连续缓倾软弱结构面控制下的坝基岩体稳定性分析

2021-11-10王德库

山西建筑 2021年22期

王德库，谭春，隋伟

(1.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春 130000； 2.水利部寒区工程技术研究中心，吉林长春 130000)

1 概述

混凝土重力坝是依靠自身重力承受荷载的坝型，是水利工程中必不可少的一部分[1]。坝基的稳定性是大坝正常运营的关键，一旦发生失稳，将对下游造成巨大的损失。因此，必须对混凝土重力坝及其坝基稳定性进行评价[2]。通常，重力坝的破坏分为沿坝底的浅层滑动和坝基岩体的深层滑动[3]。然而，随着施工技术的发展，浅层滑动不能威胁重力坝稳定性。而对于沿坝基岩体的深层滑动主要受岩体中发育的软弱结构面控制[4-5]。软弱结构面是岩体工程中经常遇到的一种地质现象，它的物理力学性质较差，往往会给工程带来不利的影响。因此，软弱结构面的准确评价对水电工程安全十分重要。

目前，对于深层滑动稳定的分析方法和安全系数的求解尚无统一的规定[6]。其分析方法主要分为三种：刚体极限平衡法，地质力学模型试验方法，数值分析方法[7]。刚体极限平衡法是应用最广泛的稳定计算方法，但它未考虑岩体内部形变，无法分析岩体的启裂破坏与演化历程，进而不能考虑岩体变形、地面变化对坝基岩体稳定性的影响[8]。地质力学模型试验是根据相似性原理来模拟真实的物理实体，试验结果较直观形象。但是材料的配比和模型的建立是一项耗时较长的任务，需要的体力和财力都较大，因此，地质力学模型试验有在一些重大工程中使用。

随着计算机性能的提高，数值计算方法的应用越来越广泛，逐渐成为坝基稳定性分析的重要手段[9]。何江达等[10]、徐卫亚等[11]、黄诚等[12]分别使用数值方法对百色RCC重力坝、光照重力坝、金沙江鲁地拉水电站重力坝基础的稳定性进行了分析与评价。其中，基于显示有限差分法的数值软件FLAC3D，采用动态松弛技术，无需求解大型联立的方程组，极大地提高了计算效率。并且，它依据材料的本构关系来模拟材料的破坏过程，被广泛应用于边坡、基坑、坝基岩体稳定性分析中[13]。本文结合大藤峡水利枢纽重力坝，采用无厚度接触摩擦单元Interface来模拟No.29泄水闸坝基岩体中的软弱夹层，对No.29泄水闸坝段建立三维数值模型进行计算分析。最后采用超载法分析了连续缓倾软弱夹层控制下坝基的稳定性水平，为工程后期的加固处理提供参考依据。

2 工程概况

当前，正在建设的大藤峡水利枢纽工程主坝处于大藤峡出口的弩滩附近，其坝址区距桂平黔江彩虹桥约为6.6 km。地理坐标为北纬23°09′，东经110°01′。大藤峡水利枢纽集防洪、航运、发电、灌溉等综合功能于一体。水库正常蓄水位为61.00 m，对应的库容为28.13×108m3。大藤峡主坝坝型为混凝土重力坝，最大坝高可达80.01 m，坝长约为1 343 m。其工程区现场如图1所示,由图1可见主坝位于大藤峡谷与桂平盆地之间的低山丘陵地带。坝体总体地势为东北低西南高，左岸为Ⅰ级阶地，地面高程一般41 m～43 m；右岸为低山丘陵，高程一般80 m～110 m。

No.29泄水闸坝段是主坝的重要组成部分，其地质剖面图如图2所示。泄水闸下部出露的地层主要为泥盆系下统的那高岭组D1n12以及D1n13-1～D1n13-3层和郁江阶D1y1-1～D1y1-3层。坝体下发育岩性主要为灰～灰黑色灰岩、白云质灰岩、灰绿色粉砂岩、泥质粉砂岩和灰黑色泥岩。其产状约为N10°～20°E，SE∠10°～15°。F216断层为坝址区规模较大的断层，该坝段稳定性易受F216断层的影响。断层产状N70°W，SW∠75°～85°，组成物主要为碎石、断层角砾、糜棱岩和少量断层泥。No.29泄水闸坝段坝基岩体内的软弱夹层密度比较大，厚度都较薄，通常为2 mm～5 mm，连续性和延展性都比较好。根据现场钻孔资料，得到各个软弱夹层的位置，如图2所示。大坝竣工后，水库开始蓄水，水闸将承受巨大的水推力。因此，必须在充分考虑连续缓倾软弱夹层的影响，对泄水闸的稳定性水平进行研究。

3 数值模型

3.1 模型的建立

根据No.29坝段泄水闸剖面图，利用FLAC3D建立其数值模型图。软弱夹层及断层边界的位置根据地质剖面图的位置进行建立，如图3所示。剖分网格后的FLAC3D数值模型如图4所示。在数值分析中，为了消除边界的影响，模型应当足够大。模型的长为248 m，高为164 m，宽为31.1 m。经FLAC3D剖分网格后，该模型共有39 400个单元和53 614个节点；由于在后期施工建设中，为了保证工程的安全性，已经对断层内的破碎岩体进行了灌浆处理，所以在建模中将断层内的岩体看为连续的。约束边界条件均为位移边界条件，即在x=0.0 m和x=248.0 m边界上施加X向位移约束；在y=0.0 m和y=31.3 m边界上施加Y向位移约束；在z=0.0 m边界上施加Z向位移约束。计算过程中采用超载法对泄水闸的稳定性水平进行研究。超载法是在保持坝基岩体力学参数不变的前提下，逐步增加上游荷载直至坝与地基整体破坏失稳，由此得到的安全系数称为超载法安全系数KP，其值等于超载时上游的水荷载与正常水位水荷载的比值。

3.2 参数选取

本次计算中，岩体采用Mohr-Coulomb准则，岩体需要的参数及各岩体参数的取值如表1所示。由于坝基内软弱夹层厚度极薄，在本次模拟中拟采用FLAC3D中的无厚度接触面单元Interface来软弱夹层。FLAC3D提供的接触面单元Interface是由界面单元和界面节点组成的，每个节点代表一定的区域，如图5所示。Interface可以用来分析在一定受力情况下两个接触的表面上产生错动滑移、分开与闭合。接触面单元采用线性库仑剪切准则，可以通过接触面节点和实体单元表面之间来建立联系。其需要的参数及参数取值如表2所示。

表1 岩体物理力学参数

表2 软弱夹层和断层边界力学参数

4 模拟结果分析

判断模型是否可以达到稳定平衡状态有两种常规判别方式[14-15]。

1)最大不平衡力趋近于0，或当比率R(体系最大平衡力比典型内力)小于定值1×10-5时。

2)模型内的塑性区贯通。本次模拟将综合性地从最大不平衡力和塑性区的贯通两方面来判断坝基岩体的稳定状态。

首先，泄水闸建成后，在泄水闸重力左右下闸室和坝基会发生沉降，产生竖向位移。如图6所示，No.29坝段在泄水闸重力作用下呈现中心式沉降，最大竖向沉降位移为-3.254 8×10-2m。但这种变形特征没有考虑水荷载，与实际不符，因此需要进行蓄水位工况下的位移模拟。

在进行蓄水位工况下的位移模拟时，将坝体自重产生的位移进行清零，逐步施加外荷载(水荷载)，验证坝基稳定性。根据模拟结果，No.29坝段在正常蓄水工况下，随着外荷载增加，最大不平衡力最后趋于0，且各监测点的位移趋于稳定值，由此说明No.29坝段在正常蓄水位下是稳定的。

不同超载系数下模型内塑性区的分布图如图7所示。当超载系数KP=4.0时，坝基岩体内开始出现塑性破坏区，塑性区主要分布在坝趾处基岩，上述位置的塑性区未贯通。继续加载，模型内的塑性破坏区逐渐在增加。当超载系数KP=9.0时，模型内的塑性区贯通，说明坝基岩体在超载的作用下发生破坏。此时计算过程中的最大不平衡力曲线如图8所示，最大不平衡力值一直处于波动状态，说明模型不能收敛，即发生了破坏。