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1、沙沱水电站坝基深层抗滑稳定分析及解决措施研究张海超苏鹏颜加珍彭成佳(中国水电顾问集团贵阳勘测设计研究院，贵州贵阳550081)【摘要I：沙沱水电站取水坝段基本发育若干组倾向下游的缓倾角裂隙和软弱夹层，同步还存在顺 河向的陡倾角裂隙及断层，形成了大坝基本多种滑动模式。通过对取水坝段多种也许的滑动模式采用了二维、-绷1,1体极限平衡法及有限元等措施进行计算分析结合现场实际状况从安全技术经济等多角度比选了各抗滑解决措施的优缺陷，最后分别采用了开挖扩大齿槽、大型混凝土抗滑桩及抗 剪洞方式对基本进行了综合解决。解决措施可为类似工程提供参照。 l核心词l：沙沱水电站：取水坝段；深层抗滑；解决措施l概述11
2、工程概况乌江沙沱水电站位于贵州省沿河县城上游约7kin处，属二等大(2)型工程，总库 容92l亿m3，正常蓄水位365m,相库容77亿m3，电站装机1 120MW，近年平均发电 量4552亿kWh。枢纽由碾压混凝土重力坝、坝身溢流表孔、左岸取水坝段、坝后厂房及右岸垂直升船机等建筑物构成。拦河大坝为全断面碾压混凝土重力坝，坝项高程 371m，最大坝高lOlm，坝顶全长63 1m。大坝共分为16个坝段，从左到右依次为： 左岸挡水坝段、厂房取水坝段、电梯井坝段、溢流坝段、右岸升船机坝段和右岸挡水 坝段。厂房取水坝段布置于左岸，前沿总宽13010m，由54坝段、坝段、矿坝段和8# 坝段构成。取水坝段基
3、本开挖高程为277283m，坝基底宽67m，之后为厂房基坑， 厂房基坑大部分开挖高程2586m。根据5撑坝段建基面现场揭发地质状况，坝基下部发 现存在Jrl、Jr3夹层，在54坝段的坝基检测钻孔录像中存在断续分布的小夹层，随着 厂房基坑陆续开挖到位，其上游边坡陆续揭发断续分布Jf3、k、Jr7、b等多条夹层。新发现的夹层面抗剪断参数比J4还低，对大坝深层抗滑稳定影响重大，需对新发现的 坝基夹层和构造面进行深层抗滑稳定分析计算和抗滑解决措施设计。3lli0；” E“世mtl一”删“il：t：+。善图1大坝上游立视图12坝基工程地质 J房取水坝段坝基岩性为奥陶系下统桐梓组第二段第二层(O。产)中厚
4、层、厚层白云质灰岩，岩质坚硬，岩体较为完整。坝区与背斜轴近于平行的NNE向断层发育， 局部岩层层序错乱，受褶曲挤压应力影响，坝区张性裂隙较为发育浅部沿张性裂隙 存在溶蚀现象，至坝基渐趋尖灭岩层产状从背斜轴部向东翼逐渐变陡。岩层产状在坝基范畴变化较大，在岛、，断层以左(靠岸边)(5“、64坝段)岩层 产状：上游坝基NO。80E，SEZl60170，下游压力钢管N8。E，SEL5。8。由上游 至下游渐趋平缓，且在断层影响范畴岩层产状、层序错乱，岩体为方解石网脉胶结的 角砾呈镶嵌碎裂构造。重要构造面有层面、夹层和断层，夹层涉及h、L1、b、坫、Jr7、b和某些断续 的小夹层Jrh属于在左右岸坝址区稳
5、定分布的岩性夹层，其他属于断续分布的小夹层。 夹层抗剪断强度r=0 35-00 45，c=0 05-0 15。断层有I、如、矗s、最7、9、最、&t3、 ls，总体(I、如断层除外)为NNE向，西盘为下降盘，断层破碎带明显，宽10 40em，为方解石脉胶结的角砾岩。2深层抗滑稳定分析21滑动边界分析(1)上缘拉开面 坝踵上游存在与河流近直交且规模较大的F断层，以及近似垂直水流方向的第组随机裂隙。由于F断层和随机裂隙渗入性较大，极有也许在水力劈裂作用下进一步拉开，构成深层滑动的上缘拉裂面。计算分析成果表白，当底滑面不发生突变时， 一般状况下随着上游拉裂面距坝踵 越远，新增重力产生的阻滑力不小于新
6、增静水压力产生的滑动力和新增扬压力所减少的阻滑力，因此上缘拉裂面距坝踵越近，抗滑稳定安全度越低，最危险的是刚好从坝踵 拉开。为了更好地分析取水坝段上缘的也许拉裂位置，还对取水坝段进行了有限元计算 分析，成果表白，在正常状况下，大坝从坝踵拉开的也许性不大；同步由于取水坝段 进水口基本已进行深孔固结灌浆，最大孔深约20多m，上游面渗入压力大幅度减小。 经综合分析考虑后觉得，最不利的上缘拉裂面为：沿进水口底板之前、F88断层之后的 第组随机裂隙拉开产生深层滑动破坏。(2)底滑面 根据开挖揭发出的地质条件和施工期钻孔录像，取水坝段地基新发现的不良地质构造面最l、Jfl、k、k、Jr7、b抗剪断参数较低
7、，也许构成坝基深层滑动的底滑面。 取水坝段下游为深基坑，机组处混凝土距上游开挖面厚度较薄，计算分析不考虑下游 回填混凝土对大坝抗滑稳定的抵御作用，即觉得下游为临空面。经综合分析，拟定沙沱水电站取水坝段坝基深层抗滑稳定的边界条件为：以第 组裂隙为后缘拉裂面，沿&l、Jrl、Jr3、k、Jf7或b为底滑面，从下游厂房基坑临空面 剪出产生滑动破坏。图2取水坝段深层抗滑稳定计算边界(滑动模式)22计算分析措施(1)刚体极限平衡法 根据混凝土重力坝设计规范一DL51081999中承载能力极限状态计算规定，对基本组合(计算分析中以基本组合伙为控制组合方式)，应采用下列极限状态设计表达式：蚵嘶m卟B去刖嚣一
8、J计算分析巾不考虑，一房对大坝的抗滑作用，即觉得下游面临空，按单滑面考虑。单滑动面的坝基深层抗滑稳定极限状态抗力函数：州卜坚塑等盖等掣(2)有限元法 为了和剐体极限平衡法的计算成果进行对比，还针对5。坝段进行了三维非线性有限元计算-有限元模型共有63808个节点，53882个单元，均采用八节点六面体单元进 行离散。模型的地基晟底面予以三个方向的固定约束，地基网周采用法向约束。模型 重要模拟了断层F、F9、Rl，夹层J4、L、凡和夹层J小Jb、J由如和b等地质构造。圈3有限元计算模型 在用有限元强度折减法求解深层抗滑稳定等问题的安全系数过程中，荷载保持不变，抗剪强度逐渐减少，无需事先搜索临界滑动
9、面即可求出稳定安全系数，它觉得在 强度折减过程中-有限元阿格节点位移浮现突变的时刻即为破坏时刻此时该折减系 数的倒数即为稳定安全系数。在计算安全系数的同步可以得到滑动时刻构造的塑性区， 考虑到构造的塑性破坏重要与塑性琏的浮现及分布状况紧密有关，根据最大最小值理论及有限元的最小势能原理。可以近似地觉得在此驯的摄性区图上，塑性应变值最大 的点的连线即为临界滑动面。23计算成果分析(1)刚体极限平衡法计算成果影响5。,-8。坝段坝基深层抗滑稳定的底滑面有夹层JJ小Jr5、J，7、J及断层&l与夹层组等状况。分别对上述底滑构造面进行一维和三维刚体极限平衡法进行计算， 计算成果表白以维刚体极限平衡法为控
10、制计算措施，5“坝段和8”坝段以b为控制夹层进行计算，矿坝段和，坝段以h为控制灾层进行计算。计算表白584坝段控制断面 单宽剩余下滑力分别为l 884t、1667t、1779t和1744t。(2)有限元法计算成果 有限元法计算坝基单元的屈服状况表白，有限兀计算滑动模式与刚体极限、F衡法基本一致。通过降强计算，可知采用有限元法时59坝段坝基深层抗滑稳定安全系数正常工况下仅有30，处在临界状态，校核工况下的安全系数相对较高，可达到有4 2。(qItnjlgIk图4,fi艰元计算坝基单元屈服图(3)计算成果分析 刚体极限平滑法在我周得到了广泛的应用，从汁算措施、计算荷载、工程解决措簏等均积累了丰富的
11、经验。因此这种措施可作为我们判断大坝安全度的重要根据 。 虽然有限元措施在水电工程领域的应用已经非常普遍，在重力坝稳定方面，目前已经 可以模拟坝体和基岩材料的非线性本构关系，考虑施工过程、蓄承过程、地下渗流、地震作用等对基本应力位移的影响但有限元法抗滑稳定计算的成果园人而异，缺少 与计算措施相配套的稳定度鉴别原则Bj。综合分析，取水坝段深层抗滑稳定分析以有限元措施辅助计算，以刚体极限平衡法 作为控制计算措施。由刚体极限平衡法计算成果可以看出，取水坝段深层抗滑稳定均 不能满足规范规定，且单宽剩余下滑力较大，最大已达到1884t，采用钢筋桩和锚索等 常规措施很难进行解决。3深层抗滑稳定解决措施在深
12、层抗滑解决措施选择中重要环绕增长抗力体的阻滑力和提高滑动面的力学参 数两个方面进行。对断层、破碎带、软弱层面、裂隙等最有效的解决措施是挖除并用 混凝土填塞置换，甚至加用钢筋，另一方面是压力灌浆，涉及建基面的结合灌浆、浅中层 的固结灌浆、深层的帷幕灌浆均有好的作用。在坝址下用锚索、锚杆或者加插钢筋混 凝土柱桩加固岩基也是有好处的31。结合沙沱水电站现场工程地质条件、施工条件及深层抗滑稳定解决措施，拟定了 多种解决措施比选。对于54坝段抗滑解决措施一方面考虑选用钢筋桩和钢管桩方案，经 分析论证，钢筋桩布置过密，会破坏基岩的完整性，且单根钢筋桩所能提供的抗滑力 有限，可实行性较差。钢管桩虽比钢筋桩方
13、案具有单根所能提供的抗滑力大的优势， 但存在钢管桩部分也许由于质量等问题而导致整体连锁破坏。因此摒弃钢筋桩和钢管 桩方案，另寻其他大吨位抗滑桩等措施。通过技术经济和施工条件比选，最后决定在8撵坝段扩挖齿槽、5群坝段下游增设 大型抗滑桩+抗剪洞方案并对夹层进行深孔固结灌浆的综合解决措施。31 5撑坝段基本抗滑桩+抗剪洞方案5撑坝段坝体混凝土由于多种因素已先行浇筑，开挖齿槽方案及钢管桩方案难以实 施，经分析研究决定在钢管槽下方进行开挖回填混凝土形成大型抗滑桩并辅助基本抗 剪洞置换夹层方案来抵御巨大的剩余下滑力。抗剪洞回填常态混凝土，替代部分抗剪断参数取用混凝土与岩体接触面参数。在计 算过程中先对不
14、同介质考虑其相应的材料分项系数后再进行面积平均以进一步推求出 等效抗剪断参数，同步不考虑应力重分布对其的影响。抗滑体由于体积庞大，因此采 用堵头的方式进行计算，计算时仅考底滑面如下的构造产生的摩擦力和粘聚力。图554坝段基本深层抗滑稳定抗滑桩+抗剪洞布置图根据前述计算及现场实际条件，拟定抗滑体垂直水流向宽lOm，顺水流向长度 27 9m，底高程249m高程。抗剪洞分别沿J小坫、Jr7布置三层。抗滑桩及抗剪洞布 置详见图5。32 6颂段基本扩大齿槽方案为减少施工难度和提高解决措施的安全性，在满足工程进度的状况下经分析研究决 定在6484坝段进行扩挖齿槽，运用齿槽混凝土置换夹层进行抗滑解决。经计算，为满 足坝基深层抗滑稳定规定，坝体上游齿槽底宽不不不小于25m，顶宽不不不小于32m，深度以 J一控制。为减小齿槽下游面的砬力集中现象，在齿槽下游面布设钢筋网。33取水坝段基本加深固结灌浆解决方案为提高取水坝段基本深层抗滑稳定控制灾层构造面参数及抗滑稳定计算安全度， 对取水坝段坝基进行加深固结灌浆解决。固结灌浆孔深进一步控制夹层J一如下5m，孔 位梅花型布置，闻排距3m，平均入岩深度18m。在
