超高拱坝拱座及抗力体抗滑稳定研究

超高拱坝拱座及抗力体抗滑稳定研究

拱坝嵌深对抗滑稳定性影响拱及其抗滑稳定研究是拱及其邻国研究的核心内容。拱的强大浮力由拱和两岸的阻力体承受。以往经验表明,绝大多数拱坝失事均因为拱座岩体失稳或变形过大造成拱坝一般以其造价经济而闻名,但这要建立在两岸拱座及抗力体稳定的基础上。拱座及抗力体的抗滑稳定与拱坝两岸嵌深有关,也影响电站的经济性。如果拱坝嵌深过大,虽然其抗滑稳定性满足要求,但会明显不经济,对高地应力区开挖过大还会对建基面岩体造成一定损伤。如拱座嵌深不足,则抗滑稳定可能不满足要求,可能失稳,甚至产生巨大的灾难。特高拱坝(坝高超过200m本文以主要工程地质问题为研究重点,研究二滩、锦屏一级、溪洛渡、大岗山、拉西瓦、小湾等水电站特高拱坝左右岸抗滑稳定条件、底滑面及侧滑面和滑移组合模式、滑面连通率分析及参数取值研究、抗力体地质缺陷分析及处理、地下水及岩体渗透性等问题,总结拱座及其抗力体抗滑稳定分析、研究及处理经验,为今后类似工程提供可借鉴的技术依据。抗滑稳定地质条件的研究本文主要研究现有已建成的一些特高拱坝结构面及其组合、抗滑稳定条件等,主要包括侧裂面(侧滑面)、底滑面、上游拉裂面及临空面条件。临空面构造组合抗滑稳定分析中,临空面条件一般为地形地貌条件,同时也考虑构造条件,即横河向或与大坝推力方向大角度相交的陡倾角构造破碎带、裂隙密集带、卸荷拉裂带、软弱岩层(带)以及喀斯特洞穴、矿洞等可视为临空面(1)研磨法坝肩岸坡坡度河谷狭窄,两岸山高300～400m。左岸坝肩岸坡坡度在25°～40°,除Ⅸ线以下有中滩沟外,山体浑厚,地形完整。右岸坝肩山体雄厚,地面坡度35°～45°(2)“v”型谷河道顺直而狭窄,坝区两岸山体雄厚,谷坡陡峻,基岩裸露,相对高差千余米,为典型的深切“V”型谷。地貌上右岸呈陡缓相间的台阶状,下游无深大沟谷切割。右岸左岸无大的深切冲沟,1820～1900m高程以下大理岩出露段,地形完整,坡度55°～70°;以上砂板岩出露段坡度35°～45°;河床谷底基岩面平缓倾下游(3)谷断面的特征坝址区河道顺直,两岸山体陡峻雄厚。河谷断面呈较对称的“U”型,谷底较宽阔平缓。坝区除上游豆沙溪沟、下游溪洛渡沟切割以外,峡谷地形完整,无沟谷切割(4)大岗山水库河道较顺直、狭窄,两岸谷坡陡峻,坡高约600m。地形为典型的“V”型谷,山体雄厚,仅左岸Ⅲ线下游发育两条浅沟,无深切沟(5)号山梁上的冲淤情况河谷两岸地形陡竣,基本呈“V”型,峰谷高差大于1000m,两岸山体雄厚;高程1600m以下两岸平均坡约40°,局部成陡崖,1600m以上地形逐渐变缓,平均坡度30°。两岸横向冲沟发育,呈沟梁相间地貌形态。高程1130m向上,特别是高程1210m以上地段,由于③号山梁下游的豹子洞沟深切,坝后地形相对较单薄。河床部位无对坝基抗滑稳定不利的大陡坎。勘察中还考虑了下游近EW向断层(如左岸的f19、f12、F11等,右岸的F11、F10、F5等)被压缩变形而作为临空面的影响(6)坡积覆盖缓坡厚层土壤水分运动规律河谷狭窄、岸坡陡竣,两岸基本对称。左坝肩2400m高程以下为60°～65°左右陡坡,其中2270～2290m高程段为坡积覆盖的40°左右缓坡,2400m高程以上为45°～50°基岩岸坡。右坝肩2360m高程以下岸坡近70°～80°,2360～2460m段呈陡缓相间台阶状在相关规范中,如DL/T5414-2009《水电水利工程坝址工程地质勘察技术规程》拉裂面及临空面滑移组合分析中主要包括侧裂面(侧滑面)、底滑面、上游拉裂面及临空面。其中上游拉裂面大部分均假定存在,在有些电站(拉西瓦、小湾电站)也专门分析了上游拉裂面的情况。现将六大特高拱坝拱座及抗力体抗滑组合模式及抗滑稳定评价如下。(1)不构成确定界面左右岸结构面短小、分散,连续性差,不构成连续的滑移底界面,为非确定性底滑面。左右岸结构面短小、分散,连续性差,不构成连续的控制性侧滑面,为非确定性侧滑面。底滑面、侧滑面均为非确定性结构面,大坝抗力体抗滑稳定条件好。(2)小湾水库顺坡向中缓倾角节理为底滑面,均为非确定性底滑面。以近SN向的各陡倾角破裂结构面、蚀变岩带为侧滑面,左岸以E(3)拉西瓦水库左岸以Hf(4)抗滑稳定稳定性底滑面左岸地层层面倾坡内,与层面产状近一致的断层、错动带较发育,构成确定性底滑面,主要有倾向坡里偏上游的f总体产状倾向坡外偏下游、倾角25°～40°的含顺层绿片岩透镜体的层面裂隙构成了右岸抗滑稳定控制性底滑面,属不确定性底滑面。左岸控制性侧滑面为f左岸控制性滑块组合为陡倾坡外的f右岸坝肩抗滑稳定的可能滑移块体组合包括f(5)结构面为非确定性侧滑面底滑面主要为缓倾的层间和层内错动带,均为确定性底滑面。侧滑面无特定的软弱结构面分布,由随机分布的短小陡倾裂隙组成,均为非确定性侧滑面。总体抗滑稳定条件较好,产生大块体滑移的可能性较小。而沿错动带之间在浅表部位产生小块体或阶梯状滑移的可能性较大。(6)结构面及底滑面组合关系左岸抗力体构成底滑面边界的结构面主要有f左坝肩抗滑稳定的侧向切割面(侧滑面)主要有与岸坡近平行陡倾坡外并向山内延伸的β控制右岸抗力体抗滑稳定的侧向切割面(侧裂面)主要有β对右岸坝肩稳定有影响的结构面有:β对β由上述描述可知,构成底滑面的结构面有顺坡向中缓倾角节理、中缓倾角的断层和错动带及软弱岩带等。一般中缓倾角节理、裂隙连通率相对较低,对底滑面不起控制作用,拱座岩体中缓倾角反倾及倾坡外断裂、错动带及软弱岩带(如绿片岩、蚀变岩带等)对底滑面起控制作用。因此应重点查明中缓倾角反倾及倾坡外断裂、错动带及软弱岩带(如绿片岩、蚀变岩带等)。当不存在连续性较好的中缓倾角的反倾及倾坡外结构面时有利于大坝抗滑稳定。构成侧滑面的结构面主要有与坡面小角度相交的陡倾裂隙、陡倾断层和错动带、陡倾软弱岩带。当陡倾断层和错动带、陡倾软弱岩带长大且在抗力体下游剪出时为确定性侧滑面,对抗滑稳定不利;当它们未在下游剪出时,即往山内延伸时则需与其它结构面组成双侧滑面组合才能对抗滑稳定不利。陡倾裂隙为非确定性侧滑面,一般不会构成起控制性作用的侧滑面。抗滑稳定组合分析表明,在坝址选择中,应避开侧裂面及底滑面均为长大软弱结构面的确定性组合模式。如果不能完全避免则需采取工程处理措施。六大特高拱坝拱座及抗力体抗滑组合模式均未出现侧裂面及底滑面都为长大软弱结构面且有利于下游剪出的最不利组合,整体抗滑稳定条件均满足要求。其中二滩电站底滑面及侧滑面均为非确定性结构面;小湾电站底滑面为非确定性,侧滑面为确定性结构面;拉西瓦、溪洛渡电站底滑面为确定性,侧滑面为非确定性结构面。锦屏一级右岸双侧裂面组合中一个为确定性,另一个为非确定性,底滑面为非确定性;锦屏一级左岸侧裂面、底滑面均为确定性滑面,且侧滑面在下游剪出,但由于左岸侧裂面f应当指出的是,六大特高拱坝中,有少量工程抗力体及拱座抗滑稳定计算用刚体极平衡法满足不了规范要求。如锦屏一级右岸、大岗山左岸L5组合(裂隙③+f其它电站地质建议参数选取上述六大特高拱坝均对结构面进行了分类,通过试验及工程地质类比,均提出了结构面参数地质建议值。二滩水电站、小湾水电站根据所在岩体质量级别分别提出地质建议参数。其它电站主要根据结构面性状进行参数取值,在规范基础上更进一步细化,主要对岩块岩屑型及岩屑夹泥型进行细化。结构面分类见表1。根据六大特高拱坝资料,可将结构面分为九大类型,其中刚性结构面增加“张开无充填的结构面”;岩块岩屑分为“岩块型”及“岩块岩屑型”;岩屑夹泥型细分为“局部夹泥型”和“含泥型”。将六大特高拱坝结构面分类及参数取值经验进行归纳总结,提出其力学参数建议值见表2,可供今后类似工程借鉴。结构面渗流对抗力拱坝蓄水后,下游抗力体地下水位或多或少会抬高,产生扬压力,对大坝抗滑稳定不利。同时应防止抗力体内控制抗滑稳定的软弱结构面产生渗透变形及渗透破坏。前者需设置抗力体排水系统(主要是排水平洞及排水孔),后者则需设置防渗斜井混凝土置换。比如,锦屏一级水电站在高程1829.0,1785.0,1730.0,1670.0m和1618.0m,左岸抗力体内分别布置了23条排水平洞,右岸抗力体内分别设置4排横向排水平洞和4列纵向排水平洞。锦屏一级水电站针对左岸f抗力体结构面加固DL/T5414-2009《水电水利工程坝址工程地质勘察技术规程》对六大特高拱坝抗力体地质缺陷类型及处理措施总结如下。(1)二滩水电站、拉西瓦水电站、溪洛渡水电站不存在“一陡一缓”确定性滑移组合,抗滑稳定条件较好,施工中仅对坝基中地质缺陷进行处理,达到特高拱坝建基面验收标准即可,未在坝基范围外抗力体中进行专门处理。(2)针对抗滑稳定满足要求,滑块组合中存在确定性软弱结构面的抗力体,为增加抗滑安全裕度,对确定性软弱结构面一般均进行了混凝土网格置换、灌浆(包括固结灌浆和化学灌浆)。如对锦屏一级水电站左岸高高程抗力体内f(3)针对抗滑稳定安全裕度不大的滑移组合,有针对性地在下游抗力体采取锚索加固处理,提高了抗滑稳定安全系数。如大岗山电站左岸针对抗滑稳定安全裕度不大的“裂隙③+f(4)加强坝基防渗排水设计,增加抗力体稳定。在帷幕灌浆线上对软弱结构面防渗处理加强,特别是与库水直接连通断层、软弱结构面等。同时将抗力体排水幕向山内延深,如锦屏一级水电站左岸抗力体排水幕伸入拱座山体长度为600m,右岸排水幕穿过f(5)锦屏一级水电站左岸高高程左岸抗力体范围内发育抗变形能力差的f总体来说,查明抗力体抗滑稳定地质条件非常重要,尤其是查明抗力体地质缺陷类型、力学性能及滑移组合模式。抗滑稳定安全裕度不大的抗力体,需进行专门处理。6个特高拱坝的实践表明,目前抗力体岩体利用已超出现有规范,锦屏一级水电站高高程已局部利用了Ⅳ结构面力学参数取值拱座及抗力体抗滑稳定作为大坝稳定最重要的方面,与其两岸地形地貌、地层岩性、地质构造、岩体及结构面物理力学性能及渗透性能有关,也与拱端推力大小及方向有关。在6个特高拱坝实践基础上,主要经验总结如下。(1)从6个特高拱坝看,基本做到了河道顺直、河谷狭窄、山体雄厚,抗力体无深切冲沟;个别电站上部存在较深冲沟,如小湾电站左岸受龙潭干沟及④号山梁卸荷岩体影响,对抗滑稳定不利,采取推力墩解决。(2)在坝址选择中,应避开侧裂面及底滑面都为长大软弱结构面的确定性组合模式。如果不能完全避免时则需采取工程处理措施。六大特高拱坝拱座及抗力体整体均未出现侧裂面及底滑面都为长大软弱结构面且有利于下游剪出的最不利组合,整体抗滑稳定条件均满足要求。其中二滩电站底滑面及侧滑面均为非确定性结构面;小湾电站、拉西瓦、溪洛渡、大岗山电站、锦屏一级右岸等或底滑面或侧滑面为非确定性结构面;锦屏一级电站左岸侧裂面、底滑面均为确定性滑面,且侧滑面在下游剪出,但侧裂面f(3)应从地质因素、多种方法计算成果及地质力学模型成果综合判断拱座及抗力体的抗滑稳定性。如六大特高拱坝中,有少量工程抗力体及拱座抗滑稳定计算采用刚体极限平衡法满足不了规范要求,而刚体弹簧元法、非线性有限元分析成果和整体稳定地质分析及地质力学模型试验成果表明能满足抗滑稳定,并具有较好的整体安全度,所以综合判定抗滑稳定仍满足要求。(4)六大特高拱坝工程结构面参数取值根据结构面及岩体工程地质特征、现场力学试验及工程地质类比综合确定。其中二滩水电站岩体中无优势裂隙,组数多且短小,原位试件剪切面中结构面和结构体的性质与宏观节理、裂隙一致,岩体的剪切破坏较为真实地反映了岩体的破坏机理,采用优定斜率法确定岩体综合抗剪强度,未单独考虑连通率的影响。其它电站考虑结构面连通率+岩桥进行参数取值,结构面力学参数根据结构面工程地质特征、现场试验,采用优定斜率法的下限值作为凝聚力的标准值。在使用中充分考虑地质代表性、地质条件及工程类比,提出地质建议值。在规范基础上将岩块岩屑型及岩屑夹泥型进行细化,将结构面分为九大类型,其中刚性结构面增加“张开无充填的结构面”,岩块岩屑分为“岩块型”及“岩块岩屑型”,岩屑夹泥型细分为“局部夹泥型”和“含泥型”,并相应地归纳了结构面力学参数建议值。(5)抗力体内影响抗滑稳定的地质缺陷类型主要包括对拱坝抗滑、变形稳定影响较大的软弱岩带,这些软弱岩带主要包括Ⅲ级