克孜尔水库右坝肩边坡变形机制分析

宋瑞华 汪 洋 曲 苓 张宏科

摘要:介绍了主坝右坝肩山坡坡面存在裂缝、混凝土防渗墙顶部出现裂缝和坝面有不同程度的变形三个方面的问题,通过从地质条件对右坝肩边坡变形机制分析和利用有限元数值模拟计算对右坝肩边坡变形机制进行分析 ,为右坝肩倾倒体采用“卸荷固脚”的加固处理方案提供了依据。

关键词:克孜尔水库;右坝肩;变形;机制分析

1工程概况

克孜尔水库位于新疆阿克苏地区拜城县渭干河干流木扎提河与支流克孜尔河的汇合处,距库车县约70km,是一座以灌溉、防洪为主兼有水力发电等综合利用性的大型水利枢纽工程,主坝为黏土心墙砂砾石坝,最大坝高44m,设计总库容为6.40亿m3,设计灌溉面积21.33万hm²,为大(1)型Ⅰ等工程。枢纽工程由拦河主坝、副坝、副坝二道坝、溢洪道、泄洪排沙涵洞、发电引水涵洞和坝后电站组成。工程于1998年10月通过水利部主持的竣工验收,正式投入运行。

2运行过程中发现的主要工程问题

2002年5月20日安全检查时,发现在右坝肩W150混凝土防渗墙顶部出现了5条裂缝,最大的一条裂缝最大高差约6mm左右,裂缝总体上北高南低,最大裂缝张开宽度约13mm。2003年3月25日,水库管理局对右坝肩山坡坡面观察后发现,在坝顶以上高约100～60m的山脊1#梁、2#梁、3#梁上有裂缝出现,裂缝一般长15～20m,张开宽8～15cm,共发现10条裂缝。右坝肩坝面有不同程度的变形,坝顶混凝土板出现多条裂缝,裂缝以近东西向裂缝为主,延伸长度一般4～7m,最长达34m,裂缝一般南侧较北侧高1～20mm,裂缝张开一般15～25mm,最宽者达40mm。

3右坝肩变形机制分析

3.1基于地质条件的右坝肩边坡变形机制分析

3.1.1地质条件①组成右坝肩岩体的主要岩性为泥岩和泥质砂岩,泥岩和泥质砂岩岩性软弱,软化系数较高,岩体强度较低,单轴抗压强度仅为几个兆帕,遇水容易软化、崩解,这是右坝肩边坡变形发生的内在因素之一。②右坝肩山坡表层岩体由于倾倒变形及各种外营力风化作用,边坡岩层结构遭到较强烈破坏,尤其是泥岩、泥质砂岩等软岩岩层内的节理裂隙更为发育,结构松散,透水性较强,这些也是右坝肩岩体发生变形的内在因素之一。

3.1.2水文地质条件①水库蓄水改变了右坝肩混凝土防渗墙附近岩体内的水文地质条件,使正常蓄水位以下的岩体处于饱和状态,其间的泥岩、泥质砂岩等软岩在长期浸泡下其强度必然逐步降低,软化变形,而岩体内先期存在的构造裂隙为软岩变形提供了空间。②水库蓄水后右坝肩水文地质边界条件发生改变,软弱岩体变形即开始逐步发展,变形的发生是一个长期的演化过程,不是朝夕形成的。截渗墙上游侧区域内的变形量值明显超过其它区域,表明截渗墙起到了截断上、下游水力联系的作用,使截渗墙上、下游岩体的浸水边界条件明显不同,从而导致截渗墙上、下游边坡岩体的变形差异。

3.1.3机制分析①由于截渗墙的作用,致使截渗墙上、下游岩体的浸水边界条件不同,从而导致截渗墙上、下游边坡岩体发生差异沉降变形,滑裂缝以外及以内的岩体由于破碎程度差异较大,浸水饱和以后,沉降差异亦较大。正是上述原因的综合影响导致混凝土防渗墙发生变形开裂。分析认为右坝肩坡脚岩体变形主要表现为软化坐落,不均匀沉降变形,由此牵引上部山体沿底部顺坡向滑裂缝向下错动位移,导致1#、2#梁山体表面一定深度内形成数条拉裂缝。这是右坝肩边坡的主要变形机制。基于上述认识,初步认为右坝肩边坡连同坝体不存在沿深部滑裂缝整体滑动失稳的可能性。②右坝肩边坡的变形是一个长期演变的过程,先期的几次灌浆加固处理由于处理范围有限,并没有完全抑制住变形的发展。但固结灌浆对于充填岩体内的构造裂隙,减小变形空间,提高坡脚岩体刚度和抗变形能力无疑是一种较为有效的措施。

3.2基于有限元数值模拟的右坝肩边坡变形机制分析采用二维弹塑性有限差分方法(FLAC)研究比较右坝肩边坡在水库蓄水前和蓄水后的应力、变形和塑性区的发生、变化、发展过程,进一步论证分析右坝肩边坡的变形机制。

3.2.1FLAC程序简介FLAC程序(Fast Lagrangion Analysis of Continue)是由美国Itacsca公司开发的显式有限差分程序,它设有多种本构模型,能较好地模拟地质材料在达到强度极限或屈服极限时发生的破坏或塑性流动的力学行为,分析渐进破坏和失稳,特别适用于模拟大变形。

3.2.2计算剖面及计算参数计算选取右坝肩边坡典型的截渗墙轴线工程地质剖面进行应力应变分析,计算参数见表。

3.2.3计算方案整个模型全部由约10万个四边形单元组成,模型选取范围为:沿剖面方向长500m,竖直方向长380m,主要考虑了如下两个方案:①水库蓄水前右坝肩边坡应力变形分析;②正常蓄水位工况条件下右坝肩边坡应力变形分析。

3.2.4计算结果及分析水库蓄水前,在自重条件下右坝肩边坡应力变形及塑性区分布特征:

①应力特征

A:第一主应力矢量方向与边坡面近平行,第一和第三主应力基本呈随距地表深度增加而应力值增加的规律,应力分布符合一般规律。

B:边坡表面浅表部位出现小范围的拉应力。

C:在坡脚部位有一定的应力集中现象。

②塑性区分布特征

A:右坝肩边坡坡脚局部以及滑裂缝中下部处于剪切屈服状态,中上部处于拉张屈服状态。

B:在不同高程边坡浅表层出现拉张破坏区。

正常蓄水位条件下右坝肩边坡应力变形及塑性区分布特征:

① 应力特征分析:水库蓄水后,水位线以下各类岩体逐步发生弱化、软化,材料力学参数有所降低,右坝肩边坡在坡脚和边坡的浅表部拉应力量值较蓄水前有所增大。② 塑性区分布特征:水库蓄水后,右坝肩岩体内的塑性区范围明显增大,特别是边坡坡脚部位、截渗墙周围部位以及正常蓄水位以下的部分岩体,都出现大范围的拉剪破坏区;滑裂缝内的拉剪破坏区逐渐扩大,并向边坡表面延伸,边坡表面及深部都出现较大范围的拉剪破坏区。上述塑性区分布特征表明,水库蓄水对右坝肩边坡水位线以下岩体强度的弱化作用十分明显,是右坝肩山体变形破坏加剧的主要诱因。③ 位移分布特征:水库蓄水后,右坝肩边坡岩体深部滑裂缝以外的倾倒变形体向坡外的水平位移较为明显,最大位移出现在坡脚,量值可达25mm。由于岩性软弱差异,右坝肩边坡岩体表现出明显的不均匀沉降变形特征,最大沉降可达15mm,特别是在坡脚及坝面以下截渗墙附近一定范围内的岩体,也出现不均匀的沉降位移变形,差异变形达到10mm左右。

4结论

4.1在现场监测资料分析和工程地质条件分析的基础上,研究认为,组成右坝肩边坡的泥岩、泥质砂岩等结构破碎的软岩长期浸水弱化和软化,变形量相对较大,由于截渗墙的作用,致使截渗墙上、下游岩体的浸水边界条件有所不同,从而导致截渗墙上、下游边坡岩体也发生差异沉降变形。正是上述不均匀变形的影响导致混凝土截渗墙发生变形拉裂。

另外,靠边坡外侧的强倾倒体内张性拉裂缝发育,充填物结构疏松,架空结构发育,岩体破碎,浸水后软化变形量较大,右坝肩坡脚岩体变形主要表现为软化坐落,不均匀沉降变形牵引上部山体沿底部顺坡向滑裂缝向下错动位移,导致1#、2#梁山体表面一定深度内形成数条拉裂缝。这是右坝肩边坡的主要变形机制。基于上述认识,初步认为右坝肩边坡连同坝体不存在沿深部滑裂缝整体滑动失稳的可能性。

4.2有限元数值模拟分析结果表明,水库蓄水后右坝肩岩体内的塑性区范围明显增大,特别是边坡坡脚部位、截渗墙周围部位以及正常蓄水位以下的部分岩体,都出现大范围的拉剪破坏区,同时由于张裂缝外侧的岩体破碎,软化后压缩变形量大,而张裂缝内侧的岩体相对外侧的岩体要完整,软化后压缩变形量较外侧小,因此,在张裂缝两侧产生不均匀沉陷变形特征,特别是在坡脚及坝面以下截渗墙附近一定范围内的岩体,也出现不均匀的沉降位移变形。水库蓄水对右坝肩边坡水位线以下岩体强度的弱化作用十分明显,是右坝肩山体变形破坏加剧的主要诱因。

参考资料

[1]克孜尔水库初步设计阶段地质报告[J].

[2]克孜尔水库除险加固阶段地质报告[J].

[3]新疆渭干河克孜尔水库右坝肩边坡稳定分析及加固措施研究报告[J].中国水利水电科学研究院2OO7年11月.