拱坝坝肩稳定分析中缓倾角结构面影响探讨

杨柱　雷艳　王智阳

【摘要】本文以工程实践中遇到拱坝坝肩稳定分析问题为出发点，深入分析按照现行的拱坝设计规范规定的坝肩稳定计算方法即刚体极限平衡法，对以倾角较大并倾向岸外的缓倾角结构面做为底滑面的块体模型进行分析计算时，稳定计算结果有可能出现难以满足规范要求且无法全面反映坝肩稳定状态的现象，并分析其形成原因。同时针对此类问题的解决办法进行探讨。

【关键词】拱坝；坝肩稳定；缓倾角结构面；刚体极限平衡法；高摩赞水电站

1 、概述

根据现行规范规定，拱坝抗滑稳定分析以刚体极限平衡法为主要方法，稳定评价标准为是否满足承载能力极限状态表达式。但在多个项目的拱坝设计工作中，设计人员发现，当坝肩出现倾角较高（倾角超过25°）并倾向岸外的缓倾角结构面时，采用刚体极限平衡法分析结果有可能出现难以达到规范要求的标准情况，但从工程实际分析坝肩的稳定性是具有一定安全裕度的。本文将从高摩赞等两个水电站拱坝坝肩稳定分析成果出发说明这一问题。

2 、实际工程遇到的问题

2.1高摩赞水电站坝肩稳定分析

高摩赞大坝枢纽工程位于巴基斯坦西北边境省境内的印度河支流Gomal Zam河上，挡水建筑物为碾压混凝土重力拱坝，最大坝高133m。目前已建成并下闸蓄水。坝基岩体主要为薄层灰岩，且裂隙较发育，右岸坝肩开挖揭露存在倾向岸外、倾角30°左右裂隙，走向NW，倾向NE。以该组裂隙结构面作为坝肩稳定分析模型底滑面与陡倾角断层F2（产状NE50°，NW∠80°）进行组合，分析缓倾角结构面对坝肩稳定的影响。计算方法和假定采用常规的刚体极限平衡法及相关计算假定进行计算。

其中，底滑面力学参数根据岩体力学参数和裂隙力学参数加权取值。根据地质勘探成果，裂隙连通率按10%考虑。由于侧滑面F2断层已经进行了混凝土置换洞和传力洞处理，力学参数按照断层参数与置换洞、传力洞力学参数加权综合值。计算工况和荷载见表1。

计算结果表明，高摩赞水电站右岸缓倾角底滑面计算模型各个工况下抗滑稳定均不满足规范要求。

为进一步验证高摩赞拱坝坝肩的整体安全性，采用三维有限元数值方法对其进行超载分析。分析结果表明：高摩赞重力拱坝在超载系数为4.0时，位移增大的速率明显增加，建基面和坝体上游面屈服区明显加大；当超载系数达到5.0时，位移曲线发生突变，建基面基本上全部拉开和屈服，形成滑移破坏通道，上游面临近建基面的区域都出现开裂破坏，有限元非线性迭代计算趋于不收敛。因此，高摩赞大坝的超载安全度为4.0～5.0之间。同时注意到，当超载系数达到Kp=5.0时，大坝破坏形式主要是建基面的屈服和开裂破坏，右岸坝肩滑动体的侧滑面和底滑面破坏区并没有连通。这说明了右岸坝肩块体的稳定安全系数尽管不满足规范要求，但大坝发生超载破坏时，该部位的滑移不是构成大坝破坏的原因。

综上所述，虽然刚体极限平衡法计算结果不满足规范要求，但是高摩赞工程最终经有限元等多种综合方法分析，仍认为工程右岸坝肩稳定性具有相应的安全裕度，总体分析认为右岸坝肩抗滑稳定问题不突出。

2.2某水电站坝肩稳定假定分析

某水电站工程挡水建筑物为混凝土双曲拱坝，坝址区为高山峡谷地貌，山体雄厚。坝址区出露地层主要为中生代印支期花岗岩，岩块致密坚硬、抗风化强。

坝址区本身无倾向下游同时倾向岸外缓倾角结构面，但是为了验证该类结构面对坝肩稳定的影响，本文假定其右岸坝肩存在倾向下游同时倾向岸外缓倾角结构面，并以该组结构面作为坝肩稳定分析的底滑面。因该组结构面并不存在，因此假定底滑面参数取该部位花岗岩岩体的力学参数。

本次缓倾角结构面影响分析选取的计算模型侧滑面采用右岸发育的对抗滑稳定相对较不利产状的NNE组陡倾角断层。该组断层倾角大于80°，其走向与河流方向夹角较小（产状NE37°NW∠89°），对于右岸坝肩抗力体抗滑稳定相对不利。底滑面选取假定的倾向下游同时倾向岸外缓倾角结构面，产状选用NW281°NE∠35°。计算方法和假定采用常规的刚体极限平衡法及相关计算假定进行计算。

根据地质勘探成果，该模型侧滑面NNE组断层力学参数按照工程区Ⅲ级结构面参数取值。底滑面由于为假定缓倾角结构面，因此按照该部位Ⅲ1级花岗岩力学参数取值。

计算工况为正常蓄水位加温降工况，计算结果见表3。

由以上结果可见，在以倾向岸外同时倾向下游的高缓倾角结构面为底滑面的情况下，即便结构面参数选用岩石参数，其抗滑稳定分析同样也无法满足规范要求。

从以上结果可以看出，按照现行规范要求的计算方法，当坝肩抗力体存在倾向岸外同时倾向下游的高缓倾角结构面时（倾角大于25°），即便结构面力学参数采用岩体力学参数，其坝肩稳定分析结果也难以满足规范要求，且有一定差距，很难通过增加工程处理达到安全标准。但实际上，该水电站工程已经下闸蓄水并投产发电多年，库水位也基本达到正常蓄水位。通过几年的监测资料分析，右岸坝肩变形量未出现异常，坝肩岩体的径向和切向变形分量均小于1mm，工程整体安全性較高。

3 、原因分析及解决方法讨论

3.1原因分析

针对上述两座水电站坝肩稳定分析出现的现象，即按照规范要求进行的坝肩稳定刚体极限平衡法计算结果难以满足规范要求，但通过其他方法和工程实际运行情况判断，坝肩岩体具有足够的稳定性，甚至有较高的稳定安全裕度。分析认为，可能是由于规范要求的刚体极限平衡法对于此类问题的计算适用性有限，以及传统的计算假定偏于保守所致。刚体极限平衡法（以单面滑动为例）是将坝肩抗滑岩体视为刚体，通过空间解析方法，将块体受的各个外力及自身重力的合力分解为沿滑动面的切向力和垂直于滑动面的法向力，并认为切向力为滑动力，法向力为抗滑力。其中，计算认为块体所受外力包括拱端推力Pn、滑面渗压U1、U2，块体重力W（包括岩体自重和拱坝坝体压在块体上的重力）和假定的上游拉开面水压力。

通过计算原理可以看出，当底滑面倾角较大时，块体自重分解，沿滑面切向分力将增加，沿法向分力将减少，反映到坝肩稳定模型中则表现为滑动力增加、抗滑力减少。由于一般情况下自重在块体所受各力中所占权重最大，因此块体稳定性会因底滑面角度增加而显著降低。在底滑面倾角大于25°以上时，按照此方法计算得出的稳定系数可能无法全面体现坝肩实际稳定性。

仍以高摩赞水电右岸缓倾角底滑面分析模型为例，在不考虑该模型上游拉裂面水压力、底滑面和侧滑面渗压以及拱坝拱端推力的情况下，仅计算块体自重对该模型抗滑稳定的影响。计算结果见表5。

结果表明，在不计上游拉裂面水压力、底滑面和侧滑面渗压、拱坝拱端推力情况下，块体稳定安全系数仍不满足规范要求。说明渗透水压力和拱推力对该模型影响较小，其稳定安全系数偏低正是由于底滑面倾角过大，计算采用传统刚体极限平衡法的局限性所致。

3.2解决方法初探

针对此类问题，工程设计人员首先需要对坝肩整体稳定性做出宏观的判断，当坝肩存在倾向岸外倾角较大的缓倾角结构面时，需认识到坝肩稳定分析由于评价标准的局限可能会出现该问题。如果出现该类问题，若是由于模型塊体自重所占权重过大而导致稳定系数不满足规范要求，可进一步结合三维有限元等数值方法和地质力学模型实验等方法综合分析研究拱坝坝肩的稳定性，并结合工程类比，综合评价拱坝及坝肩的整体安全性。

4、总结

本文通过对高摩赞等两个电站坝肩稳定实例分析，研究讨论了当拱坝坝肩稳定计算模型以倾角较大并倾向岸外的缓倾角结构面为底滑面时，现行规范规定的评价标准有可能不能全面反映坝肩实际稳定状态的工程问题。此问题会导致工程设计处理工程量大于实际需要，甚至影响到工程坝址坝型的选择。

本文对此类问题的产生原因进行分析，明确了拱坝工程可能出现该类问题的外界条件，并对解决方法进行了初步的探讨。首先正确判断，其次采取数值方法和地质力学模型实验等方法综合分析，并结合工程类比的分析方法，以此综合评价拱坝及坝肩的整体安全性。

参考文献：

[1] 王仁坤等.混凝土拱坝设计规范（DL/T 5346-2006）.北京：中国电力出版社，2007；

[2] 雷艳等，巴基斯坦高摩赞水电站工程大坝及基础工作性态静力分析与坝肩处理综合研究设计报告.西安：西北勘测设计研究院，2013。