某水电站重力坝深层抗滑稳定分析

赵梦岩，付培祥

（中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222）

在重力坝设计时，大坝在岩基上沿软弱夹层的滑动稳定问题，是影响大坝安全的重要问题。经过国内大量工程实例证明，使用SL319—2018《混凝土重力坝设计规范》中的刚体平衡法，对坝基存在软弱结构面、缓倾角裂隙的坝体，进行深层抗滑稳定分析简便可行。但是此种计算方法在国外的实用案例较少，本文以某水电站为例，采用刚体平衡法对坝体深层抗滑稳定进行计算，从而为同类型工程遇到相似地质条件时提供设计参考。

1 工程概况

某水电站工程主要建筑物为：拦河坝、冲沙闸、发电引水建筑物、电站主副厂房、GIS开关站及电站运行村等。拦河坝轴线呈直线布置，由溢流坝和非溢流坝两部分组成，为细石混凝土砌石重力坝，溢流坝和非溢流坝坝顶全长185m，冲沙闸20m，坝轴线总长205m。

大坝共分8个坝段，从左至右，1#坝段为非溢流坝段，长30m；2#坝段为冲沙闸坝段，长20m；3#~5#为溢流坝段，长96.9m；6#坝段为生态溢流坝段，长12m；7#~8#为非溢流坝段，长21.1m。

非溢流坝位于河床左、右岸，坝顶总长76.1m，坝体为浆砌石，外包混凝土，下游表面混凝土厚度0.3m，上游折点以上为0.5m厚，折点以下为0.5~0.93m。非溢流坝坝顶高程359.80m，最低建基面高程337.00m，最大坝高22.80m，坝顶宽度3.50m。选取1#坝段作为非溢流坝段的代表坝段，进行坝体深层抗滑稳定分析，如图1。

图1 1#坝段典型断面

2 计算条件

2.1 地质条件

坝址区出露地层有上元古界地层及第四系松散堆积物。坝基主要岩体力学指标设计值如表1。

表1 坝基主要岩体力学指标

在坝基建基面高程330m以上边坡部位发现有层间破碎夹层，厚度在1～5cm，波状起伏，在坝基范围连续分布。1#非溢流坝段在336.00m高程发育CJ7层间破碎夹层，总体以岩屑夹泥型为主，围岩界面起伏大，部分地段起伏差大于夹层厚度。夹层照片如图2～图3。

图2 CJ7层间破碎夹层01

图3 CJ7层间破碎夹层02

根据CJ7夹层性状特征，参考规范要求及类似工程经验，提出夹层抗剪强度指标建议值：f′=0.40～0.45；c′=0.08～0.10MPa。

本工程区场地地震动峰值加速度不超过0.05g，相应地震基本烈度小于Ⅵ度，可不进行抗震计算。

2.2 设计基本资料

砌石容重22kN/m3；（对应密度2.25g/cm3）；混凝土容重24kN/m3；（对应密度：2.45g/cm3）；重力加速度g=9.78m3/s。

3 大坝深层抗滑稳定

3.1 计算方法

3.1.1 滑动面选取

根据地质勘察资料，存在的CJ7层间破碎夹层沿层面发育，产状为：桩号河0-002.6～0+021，走向NW320°～340°，倾NE或SW，倾角3°～10°。因此，通过概化后，选取滑动面从上游倾下下游，倾角10°。该软弱夹层到下游坝脚后即消失了，因此最可能的滑出面应沿下游的岩体一个假定滑裂面滑出，其中较危险的一个滑动面应是与上游对称的10°。

通过以上概化和假定，采用双滑动面进行分析计算。1#坝段的基础深层抗滑稳定的滑动面如图4。

图4 双滑动面计算模型

3.1.2 深层抗滑稳定分析方法

采用刚体平衡法，对坝基堰体内存在软弱结构面、缓倾角裂隙的坝体，进行深层抗滑稳定分析。根据SL319—2018《混凝土重力坝设计规范》，深层抗滑稳定计算采用等安全系数法，按抗剪断强度公式计算。采用附录E中的计算公式E.0.2-1及E.0.2-2，

以ABD块的稳定，力平衡方程如下：

以BCD块的稳定，力平衡方程如下：

式中 K′1，K′2为按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数；W为作用于坝体上全部荷载（不含扬压力）的垂直分值（kN）；H为作用于坝体上全部荷载（不含扬压力）的水平分值（kN）；G1，G2为岩体ABD/BCD重量的垂直作用力（kN）；f′1，f′2为AB/BC滑裂面上的抗剪断摩擦系数；c′1，c′2为AB/BC滑裂面上的抗剪凝聚力（kPa）；A1，A2分别为AB/BC面的面积（m2）；α，β分别为AB/BC面与水平面的夹角；U1，U2，U3分别为AB/BC/BD面上的扬压力（kN）；Q为BD面上的作用力（kN）；φ为BD面上的作用力Q与水平面的夹角；从安全考虑φ=0。

3.2 荷载及荷载组合

3.2.1 荷载

基本荷载主要考虑自重、上游水压力、下游水压力、泥沙压力及扬压力。

3.2.2 荷载组合

大坝稳定计算荷载组合如表2。

表2 大坝深层抗滑稳定计算荷载组合

3.3 深层抗滑稳定分析结果

根据CJ7夹层性状特征，参考规范要求及类似工程经验，地质工程师提出其抗剪强度指标建议值：f′=0.40～0.45；c′=0.08～0.10MPa。为了偏于安全，上游滑动面的抗剪强度参数取小值，即f′1=0.4，但对于凝聚力在坝基进行灌浆之后会得到改善，可以取大值，即c′1=0.1MPa。

对于下游滑动面，由于坝体下游没有发现出露的软弱夹层，则假定下游也按照与上游同样倾角10°进行计算。但岩体的抗剪参数按照地质建议值中的数值选取，考虑到是河床上部，按照强风化层，IV岩体取值，并考虑偏于安全，取下限值，即：f′2=0.6，c′2=0.4MPa。

并假定以下计算条件：

（1）假定上游侧坝体滑动按照勘察的软弱夹层滑动，下游按照假定的滑动面滑动，下游滑动面的参数按照岩体力学指标取值；f′1=0.4，f′2=0.6，c′1=0.1kPa，c′2=0.4kPa。

（2）根据地质勘察，假定上游滑动面与水平面夹角为10°。

（3）假定两个滑动块之间的力Q与水平面夹角为0°。

（4）沿软弱夹层滑动面的扬压力不折减。

（5）取一个坝段的单宽进行计算。

根据大坝体型及地质资料，假定滑动块ABD、BCD体型相同。AD=DC=25m，α=β=10°。根据规范要求，令K′1=K′2=K′，联立方程组，求得相应的K′1/K′2及Q。计算得出各工况下K′值。

各荷载组合下的计算过程如表3。

表3 1#坝段坝基深层抗滑稳定计算

续表3

从表中结果可以看出，3种工况下的安全稳定系数分别为4.96，4.54，4.23，均满足规范要求。坝基深层抗滑稳定安全系数的规定值如表4。

表4 大坝深层抗滑稳定计算荷载组合

4 结语

（1）结果表明，坝段在各个工况下均满足规范中对坝基抗滑安全系数的要求，坝基基础没有出现拉应力，尚有一定富裕。本工程大坝抗滑稳定是安全的。

（2）总结某水电站深层抗滑稳定分析的工程经验，相比其他工程案例，此地区地质资料普遍缺失，相关类似工程经验较少，对地质工程师的经验判断能力要求很高，本次计算过程表明，地质参数的选取对计算结果的影响至关重要。在本工程实例中地质工程师根据CJ7夹层性状特征，提出其上游滑动面的抗剪强度参数取小值，凝聚力在坝基进行灌浆之后会得到改善可以取大值的建议，做出这种判断需要地质工程师具有丰富的工程经验，根据最终坝体位移的实际测量结果，证明本次坝体稳定计算成果是准确的。如遇类似工程，除了开展必要的前期查勘工作，更应该尽力收集当地已建工程的地质资料，这是提高计算准确性的有效方法。