基于超载系数法的某闸坝基深层抗滑稳定研究

杨 杰

(塔里木河流域喀什管理局，新疆 莎车 844700)

1 工程概况

某泄洪冲砂闸段全长430 m，根据水库运行方式，当流量小于1 200 m3/s时，开启冲砂闸进行泄洪冲砂，考虑冲砂闸工程投资，并通过模型试验和参考类似工程布置，确定冲砂闸孔数为5孔，泄洪闸孔数为26孔。泄洪闸段长442.0 m，共26孔，采用闸底板分缝，闸孔净宽14 m，闸墩厚3 m；冲砂闸段长88.0 m，采用闸底板分缝，闸孔净宽14 m，闸墩厚3 m。泄洪闸段右侧为右储门槽坝段，左侧为冲砂闸段。泄洪冲砂闸采用相同结构布置，均为开敞式平底宽顶堰型，单孔净宽14.0 m，闸室顺水流方向长36.0 m。

闸顶高程为292.50 m，闸底板顶高程为275.00 m，基础高程为270.00 m，最大闸高22.5 m。闸墩采用C25钢筋混凝土，闸室底板上层采用厚0.5 m耐磨混凝土，以提高抗冲刷能力，耐磨混凝土下部设厚4.5 mC25钢筋混凝土。闸墩上下游均采用圆型。根据工程设计要求，采用ANSYS软件对该泄洪冲砂闸进行了坝基深层抗滑稳定三维分析，重点对工程设计进行整体稳定验算。

2 工程地质条件

工程区地形平坦，地面高程280.7～281.7 m，阶面与枯水期水面高差约6.2～7.2 m。表层由第四系全新统近代河流冲积堆积层所组成，该层具有明显的二元结构，上部粉土，厚度1.8～2.3 m，下部砾卵石土所组成，厚度5.1～5.5 m，结构稍密为主，渗透系数K=2.40×10-2～6.38×10-1cm/s，属强透水层。下伏基岩为粉砂质泥岩夹薄层泥质粉砂岩和砂岩，岩体强弱风化带厚度分别为1.0～1.3和11.9～12.4 m。岩体中石膏溶蚀孔洞发育底界深度258.72～267.86 m，其相对不透水层(q<5 Lu)埋深16.5～17.0 m。

泄洪冲砂闸位于主河床右岸及河漫滩，据钻孔揭示，表层由现代河流冲积堆积的砾卵石土组成，厚度一般1.7～2.6 m，最厚可达5.1 m，属松散～稍密结构，渗透系数K=6.2×10-3～4.7×10-2cm/s，属中等～强透水层。基岩顶板高程为272.7～273.5 m，岩性为粉砂质泥岩夹薄层泥质粉砂岩和砂岩。在高程261.3～264.2和258.6～258.7 m，各分布一层厚约0.35～0.36和0.05 m的岩块岩屑型剪切破碎带(Cr4、Cr2)，其中Cr4延伸长度160 m，Cr2长度仅达50～60 m。岩体强弱风化带厚为0.0～2.7 m、6.6～11.1 m。坝基岩体质量分类弱风化的粉砂质泥岩为 CⅣ2类，新鲜的粉砂质泥岩为CⅣ1类。强风化岩体渗透系数K=5.7×10-5～3.5×10-4cm/s；弱风化岩体透水率q=4.1～13 Lu，均属中等透水层为主，夹弱透水层透镜体。考虑到河床覆盖层较薄，清除后将泄洪冲砂闸闸室及消力池基础置于强风化粉砂质泥岩上，基础底高程270.00 m。

3 抗滑稳定计算

3.1 计算条件

根据工程设计，冲砂闸室基础置于弱风化粉砂质泥岩，根据坝址区岩体物理力学参数建议值，混凝土与基岩抗剪摩擦系数取0.36，抗剪断摩擦系数取0.5，抗剪断凝聚力为C=200 kPa，基础允许承载力[R]=0.6 MPa，帷幕折减系数取0.7，本工程地震设计烈度为6度，枢纽建筑物可不进行抗震计算。

本次分析采用美国有限元软件ANSYS[1-3]进行建模和网格划分，然后对泄洪闸典型坝段进行非线性有限元计算。为了消除边界效应的影响，选取计算范围为：坝体上游面至基础边界长度为100 m，坝体下游面至基础边界长度为100 m，坝基的最大深度60 m。网格划分时以六面体为主，有限元模型节点数量为16 739个，单元数量为11 284个。边界条件：底面三向约束，其余边界为法向约束。模型中岩基和软弱破碎带采用Drucker-Prager屈服准则，坝体为弹性材料，软弱破碎带与岩基之间采用接触摩擦模型模拟。坐标系以指向河流下游方向为X轴正向，以铅直向上为 Y 轴正向，以指向右岸为 Z 轴正向。选取关键点进行位移突变观测，关键点选取有闸坝底面节点340(关键点A)，闸坝上游岩基节点432(关键点 B)和Cr4软弱破碎带上表面节点76(关键点 C)，计算模型见图1，计算参数见表1。

图1 泄洪冲砂闸三维有限元计算模型

3.2 计算方法

超载系数法[4-6]假定坝基的岩体力学参数不变，将作用在坝体外部的外荷载逐步放大，直至滑动面上的抗滑稳定处于临界状态，

此时荷载的放大倍数即视为安全系数[7-9]。但是由于作用在坝体上的荷载较为复杂，很难考虑所有作用力的同时超载，一般只逐步增加上游水荷载。在工程上的实际意义可以理解为：突发洪水来临等对坝基稳定安全度的影响。采用超载系数法可以采用增加水容重，也可以采用抬高水位的办法以增加水平荷载P。结构的超载能力可以由破坏时相应的外荷载与设计荷载的比值来衡量，称为超载安全系数，并用它来评价工程的安全性。当采用增加水容重时，其表达式为：

式中：Pm和Pn分别为破坏时相应的外荷载与设计荷载；γm和γn分别为破坏时与设计时外荷载的水容重。

3.3 计算结果

通过建立泄洪闸典型坝段三维有限元模型，选取正常蓄水位工况时(上下游水头差最大，即最危险工况)进行强度折减法的深层抗滑稳定分析计算，计算不同折减系数下坝基的应力应变状态，具体计算结果见图2～图6。

当Kc=3时，顺河向位移逐渐增大，最大位移位于闸门中央，值为0.947 cm，未发生突变，顺河向位移见图2。

当Kc=5.8时，顺河向最大位移发生在Cr4软弱破碎带上方岩体，最大值为8.347 cm，位移发生突变，顺河向位移见图3，顺河向位移矢量见图4；坝体上下游岩基均发生塑性屈服，坝体及基岩也就沿着 Cr4 软弱破碎带上表面整体滑动，等效塑性应变分布见图5。

图3 Kc=5.8时，模型顺河向(X正向)位移云图

图4 Kc=5.8时，顺河向(X正向)位移矢量图

图5 Kc=5.8时，模型等效塑性应变分布

当Kc=6.1时，由于变形过大，计算不收敛。由此判断采用超载系数法得到的深层抗滑稳定安全系数应小于6.1。

对选取的关键点进行位移突变观测，其顺河向位移随超载系数变化见图6。当超载系数Kc为5.8时，关键点A和B顺河向位移均发生突变，位移增加较大；关键点C顺河向位移并未发生突变，表明 Cr4 软弱破碎带没有跟随坝体及基岩一起发生滑动，主要是由于Cr4软弱破碎带未完全塑性屈服，具有一定的抗剪强度，且与上层岩体之间为接触摩擦。因此，采用超载系数法计算的坝体深层抗滑稳定安全系数在5.8～6.1之间，满足规范要求。

图6 关键点沿顺河向位移与安全系数Kc的关系曲线

4 结 论

本文以某水利工程泄洪冲砂闸为研究对象，以有限元软件ANSYS为分析平台，采用超载系数法对该泄洪冲砂闸的坝基深层抗滑稳定进行三维计算和分析，通过不断增加闸坝所受到的外部荷载参数，得到坝基岩体等效塑性应变和位移的变化趋势，得到以下结论：

1) 随着折减系数的增加，闸坝岩体发生的位移也逐渐增大。

2) 当折减系数为5.8时，坝基塑性屈服区贯通Cr4软弱破碎带，位移发生突变，认为Cr4软弱破碎带为闸坝稳定的控制性因素。

3) 根据关键点沿顺河方向位移与超载系数Kc的关系曲线，确定该闸坝深层抗滑稳定最大安全系数在5.8～6.1之间。