水位上升對(duì)燕云重力壩壩基穩(wěn)定性影響研究

周 丹1，杜修娟2

（1.四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川成都611231；2.西華大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，四川成都610039）

摘要：為了研究水位變化對(duì)重力壩壩基穩(wěn)定性的影響，以擬建燕云電站重力壩為例，采用有限元軟件PLAXIS計(jì)算了壩體在水位上升過程中的抗滑穩(wěn)定，重點(diǎn)研究了重力壩壩基破壞模式、抗滑穩(wěn)定系數(shù)、塑性破壞區(qū)、滲流場(chǎng)以及防滲帷幕受力的變化情況。結(jié)果表明：水位上升對(duì)重力壩壩基破壞模式影響顯著，水位較低時(shí)為淺層滑動(dòng)，水位升高后為表層滑動(dòng)；水位上升將導(dǎo)致壩基抗滑穩(wěn)定系數(shù)減小，壩基塑性破壞范圍增大，在壩踵處集中分布；防滲墻底部滲流速度最大，兩側(cè)剪應(yīng)力主要分布在墻體中部與巖層交界處。研究成果對(duì)工程的順利開展有一定指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：重力壩；PLAXIS；穩(wěn)定系數(shù)；防滲墻

常見的重力壩滑動(dòng)失穩(wěn)模式主要有三類：表層滑動(dòng)、淺層滑動(dòng)和深層滑動(dòng)，如下圖1所示。其中的表層滑動(dòng)和淺層滑動(dòng)主要發(fā)生于壩基基巖較為完整的重力壩工程，而當(dāng)壩基內(nèi)存在不利的緩傾角軟弱結(jié)構(gòu)面時(shí)，在水荷載作用下，壩體有可能連同部分基巖沿軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生滑移，即所謂的深層滑動(dòng)。準(zhǔn)確的判定重力壩的破壞模式對(duì)于工程的順利建設(shè)和采取合理的加固措施至關(guān)重要。

圖1 重力壩壩基破壞模式

陳建葉等［1］以模型試驗(yàn)為基礎(chǔ)，通過對(duì)重力壩整體失穩(wěn)的破壞過程、破壞形態(tài)和破壞機(jī)制進(jìn)行研究，揭示了影響壩基穩(wěn)定的控制性因素；王河等［2］針對(duì)某混凝土重力壩壩基存在3層黏土軟弱夾層可能引起壩基深層滑動(dòng)問題，提出了有限元超載－折減綜合法，該法與剛體極限平衡雙斜面法及強(qiáng)度折減法、超載法相比，更加安全可靠；任青文等［3］基于損傷力學(xué)的相關(guān)理論，考慮巖體材料的非均勻性，建立了壩基巖體損傷破壞的數(shù)值分析模型，模擬結(jié)果與室內(nèi)模型試驗(yàn)的結(jié)果很接近，證明了該損傷數(shù)值模型的可靠性；汪亞超等［4］針對(duì)混凝土重力壩現(xiàn)有抗滑穩(wěn)定分析方法的不足，提出了一種抗滑穩(wěn)定實(shí)時(shí)分析方法，該法給出了位移時(shí)效分量的通用擬合表達(dá)式，并構(gòu)建了對(duì)混凝土重力壩抗滑穩(wěn)定進(jìn)行實(shí)時(shí)分析的模型，計(jì)算結(jié)果與傳統(tǒng)方法一致。

目前，已有的重力壩抗滑穩(wěn)定方面的研究主要針對(duì)具體工程案例的破壞機(jī)制和壩基損傷模型的構(gòu)建［5－8］，還未見文獻(xiàn)對(duì)水位變化過程中重力壩壩基破壞模式影響有關(guān)的研究，而水位的變化將導(dǎo)致壩基滲流場(chǎng)和揚(yáng)壓力發(fā)生改變，從而對(duì)壩體抗滑穩(wěn)定造成影響。因此，本文以燕云水電站重力壩為例，對(duì)水位上升過程中重力壩壩基破壞模式、抗滑穩(wěn)定系數(shù)、塑性破壞區(qū)、滲流場(chǎng)以及防滲帷幕受力進(jìn)行深入分析探討。

1 工程概況

規(guī)劃擬建的燕云水電站位于四川省阿壩州松潘縣燕云鄉(xiāng)境內(nèi)，屬于岷江河右岸一級(jí)支流小姓溝梯級(jí)開發(fā)的第一級(jí)，該電站工程的主要任務(wù)是發(fā)電。首部樞紐位于小姓溝與泗拉柯溝交匯處下游約90 m左右的小姓溝上，廠址位于紅土水電站壩址上游約500 m處的小姓溝右岸一級(jí)階地上，系混合式水電站工程，電站設(shè)計(jì)引用流量16.99 m3／s，設(shè)計(jì)工作水頭127.51 m，首部樞紐由建筑物由攔河閘、溢流壩段，左岸擋水壩段、右岸擋水壩段及右岸進(jìn)水閘幾部分組成，正常蓄水位3 116.00 m，壩軸線全長272.5 m。正常蓄水后將在小姓溝干流上形成長約1 200 m、寬約100 m～250 m的水庫，總庫容81.20萬m3。工程平面布置圖如圖2所示。

圖2 燕云電站首部樞紐平面布置圖

水庫河段總體為兩溝交匯處，小姓溝由NW—SE方向流入庫區(qū)，泗拉柯溝由NE—SW方向流入庫區(qū)，河谷平均縱坡坡降12‰，現(xiàn)代河床寬度一般10 m～40 m。左岸為斜坡和峻坡，右岸為緩坡和階地，兩岸河流高漫灘及Ⅰ級(jí)階地發(fā)育，地形開闊，較平坦。岸坡以斜坡和緩坡為主，坡度一般15°～45°，部分段為陡崖?？萜诤铀鎸捈s30 m～33 m。兩岸山體較雄厚，岸坡陡峻，相對(duì)高差大于100 m。河谷總體為兩岸基本對(duì)稱的“V”型谷。岸坡與地層走向交角小，左岸為逆向坡，右岸為順向坡，谷坡沖溝較發(fā)育。

在構(gòu)造上位于龍門山北東向多字型構(gòu)造帶間的三角地塊內(nèi)，為小姓溝旋卷構(gòu)造之小姓溝復(fù)背斜之上。小姓溝復(fù)背斜分布在馬拉墩以北，小姓溝東西兩側(cè)。其軸向從北而南依次為：南東150°→105°→100°。成為向北東方向凸出的弧形，延展近28 km，南端在紅扎附近，背斜傾沒，且各地質(zhì)現(xiàn)象有收斂的趨勢(shì)。

水庫區(qū)河谷總體為順向谷，左岸為逆向坡。兩岸谷坡高陡，巖層傾角陡立，巖性軟硬相間，在這一特定地形地質(zhì)條件下，兩岸中、高程部位巖層有不同程度的變形和傾倒，谷坡中下部及坡腳崩坡積廣布。庫區(qū)內(nèi)右岸大部為基巖岸坡，自然邊坡整體穩(wěn)定，測(cè)繪中未見較大規(guī)模不穩(wěn)定巖體及滑坡存在，無危及水庫安全的滑坡、崩塌等不良物理地質(zhì)現(xiàn)象分布。壩址工程地質(zhì)剖面圖見圖3。

圖3 工程地質(zhì)剖面

2 計(jì)算理論及模型建立

2.1 計(jì)算理論

法國工程師達(dá)西（H.Darcy）［9－10］最早在垂直圓管中裝砂進(jìn)行滲透試驗(yàn)，結(jié)果證明，滲透量Q除與斷面面積A直接成正比外，正比于水頭損失hw，反比于滲徑長度L，引入決定土粒結(jié)構(gòu)和流體性質(zhì)的一個(gè)常數(shù)k，則：

式中：k為滲透系數(shù)。

達(dá)西滲透定律為：

假設(shè)液體和固體骨架不可壓縮，可得到不可壓縮介質(zhì)中的穩(wěn)定滲流微分方程：根據(jù)達(dá)西滲透定律，對(duì)于各向異性土：

式中：kx、kz表示x和z方向的滲透系數(shù)；h為測(cè)管水頭。

由上述可得：在二維平面滲流的情況下，均勻各向異性土體的滲流基本微分方程為：

對(duì)于各向同性的均質(zhì)材料，有kx＝kz，則可得到拉普拉斯方程，即平面穩(wěn)定滲流的基本微分方程：

2.2 模型建立

根據(jù)工程設(shè)計(jì)圖紙，選取燕云水電站重力壩剖面1－1進(jìn)行分析，最大壩高23.5 m，壩頂寬4.5 m，背坡1∶0.7，壩底高程為3 094 m。首先在AutoCAD中建立好相應(yīng)尺寸的物理模型，再導(dǎo)入有限元軟件PLAXIS.V.B中，將不同材料賦予不同分區(qū)的壩體，材料模型選用摩爾－庫侖彈塑性模型，并考慮了巖土之間的非線性特性，最后進(jìn)行網(wǎng)格劃分。最終重力壩模型壩基長55 m，寬16 m，網(wǎng)格劃分時(shí)注意將壩體與壩基以及防滲帷幕附近巖體網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，模型含7 302個(gè)單元，71 836個(gè)節(jié)點(diǎn)，具體見圖4。

圖4 燕云重力壩模型

根據(jù)初設(shè)報(bào)告中地層結(jié)構(gòu)及其工程地質(zhì)性質(zhì)，并結(jié)合以往類似工程經(jīng)驗(yàn)，得到本工程主要地質(zhì)參數(shù)見表1。本文的計(jì)算流程是按照上游庫水位從運(yùn)行限制水位開始，水位逐漸上升到設(shè)計(jì)洪水位和正常蓄水位（本工程正常蓄水位水面高程高于設(shè)計(jì)洪水位）。相應(yīng)的水位設(shè)置見表2。

表1 燕云重力壩有限元力學(xué)參數(shù)

巖體材料fc／MPa密度／（kg?m－3）變形模量E／GPa泊松比亞黏土夾塊碎石0.480.0021000.0350.32風(fēng)化層0.600.2525003.0000.29基巖1.101.0526108.0000.30防滲帷幕1.251.15250025.0000.20壩體混凝土1.201.10240024.0000.20

表2 各計(jì)算工況水位設(shè)置

工況特征水位上游水面高程／m上游水深／m下游水深／m工況1運(yùn)行限制水位3106121工況2設(shè)計(jì)洪水位 3108141工況3正常蓄水位 3116221

3 結(jié)果分析

3.1 破壞模式影響分析

隨著上游水位的逐漸上升，靜水壓力和揚(yáng)壓力逐漸增大，重力壩壩基抗滑穩(wěn)定性也將隨之改變。在保證下游水位不變的基礎(chǔ)上，采用有限元法［11－13］計(jì)算得到了上游水位從運(yùn)行限制水位上升到設(shè)計(jì)洪水位和正常蓄水位過程中壩基的破壞模式，如圖5所示。

圖5 不同特征水位重力壩破壞模式

計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：在運(yùn)行限制水位和設(shè)計(jì)洪水位時(shí)，重力壩壩基的破壞模式相同，滑裂面為圓弧形，起于上游壩踵，終止于下游壩基，剪切出口距離壩趾約10 m，且均屬于淺層滑動(dòng)；而當(dāng)水位上升到正常蓄水位時(shí)，壩基滑裂面起于上游距壩踵8 m，沿重力壩底部與壩基接觸面貫通分布，并止于下游距壩趾6 m，破壞模式屬于表層滑動(dòng)。

說明水位的上升對(duì)于重力壩壩基破壞模式影響顯著，上游水位較低時(shí)為淺層滑動(dòng)，上游水位較高時(shí)為表層滑動(dòng)。

圖6為不同特征水位重力壩有效應(yīng)力分布圖，規(guī)定受拉為正，受壓為負(fù)。從圖6可知，在上游水位較低時(shí)，最大有效應(yīng)力集中分布在壩踵附近，表現(xiàn)為受壓，大小約－850 kPa，壩頂存在較小的拉應(yīng)力，但最大不超過200 kPa。當(dāng)上游水位升高至正常蓄水位時(shí)，壩踵應(yīng)力區(qū)穿過壩體并延至壩趾，此時(shí)壩踵和壩趾均存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，將對(duì)壩基穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響。

圖6 不同特征水位重力壩有效應(yīng)力分布（單位：kPa）

為定量分析不同特征水位下燕云水電站重力壩的抗滑穩(wěn)定性大小，采用強(qiáng)度折減法計(jì)算了相關(guān)工況下大壩的穩(wěn)定安全系數(shù)［14］。強(qiáng)度折減法是Zienkiewics O C等［11］首次在土工彈塑性分析中提出的基本概念，此后廣泛應(yīng)用于各類巖土工程的穩(wěn)定性分析。Zienkiewics O C等定義的強(qiáng)度折減法是指將壩基巖體的真實(shí)抗剪強(qiáng)度除以一個(gè)折減系數(shù)F后再進(jìn)行塑性計(jì)算，并以一定梯度逐漸增加F的大小，直到達(dá)到極限破壞狀態(tài)為止，此時(shí)的折減系數(shù)即為重力壩的抗滑穩(wěn)定系數(shù)。其計(jì)算公式為：

式中：c和φ為巖土體真實(shí)的黏聚力和內(nèi)摩擦角；c′和φ′為折減后的黏聚力和內(nèi)摩擦角。

最終得到的重力壩的抗滑穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，隨著水位上升，重力壩抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)驟減，在運(yùn)行限制水位時(shí)穩(wěn)定系數(shù)為4.0，上升至正常蓄水位時(shí)減小到2.2，原因是由于隨著上游蓄水的增加，水平向右的推力增大，揚(yáng)壓力和滲流力也相應(yīng)增大，導(dǎo)致滑裂面上移，壩基抗滑穩(wěn)定性大大降低。

圖7 不同特征水位重力壩抗滑穩(wěn)定系數(shù)

3.2 塑性破壞區(qū)分析

計(jì)算出了3種特征水位下重力壩壩基的塑性破壞區(qū)，如圖8所示。由圖8可以發(fā)現(xiàn)，壩基的塑性點(diǎn)主要分布在壩踵和壩址，其中又以壩踵最為明顯。隨著水位的升高，壩基分布的塑性破壞區(qū)分布范圍逐漸增大，待水位至正常蓄水位時(shí)，壩踵處的塑性區(qū)分布最廣，并有往防滲帷幕貫通的趨勢(shì)，見圖8（c）。說明重力壩壩基壩踵是控制壩基塑性變形的關(guān)鍵部位，塑性變形范圍受水位上升影響大。

圖8 不同特征水位重力壩壩基塑性破壞區(qū)

3.3 滲流場(chǎng)分析

圖9給出了水位上升過程中壩基滲流流速分布情況，圖10為滲流矢量，箭頭方向表示滲流方向。從圖9和圖10中可以看出，防滲帷幕底部位置流速最大，且水位的升高將導(dǎo)致最大滲流流速增大，運(yùn)行限制水位時(shí)最大滲流速度為2.6×10－3m／d，正常蓄水位時(shí)增至6.4×10－3m／d。通過分析圖10中的滲流路徑，可以發(fā)現(xiàn)滲流流線繞過防滲帷幕，滲徑得到延長，有效的降低了壩趾附近的單寬滲流量。

圖9 不同特征水位壩基滲流流速分布

3.4 防滲帷幕抗剪分析

布置防滲帷幕可有效延長滲徑、降低壩基滲流量和降低下游的逸出坡降，水位變化將對(duì)防滲墻的受力造成一定影響。圖11為不同特征水位防滲帷幕所受剪應(yīng)力分布情況，分析可知：防滲墻兩側(cè)存在明顯的剪應(yīng)力集中現(xiàn)象，主要分布在墻頂和墻體中下部與巖層分界處，且左右基本對(duì)稱。在運(yùn)行限制水位時(shí)，墻體所受最大剪應(yīng)力為401 kPa，而在設(shè)計(jì)洪水位時(shí)最大剪應(yīng)力為519 kPa，水位上升到正常蓄水位時(shí)最大剪應(yīng)力增至672 kPa，且剪應(yīng)力集中區(qū)有往墻體內(nèi)部發(fā)展的趨勢(shì)。說明上游水位的升高將導(dǎo)致防滲帷幕墻體受到的剪應(yīng)力增大。

圖10 不同特征水位重力壩壩基滲流矢量

圖11 不同特征水位防滲帷幕剪應(yīng)力分布（單位：kPa）

4 結(jié) 論

本文選取擬建燕云水電站重力壩為計(jì)算案例，研究了重力壩建成后，在水位上升過程中重力壩壩基破壞模式、抗滑穩(wěn)定系數(shù)、塑性破壞區(qū)分布、滲流場(chǎng)以及防滲帷幕受力的變化情況，得到以下結(jié)論：

（1）上游水位上升對(duì)于重力壩壩基破壞模式影響顯著，上游水位較低時(shí)為淺層滑動(dòng)，上游水位較高時(shí)為表層滑動(dòng)，水位上升還將導(dǎo)致壩基抗滑穩(wěn)定系數(shù)的減??；

（2）隨著上游水位的升高，壩基塑性破壞范圍逐漸增大，確定了重力壩壩基壩踵是控制壩基塑性變形的關(guān)鍵部位；

（3）防滲帷幕的布置可以有效的延長滲徑、降低壩基滲流量和降低下游的逸出坡降，最大滲透速度位于防滲墻底部；

（4）防滲墻兩側(cè)存在明顯的剪應(yīng)力集中現(xiàn)象，主要分布在墻頂和墻體中下部與巖層分界處，且左右基本對(duì)稱，剪應(yīng)力最大值隨上游水位升高而增大。

以上結(jié)論驗(yàn)證了按設(shè)計(jì)要求修建的燕云重力壩在不同水位下均能保持自身穩(wěn)定。此外，建議在基巖開挖過程中著重對(duì)壩踵附近的巖體采取開挖回填處理，從而控制大壩建成后壩基壩踵的塑性變形。

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Foundation Stability of Yanyun Gravity Dam Under Water Level Rising Condition

ZHOU Dan1，DU Xiujuan2
（1.Sichuan Water Conservancy Vocational College，Chengdu，Sichuan611231，China；2.School of Energy and Power Engineering，Xihua University，Chengdu，Sichuan610039，China）

Abstract：In order to study the influences of changing of water level on the foundation stability of gravity dam，this paper took Yanyun hydropower station dam as an example，and adopted PLAXIS to calculate the anti－sliding stability under water level rising conditon.We studied the dam failure mode，stability coefficient，plastic failure zone，seepage field and shear stress of cutoff wall.The results shows that the failure mode is effected by water level rising remarkbly，the shallow slide appears when the water level is low，however when the water level is deep，the failure mode is the surface sliding and water level rising will lead the decreasing of sliding coefficient，dam foundation plastic damage range increases，which centralized at the dam heel；the biggest velocity appeared at the bottom of diaphragm wall，both sides shear stress distribute during the minddle wall and the rock junction.

Keywords：gravity dam；PLAXIS；stability coefficient；diaphragm wall

中圖分類號(hào)：TV642.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：：A

文章編號(hào)：：1672—1144（2017）01—0151—06

DOI：10.3969／j.issn.1672－1144.2017.01.029

收稿日期：2016－10－07

修稿日期：：2016－11－01

基金項(xiàng)目：西華大學(xué)研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目（ycjj2015162）

作者簡介：周 丹（1989—），女，四川簡陽人，助教，碩士，主要從事水工建筑物穩(wěn)定性研究與教學(xué)工作。E－mail：707801715＠qq.com