复杂地质条件下重力坝岸坡抗滑稳定分析

邓西标

（安徽省水利水电勘测设计研究总院有限公司 合肥 230088）

1 工程概况

牛岭水库地处徽水河中下游，控制流域面积850km2，约占徽水流域总面积的80%。牛岭水库规模为大（2）型水库，工程等别为Ⅱ等，是一座以防洪为主，结合供水，兼顾发电、灌溉等综合利用的水利枢纽工程。水库总库容1.67 亿m3，电站装机容量19MW。水库死水位95.0m（吴淞高程系、下同），汛限水位114.5m，正常蓄水位117.0m，20年一遇洪水位117.5m，50年一遇防洪最高水位为120.5m，相应防洪库容0.5 亿m3，100年一遇设计最高洪水位121.0m，1000年一遇校核标准洪水位为121.98m，最大坝高59.0m。枢纽工程由混凝土重力坝、坝顶泄洪表孔、坝身泄洪中孔、坝内埋管式发电引水系统、坝后式发电厂房和升压开关站、鱼道、放空底孔等建筑物组成。

2 抗滑稳定计算

2.1 计算理论

坝基面抗滑稳定安全系数采用《混凝土重力坝设计规范》（SL319-2018）公式6.4.1-1 计算：

式中：

K'—按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数；

f'—岩体间的抗剪断摩擦系数；

C'—岩体间的抗剪断凝聚力；

A—坝基接触面截面积，m2；

∑W—作用在底板以上的全部竖向荷载，kN；

∑P—作用在建筑物上的全部水平荷载，kN。

2.2 计算成果

坝基岩体主要为石英细砂岩和砂质页岩，以石英细砂岩所占的比例较大，右岸坝基的建基面一般分布在弱风化岩体上。为安全起见，计算采用表1参数的下限值：f'=0.8，c'=0.55MPa；抗滑稳定安全系数计算成果见表2，岸坡坝段计算为按整个坝段考虑三向荷载的合力方向分析计算的抗滑稳定结果，结果均满足规范要求。

表1 坝址岩体物理力学性质指标建议值表

表2 岸坡坝段坝基面抗滑稳定安全系数（三向稳定）计算结果表

3 坝基深层抗滑稳定计算

3.1 计算理论

根据《混凝土重力坝设计规范》（SL319-2018）附录C，深层抗滑稳定计算采用等安全系数法，按抗剪断强度公式进行计算，示意图见图1，计算公式如下：

图1 坝体深层抗滑稳定示意图

考虑ABD 块的稳定，则有：

考虑BCD 块的稳定，则有：

式中：

K1'、K2'—按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数；

W—作用于坝体上全部荷载(不包括扬压力，下同)的垂直分值，kN；

H—作用于坝体上全部荷载的水平分值，kN；

G1、G2—岩体ABD、BCD 重量的垂直作用力，kN；

f1'、f2'—AB、BC 滑动面的抗剪断摩擦系数；

c1'、c2'—AB、BC 滑动面的抗剪断凝聚力，kPa；

A1、A2—AB、BC 面的面积，m2；

α、β—AB、BC 面与水平面的夹角；

U1、U2、U3—AB、BC、BD 面上的扬压力，kN；

Q—BD 面上的作用力，kN；

3.2 计算成果

根据地勘报告，右岸坝基上、下游分布有F5、F6、F27、F28以及F29等陡倾角断层，岩层层面产状为20°～25°，为缓倾角，倾向河床偏下游，坝基（Ss1+Sh）-Ⅱ岩组内分布一条层间错动带Z5，宽0.6～0.8m，为灰白夹黄色强风化岩石，局部夹泥，工程性质较差，则由层间错动带Z5为滑动面，由F5或F29为拉裂面，以F6或F27为侧向切割面，则构成了右坝基的不稳定体，对右岸坝基抗滑稳定不利，如图2 所示。

图2 右岸主要地质构造分布简图

Z5层间错动带层面走向为N40°～55°E，倾角为NW20°～25°，根据走向及倾角的不同组合，右岸岸坡坝段深层抗滑稳定做敏感性分析，寻找最危险滑动面。

3.2.1 沿Z5 层间从坝基下游山体滑出

①以F29为其上游切割面，以Z5层间错动带为底滑面，假定坝基下游岩体抗力不足，沿岩体发生剪切破坏，从坝基下游山体滑出，滑动面倾角假定为25°，计算简图见图3。

图3 坝基深层抗滑稳定计算简图一

上游切割面F29为拉裂面，不考虑c′及f′值。底滑面Z5假定连通率为100%，按岩屑夹泥考虑，f′拟取0.35，c′取0.05MPa，下游滑动面沿岩体发生剪切破坏，假定弱风化岩体占比为50%，强风化岩体占比亦为50%，其中弱风化岩体包含有Ⅱ、Ⅲ类岩组，按各占50%考虑，而强风化岩体为Ⅲ类岩组，综合加权后下游滑动面摩擦系数f′为0.70，内聚力c′取0.45MPa。

根据地勘成果及大坝建基面开挖设计成果，坝基范围内④号坝块及④号坝块左岸坝段下伏Z5层间错动带均已被挖除，断层F29与Z5层间错动带的滑动组合对右岸①、②及③号坝块深层抗滑稳定产生影响。参照《混凝土重力坝设计规范》 （SL319-2018），采用等安全系数法对上述三个坝块按抗剪断强度公式进行计算，计算结果见表3。

表3 右岸岸坡坝段深层抗滑稳定安全系数计算结果表

3.2.2 沿Z5 层间向河床方向滑出

②以F29为上游切割面（拉裂面），以Z5层间错动带为滑动面，F6为下游侧向切割面，向河床方向滑出，滑动面倾角23°～25°，计算简图见图4。

图4 坝基深层抗滑稳定计算简图二

上游切割面F29为拉裂面，不考虑c′及f′值，滑动面Z5假定连通率为100%，按岩屑夹泥考虑，f′拟取0.35，c′取0.05MPa，下游切割面F6，根据描述为胶结较好的强～弱风化角砾岩夹1～3cm 岩屑，按岩块岩屑考虑，f′拟取0.50，c′取0.10MPa。

根据地勘成果及大坝建基面开挖设计成果，坝基范围内④号坝块及④号坝块左岸坝段下伏Z5层间错动带均已被挖除，断层F29、F6与Z5层间错动带的滑动组合仅对右岸③号坝块深层抗滑稳定产生影响。参照《混凝土重力坝设计规范》（SL319-2018），采用刚体极限平衡法对③号坝块按抗剪断强度公式进行计算，计算结果见表4。

由表4 可见，右岸岸坡坝段沿Z5层间错动带，各工况顺河向深层抗滑稳定由于考虑了坝后岩体的联合阻滑作用，计算结果满足规范要求；③号坝块河床向沿Z5层间错动带深层抗滑稳定不满足规范要求。

Z5层间错动带位于坝基（Ss1+Sh）-Ⅱ岩组内，于右岸PD1 勘探平洞揭露，走向N40°～55°E，倾角NW20°～25°，宽度0.60～0.80m。根据大坝布置，右岸岸坡段大坝建基面71.0m 高程以下（④号坝块），Z5层间错动带基本被挖除，71.0m 高程以上该错动带深入山体，③号坝块坝趾处最大埋深约9.62m，挖除施工难度较大。考虑到下部岩体深部掏挖，上部坝块（主要为①～③坝块）基岩形成横河向临空面，在Z5层间错动带及断层、裂隙组的切割下，容易形成空间不稳定体，因此，拟于右岸岸坡段下伏Z5层间错动带大坝建基面范围内设置抗滑锚杆，根据计算，锚杆采用Φ28@1000mm×1000mm，梅花形布置。由表4 可见，考虑基础抗滑锚杆作用后，河床向沿Z5层间错动带深层抗滑稳定满足规范要求。

表4 右岸③号坝段河床向深层抗滑稳定安全系数计算结果表

4 结论

通过上述抗滑稳定分析和深层抗滑稳定分析，得到牛岭水库右岸坝段①、②、③坝段的稳定计算结果。上述计算仅考虑单独坝块各工况下的深层抗滑稳定，未计入相邻坝块的阻滑作用，因此，右岸岸坡各坝段深层抗滑稳定在实际运行工况下是满足稳定要求的，但应注意在施工过程中，做到随层开挖、随层支护、随层喷锚，确保施工期边坡稳定及施工安全■