吕石源

（福建省周宁县水利局，福建 周宁 355400）

重力坝坝体基岩通常存在节理、裂隙或断层等复杂地质结构［1，2］，很少为完整的岩体。由于坝基的地质缺陷很难被发现［3，4］，可能形成不可预知的滑动通道［5］，甚至出现严重的工程事故［6］。因此，对重力坝工程进行稳定性分析与安全评价具有重要意义［7］。传统的重力坝稳定性分析一般有超载法或强度储备法［8，9］，却鲜有考虑超载及材料弱化等因素的影响［10］。

本文考虑超载及材料弱化因素对大坝的影响，综合运用分项系数法与有限单元法，以加固后黄埔水库浆砌石重力坝为研究对象，建立了加固后黄埔大坝仿真模型，开展了复杂条件下基于分项系数法的浆砌石重力坝抗滑稳定仿真分析，使得分项系数的有限元法含有可靠度的意义，计算结果更加准确、客观。

1 工程概况

黄埔水库坝址位于黄埔村上游2.5km处河道上，坝址控制流域面积16.5km2。水库30年一遇设计洪水时，最高库水位710.53m，200年一遇设计洪水时，最高库水位711.00m，相应库容108万m3。大坝为浆砌石重力坝，最大坝高17.5m，坝顶长84.2m，溢洪方式为坝顶自由溢流，堰顶高程708m，4 孔溢流堰净宽31.1m，堰上架设交通便桥。挑流消能，鼻坎高程697.8m，挑射角23.7°。坝体左岸地形上部为坡残积砂质黏土覆盖，下部为弱风化岩体出露，边坡稳定；坝体右岸地形上部为坡残积砂质黏土覆盖，下部为强风化岩体出露，边坡可能产生失稳。

2 水库存在主要问题及措施

2.1 大坝坝体渗漏

黄浦水库坝体混凝土局部强度较低，且坝体上部（正常蓄水位以上）存在有空洞，大坝增高培厚的过程中新旧坝体的黏结性较差，为防止新旧坝体直接接触大坝坝体渗漏，需对大坝坝体进行补强灌浆及上游设置钢筋混凝土防渗面板处理。补强灌浆范围为全断面灌浆，非溢流坝段孔距1.0m，灌浆孔从坝顶深入坝体至开挖面，灌浆压力0.2～0.4MPa；溢流坝段从溢流面上上设补强灌浆孔，孔距1.0m，灌浆孔从坝顶深入坝体至开挖面，灌浆压力0.2 ～0.4MPa；大坝防渗面板设置在大坝上游面，防渗面板厚度0.50m，防渗面板深入基础1.0m，防渗面板每隔12m设置一分缝，分缝设置铜片止水。为保证防渗面板与大坝的充分结合，将大坝上面进行充分凿毛，并在防渗面板与大坝之间设置连接锚杆，锚杆直径φ25，锚杆入防渗面板0.50m，与防渗面板钢筋网焊接，深入旧坝体1.50m。

2.2 大坝坝基渗漏

本次通过现场地质测绘发现，坝体左岸下游渠道内外边坡潮湿，局部见有渗水；右岸下游山体702m高程见有渗水，其水量随库水位升高而增加。分析推测，由于坝体两岸岩体发育NE和NW向高倾角节理，相互交切，而形成的渗漏通道。之前对坝基进行了全面固结浇灌浆，但未进行帷幕灌浆，右岸山体断层、裂隙未完全处理到位，存在漏水通道，防渗效果较差。

综上所述，坝体两岸存在绕坝渗漏，需进行帷幕灌浆处理，处理深度为坝基以下8.0m，使大坝坝基形成一个闭合的防渗体系，以进行帷幕灌浆处理。帷幕灌浆孔孔距2.0m，孔深按坝基面以下8.0m控制。灌浆孔设置在坝顶中部，帷幕灌浆在坝体补强灌浆实施后进行；依据大坝存在绕坝渗漏隐患，帷幕灌浆往左岸延伸4孔及右岸延伸7孔，孔距2.0m。钻孔灌浆按分序加密的原则分三序进行，采用自下而上分段灌浆法施工，接触段长度不大于2m。

3 计算原理与方法

该坝坝高17.5m，只需进行单滑面深层抗滑稳定计算，安全系数为滑动面上阻滑力与滑动力之比，如式（1）：

式中 K′为抗滑稳定安全系数；f′为抗剪断摩擦系数；W为自重（kN）；U为坝底扬压力（kN）；（∑W-U）为抗滑力（kN）；c′为抗剪断凝聚力（kN）；A为大坝与基岩接触面积（m2）；∑P为滑动力（kN）。

引入各荷载及材料分项系数到式（1）中，求解安全度Kr的作用效应函数S（g）及抗力函数R（g），如式（2）式（3）：

式中 γP为荷载分项系数；γW为自重的分项系数；γU为扬压力分项系数；γf′为摩擦系数分项系数；γc′为凝聚力分项系数；其他字母含义同上。

采用有限元法分析坝体抗滑稳定时，引入分项系数法，其具体步骤将坝体所受荷载乘以分项系数作为计算的荷载，①将材料力学参数除以材料性能分项系数作为的计算参数；②再采用强度储备法求解得到坝体强度储备系数作为坝体抗滑稳定安全度。

将得到抗滑稳定安全度Kr与目标安全度 ［K］作比较，便可对大坝抗滑稳定性进行评价，从而判定坝体是否能满足抗滑稳定的要求。

4 模型建立

采用基于分项系数有限元法进行计算分析，计算时对模型进行了简化。

4.1 模型计算坐标

X轴为顺河向方向，Y轴为横河向方向，Z轴为竖向。

4.2 基础计算范围

顺河向河流上、下游各取1倍坝高，沿建基面向下取1倍坝高。

4.3 边界条件

基础侧面施加法向链杆约束，底面全约束，6个自由度均设为零。

4.4 网格剖分

结合本工程实际，计算时对重要结构进行网格加密。模型离散为1253个单元，1517个节点。浆砌石非溢流坝段与非溢流坝段的有限元网格如图1,图2。

图1 浆砌石非溢流坝段有限元网格

图2 浆砌石溢流坝段有限元网格

4.5 计算荷载组合

作用在坝体上的荷载主要有坝体自重 （分项系数1.0）、静水压力（分项系数1.0）、水重（分项系数1.0）、扬压力（分项系数1.1）、浪压力（分项系数1.0）。

荷载组合如表1。

表1 计算荷载组合

4.6 计算物理力学参数

抗剪摩擦系数f=0.7（分项系数1.2），抗剪断摩擦系数 f′=1.1 （分项系数1.1），抗剪断凝聚力c=1 MPa（分项系数1.2），排水折减系数0.3（分项系数1.1），砌体容重2.3t/m3（分项系数1.0），淤沙内摩擦角20°（分项系数1.0），浮容重0.9t/m3（分项系数1.0）。

5 计算结果分析

5.1 挡水重力坝段稳定性

经计算可得，挡水重力坝段坝踵、坝址及坝体处均处于受压状态，均达到了重力坝设计规范的要求。其计算成果如表2。

表2 抗滑稳定计算成果

由表2可知，挡水重力坝抗滑安全系数Kr均小于目标安全度[K]，能够满足SL25—2006《浆砌石坝设计规范》［11］规定的要求，坝基最大压应力为225.567kPa，小于坝基承载力。该工程挡水重力坝段抗滑稳定是安全的。

5.2 溢流坝段抗滑稳定性

经计算可得，溢流坝段坝踵、坝址及坝体处均处于受压状态，均达到了重力坝设计规范的要求。其成果如表3。

表3 抗滑稳定计算成果

由表3可知，溢流坝段抗滑安全系数Kr均小于目标安全度［K］，能够满足SL25—2006《浆砌石坝设计规范》［11］规定的要求，坝基最大压应力254.447kPa，小于坝基承载力。该工程溢流坝段抗滑稳定是安全的。

6 结语

（1）针对水库存在主要问题，提出了全面彻底除险加固应对措施。

（2）考虑超载及材料弱化因素对大坝的影响，综合运用分项系数法与有限单元法，使得分项系数的有限元法含有可靠度的意义，计算结果更加准确、客观。

（3）挡水重力坝与溢流坝段抗滑安全系数均小于目标安全度，挡水重力坝段与溢流坝段最大压应力分别为225.567，254.447 kPa，均小于坝基承载力，大坝抗滑稳定是安全的，固后大坝可安全运行。