不良地质条件下的拱坝拱座稳定分析

戴 伟

(安徽省水利水电勘测设计院，安徽 合肥 230022)

1 工程概况

1.1 工程简介

扬溪源水库坝址位于绩溪县扬之河上游的扬溪镇章家园处,水库总库容1 052.1万m3,工程等别为Ⅲ等。拱坝坝型采用重力拱坝,拱坝中心线方位角N5°54′4″W,基本位于该段河床主弘线。顶拱中心角为97.403°,坝顶上游面半径110.0 m,弧长187.0 m。拱坝坝顶高程334.8 m,最大坝高55.8 m,坝顶宽4.0 m,拱冠处坝底厚23.53 m,厚高比为0.422。主坝采用C20埋石混凝土浇筑。

1.2 地质构造

坝址区岩层呈单斜产出,倾向上游偏左岸,层面产状整体较稳定,左岸坝肩无不利结构面切割山体,且左岸山体较为雄厚,下游无临空面,因此左岸坝肩较为稳定,拱座复核计算以右岸坝肩稳定计算为重点。

(1) 断层。坝址区断裂构造明显,破碎带发育,多呈入字形展布。但坝基内没有发现较大规模的断裂构造。f102(N53°W,NE∠65～80°)带宽5～15 cm,在建基面、上下游侧边坡及SK5钻孔揭露,带内岩石挤压破碎,全～强风化,局部夹泥。

(2) 裂隙。坝区构造节理发育,根据地质测绘成果,右岸拱座控制裂隙有2组:

① 层面裂隙是控制右岸岩体及坝肩稳定的主要结构面,一般N25～50°W,NE∠25～40°。

② N20～30°W,SW∠65～75°,普遍发育,少数倾角较陡近直立或倾向北东。

2 拱座稳定分析

2.1 基本公式

在计算拱坝拱座安全度上广泛采用刚体极限平衡法理论,将有滑动趋势范围内的坝肩岩体划分为一个个小块体,通过块体的平衡建立整个坝肩岩体的平衡方程。

空间抗滑稳定系数表达式为:

2.2 拱座稳定计算分析

2.2.1 滑动模式一

坝肩岩体以层面裂隙组① 为侧滑面,以剪断岩体为底滑面滑出,层面裂隙组① 埋深分别为C101、C102、C103,产状为N25～50°W,NE∠25～40°。

(1) 双滑面模式。F2为水平剪断面,F1层面裂隙倾角δ1。如图1所示,作用在滑动岩体上的力有:∑N、∑G、∑Q;反力R1、u1、s1和R2、u2、s2;水平力s1和s2,平行于两个面的交会线。

图1 滑动模式一计算示意图(双滑面)

根据岩体的平衡条件:

R1sinδ1+u1sinδ1=ΣN

R1cosδ1+R2+u1cosδ1+u2=ΣG

s1+s2=ΣQ

稳定安全系数K为:

(2) 单滑面模式。若R1或R2为负值,滑移面受拉,假定该滑移面在实际受力时与周围岩体脱开,如图2所示，滑动模式转化为单滑面滑动,脱开面扬压力作为外荷载考虑。

图2 滑动模式一计算示意图(单滑面)

根据岩体的平衡条件:

① 若F2面脱开，则:

(R1+u1)sinδ1+s2cosδ1=ΣN

(R1+u1)cosδ1-s2sinδ1=ΣG-u2

② 若F1面脱开,则：

u1sinδ1+s2=ΣN

u1cosδ1+R2+u1=ΣG

稳定安全系数K为:

2.2.2 滑动模式二

坝肩岩体以层面裂隙组① 为侧滑面,以裂隙组② 为底滑面滑出,根据前述计算,层面裂隙组① 取最危险产状,埋深为C101,产状为N25°W,NE∠25°,裂隙组② 产状为N20～30°W,SW∠65～75°。

(1)双滑面模式。软弱面F1及F2的倾角分别为δ1和δ2,两者走向的夹角为a。由F1和F2两个软弱面,将坝肩岩体切割成一个楔体,有可能沿着F1(层面裂隙①)和F2(裂隙组②)的交汇线方向滑动,如图3所示。

图3 滑动模式二计算示意图

交会线的铅直面,分别与F1和F2走向的夹角为a1和a2,交会线AB与水平面的夹角为θ。它们的值按下列公式计算:

a1+a2=a

tgθ=sina1tgδ1=sina2tgδ2

求出交会线AB的方向和倾角后,将滑动岩体范围内的坝基荷载和岩体自重,合成三个分力;牵制力∑G,正交于交会线AB方向的水平力∑H,平行于交会线AB方向的水平力∑V,如图4所示。

图4 滑动模式二岩体受力示意图

平行于交会线方向的滑动力:

Q=ΣGsinθ+ΣVcosθ

正交于交会线方向的作用力:

N=ΣGcosθ-ΣVsinθ

正交于交会线方向的水平力:ΣH

滑动岩体的正交交会线方向的楔体夹角:

根据正交力ΣN、水平力ΣH及楔体夹角,根据刚体块体法,求算出在F1和F2面上的正交反力R1和R2,如图5所示。

图5 刚性块体法岩体受力示意图

稳定安全系数

(2)单滑面模式。若R1或R2为负值,则假定F1或F2面脱开,计算原理同滑动模式一。

(3)F1与F2走向相同。层面② (N30°W,SW∠65°)与层面④ (N30°W,NE∠33°)、层面⑤ (N33°W,NE∠31°)、层面⑧ (N31°W,NE∠43°),简化为形成楔体两层面走向一致的滑动模式计算。

水平力s1和s2,平行于交会线。由岩体的平衡条件:

(R1+u1)sinδ1+(R2+u2)sinδ2=ΣN

(R1+u1)cosδ1+(R2+u2cosδ2=ΣG

由上式联立求解R1及R2。

滑动力s1+s2=ΣQ

稳定安全系数:

2.2.3 滑动模式三

以裂隙组② 为侧滑面,以剪断岩体为底滑面,从右岸下游冲沟内滑出。裂隙组② 产状为N20°～30°W,SW∠65～75°。

滑动模式三与滑动模式一计算方法相同,拱端推力及抗力体自重分别为各相邻拱圈间拱端推力及抗力体自重沿高程之和。

2.3 拱座稳定计算分析结论

应用刚体极限平衡法,运用敏感性分析手段,找出各滑动模式组合下的最危险走向、倾角及埋深。根据计算,扬溪源水库大坝坝肩抗滑稳定最小安全系数为3.22,满足规范要求。

3 总 结

(1) 根据理论计算和实践经验,一般认为在大坝的上游面基础内,存在着一个水平拉应力区,有产生垂直裂缝的可能,因此滑动体的上游边界,在计算模型中,均假定从拱座的上游面开始,基于此种假定,采用刚体极限平衡法计算的抗滑稳定系数较实际工况是偏小的。

(2) 提高封拱温度对降低拱端推力作用明显,在坝肩岩体地质构造发育的情况下,适当提高封拱温度,可加大拱座稳定性。但封拱温度过高,容易恶化坝体应力,因此,在实际工程实践中应结合工程地质,通过多种组合试算,综合确定封拱温度。

(3) 坝基扬压力对坝肩稳定影响应充分重视,在做好帷幕灌浆及坝基排水孔的基础上,于坝趾部位增设水平排水孔,有利于进一步降低各滑动面扬压力,提高坝肩岩体整体稳定安全裕度。

(4) 坝肩下伏层面裂隙埋深、产状、物理力学参数等岩体地质构造情况是对拱坝拱座稳定分析的基础,拱座稳定在前期计算的基础上,还应根据施工期开挖揭示地质构造情况做进一步复核。