复杂地质条件下坝肩抗滑稳定计算及处理设计

符昌胜，汪 罗，马富强

(贵州省水利水电勘测设计研究院有限公司，贵阳 550002)

1 工程概况

五嘎冲水库工程位于贵州省普安县境内，水库总库容9 912×104m3，正常蓄水位1 337 m，工程规模为中型，工程等别为Ⅲ等。水库枢纽区包括碾压砼拱坝、坝顶溢洪道、泄洪冲沙底孔、发电及灌溉取水建筑物和电站厂房。碾压混凝土双曲拱坝最大坝高108 m，按2级建筑物设计。坝顶长186.43 m，坝顶宽6～6.6 m。拱冠梁底厚26 m，厚高比0.24，为中厚拱坝。

2 坝址地质条件和地质参数

坝址河道狭窄，两岸陡峭，总体呈U形型深切河谷，河道走向总体呈S形，大坝下游河道约170 m向右转弯形成右岸山脊地形，左岸山体雄厚，边坡陡立高差约300 m。坝肩持力层出露地层主要为三迭系中统关岭组中厚层灰岩。岩层缓倾下游偏左岸，倾向53°，倾角7°～8°。

坝高范围内两岸出露两层软弱夹层：①软弱层2位于T2g2-1地层与T2g2-2地层分界处，处于坝高中部位置，厚0.8 m左右，成分为薄层泥灰岩、泥质白云岩及钙质泥岩。②泥化夹层(NJ1)处于坝高的中下部，为层间泥化夹层，厚25～27 cm,局部达30 cm,沿层面延伸，成分为黄色、黄褐色黏土夹碎石。

山体平行发育几组卸荷裂隙，裂隙走向与河道走向夹角35°～40°，其中L1裂隙对大坝稳定影响大。L1为一小型逆断层，破碎带宽约5～15 cm，断距约25 cm，走向N60°E，与拱坝端面近平行，距离右岸坝顶约22 m，倾向SE或直立(倾角85°～90°)，可见溶蚀现象，延展性较好。L1裂隙在坝顶高程以上表现为多条裂隙组成的裂隙带，向下切割逐步收拢为一道裂隙，同时裂隙本身存在一定的倾角，而且在垂向上也呈波浪状扭曲。坝址物理力学指标建议值见表1。

表1 坝址物理力学指标建议值

3 计算方法及结论[1-2]

3.1 抗滑稳定计算模式选取

右坝肩山体受岩层产状、连通好的L1、L2裂隙和6组节理裂隙切割，形成如图1所示的抗滑岩体独立体。右岸裂隙产状与坝肩位置关系见图1。

图1 右岸裂隙产状与坝肩位置关系图

右坝肩拱端不利地质结构面陡立的有：贯通的L1裂隙、岩体发育的裂隙①，缓倾的有位于坝高中间的软弱层2和中下部的泥化夹层(NJ1)。根据《拱坝坝肩岩体稳定分析》空间稳定分析的分段等Kc值法中“在坝肩岩体中有底部水平结构面及两个铅直结构面呈折面滑移的空间稳定分析”，采用等Kc法折线侧滑面进行刚体极限平衡分析计算。结合裂隙玫瑰图分析，裂隙②发育明显，可作为两个滑移块体之间的错动面，因此形成了由裂隙①和裂隙②切割形成的上游滑移块Ⅰ、由裂隙②和L1切割形成的下游滑移块Ⅱ。等Kc滑动模式计算示意图见图2。

图2 等Kc滑动模式计算示意图

此外，根据初设勘察，右岸山体发育有多条平行卸荷裂隙，L1下游不远即有L2裂隙，因此假设下游继续发育规模较小的平行裂隙，上述滑动模式中裂隙①与L1交点按不利滑动面对平行裂隙进行切割。平行卸荷裂隙与裂隙①组合形成的台阶拟合面，与L1夹角按5°～20°取值，坝肩至L1的裂隙①为上游滑面。

3.2 计算假设和计算公式

3.2.1 基本假定

1) 滑移体视为刚体，不考虑其中各部分间的相对位移。

2) 只考虑滑移体上力的平衡，不考虑力矩的平衡，认为后者可由力的分布自行调整满足，因此在拱端作用的力系中也不考虑弯矩的影响。

3) 忽略拱坝内力重分布的影响，认为拱端作用在岩体上的力系为定值。

4) 达到极限平衡状态时，滑裂面上的剪力方向将与滑移的方向平行，指向相反，数值达到极限值。

3.2.2 计算公式

坝肩稳定分析采用“刚体极限平衡法”，荷载组合与拱坝应力计算组合一致。1、2级拱坝及高拱坝采用式(1)进行计算：

(1)

式中：K为抗滑稳定安全系数；N为垂直于滑裂面的作用力；T为沿滑裂面的作用力；A为计算滑裂面的面积；f1为抗剪断摩擦系数；c1为抗剪断凝聚力。

f1和c1值应按相应于材料的峰值强度(小值平均值)采用。对脆性破坏的材料，采用比例极限；对塑性或脆塑性破坏的材料，采用屈服强度；对已经剪切错断过的材料，采用残余强度。

3.3 荷载计算

拱端力系：采用ADASO程序计算得出的相应各层拱圈在不同荷载组合下的拱端推力作为拱端力系。

抗滑岩体上游面水压力P2：渗透压力折减系数取0.35。根据地质建议，裂隙①连通率约为40%，裂隙走向与拱肩推力、剪力合力方向基本一致，蓄水后合力不会导致裂隙连通率有大的变化，同时设计对坝肩进行固结灌浆，并对拱肩明显的裂隙进行专门的追踪钻孔灌浆处理。综合考虑，上游面水压力根据裂隙贯通计算，并总体乘以0.5的折减系数。

滑块Ⅰ底面扬压力U2：就整个抗滑岩体底部扬压力分部而言，上游近坝一侧局部位于帷幕上游，水头较高，但坝后即为临空面，上游L1一侧受帷幕和排水幕控制，水头较低。同时结合渗流场分析，综合考虑扬压力仅作用于滑块Ⅰ，滑块Ⅱ不考虑扬压力，滑块Ⅰ扬压力水头为0.35倍水头差，水头不渐变。

滑块Ⅰ岩体自重W2：岩体自重采用各高程平切面积计算，计算公式采用台体体积公式，岩体容重取2.7 t/m3。平切面积含强风化岩体，层面抗滑计算时不考虑强风化岩体。

滑块Ⅱ侧面水压力P3：采用各高程平切面计算侧滑面水压力，侧滑面上游端水头为相应高程与水位高差的0.35倍，下游端为零。

滑块Ⅱ底面扬压力U3：结合渗流场分析，综合考虑扬压力仅作用于滑块Ⅰ，U3=0。

滑块Ⅱ岩体自重W3：岩体自重采用各高程平切面积计算，计算公式采用台体体积公式，岩体容重取2.7 t/m3。平切面积含强风化岩体，层面抗滑计算时不考虑强风化岩体。

两滑块之间推力Q及推力角φ：两滑块之间推力为试算值，输入Q值使得滑块Ⅰ抗滑稳定满足规范要求。推力角φ为错动面上正应力和剪应力的合力角，φ取值需满足两个条件：Q力沿合力角分解后与其他荷载共同作用使得裂隙①面无拉应力；错动面可提供的抗剪断力除Q力沿错动面形成的剪力大于抗滑安全系数(错动面抗剪断面积取实际面积扣除强风化后取80%)。

荷载分解：底滑面岩层倾下游偏左岸，倾角7.5°。滑块Ⅰ计算时，考虑拱端竖向力W1和岩体自重W2沿层面向下游切向分力，分力分解方向同P1，岩层倾角按垂直裂隙①面的视倾角计算。滑块Ⅱ计算时，考虑拱端竖向力W3沿层面向下游切向分力，岩层倾角按沿L1走向的视倾角计算。

3.4 双侧滑面坝肩稳定计算

对滑块Ⅰ进行抗滑稳定计算，计算简图见图3。

注：ε：为岩层真倾角；ε′：岩层视倾角；S1：错动面面积；S2：底面面积；S2′：侧面面积。图3 滑块Ⅰ计算简图

对于滑块Ⅰ安全系数采用式(2)进行计算：

(2)

同时对错动面采用式(3)进行抗剪强度复核：

(3)

式中：f②′、c②′为裂隙②面裂隙与岩体抗剪断参数的加权值；f′、c′为岩层层面与处理措施抗剪断参数的加权值；S1考虑扣除强风化层，乘以面积系数0.8。

对滑块Ⅱ进行抗滑稳定计算，计算简图见图4。

对于滑块Ⅱ采用式(4)进行安全系数：

注：ε：岩层真倾角；ε′：岩层视倾角；S3：底面面积；S3′：侧面面积。图4 滑块Ⅱ计算简图

(4)

计算时，输入Q值和φ值试算，使得滑块Ⅰ抗滑安全系数和错动面抗剪断满足规范要求。将Q值和φ值列入滑块Ⅱ计算抗滑安全系数，若不满足规范要求，则计算需补充的抗滑力。

3.5 计算结果

L1面未处理，底滑面采用层面参数，不同工况稳定计算需补充抗滑力见表2。

表2 不同工况稳定计算需补充抗滑力表

由表2可见，死水位水荷载小、校核洪水工况规范要求安全系数低，因此坝肩抗滑不利工况为正常蓄水位，尤其是温升工况。

L1面处理后，底滑面采用层面参数，工况一、工况三稳定计算需补充抗滑力见表3。

表3 工况一、工况三稳定计算需补充抗滑力表(一)

L1面处理后，1 288和1 275 m高程采用软弱层参数，其余采用层面参数，工况一、工况三稳定计算需补充抗滑力见表4。

表4 工况一、工况三稳定计算需补充抗滑力表(二)

L1面处理后，1 288和1 275 m高程采用抗剪平洞处理后加权参数，其余采用层面参数，工况一、工况三稳定计算需补充抗滑力见表5。

表5 工况一、工况三稳定计算需补充抗滑力表(三)

通过计算可见，右岸坝肩整体稳定需通过L1处理和预应力锚索提供6.63×104t抗滑力，其中L1处理提供5.33×104t抗滑力，预应力锚索提供1.3×104t抗滑力。对于软弱夹层，1 275 m高程需通过抗剪平洞提供2.47×104t抗滑力，1 288 m高程需通过抗剪平洞提供1.93×104t抗滑力。

4 加固处理措施[3-4]

4.1 L1裂隙处理

L1处理对拱坝右坝肩抗滑稳定安全至关重要，同时也是坝肩压缩变形控制的基础。设计考虑对L1裂隙面进行置换处理，处理措施有两个：①采用竖井+平洞沿裂隙面开挖，然后采用钢筋混凝土充填开挖断面，并对开挖断面附近岩体进行固结灌浆；②以竖井和平洞作为施工通道，对竖井、平洞周边裂隙进行高压水冲洗，并采用C30一级配自密实混凝土回填。

4.2 缓倾软弱层处理

根据抗滑稳定计算，需对软弱层处理，设计采用抗剪平洞进行面积置换。抗剪平洞宽4 m，高4.5 m，为城门洞型，沿软弱层出露追踪开挖，使得软弱层位于洞身高度一半位置，平面布置结合前期勘探平洞进行布置，平洞开挖均位于弱风化岩体内。平洞开挖完成后，需对洞周岩体进行固结灌浆。

4.3 坝肩预应力锚索设计

结合右岸山体地形、地质和施工条件，锚索布置自下而上取3层分布。上层锚索布置高程1 320和1 318 m，共布置25束；中层锚索布置高程1 300、1 298和1 296 m，共布置45束；下层锚索布置高程1 281、1 279和1 277 m，共布置60束。

4.4 坝肩山体排水设计

根据抗滑稳定计算分析，坝肩山体渗水对稳定影响较大，因此需对右岸抗滑山体采取系统截水和排水措施。主要有：①两层帷幕灌浆平洞进行坝肩帷幕灌浆，同时下层灌浆平洞下游侧设排水幕；②利用勘探平硐穿过L1部分作为排水洞，对L1靠山一侧进行排水；③抗滑岩体临河一侧设置排水孔；④两层施工平洞临近L1部分不衬砌，作为平行L1的其他裂隙排水通道；⑤对抗滑山体顶部地表进行截水覆盖，地表裂隙进行封堵。

4.5 下游山体护脚处理

坝肩右岸山体岩层倾下游偏左岸，地形陡峭，局部有倒悬，卸荷裂隙发育，岩体完整性较差。护脚采用C25钢筋混凝土护脚，沿消力池护坦右侧向下游布置，长64 m。

5 结 语

五嘎冲拱坝右坝肩地质条件复杂，受其中L1裂隙、软弱层2和NJ1的影响，坝肩稳定计算成果不满足规范要求。设计采用L1裂隙和软弱层置换、预应力锚索和护脚加固、减少山体渗水等综合措施进行处理，保证了大坝的抗滑安全，也能为同类工程提供借鉴与参考。