桃林口水庫(kù)大壩深層抗滑穩(wěn)定分析與基礎(chǔ)處理

1、桃林口水庫(kù)大壩深層抗滑穩(wěn)定分析與基礎(chǔ)處理摘 要 河北省桃林口水庫(kù)大壩為碾壓混凝土重力壩，基巖為板狀粉細(xì)砂巖與細(xì)粒石英砂 巖互層。由于巖石弱風(fēng)化層較厚且存在著緩傾角斷層,通過(guò)利用定量參數(shù)確定最優(yōu)建基面 和進(jìn)行深層抗滑穩(wěn)定分析，對(duì)基礎(chǔ)采取了綜合處理措施，使建基面較初步設(shè)計(jì)普遍抬高 4-9m,充分利用了弱風(fēng)化巖體，并滿足了基礎(chǔ)穩(wěn)定安全的需要，節(jié)約了工程量和投資。桃林口水庫(kù)位于河北省秦皇島境內(nèi)的青龍河上，是一座集城市用水、農(nóng)業(yè)灌溉、水 力發(fā)電等綜合利川的水利樞紐工程，為水利部和河北省重點(diǎn)工程建設(shè)項(xiàng)目。工程分兩期 建設(shè)，一期工程己于1992年10月開(kāi)工興建，壩型為碾壓混凝土重力壩，壩頂高程146. 5m

2、, 最大壩高74. 5m,總庫(kù)容& 59億水電站裝機(jī)容量2x 10000kwo樞紐工程由電站壩段、 底孔壩段、溢流壩段、兩岸非溢流壩段和發(fā)電廠組成。1997年8月28日水庫(kù)開(kāi)始卜閘蓄 水，1997年年底具備發(fā)電條件，全部工程于1998年年底竣工，目前工程運(yùn)行正常。1、工程地質(zhì)條件青龍河流域地屈燕山山脈東部，壩址處為不對(duì)稱(chēng)河谷，右岸是侵蝕岸，山崖陡立， 巖石裸露;左岸因構(gòu)造剝蝕，風(fēng)化作用，山坡較緩,覆蓋著山麓堆積物;河床寬約200m, 表層為5-7m厚的砂卵石層。河床壩基系震旦亞界長(zhǎng)城系大紅峪組巖層，巖性為青灰黑灰 色薄層中厚層板狀粉細(xì)砂巖與薄層中厚層細(xì)粒石英砂巖互層，以板狀粉砂巖為主，

3、石英 細(xì)粒砂巖次之。巖層產(chǎn)狀較平穩(wěn)，走向ne20p-40p,傾向nw,傾角16p-27p。巖石致 密、堅(jiān)硬、僅局部層間夾有泥膜。河床壩基分布斷層40余條，其中略人的有f】、f“ f24、軸等斷層。根據(jù)構(gòu)造面的紐 合關(guān)系分析，對(duì)壩基抗滑穩(wěn)定彩響較人的為仇斷層。f】斷層為緩傾角逆斷層，走向 ne5-20p,傾向se,傾角17-23°。破碎帶寬度一般30-40cm,呈透鏡狀。斷層泥人部分 為黃褐色，泥屮含有巖屑，較多的約占60%以上。斷層面起伏差較大，其上普遍有石英巖 脈，厚度約0.3-3cmo f）斷層與傾向nw的巖石層面町能構(gòu)成雙斜滑移面。尤其是該斷層 夾泥的抗剪強(qiáng)度較低，形成壩基深層

4、滑動(dòng)問(wèn)題。經(jīng)計(jì)算分析，對(duì)14=壩塊彩響最人。根據(jù)河床壩基巖石48個(gè)439段勘探鉆孔壓水試驗(yàn)成果分析，屬微透水地基；兩岸透 水性較小，受地質(zhì)構(gòu)造影響，河床部位透水性相對(duì)偏大。從透水性分布深度情況來(lái)看，一 般是上部人，卜-部隨深度增加而減小?；鶐r強(qiáng)風(fēng)化層較薄，一般2-4m;但弱風(fēng)化層較厚, -般6-12m,厚者達(dá)17nio在初步設(shè)計(jì)屮，人壩建基面取在微風(fēng)化巖石，基礎(chǔ)開(kāi)挖工程量 較人。施工詳圖階段，經(jīng)過(guò)固結(jié)灌漿試驗(yàn)和開(kāi)挖出露的巖石，結(jié)合巖體強(qiáng)度、聲波速度、 風(fēng)化程度、構(gòu)造情況進(jìn)行了綜合分析，將河床壩塊建基而抬高4-9mo使大壩基礎(chǔ)部分為 微風(fēng)化，大部為弱風(fēng)化中部偏卜巖石。為了保證壩基的整體性、均勻性

5、、耐久性，采取挖除構(gòu)造破碎部分和對(duì)表層巖體進(jìn)行固結(jié)灌漿的處理措施，滿足了碾壓混凝土重力壩建壩 要求。2、壩基深層抗滑穩(wěn)定分析采用了以剛體極限平衡法為主，輔以有限單元法進(jìn)行計(jì)算分析。2. 1基木計(jì)算資料(1) 壩體混凝土及壩基巖石物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表2-1。表2-1部位容重y(t/m3)彈模e (mpa)泊松比u允許抗壓強(qiáng)度 (mpa)允許抗拉強(qiáng)度 (mpa)壩體2. 382. 3x10"1/63. 300. 33基巖2. 601.2x1010. 283. 500(2)各層面物理力學(xué)指標(biāo)，見(jiàn)表2-2.表2-2層面名稱(chēng)計(jì)算厚 度(m)彈模e(mpa)泊松比u抗明指標(biāo)ff，cz(mpa)0.

6、150. 75x1030. 450.40.40巖層層而側(cè)滑動(dòng)而0.011.2x1040. 280. 50. 900.4混凝土-基巖界面0. 0011.8x1040. 200. 651.050. 7(3)其它計(jì)算參數(shù)其它計(jì)算參數(shù)有斷層視傾角a ,巖層層面(破裂面)視傾角b ,滑動(dòng)體與抗力體分界面上的抗力作用方向抗力角y ,各參數(shù)取值詳見(jiàn)表2-3o 表2-3壩塊編號(hào)a0y1411°21.2°26.6°2. 2剛體極限平衡法2. 2. 1計(jì)算公式經(jīng)過(guò)比較，采用等穩(wěn)定法較為合理；由于滑動(dòng)而形式不同，又分為二折坡、三折坡、 多折坡等計(jì)算情況。(1) 二折坡計(jì)算公式k二瞬 +

7、 gjcos昭加何斤滋)尺®仗歲 血氏+ c£ + fq(2) 三折坡計(jì)算公式k,= (w-u.) fl+cili/ hi(iv2 + g2 )cosa - h 2sina-u2 -/?sin(/-a)/2 +c2l2 + fch2 cos a +(w2 +g2)sina-/? cos(/ -a)邑 co?( + q) _ (葉 + 蘭)2屮 qn 糾 j(h + q)+ (爪'+ &)co2 q+ ct + y53（3）多折坡計(jì)算公式ki= （w1-u1） fl+cili/ hik _ （w? +g2）cosg2 _ h2 sina2+c2l2 + fch

8、 2 cosa2 +（w2 +g2）sin a2k 二（巴 + g jcossin 久一 ”九 + c”/” + fc"h”cos%+（w”+g”）sin（z”kfk2=k：f. =kn=kp 二 h1+h2+.h+r聯(lián)解上述方程，則可得出安全系數(shù)k。2. 2. 2計(jì)算成果(1)未釆取處理措施前，1羊壩塊計(jì)算成果見(jiàn)表2-4。 表2-4壩塊 編號(hào)荷載組合安全系數(shù)抗剪k抗剪斷k14一期正常蓄水位1.033.01校核洪水位1. 123. 32二期正常蓄水位0. 972.42校核洪水位1.002. 53止常卜7°地震0. 902.23(2) 采取處理措施后一期工程:受行斷層影響的1

9、4壩塊安全系數(shù)偏小，需采取工程處理措施。根據(jù)當(dāng)時(shí)工 程進(jìn)度、施工單位能力和工期等貝體情況，選取了以適當(dāng)調(diào)整壩體結(jié)構(gòu)和局部開(kāi)挖為主 的綜合處理措施。采取處理措施后1牢壩塊深層抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)見(jiàn)表2-5。表2-5荷載組合14#壩塊抗剪抗剪斷正常蓄水位1. 223. 50校核洪水位1.343.91二期工程：1牢壩塊在增設(shè)1800t錨固力，或增加80代抗滑混凝土嗣鍵、抗滑樁(井) 后，深層抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)列如下表2-6：表2-6壩塊荷載組合安全系數(shù)抗剪抗剪斷14正常蓄水位1.273. 13校核洪水位1.333. 35正常+7°地震1.112. 772. 3非線性有限元法（1）冇限元三角形單元

10、個(gè)數(shù)、滑動(dòng)層面單元個(gè)數(shù)及節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)見(jiàn)表2-7。表2-7計(jì)算斷面三角形單元個(gè)數(shù)滑動(dòng)層面單元數(shù)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)14”溢流壩段（一期工程）889295031牢溢流壩段（二期工程）94329528計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2-1、表2-2。（2）計(jì)算成果（見(jiàn)表2-8）<2-8算件 計(jì)條計(jì)算指標(biāo)1車(chē)溢流壩段一期正常二期正常二期正常+地展不計(jì) 側(cè)阻 滑力抗滑穩(wěn)定 富余系數(shù)1.231. 181.063.203. 112. 98壩踵水平錯(cuò)動(dòng)（mm）0. 190. 230. 27壩趾平均抗力角（° ）39.645. 144.7壩趾平均水平抗力（mpa）0. 540. 740. 78計(jì)入 側(cè)阻 滑力抗滑穩(wěn)定 富余系數(shù)1.

11、671.391. 183.843.763.48壩踵水平錯(cuò)動(dòng)（mm）0. 160.210. 24壩趾平均抗力角（° ）41. 146.445.9壩趾平均水平抗力（mpa）0.510. 700. 73注：（1）表中橫線上為抗剪指標(biāo)，下為抗剪斷指標(biāo)的計(jì)算成杲;（2）巖體側(cè)向滑動(dòng)面的切向剛度系數(shù)氐值采用1000mn/m2. 4計(jì)算成果冇關(guān)說(shuō)明（1）關(guān)于安全標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于深層抗滑穩(wěn)定的安全標(biāo)準(zhǔn)（允許安全系數(shù)），目前我國(guó)冇關(guān)規(guī)程、規(guī)范尚無(wú)統(tǒng) 一規(guī)定。在已建同類(lèi)工程中，按抗剪強(qiáng)度公式計(jì)算的安全系數(shù)一般在1.1-1. 3左右，按 抗剪斷強(qiáng)度公式計(jì)算的安全系數(shù)一般在2. 0-3. 5左右。本工程受斷層影響的

12、14#壩塊采取 工程處理措施后，按抗剪強(qiáng)度公式計(jì)算，安全系數(shù)為1.2左右，按抗剪斷強(qiáng)度公式計(jì)算, 安全系數(shù)在3. 2左右，達(dá)到了已建同類(lèi)工程一般水平。（2）關(guān)于揚(yáng)壓力的計(jì)算桃林口水庫(kù)大壩和消力池底板為降低揚(yáng)壓力增加穩(wěn)定性，在:基礎(chǔ)設(shè)置了縱橫排水廊 道，并配冇集水井和自動(dòng)抽水設(shè)備。但在計(jì)算時(shí)，沒(méi)冇考慮抽排的作用。所以在荷載計(jì) 算中留冇余地，對(duì)安全系數(shù)來(lái)說(shuō)冇一定的安全儲(chǔ)備。（3）關(guān)于抗力作用方向（抗丿j角）的取值在深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算屮，抗力作用方向（抗力角）對(duì)安全系數(shù)影響較人。計(jì)算屮假 定它作用在坡段垂肓分界而上，其方向一般取與水平線成0° -屮（巖石內(nèi)摩擦角）之間。 木工程在綜合考慮了室

13、內(nèi)巖石試驗(yàn)成果、有限元計(jì)算成果和國(guó)內(nèi)其它有關(guān)工程資料示， 采用了把巖石的抗剪強(qiáng)度適當(dāng)降低，取f二0.5,則丫二arctgf二26.6° ；該值較室內(nèi)巖石試 驗(yàn)指標(biāo)和有限元成果為小。（4）關(guān)于側(cè)向阻滑力山于桃林口水庫(kù)壩基順河向構(gòu)造不發(fā)育，對(duì)于滑動(dòng)體兩側(cè)巖石的阻滑作用進(jìn)行了適 當(dāng)考慮。根據(jù)木工程的具體情況，計(jì)入兩側(cè)巖體的阻滑作用吋，安全系數(shù)增大10%-30%0 當(dāng)然，不同的工程條件可能結(jié)果不一致，但可供參考。3、大壩基礎(chǔ)處理措施3. 1基礎(chǔ)開(kāi)挖在清除表層5-7m厚的砂卵石覆蓋層示，又對(duì)強(qiáng)風(fēng)化巖石進(jìn)行開(kāi)挖。兩岸根據(jù)地形地 質(zhì)條件，右岸山坡陡悄，巖石堅(jiān)硬完整，因此綜合開(kāi)挖邊坡取為1： 0.2

14、5；左岸山坡較緩, 巖石風(fēng)化剝蝕，開(kāi)挖成1： 1的邊坡。開(kāi)挖示的建基面為弱風(fēng)化屮部偏下巖體。3. 2固結(jié)灌漿開(kāi)挖示的建基而，局部風(fēng)化破碎，為提高巖體的整體性、均勻性，根據(jù)工程地質(zhì)條 件和壩基應(yīng)力分布惜況對(duì)基巖進(jìn)行固結(jié)灌漿處理。固結(jié)灌漿孔的布置一般采用孔、排距 均為3m的方格形布置。灌漿孔的深度：一般為5-7m, 14 153壩塊受廿斷層影響的部位 孔深15m, 2獷壩塊受兔與f卓斷層影響的部位，孔深從5m 15哄為加強(qiáng)壩趾部位的巖 石強(qiáng)度，在722領(lǐng)塊下游設(shè)有兩排固結(jié)灌漿孔，孔深5-1 onio在開(kāi)挖邊坡較陡的右岸布 設(shè)了接鮭灌漿系統(tǒng)，壩體達(dá)到穩(wěn)定溫度，且縫面張開(kāi)度人于0.5mm時(shí)，即可進(jìn)行接

15、觸灌 漿。固結(jié)灌漿混凝土蓋重為15m,灌漿壓力0. 4-0. 6mpao3. 3帷幕灌漿為了減少壩基滲漏和降低揚(yáng)壓力，在壩基和兩岸設(shè)置了灌漿帷幕。河床壩基設(shè)主、 副兩排，排距1 .加，兩岸設(shè)單排；孔距3. onic帷幕灌漿孔深按二期匸程規(guī)模、通過(guò)灌漿 試驗(yàn)、并參照0. 3-0. 7倍壩髙確定，第一排孔深26. 0-62. onb第二排孔深取為第一排的 2/3。帷幕控制標(biāo)準(zhǔn)為透水率小于3luo壩塊為斷層交匯帶，造成巖石風(fēng)化破碎，增設(shè)一排垂宜灌漿，孔距3. 0m,孔深19. 5-32. 0肌為減少底孔和溢流壩消力池底板的浮 托力，設(shè)置了封閉灌漿系統(tǒng)，孔深10. 0-12. onio3. 4壩基排水

16、壩基設(shè)置了主、副排水系統(tǒng)。主排水系統(tǒng)設(shè)在壩基灌漿排水廊道內(nèi)，孔距3m,孔深 為主帷幕的1/2；副排水系統(tǒng)，由兩條縱向排水廊道和四條橫向排水廊道及兩條封閉灌漿 排水廊道組成，孔距3m,孔深10m。滲透水通過(guò)縱橫排水網(wǎng)匯到壩基范圍內(nèi)的3個(gè)集水 井。底孔、溢流壩消力池底板下亦設(shè)置了縱橫排水廊道和半圓管排水。滲水匯集到設(shè)在 消力池底板下的4#集水井，集水井設(shè)水泵自動(dòng)抽排。排水孔孔深5-6m,孔距3m°3. 5 一般斷層破碎帶處理一般陡傾角斷層及破碎帶不影響壩基深層抗滑穩(wěn)定，將其斷層破碎帶挖除或挖至一 定的深度。破碎帶寬在5之內(nèi)時(shí)，挖深0. 5-1. 5m,采用梯形斷面，邊坡坡比1： 0.5o

17、 破碎帶和斷層交匯帶一般巖石完整性較差，采取了局部挖除和加深固結(jié)灌漿的處理措施; 視所處部位和影響范圍，一般挖深2-4m, |古|結(jié)灌漿加深到挖除處理后的巖而以下7嘰3. 6壩基深層抗滑穩(wěn)定處理壩基存在緩傾角斷層特別是構(gòu)造帶抗剪指標(biāo)較低時(shí),將影響壩基的深層抗滑穩(wěn)定， 需要采取有效和切實(shí)可行的處理措施來(lái)提高壩體的穩(wěn)定性。3. 6. 1處理措施比較fi斷層影響壩塊的穩(wěn)定，在工程可行性研究階段，對(duì)處理措施曾行過(guò)抗滑齒槽、 抗滑樁（井）和挖除三種方案的比較工作。其中抗滑齒槽和抗滑樁（井）方案通過(guò)有限 元分析，應(yīng)力狀態(tài)極為不好，在齒槽和樁（井）處產(chǎn)生的拉應(yīng)力較人，當(dāng)時(shí)推薦采用挖 除方案。在工程開(kāi)工示，人

18、壩基坑開(kāi)挖在建基面上揭示出來(lái)的fi斷層與預(yù)期的出露位置 和產(chǎn)狀都有所變化，根據(jù)當(dāng)時(shí)工程具體悄況，又把挖除方案與混凝土嗣鍵、預(yù)應(yīng)力錨索、 高壓固結(jié)灌漿方案進(jìn)行了比較分析。（1）挖除處理方案：將壩基內(nèi)斷層沿傾向全部或部分挖除，再冋填混凝土，以提高滑動(dòng) 面的抗剪強(qiáng)度，滿足抗滑穩(wěn)定的要求。開(kāi)挖回填混凝土施工簡(jiǎn)便、措施可靠，是一般處 理軟弱夾層的常用措施。但當(dāng)夾層埋藏較深時(shí)，往往工程量巨人而增加投資和彫響工期。（2）混凝土爾鍵方案：在地下順軟弱夾層而開(kāi)挖井爾，達(dá)到要求數(shù)量和位置后回填混凝 土，混凝土爾象一個(gè)個(gè)混凝土抗剪鍵槽切斷軟弱夾層，起到抗滑作用。采用混凝土爾鍵 方案收效明顯，但在地下巖石開(kāi)挖平嗣系統(tǒng)示冋填混凝土要嚴(yán)格注意溫控措施，還需要 輔以接觸灌漿才能使混凝土與巖石緊密結(jié)合，因此一般施工費(fèi)時(shí)和復(fù)雜，要細(xì)致施工才 能保證質(zhì)量。（3）預(yù)應(yīng)力錨索：利用鋼錨束能承擔(dān)較高拉m力的特性，穿過(guò)巖體的軟弱結(jié)構(gòu)面