RCC重力坝地质缺陷坝基处理方案优化及加固效果评价研究

黄 静 美， 赵 蕾 蕾， 谢 红 强

(1. 重庆铁路投资集团有限公司，重庆 江北区 400023；2. 河南省水利勘测设计研究有限公司，河南 郑州 450000；3. 四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室 水利水电学院，四川 成都 61006)

1 概 述

天然的坝基中总是存在断层、节理、裂隙和软弱夹层等地质缺陷，这通常是影响坝基不均匀沉降、抗滑稳定、塌陷的关键问题。因此，坝基的处理加固效果对坝体的稳定性至关重要。据统计，在有记载的重力坝失事案例中，40%是由于坝基失稳所致[1]，地基的加固不仅关系到水利水电工程的安全建设，也与生命财产安全密切相关，其一直是坝工界十分关注的问题。

对于坝基的处理措施主要有清挖回填、固结灌浆两种方式，一般同时采用两种方式对地基进行处理，有助于减少地基的地质缺陷并能提高地基的承载能力。坝基处理措施效果的评价是坝工设计的主要内容，其目的是核算坝体在相应处理方案下的安全度，为施工设计提供科学的依据。对具有潜在滑动面的地基主要采用刚体极限平衡法、有限单元法以及地质力学模型试验法进行坝基抗滑安全系数的计算，并且对加固措施进行评价。此外，强度储备系数、超载安全度、综合稳定安全系数以及应力位移对比方法等也常应用于坝基安全性及其处理措施评价。如方朝阳等[2]利用强度储备法对隘口沥青混凝土心墙堆石坝岩溶坝基的稳定性及处理措施进行了研究；宁宇等[3]通过三维数值计算对坝肩、坝基岩体及坝体的应力、位移对比，定量分析主要地质缺陷的影响以及工程处理措施的效果；张林等[4-6]采用地质力学模型试验法，在连续加荷或降低材料力学参数的状态下开展试验研究，对加固措施进行评价和优化。尤其对没有潜在滑动面的复杂地基处理措施的评价，坝体的破坏、位移、应力分布等将成为评价、优化处理措施的研究对象。

2 研究对象

某碾压混凝土重力坝最大坝高120 m，坝顶长727 m，库容5.72亿m3，坝区内主要为构造剥蚀～溶蚀地貌，大部分地基持力层为白云岩，弱风化状态，属AⅢ2岩体；少部分坝基为沥青质白云岩，弱风化状态，属AⅢ2岩体。但岩体层内挤压现象严重，存在层间错动带、断层、构造裂隙。此外，坝基内还存在规模较大的溶蚀大厅、落水洞以及隐伏洞穴区地质缺陷，严重影响坝体的稳定性。

本文选取该碾压混凝土重力坝24号坝段开展加固处理措施研究，针对复杂缺陷地基提出四种不同的处理措施，基于有限元超载法研究碾压混凝土重力坝在不同加固方案条件下坝基接触面的应力、位移以及坝体破坏发展状态，评价不同处理措施的加固效果。

3 计算模型及加固处理措施

3.1 计算模型及力学参数

24号坝段的地质剖面见图1，为准确模拟坝体与基岩的相互作用，从坝轴线向上游取坝高的2.5倍，向下游取坝高的3.3倍，建基面以下岩体范围取至480 m高程，深度是坝高的三倍，有限元模型见图2。计算模型中充分反映不同岩体、断层、溶洞等的空间位置及岩性。岩体材料计算参数见表1 。

表1 24号坝段坝址区岩体物理力学参数

图1 24号坝段地质剖面图

图2 有限元模型图

3.2 坝基加固处理措施

从图1中的地质剖面图可以看出，在坝基中有规模较大的K111溶蚀大厅，在其下游侧20 m范围内存在溶洞K1、溶洞K2、裂隙JC22-B、裂隙JC1-C，K1与K2都倾向上游且与K111溶蚀大厅连通，两条裂隙也是倾向上游。K111大厅顶部到24号坝段建基面的岩体厚度较小，约5～10 m，其中分布了JC19-B、JC21-C、JC20-B三条裂隙，且受开挖坝基爆破影响，洞顶以上岩体存在松动圈，K111溶洞向下发育深度较大，约40 m，严重影响坝体的稳定性。

为保证并提高坝基的承载能力以及坝体的整体稳定安全度，提出并采用了以下4种工程处理方案：

(1)直接对K111溶蚀大厅空腔进行混凝土C15回填，K1，K2也进行回填灌浆，裂隙进行固结灌浆；(2)对K111溶蚀大厅底部的堆积物(高程590 m)进行5 m的清理后进行溶洞的混凝土C15回填，K1，K2回填灌浆，裂隙进行固结灌浆；

(2)对K111溶蚀大厅底部的堆积物(高程590 m)进行15 m的清理后进行溶洞的混凝土C15回填，K1，K2回填灌浆，裂隙进行固结灌浆；

(3)对K111溶蚀大厅底部的堆积物(高程590 m)进行25 m的清理，即底部堆积物完全清除后进行溶洞的混凝土C15回填，K1，K2回填灌浆，裂隙进行固结灌浆。

有限元计算工况采用正常运行工况，上游正常蓄水位658 m，下游水位572.5 m。考虑到荷载包括坝体及岩体自重、上下游水压力、扬压力等，每种工程处理方案均采用相同的超载安全系数Kc(超载倍数)水平开展研究。拟定超载系数Kc取1、1.5、2、2.5、3五个水平，分别研究在不同计算条件下坝体应力、变形及坝基的破坏连通率。

4 坝体应力变形及破坏特性

4.1 坝基接触面应力分布特性

不同超载系数Kc条件下的坝基接触面主应力曲线，见图3。从图中可知，在不同的超载系数下，坝基接触面上的主应力分布规律基本一致，坝趾处大主应力较大，而坝踵处小主应力值较大；随着超载系数的增大，坝踵处的大主应力减小，从压应力向拉应力转变，坝趾处的压应力逐渐变大；在正常荷载(Kc=1.0)条件下，坝基接触面的最小主应力分布比较均匀，在-0.25 MPa～0.25 MPa，最大主应力基本处于压应力范围；当超载系数从1增加大3时，坝踵处的小主应力从0.25 MPa减小到-2.60 MPa，而坝趾处的小主应力从-0.10 MPa减小到-0.30 MPa，坝踵处小主应力的变化幅度远远大于坝趾处的变化幅度。由此可知：坝体上游水推力的增加会对坝踵拉应力和坝趾压应力造成较大变化，可能引起坝踵的拉裂破坏，以及坝趾的压剪破坏。

4.2 坝体竖向位移特性

在不同超载系数下的坝基竖向相对位移值(不包含自重位移)见图4。从图中可知，坝体在上游水荷载产生的弯矩作用，坝基接触面靠坝踵部位竖向位移铅直向上，靠坝趾部位竖向位移铅直向下；超载系数Kc从1增大到3，坝体接触面的位移值逐渐增大，而且坝踵部位位移变化大于坝趾，与超载系数增大过程中坝踵部位拉应力增长率较大的结论一致。

4.3 坝体破坏分布特性

采用逐级降低材料的黏聚力和摩阻系数，可以对坝体的破坏区域及破坏发展规律进行预测分析。在降强倍数相同，不同超载系数Kc下坝体的破坏分布，见图5。从图中可知，坝体的破坏主要出现在坝踵和坝趾部位，坝踵以拉裂破坏为主，坝趾以压剪破坏为主。当超载系数Kc为1和1.5时，坝基接触面靠上游局部产生了少量的拉裂破坏，随着超载系数的增大，坝踵处的拉裂破坏逐渐向下游和坝内发展。当超载系数为3时，坝踵部位的拉裂破坏发育深度达到5.5 m，在坝趾附近也产生了塑性破坏。

(a)大主应力 (b)小主应力图3 不同超载倍数Kc下的坝基接触面主应力曲线

图4 不同超载系数下坝基接触面竖向位移曲线

由此可知：坝体在超载情况下，坝踵处会产生较大的拉应力，坝趾处的混凝土是处于受压状态，坝踵处材料的拉应力超过抗拉强度值。首先屈服产生拉裂破坏，随着荷载的增大，坝踵处的拉裂破坏进一步向坝体内发展，坝趾处的压应力增大并产生压剪破坏，当超载达到一定程度，坝踵、坝趾处的破坏区域继续向坝体内扩展，直至失稳溃坝。

图5 不同超载系数Kc下坝体的破坏分布图

5 复杂坝基加固方案评价

为评价24号坝基的处理措施加固效果，对各地基处理方案不同超载系数下的竖向位移进行比较，见图6～9。从不同地基处理方案的坝底位移曲线可知：方案一的坝体竖向位移最大，方案二的坝体竖向位移其次，方案三的坝体竖向位移较小，方案四的坝体竖向位移最小。而且从图中可看出：在地基处理方案一条件下，坝基接触面产生竖直向上位移的范围最大，说明接触面受拉区域较大。在坝基处理方案四下的坝基接触面产生向上位移的区域最小，坝基受拉面较小。如果坝踵和坝址的位移差越大，则坝体接触面的受力越不均匀，坝体向下游倾倒溃坝的可能性越大。从坝基接触面的位移分布以及坝踵坝址的位移差都充分说明处理方案四比其他三种处理方式更具有优势，坝基接触面产生的位移较小且坝基接触面上下游位移差异较小，使坝体具有更高的稳定性和安全性。

图6 超载系数Kc=1.0时坝体竖向位移曲线

图7 超载系数Kc=2时坝体竖向位移曲线

图8 超载系数Kc=2.5时坝体竖向位移曲线

图9 超载系数Kc=3时坝体竖向位移曲线

6 结 语

本文通过有限元超载法对碾压混凝土重力坝的地质缺陷坝基接触面应力、位移及坝体破坏进行分析，评价不同地基处理措施的加固效果。 研究得知：随着超载系数的增大，坝基接触面上游部位的拉应力和下游部位的压应力均增大，且坝踵拉应力增长幅度大于坝趾压应力的增长幅度。在水推力作用下，坝基接触面上游部位向上变形，下游部位产生向下的位移；随着超载系数的增加，坝基竖向位移增大，坝踵与坝址的位移差也随之增大。超载系数的增大使坝体坝踵处的拉裂破坏区域增大，坝趾处也会出现压剪破坏。

通过不同地基处理方案坝基竖向位移的对比发现，在相同荷载条件下坝基处理方案四的坝基位移最小，且坝踵与坝趾位移差小，地基处理方案四较其他三种地基处理方案加固效果更具优势，使坝基具有更高的承载能力和稳定性。