岩体(石)工程特性及物理力学试验成果，并结合《水利水电工程地质勘查规范》（GB560287-99）及类似工程经验，将坝基工程岩体质量分为3大类，其中Ⅲ类岩体进一步划分为Ⅲ1和Ⅲ2两个亚类。

Ⅱ级岩体：微风化～新鲜，岩体结构呈次块状～块状，嵌合较紧密～紧密；岩体声波纵波速度Vp=5100～5600m/s，波速曲线平顺，起伏小，Kv=0.75～0.9，RQD=90%～100%。开挖爆破后面平直，半孔率达95%以上。开挖揭示Ⅱ级岩体裂隙不发育，呈块～次块状结构。

Ⅲ1级岩体：弱风化、弱卸荷，岩体结构呈镶嵌状～次块状，嵌合中等紧密；岩体纵波速度Vp=4300～5100m/s，波速曲线小起伏，K v=0.55～0.75，RQD=60～85%。

Ⅲ2级岩体：弱（偏强）风化、弱卸荷，岩体结构呈镶嵌碎裂状结构，较松弛的二长花岗岩；弱风化、弱卸荷岩体中的挤压破碎带、裂隙密集带、小断层影响带；岩体纵波速度Vp=3500～4300m/s，波速曲线呈锯齿状起伏大，Kv=0.35～0.55，RQD=30%～50%。

Ⅳ级岩体：弱风化、强卸荷，沿劈理化带发育的弱偏强风化岩体；发育于弱风化、弱卸荷岩体中的小断层。一般纵波速度Vp=2500～3500m/s， Kv=0.15～0.35，RQD＜25%。

根据大坝基础岩体分级标准，结合大坝基础工程地质编录资料及地球物理勘探成果将大坝各坝段岩体质量分别统计，进行三维空间及二维平面展示。（图1、图2）

综上所述，大坝基础未见强风化岩体，浅表部位岩体以弱风化、弱卸荷为主，较大埋深岩体多微风化至新鲜。

Ⅲ2级、Ⅳ级岩体主要受构造控制、多沿小断层、挤压破碎带、裂隙密集带呈带状、束状展布。

坝基岩体基本满足大坝承载需要。

图1 大坝基坑岩级分区三维展示图

3 坝基深层抗滑稳定分析

图2 大坝基础岩级分区平面示意图

重力坝坝基滑动失稳的基本形式有两种：表面滑动和深层滑动。其中，坝基混凝土与基岩面所发生的滑动破坏称为表面滑动；深层滑动包含两种情况，第一种情况是发生于均质坝基，是一种滑动面近似弧形的剪切破坏，第二种情况是与坝体连接部分的坝基沿基础岩体中结构面的滑动破坏。实际上，混凝土重力坝的抗滑稳定性往往取决于基础岩体中结构面，尤其是缓倾角结构面及软弱夹层，即深层滑动往往是混凝土重力坝主要破坏模式。

3.1 混凝土重力坝深层滑动破坏类型

1）滑动面剪切破坏：在水平荷载作用下，坝体沿坝基内存在可能导致单斜面滑动或双斜面滑动的结构面而发生剪切破坏。

2）抗力体挤压破坏：当坝基内存在倾向下游的软弱夹层或缓倾角结构面，下游尾岩内没有倾向上游的软弱夹层或缓倾角结构面时，不构成双斜面滑动。在水平荷载作用下，坝踵处岩体可能产生拉裂破坏，与坝体连接部分基础可能发生剪切破坏，同时传给尾岩抗力体超过其承载能力的剩余推力，挤压破坏产生。

3）抗力体隆起破坏：坝基岩体内存在软弱夹层或缓倾角结构面，尾岩呈层状，比较完整且岩性坚硬。尾岩上部在水平荷载作用下产生拉伸区，并有向上的位移产生，也就有隆起破坏产生。

3.2 坝基深层抗滑工程地质条件

深层抗滑稳定的有利条件为：未揭示较大的控制性缓倾角连续软弱结构面，抗力体岩体为坚硬、较完整的花岗岩，具有较高的整体强度；深层抗滑稳定的不利条件为：坝基局部发育缓倾角裂隙，延伸较长，特别是在建基面下伏的Ⅲ2级岩体中缓倾角裂隙相对较发育，连通率较高，性状较差。

3.3 深层抗滑计算方法

主要结合坝基开挖揭示的工程地质条件，选取典型坝段，开展等系数法（等K法）及三维有限单元法进行深层抗滑稳定计算分析，确定大坝深层抗滑稳定性。

等系数法（等 K法）：重力坝深层抗滑稳定计算较为复杂，计算公式随边界条件即滑动体的类型不同而异，主要由滑动面的产状和组合形式所控制。根据重力坝深层滑动的产状及组合的不同，一般可分为：单滑面倾向下游、单滑面倾向上游及双滑动面。实际上，滑裂面往往不会贯穿上下游形成单斜面滑动形式，而是往往出现复杂的曲线或折线形状。工程中常见双滑动面破坏形式，将双滑动面切割形成的块体沿滑动面交点分割为两块体，分别采用刚体极限平衡法进行稳定性计算分析，两块体安全系数相同。

有限单元法：一种有着坚实的理论基础和广泛的应用领域的数值分析方法。有限单元法的基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个、且按一定方式相互联结在一起的单元的组合体。利用在每一个单元内假设的近似函数来分片地表示全求解域上待求的未知场函数。单元内的近似函数通常由未知场函数或及其导数在单元的各个结点的数值和其插值函数来表达。这样，一个问题的有限元分析中，未知场函数或及其导数在各个结点上的数值就成为新的未知量（即自由度），从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。一经求解这些未知量，就可以通过插值函数计算出各个单元内场函数的近似值，从而得到整个求解域上的近似解。

3.4 坝基深层抗滑稳定控制标准

等系数法（等K法）计算的稳定安全系数要求正常蓄水位工况的计算值大于等于3.0，校核洪水位工况的计算值大于等于2.5，地震工况的计算值大于等于2.3；有限单元法计算的稳定安全系数正常工况和设计地震工况下，坝体抗滑稳定“抗力/作用力”大于1。

3.5 典型坝段深层抗滑稳定计算

结合实际情况选取15#坝段进行深层抗滑稳定计算。

滑移模式分析：15#坝段下可能构成危险滑移通道的裂隙为：①J7： N70～80°W/SW(NE)∠75～85°，②J36：，③ g16-2：N50～60°W/NE∠50～70°。在 15#坝段下未发现错动带。深层滑动计算的滑移通道见表1，具体滑移通道见图3。

计算参数：坝基岩体3226.5m高程为Ⅱ类、Ⅲ1类，3217.65m高程主要为Ⅲ1类，局部为Ⅲ2类。岩体物理力学参数建议值以及各裂隙结构面抗剪断指标地质取值如表2所示：

表1 15#坝段深层抗滑滑移模式表

计算成果：深层抗滑稳定采用等K法计算。15#坝段深层抗滑稳定计算成果见表3。

等K法计算成果表明，15#坝段的深层抗滑稳定在两种计算工况下都满足规范要求。

图3 15#坝段深层抗滑滑移通道计算示意图

有限单元法：

有限元模型及计算参数：有限元模型见图 4，整体采用六面体等参元进行网格划分，局部采用四面体单元进行剖分。

静力工况：自重+正常蓄水位及相应的尾水位+泥沙荷载+扬压力+浪压力

动力工况：自重+正常蓄水位及相应的尾水位+泥沙荷载+扬压力+浪压力+水平地震荷载（190.3cm/s2）

III1类岩体：f’=1.0，c’=1.1MPa

混凝土/基岩：f’=1.0，c’=0.9MPa

g16-1：f’=0.35，c’=0.05MPa

因按照 15号坝段地质纵剖图和横剖图得到的挤压带g16-1的倾角和走向相差较大，其中横剖面得到的g16-1截面该坝段深层抗滑稳定相对较为不利，如图5蓝线围成的截面所示。滑动模式：

表2 坝基岩体及结构面抗剪断指标取值表

滑动模式1：不考虑14号坝段底部岩体的黏聚力，只考虑其摩擦力；上游在坝踵处沿J7拉裂，滑动沿g16-1断层向下游滑出。考虑g16-1右侧建基面水平区域的黏聚力和摩擦力。

滑动模式2：不考虑14号坝段底部岩体的黏聚力及其摩擦力；上游在坝踵处沿J7拉裂，滑动沿g16-1断层向下游滑出。考虑g16-1右侧建基面水平区域的黏聚力和摩擦力。

表3 15#坝段深层抗滑稳定计算成果

由于尾部岩体较大，按该种断层倾向和走向计算得到坝体抗滑稳定满足相关规范要求，并且安全性较高。

表4 15号坝段深层抗滑稳定计算结果

有限单元法计算成果表明，在静力工况和设计地震工况下沿深层滑移路径的抗滑稳定均满足现行规范要求，并且有一定的安全裕度。

综述，在坝基工程地质编录资料及钻孔全景图像解译成果基础之上，对结构面统计分析，建立可能的深层滑移破坏模式，并采用等系数法（等 K法）、有限单元法对坝基岩体进行深层抗滑稳定计算，并将计算成果对比分析，均满足规范要求。其中有限单元法考虑了块体侧面坝基岩体水平区域的黏聚力和摩擦力，更能反映坝基岩体深层抗滑真实情况。

图4 坝体有限元模型图

图5 g16-1的倾向、走向及块体滑动模式示意图

4 结论

混凝土重力坝作为水利水电工程建设中主要坝型之一，主要是依靠坝体自身重量于基础之上产生的摩擦力及坝体与基础之间的凝聚力来抵抗水压力以满足稳定要求。

本文根据某水电站坝基工程实践，从坝基工程地质条件着手，根据岩土物理力学实验成果，并结合技施阶段工程地质编录资料及地球物理勘探成果，完成对坝基岩体质量评价；根据坝基开挖实测结构面，特别是缓倾结构面，结合钻孔全景图像对基础下部岩体三维空间结构面解译的成果确定重力坝坝基岩体深层抗滑稳定的边界条件、力学参数，并采取适宜的计算方法即等系数法（等 K法）、有限单元法进行深层抗滑稳定计算。

[1] 王思敬. 坝基岩体工程地质力学分析[M]. 北京：科学出版社，1990.

[2] 谌文武. 岩体力学[M]. 甘肃：兰州大学出版社，2000.