雷 茜

（國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局材料發(fā)明審查部，北京 100088）

1 引 言

我國西南地區(qū)的岷江、大渡河、雅礱江和金沙江等河流可開發(fā)的水能資源十分豐富，但河床覆蓋層均較為深厚，一般40～70m，有的深達(dá)百米以上。處理圍堰地基深厚覆蓋層的方法有：采用沉井以擋土并兼作圍堰堰體，采用地下連續(xù)墻以擋土并兼作圍堰堰體等［1］。

當(dāng)壩基或堰基內(nèi)有緩傾角軟弱結(jié)構(gòu)面且地形不利時(shí)，應(yīng)核算抗滑穩(wěn)定性。目前常用的分析方法有剛體極限平衡法、有限元法和地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)法。當(dāng)抗滑穩(wěn)定安全度不足時(shí)，則必須加以處理以提高抗滑能力滿足抗滑穩(wěn)定要求。常用的處理措施有：明挖處理、增加壩體重量、壩基設(shè)封閉式抽水減壓排水系統(tǒng)降低揚(yáng)壓力、設(shè)置防滲板或阻滑板、設(shè)置深齒墻、設(shè)置混凝土洞塞、設(shè)置抗剪樁和采用預(yù)應(yīng)力鋼索錨固等。

2 抗滑穩(wěn)定計(jì)算方法

抗滑穩(wěn)定安全判據(jù)是設(shè)計(jì)中必須首先考慮的重要指標(biāo)，它的計(jì)算方法與參數(shù)取值也直接影響到能否正確判斷建筑物的安全穩(wěn)定。剛體極限平衡法應(yīng)用廣泛且有統(tǒng)一的控制標(biāo)準(zhǔn)，而在剛體極限平衡法的被動(dòng)抗力法、剩余推力法和等安全系數(shù)法中又以等安全系數(shù)法應(yīng)用最廣泛，2005年水利部頒發(fā)的《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》［2］在壩基深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算中所采用的就是等安全系數(shù)法，所以在工程實(shí)際中采用這種方法來進(jìn)行抗滑穩(wěn)定分析相對(duì)有限元方法而言更有參考性。

壩基巖體中存在軟弱結(jié)構(gòu)面，尤其是緩傾角的連續(xù)、夾泥或易于泥化的軟弱夾層時(shí)，由于大部分軟弱結(jié)構(gòu)面的實(shí)際走向與壩軸線并不垂直，而是斜交于某一夾角。這樣，當(dāng)一部分壩體連同其下的巖體在軟弱結(jié)構(gòu)面上失穩(wěn)向下游滑動(dòng)時(shí)，如果兩側(cè)的壩體是穩(wěn)定的，則由于其側(cè)向受到約束，不可能沿軟弱結(jié)構(gòu)面的真傾向滑動(dòng)，而只可能順河流向滑動(dòng)，就在滑移體兩側(cè)基巖中形成側(cè)裂面，側(cè)裂面上要受到側(cè)向阻力，其中包括摩阻力和黏著力［3］。所以當(dāng)計(jì)算結(jié)果不滿足抗滑穩(wěn)定要求時(shí)適當(dāng)?shù)挠?jì)入側(cè)裂面上的側(cè)向阻力也是合理的，此時(shí)就要對(duì)滑動(dòng)體運(yùn)用空間的剛體極限平衡法分析。

根據(jù)所給的各個(gè)斷面的結(jié)構(gòu)圖以及地質(zhì)剖面圖，可以建立需要進(jìn)行抗滑穩(wěn)定分析對(duì)象的三維模型，對(duì)滑動(dòng)體和抗力體運(yùn)用三維的剛體極限平衡法分析，可分別得抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。

式中，∑N1、∑N2分別為滑動(dòng)體和抗力體的總法向力，∑P1、∑P2分別為滑動(dòng)體和抗力體的總下滑力，∑Q1、∑Q2分別為滑動(dòng)體和抗力體的總側(cè)向力及分別為底滑裂面、抗裂面及滑動(dòng)體和抗力體的側(cè)裂面上的抗剪斷摩擦系數(shù)、黏結(jié)力、滲透壓力和斷面積。

令Kc1＝Kc2＝K即為所求的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)［3］。

3 重力壩縱向圍堰沉井概況

某大型重力壩位于金沙江下游河段，工程樞紐由混凝土重力壩、左岸壩后廠房，右岸地下廠房、左岸垂直升船機(jī)和兩岸灌溉取水口等組成。

由于大壩上游段二期縱向圍堰地基覆蓋層深達(dá)45～62m，因此，圍堰地基處理是二期縱向圍堰設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，直接影響一期工程施工進(jìn)度。經(jīng)過多方案比選，對(duì)大壩上游段二期縱向圍堰樁號(hào)二縱上0－168.900m～二縱上0±000.000m段（大致為二期上游橫向圍堰以下段），選定了結(jié)構(gòu)可靠、施工方法可行、施工進(jìn)度指標(biāo)適中、施工技術(shù)難度相對(duì)較小、施工布置較方便、能滿足工程總進(jìn)度要求、工程投資最少的10個(gè)沉井處理方案作為大壩上游段二期縱向圍堰地基覆蓋層處理方案。

圖1 二期縱堰結(jié)構(gòu)布置圖

圖2 沉井平面布置圖

將沉井在覆蓋層中下沉至基巖面，再以填充后的沉井體系作為擋土結(jié)構(gòu)（有時(shí)也兼做堰體基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)），開挖覆蓋層、澆筑混凝土堰體。二期縱向圍堰的剖面圖見圖1，沉井平面布置圖見圖2。

3.1 堰基巖石條件

二期縱向圍堰上游段地基的下伏基巖主要為T32巖組，以中至巨厚層的砂巖為主，僅夾少量泥質(zhì)巖石透鏡體。淺表層巖石一般呈中等風(fēng)化或微風(fēng)化，受構(gòu)造影響，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體完整性較差，巖體質(zhì)量一般為Ⅲ～Ⅳ類?；鶐r除構(gòu)造破碎帶需局部處理外，承載力均能滿足要求。

3.2 堰基覆蓋層的組成

覆蓋層主要為卵礫石夾砂和砂層，含塊（碎）石和崩石、粉砂土、砂壤土以及淤泥質(zhì)土。其組成大致可以歸并為3大層，從上至下依次為：①層為卵礫石夾砂，底部堆積含卵礫石的砂壤土。卵礫石夾砂層，以卵礫石為主，其含量一般占80%左右，中間粒徑（細(xì)礫）偏少，細(xì)顆粒含量約為20%。不均勻系數(shù)大，曲率系數(shù)一般大于3.0，說明卵礫石夾砂層的級(jí)配不良。卵石的磨圓度好，粒徑一般在2～8cm之間，較大的達(dá)十幾厘米，其母巖主要為玄武巖，其次為砂巖和灰?guī)r。②層為砂層，局部夾有透鏡狀的砂壤土或淤泥質(zhì)土。砂層，為黃色、黃綠色、棕黃色或黃褐色以及灰色的粉細(xì)砂至中粗砂，總體上以中細(xì)砂為主，局部含淤泥質(zhì)土。大于5mm的礫石含量2.5%左右，粘粒含量10%左右。砂層的分選性較好，但級(jí)配不良。③層為含塊石的砂卵礫石層。含塊石的砂卵礫石層，厚8～22m，該層的砂卵礫石組成與特征和第①層相似，其突出特點(diǎn)是較普遍地含有塊石。

3.3 計(jì)算參數(shù)

計(jì)算時(shí)各類堰基（抗力體）巖體、結(jié)構(gòu)面等材料強(qiáng)度參數(shù)和特性指標(biāo)見表1。對(duì)淺層滑動(dòng)面進(jìn)行抗滑穩(wěn)定分析時(shí)，其強(qiáng)度參數(shù)統(tǒng)一采用破碎加泥層Pn的參數(shù)。

表1 巖體本身的抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)表

4 重力壩縱向圍堰沉井抗滑穩(wěn)定計(jì)算

二期圍堰為Ⅲ級(jí)建筑物，計(jì)算的工況為圍堰后澆混凝土部位的地基開挖完畢，未澆混凝土，即沉井左側(cè)臨空、右側(cè)為一期土石圍堰，沉井作為擋土墻的工況?？紤]的荷載主要有：自重、土壓力和揚(yáng)壓力。對(duì)于沉井右側(cè)的土壓力，是通過建立有限元模型計(jì)算得出作用于沉井右側(cè)的水平推力，此法計(jì)算得出的水平推力值介于主動(dòng)土壓力與靜止土壓力之間，比較接近真實(shí)情況。

建立三維的沉井模型后根據(jù)抗力體的剪出點(diǎn)不同，計(jì)算中分為兩種滑動(dòng)模式：（1）滑動(dòng)塊不從沉井底部斷開來搜索最危險(xiǎn)滑出點(diǎn)；（2）滑動(dòng)塊從沉井底部斷開來搜索最危險(xiǎn)滑出點(diǎn)?；瑒?dòng)模式的剖面示意圖見圖3。

圖3 滑動(dòng)模式的剖面示意圖

為了保證施工時(shí)即使出現(xiàn)地勘未發(fā)現(xiàn)的破碎夾泥層也能有應(yīng)急處理措施，本文不僅對(duì)已勘明的地質(zhì)情況，即軟弱夾層為實(shí)際埋深時(shí)的單個(gè)沉井的抗滑穩(wěn)定作了計(jì)算，也對(duì)假想的最不利的地質(zhì)情況，即軟弱夾層在每個(gè)沉井上游側(cè)右下刃角出露時(shí)的單個(gè)沉井的抗滑穩(wěn)定作了計(jì)算，并且對(duì)成組的沉井的抗滑穩(wěn)定也作了計(jì)算。

抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果不滿足規(guī)范［2］所規(guī)定的安全系數(shù)2.50的要求時(shí)，就計(jì)入滑動(dòng)體側(cè)裂面面積較小側(cè)——上游側(cè)的側(cè)裂面的凝聚力c3A3作為抗力?？沽w側(cè)裂面的凝聚力c4A4及所有側(cè)裂面的側(cè)向力∑Q1、∑Q2都作為安全儲(chǔ)備不計(jì)入抗力。

4.1 軟弱夾層出露點(diǎn)為沉井上游側(cè)右下刃角時(shí)的抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

4.1.1 沉井終沉面高程為設(shè)計(jì)高程

在分析中，開始不考慮側(cè)裂面抗力，后來對(duì)不滿足規(guī)范要求，即安全系數(shù)小于2.50的沉井考慮側(cè)裂面抗力后，也都滿足了2.50的要求，并且對(duì)側(cè)裂面凝聚力做了敏感性分析，計(jì)算結(jié)果見表2。

4.1.2 沉井終沉面高程抬高

對(duì)沉井終沉面高程較設(shè)計(jì)終沉面高程抬高較多的沉井六、沉井七和沉井八也單獨(dú)作了校核計(jì)算，高程變化見表4，計(jì)算結(jié)果見表3和表5。

沉井七在滑動(dòng)模式一中考慮了側(cè)裂面抗力后抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)還是不滿足規(guī)范的要求，所以針對(duì)沉井七的終沉面高程也作了敏感性分析，計(jì)算結(jié)果見表5。表中計(jì)算結(jié)果表明當(dāng)側(cè)裂面的凝聚力取第二列中的值，終沉面高程抬高值取第三列中的值時(shí)，沉井七在滑動(dòng)模式一中的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)能達(dá)到2.50。

表2 單個(gè)沉井的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)（最不利地質(zhì)情況）

表3 終沉面高程抬高后的單個(gè)沉井的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)（最不利地質(zhì)情況）

表4 沉井終沉面高程對(duì)比表（單位：m）

表5 沉井七終沉面高程敏感性分析（滑動(dòng)模式一）

圖4 沉井分組平面示意圖

表6 成組沉井的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)（最不利地質(zhì)情況）

4.1.3 沉井成組抗滑穩(wěn)定計(jì)算

考慮到沉井的成組滑動(dòng)的可能性，所以對(duì)抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)較小的幾個(gè)沉井在不考慮側(cè)裂面抗力的情況下又做了成組計(jì)算，分別是：沉井三和沉井四，沉井二、沉井三和沉井四，沉井四和沉井五，沉井七和沉井八，并且對(duì)不滿足要求的沉井三和沉井四考慮了側(cè)裂面抗力后又進(jìn)行了計(jì)算，并作了側(cè)裂面凝聚力敏感性分析，沉井的分組示意圖見圖4。

由沉井平面布置圖（圖2）可知沉井之間有錯(cuò)動(dòng)，所以在作成組計(jì)算時(shí)只對(duì)滑動(dòng)模式一的抗滑穩(wěn)定進(jìn)行了計(jì)算，并對(duì)不滿足要求的沉井三和沉井四組合計(jì)入側(cè)裂面抗力后作了計(jì)算。計(jì)算結(jié)果見表6。

4.2 軟弱夾層實(shí)際埋深時(shí)的抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

在分析中，開始不考慮側(cè)向巖石之間的凝聚力，后來對(duì)抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)小于2.50的沉井考慮上游側(cè)的巖石之間的凝聚力后，安全系數(shù)都滿足了2.50的要求，并且對(duì)凝聚力做了敏感性分析，計(jì)算結(jié)果見表7。因?yàn)槌辆牡囊芽泵鞯刭|(zhì)情況就是假設(shè)的最不利的地質(zhì)情況，所以兩種地質(zhì)情況下的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)相同。

表7 單個(gè)沉井的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)（已勘明地質(zhì)情況）

4.3 沉井四底部與基巖接觸面積的敏感性分析

為了驗(yàn)證軟弱夾層出露點(diǎn)為沉井上游側(cè)右下刃角時(shí)為最危險(xiǎn)的工況，對(duì)沉井四作了軟弱夾層出露點(diǎn)不同時(shí)的抗滑穩(wěn)定計(jì)算，即沉井四底部與基巖的接觸面積的敏感性分析。計(jì)算的情況分為三種，依次如圖5所示，陰影部分為沉井底部直接與基巖接觸部分，計(jì)算結(jié)果見表8。

圖5 沉井四底部與基巖接觸面積示意圖

表8 接觸面積敏感性分析的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

5 重力壩縱向圍堰及沉井處理措施

軟弱夾層實(shí)際埋深時(shí)的各個(gè)沉井抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)在考慮了側(cè)裂面抗力后都是滿足2.50的要求的，但如果軟弱夾層出現(xiàn)在最不利位置時(shí)，而沉井的終沉面高程又抬高較大，則即使考慮了側(cè)裂面的抗滑力后沉井六和沉井七的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)還是達(dá)不到2.50的要求，所以為了做好預(yù)案，對(duì)沉井七也進(jìn)行了加固預(yù)案計(jì)算。常用的加固措施有很多種，考慮到該工況是臨時(shí)建筑物的施工工況，所以綜合施工難易程度和投資的大小，采用素混凝土抗剪樁這種加固措施。素混凝土樁的強(qiáng)度參數(shù)取為f＇＝1.1，c＇＝1.1MPa，置換面積是投影到水平面后的計(jì)算值，計(jì)算結(jié)果見表9。

表9 沉井終沉面高程抬高后的加固預(yù)案

6 結(jié) 語

（1）某大型重力壩上游段二期縱向圍堰結(jié)構(gòu)中的沉井在做擋土墻時(shí)，單個(gè)沉井的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)在考慮了部分的側(cè)裂面凝聚力后，大部分都達(dá)到了規(guī)范安全系數(shù)2.50的要求，個(gè)別沉井即使出現(xiàn)了最危險(xiǎn)的軟弱夾層稍作處理也能滿足規(guī)范的要求。單個(gè)沉井的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)明顯小于成組的沉井的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，所以單個(gè)沉井抗滑穩(wěn)定計(jì)算不能滿足要求時(shí)應(yīng)考慮整個(gè)沉井組之間的相互作用。（2）計(jì)算結(jié)果表明某大型重力壩上游段二期縱向圍堰采用沉井作為處理深厚覆蓋層地基的方案是科學(xué)可行的，為西南地區(qū)其他的水利樞紐建設(shè)在處理深厚覆蓋層地基方面積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

［1］郭征紅，徐 偉.深基坑技術(shù)在大型水電站堰基中的應(yīng)用研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2006，28（增刊）：1702－1706.

［2］SL319－2005，混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］王瑞駿.重力壩深層抗滑穩(wěn)定性的空間剛體極限平衡分析［J］.西北水資源與水工程，1996，（4）：1－5.

［4］彌宏亮，陳祖煜，汪小剛.三峽左岸壩段三維抗滑穩(wěn)定性分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003，22（12）：1960－1965.

［5］徐千軍，李 旭，陳祖煜.百色水利樞紐主壩壩基三維抗滑穩(wěn)定分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006，25（3）：533－538.

［6］潘家錚.重力壩設(shè)計(jì)［M］.北京：水利電力出版社，1987.

［7］王宏碩.水工建筑物（專題部分）［M］.武漢：水利電力出版社，1990.