三河口碾压混凝土拱坝地基处理研究

王栋

陕西省水利电力勘测设计研究院

张建华

陕西省水利电力勘测设计研究院

周秋景

中国水利水电科学研究院

杨波

中国水利水电科学研究院

1 工程概述

陕西省引汉济渭工程属于跨流域调水工程，其供水对象为陕西省关中地区的重点城市、县城以及大型工业园区，工程规模为大（1）型；引汉济渭工程由黄金峡水利枢纽、三河口水利枢纽和秦岭输水隧洞等3部分组成。

三河口水利枢纽为引汉济渭工程的两个水源之一，是整个调水工程的调蓄中枢，坝址断面多年平均径流量8.70亿m³。拦河坝为碾压混凝土抛物线拱坝，最大坝高145m，坝顶宽9m，拱冠坝底厚37m，坝体混凝土方量100万m³，坝顶上游弧长472.15m，最大中心角92.04°，坝顶高程646.00m，正常蓄水位643.00m，死水位558.00m，水库总库容7.1亿m³，调节库容6.5亿m³。泄洪建筑物由坝身泄洪表孔、泄洪底孔及下游消能防冲建筑物等组成，3个泄洪表孔沿拱坝中心线布置，孔口尺寸15m×15m（宽×高），堰顶高程628.00m，两个底孔布置在550.00m高程，相间布置在3个泄洪表孔中间，孔口尺寸4m×5m（宽×高）；坝后布置电站厂房，厂内布置两台常规机组，两台双向机组，常规机组单机容量20MW，双向机组单机容量10MW，总装机60MW。

2 地质概况

坝址岩体主要由变质砂岩及结晶灰岩组成（局部夹有伟晶岩脉及石英脉），两者的饱和抗压强度、纵波波速、完整性、岩体结构类型、岩体分类等基本一致，而在不同风化带内的岩体工程地质特征差别明显，具有分带性，如强风化变质砂岩及结晶灰岩，均属B_Ⅳ2类坝基岩体，岩体呈碎裂-散体状，饱和抗压强度、纵波波速、完整性普遍很低；微风化变质砂岩及结晶灰岩，均属A_Ⅱ类坝基岩体，岩体呈次块状，饱和抗压强度、纵波波速、完整性普遍较高；而弱风化上带变质砂岩及结晶灰岩均属A_Ⅲ2类坝基岩体，弱风化下带变质砂岩及结晶灰岩均属A_Ⅲ1类坝基岩体。

坝基抗滑稳定主要受各类结构面控制，缓倾角结构面构成底滑面，顺河向结构面构成侧滑面，垂直于河流走向的结构面切割岩体构成上游拉裂面，下游沟谷及变形模量较低的断层带构成临空面，结构面组合块体在拱端推力作用下可能沿底滑面或底滑面与侧滑面的交线滑动。左岸主要断层在左岸为f₄₄、f₅₈和f₆₀，见图1，右岸主要断层为f₁₄、f₄₄、f₄₅、f₅₇，见图2。

图1 左岸主要断层三维图

图2 右岸主要断层三维图

3 非线性有限元计算

3.1 非线性计算内容

由于地质、地形条件的一些复杂性，给三河口拱坝的应力条件、稳定条件、极限承载能力和整体安全性带来很多不确定因素，因此，有必要对拱坝的极限承载能力和整体安全问题，进行多方法、多层次的研究。当大坝基础岩石和坝体混凝土在荷载施加到一定程度后，应力超过强度，材料出现屈服，为一材料非线的问题，须用材料非线性有限元方法对其进行综合评判。其计算方法采用增量和迭代相结合的方法，即荷载的施加采用增量法，而每个荷载增量步内的材料非线性采用迭代法。计算主要内容包括：①模型的建立与分析；②整体稳定及局部稳定的变形破坏过程，各破坏阶段的指标和判断标准依据；③大坝开裂、屈服变形破坏、大坝基岩失稳的极限状态分析研究。

3.2 模型建立

计算采用中国水利水电科学研究院的SAPTIS有限元分析程序，计算模型中考虑了拱坝坝体本身、基岩材料分区，不仅包括前述左、右岸主要断层，还模拟了软弱带、裂隙等，具体见图3和图4。基岩、坝体和软弱带均采用8节点6面体等参单元，部分坝体与基础面接触部位采用8节点简化棱柱体单元，其中基础包含95891个单元，坝体12320个单元。

3.3 地基处理前后分析对比

第1种工况为不考虑软弱夹层处理，主要断层和裂隙取原始强度进行分析；但事实上，软弱夹层由于强度低会影响坝肩稳定，同时会增大渗漏的可能性，因此一般都会进行处理，尤其是近坝肩部位的软弱夹层；所以第2种工况为在主要断层处理后，分析其对结构安全度的影响，即对左岸断层f₁₄、f₅₇和右岸断层f₆₀进行处理，处理后强度进行概化考虑：强度取混凝土强度的一半，即摩擦系数取0.7，黏聚力取0.7MPa，抗拉强度仍取为0，另外弹性模量也相应增加，取为混凝土强度的0.5倍。

图3 整体网格（包含基础分区）

图4 裂隙网格

3.3.1 变形

在超载过程中，坝体各点变形均有不同，超载倍数较小时，坝体变形与超载倍数关系曲线基本呈线性状态，说明坝体整体为弹性状态；随着超载倍数加大，变形曲线开始出现拐点，在相同的荷载增幅下，变形快速增大，说明坝体快速向塑性状态发展，并很快达到最大超载能力，坝体塑性或屈服区完全贯通，无法进一步承受荷载。经分析，在基础主要断层未处理状态下，最大超载倍数为5.2倍，处理后为5.5倍。

3.3.2 屈服状态

经分析，三河口拱坝整个结构屈服过程是：坝踵部位首先受拉屈服，随荷载增大，屈服范围向基岩下部和建基面下游方向逐渐延伸；随后下游面上部出现屈服区，并逐步向下部和上游面方向扩展；一旦上下部屈服区贯通，结构完全破坏。图5为主要断层经处理后，基岩夹层分别在不同荷载作用下时屈服情况，可见基岩软弱带在正常荷载作用时部分范围就开始屈服，随荷载增大，建基面屈服区逐渐增大，2.8倍荷载时建基面软弱夹层绝大部分都已屈服，这是由于构造带强度很低，应力稍有变化即产生较大范围的屈服，尤其是近坝基部分。但由于在有限元计算中基础是整体作用，因此在超载倍数较低时，尽管存在较大屈服区，但未形成贯通上下游的屈服区。同时可见在主要断层进行处理后，其在超载过程中几乎没有破坏，这是因为基础整体承受坝体传递的上游水推力，内部主要是受压或压剪状态，并且压剪状态下剪应力会分散在大的基岩范围内，其所受剪力不太大。在断层未处理状态下，夹层强度很低，在比较小的剪切作用下就会屈服。

3.3.3 安全度

当断层未处理时，坝踵开始开裂时超载系数K₁为1.0，裂缝裂至帷幕时超载系数K₂为1.3，坝体屈服体积/坝体整体体积与超载系数关系曲线出现拐点时超载系数K₃ 为1.6，大坝顺河向位移关系曲线斜率突变时超载系数K₄ 为4.6，最终不收敛时超载系数K₅为5.2。在断层处理后，其相关系数分别为：1.0、1.3、1.6、4.9和5.5。

图5 坝体建基面屈服图（为未屈服区，其他为屈服区）

4 地基处理设计

基于以上非线性有限元分析，基本明确了各主要断层和裂隙的屈服过程，接下来进一步有针对性地对坝肩进行传统的刚体极限平衡稳定分析。计算时根据地质建议的裂隙面、岩体抗剪指标和裂隙连通率，对各力学指标进行加权平均作为各裂隙滑动面的综合力学参数。

限于篇幅所限，本文仅对坝体右岸f₅₇断层进行两个基本组合的典型分析。其滑动模式：上游拉裂面+断层f₅₇为侧裂面+缓倾角裂隙为底滑面+下游自然临空面，见简图6。计算成果见表1，可见此滑动模式在基本组合1（正常蓄水位+温降）和基本组合2 （正常蓄水位+温升）下，其抗滑稳定安全系数K₁未能达到规范要求 （K₁≥3.50）。

图6 右坝肩滑动模式示意图（541.00m高程）

工程处理方法主要是采取高压固结灌浆和C25混凝土洞塞的方法对其进行联合加固处理。f₅₇断层带宽度0.3～0.5m，影响带宽度2.0～4.0m，充填糜棱岩；可沿断层分高程开挖抗剪洞，混凝土洞塞就是置换部分断层，充分利用混凝土抗剪强度高的特点，抵抗外荷载，提高山体稳定性；经过计算，分别在565.00m和550.00m高程开挖2条沿断层走向，长度同为180m的处理平硐，其断面尺寸为5.0m×6.0m的城门洞型，同时在565.00m高程向下对断层带进行高压固结灌浆，灌浆孔沿洞线共设3排，排距1.2m，孔距2.0m；高压固结灌浆对结构面抗剪断强度所产生的提高程度，其不在抗滑稳定公式中体现，仅作为安全贮备值。右坝肩f₅₇断层处理前后的空间抗滑稳定对比成果见表1，从表1可见，经过工程处理后，坝肩稳定达到要求。

表1 基础处理前后右坝肩滑动模式（f₅₇为侧滑面）计算成果表

5 结语

以上对三河口拱坝和基础进行了多方法、多尺度的分析和研究，并且根据结果提出了针对性的工程措施，有效地指导了地基处理设计工作。

参考文献

［1］ 朱伯芳,高季章,陈祖煜，等.拱坝设计与研究［M］.北京:中国水利水电出版社,2002.

［1］ SL 282—2003混凝土拱坝设计规范.北京:中国水利水电出版社,2003.