婁劍永，曹浙平

（1.南京市市政設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210008；2.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020）

外摻MgO混凝土不分縫拱壩壩肩三維穩(wěn)定分析探討

婁劍永1，曹浙平2

（1.南京市市政設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210008；2.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020）

壩肩巖體抗滑穩(wěn)定是拱壩設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題之一。外摻MgO混凝土不分縫拱壩是一種新型拱壩，由于外摻MgO混凝土的延遲微膨脹作用，該新型拱壩的壩肩推力與常規(guī)拱壩有較大的差別。采用剛體極限平衡法，根據(jù)仿真分析獲得的拱壩壩肩推力成果，分析了廣東省長(zhǎng)潭外摻MgO混凝土不分縫拱壩的壩肩穩(wěn)定，并與常規(guī)拱壩的分析成果相比較，發(fā)現(xiàn)采用外摻MgO混凝土不分縫筑拱壩技術(shù)有利于拱壩的壩肩抗滑穩(wěn)定。

外摻MgO拱壩；壩肩穩(wěn)定；剛體極限平衡；長(zhǎng)潭水電站

1 問題的提出

在生產(chǎn)混凝土?xí)r加入適量特制的輕燒MgO，其水化過程中形成的Mg(OH)2會(huì)產(chǎn)生延遲性的體積微膨脹，利用其后期膨脹變形來補(bǔ)償混凝土在溫降時(shí)產(chǎn)生的收縮變形，以防止或減少混凝土由于溫降產(chǎn)生的裂縫，是一種新的溫控方式；修筑混凝土拱壩時(shí)利用MgO延遲性微膨脹特性，實(shí)現(xiàn)不分橫縫通倉連續(xù)澆筑拱壩，是近年出現(xiàn)的新型筑壩技術(shù)。廣東省長(zhǎng)潭電站大壩為1座中型外摻MgO混凝土不分縫新型拱壩。在長(zhǎng)潭壩型選定過程中，分別對(duì)常規(guī)拱壩和外摻MgO混凝土不分縫拱壩2種方案進(jìn)行了計(jì)算，并根據(jù)2種方案計(jì)算成果中的壩肩推力，采用剛體極限平衡法，對(duì)拱壩壩肩抗滑穩(wěn)定進(jìn)行了三維分析。對(duì)2種壩型的壩肩抗滑穩(wěn)定分析比較后發(fā)現(xiàn)，外摻MgO混凝土不分縫拱壩較常規(guī)拱壩有利于壩肩巖體的抗滑穩(wěn)定。

2 工程概況

長(zhǎng)潭水電站位于廣東省翁源縣涂屋水上游。大壩為拋物線雙曲拱壩，壩頂高程200.1 m，最大壩高53.0 m，壩頂弧長(zhǎng)為124.0 m，壩頂寬度3.0 m，壩底最大厚度9.5 m，厚高比0.179，采用外摻MgO混凝土不分縫新型拱壩技術(shù)，壩體混凝土量約為2.9萬m3。大壩正常蓄水位196 m，設(shè)計(jì)洪水位198.08（P = 2.0%），校核洪水位200.10（P = 0.2%）。

壩址區(qū)地形陡峭，風(fēng)化較淺，壩址河床狹窄，呈“V”字型峽谷。兩岸山體雄厚，左岸地形坡度為40° ～ 50°，右岸稍陡，為50° ～ 60°。壩基主體巖石為泥盆系中下統(tǒng)桂頭群下亞群第三巖組（D1-2gta-3）石英砂巖，層厚2.2 ～ 3.2 m，中間夾4層層厚小于0.3 m的青灰色泥質(zhì)粉砂巖。巖層產(chǎn)狀為N20° ～ 50°E/SE＜50° ～ 70°。壩址地質(zhì)構(gòu)造以斷層和節(jié)理裂隙為主，斷裂構(gòu)造發(fā)育一般。

3 壩肩潛在滑動(dòng)邊界條件分析

3.1 影響壩肩穩(wěn)定的因素

長(zhǎng)潭拱壩右岸壩肩有f7斷層（產(chǎn)狀N20°W/SW＜80°）和f8斷層（產(chǎn)狀N15°E/NW＜20°），2條斷層相交切割巖石，構(gòu)成可能滑動(dòng)棱體1，該滑動(dòng)棱體以f7為側(cè)滑面、f8為底滑面，但這2條斷層規(guī)模較小，且都傾向山里，膠結(jié)好，對(duì)壩肩穩(wěn)定影響較小；在壩址右岸PD5探洞中發(fā)現(xiàn)有4條層間錯(cuò)動(dòng)帶，產(chǎn)狀N45°E/SE＜75° ～ 80°，為泥質(zhì)粉砂巖夾層，后期發(fā)生層間錯(cuò)動(dòng)，呈巖屑加泥型軟弱夾層。層間錯(cuò)動(dòng)帶與f8斷層組合切割巖石，構(gòu)成可能滑動(dòng)棱體2，該滑動(dòng)棱體以層間錯(cuò)動(dòng)帶為側(cè)滑面，緩傾斷層f8為底滑面，對(duì)右岸壩肩穩(wěn)定影響較大。

壩址左岸存在f11斷層（產(chǎn)狀N25°W/SW＜50°）和f12斷層（產(chǎn)狀N50° ～ 60°E/NW＜70° ～ 80°）。這2個(gè)斷層傾角都較陡，分析后認(rèn)為，左岸壩肩如果要失穩(wěn)，則要在水平方向剪斷巖層，因此，左岸壩肩的可能滑動(dòng)棱體由f11斷層、f12斷層和水平方向剪斷巖層切割而成。

3.2 壩址結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

計(jì)算時(shí)選取的壩肩結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)見表1。

表1 壩肩結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)表

4 壩肩抗滑穩(wěn)定分析計(jì)算

4.1 計(jì)算過程和結(jié)果

長(zhǎng)潭拱壩壩體內(nèi)力和應(yīng)力計(jì)算采用陳正作教授編寫的GADAP軟件，其力學(xué)原理基礎(chǔ)是梁拱分載法。計(jì)算分為常規(guī)拱壩計(jì)算和外摻MgO混凝土快速筑壩仿真計(jì)算2種。常規(guī)拱壩計(jì)算按照SL 282 — 2003《混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范》，選取了“正常蓄水位+溫降”和“校核洪水位+溫升”2種工況；仿真計(jì)算模擬從壩體澆筑混凝土開始直到蓄水運(yùn)行，按每7 d為1期，計(jì)算全過程的仿真應(yīng)力。仿真計(jì)算共分150期進(jìn)行，其中壩體混凝土澆筑時(shí)段為12月初至次年4月底，即在高溫季節(jié)前完成壩體澆筑。設(shè)計(jì)混凝土粗骨料采用石灰?guī)r，MgO摻量： 高程147.1 至 162.0為5.0%，高程162.0至壩頂為5.5%。

根據(jù)常規(guī)拱壩計(jì)算成果中的壩肩推力，采用剛體極限平衡法計(jì)算常規(guī)拱壩的壩肩抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；在仿真計(jì)算成果中，選取仿真118期（冬季）和仿真143期（夏季）的壩肩推力（仿真118期為冬季，大壩蓄水至正常蓄水位；仿真143期為夏季，壩前水位為校核洪水位），計(jì)算壩肩抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，并與常規(guī)計(jì)算結(jié)果相比較。

本工程為 Ⅲ 等中型工程，根據(jù)SL 282 — 2003規(guī)范，壩肩穩(wěn)定安全系數(shù)要求在基本組合下[k]≥3.0，特殊組合下[k]≥2.5。壩址區(qū)域地震基本烈度為6°，根據(jù)規(guī)范不作抗震計(jì)算。

常規(guī)計(jì)算和仿真計(jì)算中壩肩推力計(jì)算時(shí)選取的坐標(biāo)系見圖1，壩肩推力計(jì)算成果見表2和表3，其中，推力Tx和Ty的符號(hào)與X、Y坐標(biāo)軸的方向一致為正，反之為負(fù)；Tz以豎直向下為正，向上為負(fù)。

圖1 壩肩推力計(jì)算坐標(biāo)系圖

表2 右岸壩肩推力計(jì)算成果表 kN

表3 左岸壩肩推力計(jì)算成果表 kN

根據(jù)對(duì)右岸壩肩穩(wěn)定邊界條件分析，右岸可能滑動(dòng)棱體有2個(gè)：f7斷層和f8斷層組合切割成的滑動(dòng)棱體1；層間錯(cuò)動(dòng)帶與f8斷層組合切割成的滑動(dòng)棱體2。對(duì)2個(gè)可能滑動(dòng)棱體進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算，計(jì)算工況和結(jié)果見表4。

表4 右岸壩肩穩(wěn)定安全系數(shù)表

左岸壩肩的可能滑動(dòng)棱體由f11斷層、f12斷層和水平方向剪斷巖層組合切割而成。左岸壩肩穩(wěn)定安全系數(shù)見表5。

表5 左岸壩肩穩(wěn)定安全系數(shù)表

4.2 計(jì)算結(jié)果分析

（1）常規(guī)計(jì)算中，右岸壩肩可能滑動(dòng)棱體1的安全系數(shù)能滿足規(guī)范要求；可能滑動(dòng)棱體2的安全系數(shù)在基本組合下為2.72，特殊組合下為2.30，不能滿足規(guī)范要求，需采取以下工程措施進(jìn)行處理：在160.0 m高程做斷面為2.5 m×3.0 m的水平混凝土洞塞，穿過f8斷層，并沿層間錯(cuò)動(dòng)帶向下游方向設(shè)10.0 m長(zhǎng)混凝土洞塞，同時(shí)利用該開挖平洞對(duì)f8斷層和f7斷層進(jìn)行灌漿處理，處理后的右岸可能滑動(dòng)棱體2的安全系數(shù)見表6。

表6 處理后右岸壩肩滑動(dòng)棱體2穩(wěn)定安全系數(shù)表

可見，采取一定工程措施對(duì)右岸壩肩進(jìn)行處理后，其穩(wěn)定安全系數(shù)可以滿足規(guī)范要求。

（2）左岸壩肩穩(wěn)定安全系數(shù)值都較大，能夠滿足規(guī)范要求。

（3）通過仿真計(jì)算得出的壩肩穩(wěn)定安全系數(shù)較常規(guī)計(jì)算值要大。從計(jì)算結(jié)果看，長(zhǎng)潭電站大壩采用外摻MgO不分縫拱壩技術(shù)，不需對(duì)壩肩采取工程處理措施其穩(wěn)定安全系數(shù)也能滿足規(guī)范要求，但考慮到該新型拱壩技術(shù)尚處于推廣應(yīng)用階段，為安全起見，仍應(yīng)對(duì)壩肩部位采取必要的抗滑穩(wěn)定處理。

5 結(jié) 語

在長(zhǎng)潭拱壩壩肩的三維穩(wěn)定分析中，分別得出常規(guī)計(jì)算和外摻MgO混凝土快速筑壩仿真計(jì)算中的壩肩穩(wěn)定安全系數(shù)，并對(duì)二者進(jìn)行了比較。通過近似比較分析，初步發(fā)現(xiàn)外摻MgO不分縫拱壩對(duì)壩肩巖體穩(wěn)定是有利的。利用該有利特性可以達(dá)到簡(jiǎn)化壩肩處理的目的。

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[2] 潘家錚．工程地質(zhì)計(jì)算和基礎(chǔ)處理[M]．北京：水利電力出版社，1985．

[3] 李承木．外摻MgO混凝土快速筑拱壩技術(shù)及其應(yīng)用[J].水利水電科技進(jìn)展，2011，31(6)：41 - 46．

[4] 李少鵬．外摻MgO混凝土快速筑拱壩新技術(shù)在廣東省的應(yīng)用[J]．廣東水利水電，2006(增刊) ：6 - 7.

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（責(zé)任編輯 郎忘憂）

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2016-07-25

婁劍永(1974 - )，男，工程師，碩士，主要從事工作水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和研究工作。