黃連水電站拱壩壩肩巖體穩定分析
黃少輝
摘要：壩肩巖體穩定是拱壩安全的根本保證，當壩肩巖體存在軟弱結構面時，兩岸壩肩巖體應進行抗滑穩定計算。本文主要介紹采用剛體極限平衡法計算壩肩穩定的設計情況，為中低型拱壩的壩肩巖體穩定計算提供參考。
關鍵詞：拱壩壩肩 壩肩巖體穩定 剛體極限平衡分析法 滑移體 滑裂面
1前言
黃連水電站樞紐位于廣東省乳源瑤族自治縣境內的北江支流南水河上游，是一個攔截黃連水和伴山水的徑流式電站。黃連水攔河砼拱壩位于黃連水和伴山水兩水匯合處上游約1.2公里，壩址區為中粗粒狀花崗巖，兩岸均有大片基巖裸露；壩址河床狹窄，呈“U”形狀，壩頂河谷寬52米。該壩為砼定角式拱壩，壩底最大厚度為5.5米，中心角為110°；建基面高程為790.9米，堰頂高程為808.9米，最大壩高18米，壩頂長52米。正常蓄水位為808.9米。
由于拱壩主要的工作特點就是將壩體承受的水平外力一部分通過拱的作用傳給兩岸的基巖，另一部分通過垂直梁的作用傳至壩底基巖，壩體的穩定性主要是依靠兩岸拱端的反力作用來維持。因而壩肩巖體的抗滑穩定計算就顯得尤其重要。
2壩肩巖體穩定分析綜述
拱壩壩肩巖體穩定分析原則上按空間問題處理，確定其整體抗滑穩定安全系數。根據本工程實際情況，采用剛體極限平衡法作為判斷壩肩巖體穩定性的方法。其基本假定為：
2.1 滑移體視為剛體，不考慮其中各部分間的相對位移；
2.2 只考慮滑移體上力的平衡，不考慮力矩的平衡，認為后者可由力的分布自行調整滿足，因此在拱端作用的力系中也不考慮彎矩的影響；
2.3 忽略拱壩的內力重分布作用，認為拱端作用在巖體上的力系為定值；
2.4 達到極限平衡狀態時，滑裂面上的剪力方向將與滑移的方向平行，指向相反，數值達到極限值。
3 壩肩巖體整體穩定分析
3.1 結構計算模型的假定
一般情況下，壩肩巖體是由陡裂面F1、河床附近的緩裂面F2、上游的破裂面F3及臨空面分割成一個滑移體，巖體失穩時，一般是沿F1與F2的交線①-①滑動的（如圖1所示）。取一個單位高（代表性）拱圈，壩端對岸坡巖體的作用力，按拱梁分載法分為：梁的鉛直力GtgΨ和剪力VbtgΨ，拱梁的推力H和剪力Va。這些力可合成為：①鉛直力GtgΨ；②剪力V＝Va+VbtgΨ；③水平推力H。將H及V分解為正交及平行滑動線的兩個分值N、Q，選取幾個代表性拱圈，計算出它們的N、Q、G值，沿高程連成曲線，然后求曲線下的面積，即為ΣN、ΣQ、ΣG，同時計入滑移體自重ΣW及滲透壓力U1、U2，即可驗算其抗滑穩定性。
3.2 拱端內力計算
拱圈拱端由外荷產生的內力為軸向力H和剪力V，將H和V分解為平行和垂直于破裂面交線①-①的兩分值，設破裂面與軸向力H方向相交成а角，則平行于破裂面的分力S為：
S=Hcosа+Vsinа
垂直于破裂面的分力N為：
N＝Hsinа-Vcosа
設基坑面與垂線相交成Ψ角，將垂直于破裂面的分力N沿基坑面分解為垂直和平行的兩個分力P和Q，基坑面上還受自重W1及滲透壓力U的作用。最后可得：
平行于底滑面的分力 Q＝NsinΨ-W1cosΨ
垂直于底滑面的分力 P＝NcosΨ+W1sinΨ-U
其中，U為壩底揚壓力。
3.3 穩定分析
由于本工程屬于中低拱壩，根據設計規范，可采用摩擦公式進行抗滑驗算。在只考慮摩擦力時，壩肩巖體的抗滑穩定安全系數為：
K=P*f/S
其中：
P為底滑面的法向力，S為滑動面上的滑動力，f為滑動面的摩擦系數。
在設計情況，只考慮摩擦力時，K≥1.3。
4 滑移體邊界組成分析
據黃連水拱壩壩址區工程地質分析，兩側壩肩存在順河流向、垂直河流向陡傾角裂隙及密集帶、緩傾角裂隙、斷層破碎帶等軟弱結構面，這些結構面可能組成不穩定巖體。設計中對這些可能的滑動面進行了分析，排除了近壩區無臨空條件，對大壩抗滑穩定不起控制作用的可能滑動面，而從左側壩肩某間歇面（5#）的分布和產狀確定了它是控制兩岸壩肩巖體穩定最關鍵的一個底滑面；另外分布在左岸796m高程左右的緩傾角裂隙Z22、Z32、Z33（編號），構成左岸山體的另一組底滑面；它們與下游臨空面組成了可能的滑移體。滑移體基坑面與垂直方向交角ψ近似于55°，滑裂面與軸向力H方向交角а近似于70°。
5 壩肩穩定驗算
5.1 采用純拱法計算拱圈拱端軸向力H和剪力V。
考慮到本工程為位于狹窄河谷中的薄拱壩，故采用純拱法進行內力計算不失為一種簡單實用的計算方法。（本文只取基本荷載組合進行計算）
基本荷載組合為：上游正常蓄水位（下游無水）＋泥砂壓力＋溫降
基本參數：砼壩身和基礎的彈性模量Em=Er=0.75×1010Pa，泥砂內摩擦角фs＝200，泥砂浮容重γs＝9KN／M3，壩體砼容重γ＝25KN／M3，巖體容重 γω=27.5KN/m3。
取n=1~5個代表性拱圈，在不考慮泥砂壓力的情況下，計算H及V。
計算成果如表1-1示：
5.2 根據地形地質情況，確定各拱圈可能破裂面及破裂面與軸向力H方向相交的夾角α，求得各分力S、N、W1、P。
計算成果如表1-2示：
表1－1
項目
高程
拱 軸
半徑r（m）
拱 厚
T
（m）
半圓心角φa
（度）
T／r
拱端內力
v0
V(KN)
h0
H(KN)
808.9
25.61
4.24
55
0.166
-82.05
54.63
1047.68
697.61
806.3
25.73
4.48
55
0.174
-89.37
119.57
1061
1419.58
803.7
25.85
4.72
55
0.183
-96.19
193.95
1063.16
2143.65
801.1
25.97
4.96
55
0.191
-103.01
278.22
1064.84
2876.01
798.5
26.09
5.2
55
0.199
-110.68
375.79
1067
3618.94
表2－2
拱圈編號
高程
夾角а
坡角Ψ
拱端內力（KN）
N
(KN)
S
(KN)
W1
(KN)
U
(KN)
H
V
1
808.9
70
55
697.61.
54.63
636.85
289.93
434.02
2
806.3
70
55
1419.58
119.57
1293.08
597.88
929.32
3
803.7
70
55
2143.65
196.95
1948.04
915.42
1799.54
4
801.1
70
55
2876.01
278.22
2607.41
1245.09
2871.94
5
798.5
70
55
3618.94
375.39
3272.30
1590.50
4260.16
Σ
9757.68
4638.82
10294.98
4225
5.3 作用在破裂面上的力有P、Q、S三個，其中P是穩定力，S是滑動力，因而安全系數K為：
K＝Pf／S＝f(NcosΨ+W1sinΨ-U)／S
因兩岸花崗巖裸露，無明顯斷裂現象，整體性良好，故取f＝0.65。
根據上表數據，可計得安全系數如下：
K＝0.65(9757.68cos550+10294.98sin550-4225)／4638.82=1.37>1.3
故壩肩巖體穩定性驗算合格。
6 結束語
拱壩是一種既安全又經濟的壩型，由于拱壩優越的結構特點，廣東省北部山區林業小水電較多采用中低型拱壩。雖然拱壩的安全度很高，很少因為壩身應力問題而失事，但從以往拱壩失事的原因分析，絕大部分是由于壩肩巖體失穩或變形過大所造成的，可以說，壩肩巖體穩定是拱壩安全的根本保證。因此在設計和施工中應十分重視壩肩巖體的抗滑穩定和變形。設計時應對壩址區巖體進行詳細的現場勘察，分析可能的滑裂面，確定可能的滑移體，采用適當的理論方法驗算其抗滑穩定性；必要時，還應采取適當的加固措施，以確保拱壩的安全。
[1]混凝土拱壩設計規范（SD145—85）［S］．北京：水電出版社，1986
[2] 水工建筑物（ISBN 7-120-00931-1）北京：水利電力出版社，1986
[3] 水工設計手冊（第五卷）北京：水利電力出版社，1989
