落脚河水电站K3溶洞对右坝肩稳定影响分析

王国庆

(贵州新中水工程有限公司，贵阳 430000)

1 概 述

落脚河水电站工程位于贵州省西部乌江支流的落脚河上、毕节地区大方县境内，是落脚河支流水电梯级开发的第七个梯级工程。坝型为混凝土双曲拱坝，坝高81 m，库容4200万m3,装机2万kW，河床高程1212 m，河床建基面高程1195 m，正常蓄水位1272 m，输水建筑物及厂房均布置于右岸。K3溶洞发育于三迭系下统永宁镇组第二段第四层(T1yn2-4)及第三段(T1yn3)灰色中厚层灰岩地层中，岩层陡倾，坝址为 “V”形横向河谷，构造上处于双山背斜南东翼与落脚河向斜北西翼的复合部位[1]。受构造挤压影响，切层裂隙发育。

2 溶洞规模及发育形态

该工程自2004年10月开始施工以来，在坝肩揭露出规模不等的岩溶洞穴12处，其中以右坝肩K3溶洞规模最大、位置紧靠坝体下游面，洞顶发育高程约1220 m，洞底高程为1195 m，在右坝肩建基面上溶洞出露高程为1213 m，溶洞长轴方向S40°E，可见长度约27 m，从坝基处向下游山内发育；溶洞短轴方向N50°E，可见宽约7 m，从山内斜向河床发育，溶洞容积约2900 m3，洞内1195～1209 m高程段为软塑状黄色黏土充填，1209 m高程以下为粉细砂夹黏土及溶塌块石充填[2]。该溶洞仅在进口段发育石钟乳，其余地段未见石钟乳发育，洞壁及洞顶潮湿，有明显的冲刷痕迹。K3洞穴位置及形态见图1。

3 K3溶洞对右坝肩稳定的影响

3.1 对基础应力的影响

3.1.1 计算模型

用三维有限元对坝体及基础进行剖分，网格示意图见图2。为了能够准确模拟基础内部的溶洞，基础用较精细的网格[3]。全坝共剖分141 650单元，152 360节点，其中坝体3200单元，3840节点，基础138 450单元，148 520节点。

3.1.2 计算参数

K3溶洞，对拱坝坝肩稳定有相当程度的不利影响，在进行仿真计算时以溶洞不回填混凝土和回填混凝土，同时考虑在一定的范围内(▽1195～▽1200)有充填黏土，坝基岩性参数见表1。各材料参数不随时间的变化而变化。

3.1.3 计算工况

根据规范要求，一共计算六种荷载组合，见表2。

图1 K3洞穴位置及形态

图2 计算模型图

表1 材料参数表

表2 荷载组合

注:各荷载定义分别如下: ①自重, ②静水压力, ③泥沙压力, ④温度荷载(温升), ⑤温度荷载(温降)。

考虑溶洞回填前和回填后两种情况，共计算12种荷载组合，见表3。

表3 计算工况表

3.1.4 溶洞对坝体应力的影响

溶洞回填混凝土前后对坝体应力的影响,由拱向应力和竖向应力等值线对比可以看出，孔洞在回填混凝土前后对坝体的影响不大。孔洞只是影响坝体基础的局部，对于坝体本身的应力影响不大，符合圣维南原理。因此，溶洞的存在对坝体各面各方向的整体应力影响很小。仅对K3溶洞附近的坝体应力有一定影响。

(1)回填前由于溶洞的存在，右坝肩下游面附近的应力等值线不光滑。

(2)回填后有所改变。由于计算考虑年变化的气温引起的非线性温差，同时未考虑混凝土徐变的影响。因此应力在下游面较大。

总之，溶洞的存在对坝体应力影响很小，回填前后对坝体应力的影响可不计。

3.1.5 对拱座应力的影响

各工况下溶洞回填混凝土前后对拱座应力的影响由等值线图可以看出，回填前后只是溶洞附近略有变化，其它部位的应力变化不大。这是由于溶洞的影响只是局部问题，因此对基础其它部位影响并不大。

3.1.6 对坝体变形的影响

孔洞回填混凝土前后对坝体变形的影响由位移等值线可以看出，孔洞回填混凝土前后对坝体变形的影响不大。这也是因为孔洞的存在属于基础局部问题，对坝体的影响不会很大。

3.2 对拱座抗滑稳定的影响

3.2.1 计算方法

根据规范SL 282—2018要求,采用刚体极限平衡法进行抗滑稳定分析,应用抗剪断公式如式(1)所示：

Κ=∑(Nf+cA)/∑T

(1)

式中:Κ为抗滑稳定安全系数；N为垂直于滑裂面的作用力,103kN；f为抗剪断摩擦系数；c为抗剪断凝聚力,MPa；A为计算滑裂面的面积,m2；T为沿滑裂面的作用力,103kN。

3.2.2 计算参数

右坝肩的K3溶洞，对拱坝坝肩稳定有相当程度的不利影响。在进行坝肩稳定分析计算时分两种工况考虑，即溶洞不回填混凝土和回填混凝土，同时考虑在高程1195～1200 m的范围内为黏土充填，坝基岩体参数见表4。

3.2.3 计算工况及荷载组合

在计算中，考虑了溶洞未回填混凝土与回填混凝土两种工况,计算荷载包括水压、沙压力、温度荷载、自重。其组合见表5。

3.2.4 右坝肩滑动的边界条件

根据坝址区岩层地质构造，选取最不利一组裂隙L作为滑动体的侧滑面, 沿推力方向的天然坡面为临空面。分别对裂隙与溶洞组合下不同高程的块体进行抗滑稳定分析。

表4 落脚河右坝肩岩石物理力学计算参数值

注:计算中未考虑溶洞壁及结构面插入的钢筋所增加的抗剪强度。

表5 计算荷载组合表

注:各荷载定义分别如下: ①自重, ②静水压力, ③泥沙压力, ④温度荷载(温升), ⑤温度荷载(温降)。

3.2.5 右坝肩抗滑稳定计算成果

右坝肩抗滑稳定计算结果分为两个高程区域，每个高程区域计算了六种荷载组合，分别考虑了溶洞回填混凝土前和回填混凝土后的情况。在溶洞回填混凝土前，考虑了溶洞的影响 (高程1200～1220 m)。计算结果见表6～表9。

表6 右坝肩(1200～1210 m)抗滑稳定计算结果(回填混凝土前)

表7 右坝肩(1210～1220 m)抗滑稳定计算结果(回填混凝土前)

表8 右坝肩(1200～1210 m)抗滑稳定计算结果(回填混凝土后)

表9 右坝肩(1210～1220 m)抗滑稳定计算结果(回填混凝土后)

4 K3溶洞位移变形观测

K3溶洞回填处理时于洞内埋设了位移观测装置，水库水位上升过程中对坝肩溶洞部位作的位移观测，其位移变化曲线如图3， 由图3可以看出,溶洞变形位移量很小，远远低于规范要求，K3溶洞处理达到了预期的效果。

图3 K3溶洞累计位移观测曲线

5 结 论

通过对落脚河水电站坝址区溶洞问题的坝体应力和坝肩稳定计算，可以认为：

(1)溶洞处理前后对坝体应力影响均不大。用混凝土回填后坝体应力略有改善。

(2)根据计算结果来看，在K3溶洞未回填混凝土时，在基本荷载组合下，坝肩高程区域1200～1210 m的安全系数在2.93左右，小于规范要求的3.00。在溶洞回填混凝土后，坝肩安全系数提高到3.28左右，满足规范要求。

(3)K3溶洞对于坝肩抗滑稳定有一定影响，降低了坝肩抗滑稳定性，安全系数小于规范要求，但是它的影响区域局限于1200～1210 m。经过对溶洞处理后，在基本荷载组合下，坝肩稳定最小安全系数为3.26; 在特殊荷载组合下，坝肩稳定最小安全系数为3.16，满足规范要求。

(4)溶洞回填处理后位移观测满足规范要求。