杨金林，姚帅强，符新阁，陈晓光

(黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 450003)

0 引 言

重力坝主要是依靠自身重力维持稳定的一种常见的挡水建筑物，结构简单，耐久性好、适应性强[1]，是人类较早使用的一种坝型。随着我国大坝建设速度的加快，复杂地质条件下建坝也越来越多[2]，如官地[3]、向家坝[4]、阿海[5]、葛洲坝[6]等水电工程。这些大坝坝基岩体均存在埋深不同的泥质夹层，成为大坝长期抗滑稳定的控制因素，泥质夹层是重力坝普遍关心的工程地质问题[7]。目前，重力坝抗滑稳定研究方法[8-10]主要为刚体极限平衡分析法、地质力学模型试验法及数值模拟分析等。规范[11]规定，当坝基下部岩体内存在泥质夹层时，主要采用传统的刚体极限平衡法核算坝基深层的抗滑稳定性，必要时辅以有限元法等数值分析方法进行验证。

随着计算机技术的发展，数值模拟方法已成为重力坝深层抗滑稳定分析的主要辅助手段[12]。本文结合目前在建的几内亚苏阿皮蒂水利枢纽项目，采用数值模拟分析方法，对重力坝下泥质夹层不同埋深、不同倾角与抗滑稳定安全系数之间的关系进行研究，并在此基础上，结合工程典型坝段，研究该坝段深层失稳模式，以便为全面分析大坝抗滑稳定提供依据。

1 工程概况

苏阿皮蒂水利枢纽[13]位于几内亚的西部，该项目设计校核洪水位213.56 m，正常蓄水位210 m，坝顶高程215.5 m，坝顶长度1 164 m，正常蓄水位对应库容6.3×109m3，是目前西非在建的最大水利工程，为Ⅰ等大(1)型。

工程区两岸地层岩性主要为古生代奥陶系薄层砂岩和薄层泥质粉砂岩交替分布，近水平层理发育，互层状结构，单层厚度一般为5～15 cm，岩层厚度相对稳定。砂岩为较硬岩，泥质粉砂岩为软岩。受构造影响，多沿层面发育泥质夹层，泥质夹层基本上为全泥型，粉粒平均含量约56.6%，粘粒平均含量约37.3%。泥化带粒度以粉粒和粘粒为主。泥质夹层的矿物成分以高岭石、伊利石为主，含蒙脱石、绿泥石及非粘土矿物成分石英、钾长石、斜长石、水铝矿。根据现场开挖情况，泥质夹层贯穿整个坝段，厚度一般为1.0～5.0 cm。

2 模型构建及荷载确定

2.1 模型构建

47号坝段位于右岸坝段。重力坝数模分析模型边界范围为：从坝踵向上游约1倍坝高，从坝趾向下游约2倍坝高，从建基面向下游约2倍坝高。x轴为顺河向，y轴为垂直河流方向，z轴为竖直方向。抗滑稳定分析数值模型见图1。

图1 47号坝段抗滑稳定分析数值模型

数值模拟软件中，岩体和泥质夹层屈服破坏采用M-C本构模型，模型中含有坝体、岩体、泥质夹层、覆盖层4种材料。泥质夹层为贯通性结构面，位于坝基下5 m，倾向NNW，倾角约2°～5°，组成物质以白色粘土为主，局部为强风化泥质粉砂岩，遇水软化，岩体等效均质处理。材料力学参数见表1。

表1 材料力学参数

2.2 荷载确定

通过研究该坝段校核水位(213.56 m)、设计水位(213.11 m)、正常水位(210 m)工况下上下游水位差，校核水位差、设计水位差、正常水位差分别为47.7、47.2、44.2 m。因为3种工况下水位差较小，本文仅对正常水位工况下坝基抗滑稳定进行研究。

正常水位工况下荷载及计算参数：①坝体自重。碾压混凝土密度为2 450 kg/m3，按初始应力考虑。②水荷载。正常蓄水时上游水位210.0 m，下游地下水位165.9 m，静水压力施加在坝身、坝踵上。③泥沙荷载。淤沙浮容重6.5 kN/m3，摩擦角为10°。④扬压力。根据主副防渗帷幕及排水孔进行折减，将计算结果施加在滑动面上。⑤浪压力。主要作用在坝顶，由于47号坝段位于左坝肩，浪压力垂线吹程短，本次模拟未计入。

3 计算方法选取及失稳判别准则

采用强度折减法[15]计算47号坝段重力坝深层抗滑问题。该方法通过比例降低岩体的内摩擦角φ′和凝聚力c′的方法，研究坝基系统在设计荷载下的强度储备能力。强度折减法可模拟坝基从局部破坏到整体破坏的渐进失稳全过程，折减公式如下

(1)

(2)

式中，c′、φ′为岩体强度参数；c、φ为折减后岩体新的强度参数；RF为折减系数。

通过对材料的强度参数c′、φ′按同等比例RF进行折减，得到新的1组强度参数c、φ，带入程序计算，通过不断增加RF数值进行反复折减，根据判别准则判别大坝失稳。

目前，较为常用的临界失稳状态判别准则[16]有：①广义剪应变或广义塑性应变准则；②收敛性准则；③特征点位移突变准则；④塑性区贯通准则。广义剪应变或广义塑性应变准则能反映岩体剪切状态；收敛性准则对软件和建模依赖性大，缺乏客观性；特征点位移突变准则安全系数取值点、曲线拐点不明显；塑性区贯通准则不但与理论符合，而且应用标准客观，操作性强。鉴于目前对于判别准则尚无统一的标准，本文采用滑移通道屈服区出现较大突变或塑性区贯通[17]为失稳依据。

4 抗滑稳定结果分析

4.1 泥质夹层倾角及埋深对抗滑稳定影响

实际勘察过程中，结构面倾角多为范围值，尤其是结构面起伏较大的情况下，测量结果范围值较大。为研究不同泥质夹层倾角a、埋深h对坝基抗滑稳定性的影响，分析了a=0°、10°、…、70°；h=0、2、…、12 m的不同工况。暂不考虑齿槽。

图2为相同埋深结构面不同倾角与坝基抗滑稳定安全系数之间的关系。从图2可知，a为0°～40°时，坝基安全系数与软弱结构倾角呈近似线性增加，变化速率较慢，水平倾角坝基安全系数最小，约为2.80。当a>50°时，坝基抗滑稳定安全系数增加较快，呈近指数曲线增大。研究结果表明，当a>50°时，泥质夹层构成滑移通道的潜在可能性降低。

图2 泥质夹层倾角与安全系数关系

图3为相同倾角(5°)下不同埋深泥质夹层与坝基抗滑稳定安全系数之间的关系。从图3可知，泥质夹层距坝基距离为0时，坝基安全系数最低，为2.80；当位于基础下部6 m时，安全系数增速缓慢，基本上每加深2 m，安全系数增加0.02～0.03；大于6 m时，安全系数增速有所增快，每增加2 m，安全系数增加0.15～0.20。结果表明，随着埋深的增加，泥质夹层对坝基影响递增减弱。

图3 泥质夹层埋深与安全系数关系

4.2 滑移模式分析

图4为47号坝段在泥质夹层倾角为3°的情况下塑性区演变规律。从图4可知，大坝抗滑滑移模式为坝踵岩层断裂沿不利稳定结构面滑移模式，这种滑移模式主要为在坝踵和泥质夹层出现拉剪塑性区，接着在尾岩及下部出现大面积塑性区，最终和泥质夹层形成贯通塑性区。在初始稳定状态，重力坝坝踵在外部荷载的作用下，坝踵部位首先出现拉应力集中，导致小范围出现拉剪破坏塑性区。随着折减系数RF的不断增大，塑性区向坝踵上部及深部扩展趋势增加，围岩及深部区域出现剪塑性破坏；随着塑性区不断延伸，泥质夹层破坏区与围岩深部区域拉裂面塑性区贯通，最终沿坝踵岩层断裂，形成沿不利结构面的滑移模式。此种滑移模式是在坝踵出现拉应力集中产生剪切塑性区。因此，在设计大坝时，应在坝踵和建基面周围采取一定加固措施，防止坝踵拉应力集中产生剪切破坏。大坝下部存在不利结构面时，应采取齿槽、坝后压重或2种混合措施，以便提高抗滑力。

图4 塑性区演变规律

4.3 稳定结果分析

RF=1.0时，坝踵附近出现拉应力集中，产生拉剪破坏。随着RF不断增加(强度参数变小)，塑性区向坝踵上部及深部扩展趋势增加，尾岩及深部区域出现剪塑性破坏，最终泥质夹层破坏区与围岩深部区域拉裂面塑性区贯通。为截断塑性贯通区，在坝趾设置齿槽，齿槽深10 m，底宽8.5 m。设置齿槽后大坝塑性区分布见图5。从图5可知，齿槽阻断了塑性区进一步发展，大坝抗滑安全系数由原来的2.85增加至3.01，提高了5.6%，满足设计规范。

图5 设置齿槽后大坝塑性区分布

47号坝段坝顶位移见图6。从图6可知，随着折减系数RF的不断增大，坝顶位移不断增大。RF在3.0附近时，位移发生突变。可以认为，3.01为大坝抗滑安全系数。

图6 坝顶位移

5 结 语

本文利用数模模拟软件，采用强度折减法研究苏阿皮蒂水利枢纽项目47号坝段泥质夹层不同埋深、不同倾角对坝基抗滑稳定的影响。结果表明，坝基抗滑稳定安全系数与泥质夹层埋深、倾角呈相关性，埋深、倾角增大，安全系数增大。47号坝段失稳模式为坝踵岩层断裂滑移模式破坏，坝踵出现拉应力，产生拉剪破坏，进而塑性区向深部和上游扩展。在设计重力坝时，应对坝踵附近基岩采取加固措施。正常蓄水位工况下，通过增加齿槽，坝基抗滑稳定安全系数为3.01，基本满足规范要求。

数值分析方法作为重力坝抗滑稳定辅助工具，得到了运来越多的应用。但由于计算方法、计算软件、材料本构关系和屈服准则、失稳判别依据选取的不同，分析结果亦存在差异。建议在开挖齿槽回填混凝土施工过程中，视开挖情况进行抗滑稳定复核。