坡月水库重力坝岸坡坝段侧向稳定计算分析

刘惠娟

（广西水利电力职业技术学院，南宁 530023）

1 工程概况

坡月水库位于巴马县甲篆乡坡月村境内，设计正常蓄水位为385.5 m，有效库容140万m3，总库容173万m3，是一座以给下游村镇供水为主，兼顾灌溉的综合利用小（1）型水库。大坝为混凝土重力坝，由左岸重力坝段（坝块编号1#～5#）、溢流坝段（坝块编号6#～8#）、右岸重力坝段（坝块编号9#～12#）组成。坝顶高程389.5 m，最大坝高64.5 m，坝顶长145 m，坝顶宽5 m，对其重力坝岸坡坝段进行抗滑稳定性能校验是保证工程安全的重要手段之一[1]。

2 工程地质条件

水库坝区的地质节理短小且不发育，不能形成贯通性结构面，因此对坝基抗滑稳定影响不大。存在两条断层F1与F2：坡月-弄锐区断层F1从右坝肩右侧经过，斜插右岸坝基，距右坝肩50～60 m，走向与坝轴线呈大角度相交（夹角为70°～80°）且为陡倾角；顺河断层F2沿坝线河床发育，属陡倾角张扭性断层，走向与坝线近垂直相交。断层均对坝基抗滑稳定影响不大。

坝基岩体主要为长石石英砂岩、泥质粉砂岩及粉砂质页岩等，岩石软硬相间，总体均匀性较好，基本不存在不均匀沉降问题。但各坝基岩体存在不同程度的风化：强～弱风化岩体较破碎，工程地质分类为CⅣ～CⅤ类；微风化岩体完整性相对较好，工程地质分类为CⅣ～AⅢ类。不同风化程度的各坝基岩体的力学性能差异明显，其取值决定了各坝块侧向稳定计算时采用的剪切面假定与计算方法，是坝基侧向抗滑稳定计算的主要影响因素之一。基于实际工程地质条件，各坝基岩体抗剪强度建议值见表1，表中f′和f分别表示抗剪断摩擦系数和抗剪摩擦系数，c′为抗剪断凝聚力。

表1 坝基岩体抗剪强度建议值

3 不同剪切面的侧向稳定计算

由《混凝土重力坝设计规范》（SL319-2018）可知：当坝体的基础岩石较完整且无明显薄弱结构面时，仅需考虑坝体混凝土与基础岩石进行滑动（即剪切面为岩石/混凝土面），可使用侧向抗滑稳定计算方法；当坝体的基础地质存在软弱结构面或缓倾角裂隙时，除坝体混凝土与基础岩石进行滑动外，也同时存在剪断岩石沿岩石面进行滑动的可能（即剪切面由岩石/混凝土面和岩/岩面共同组成），需使用深层侧向抗滑稳定计算方法。

3.1 侧向抗滑稳定

根据工程地质勘察报告，重力坝岸坡坝段的基础岩石多为微风化～弱风化中部岩体，完整性较好且无明显薄弱结构面，故可采用文献[1～3]的方法对重力坝岸坡坝段进行侧向抗滑稳定计算。假定斜坡坝段沿视作胶结面的坝基面（假定的剪切面为岩石/混凝土面）滑动，考虑上平段剪断坝体混凝土（上平段及抗力段采用了混凝土/混凝土间的抗剪断强度参数）与阻滑力的作用，岸坡坝段侧向抗滑稳定受力计算简图如图1所示。

图1 岸坡坝段侧向稳定计算受力简图

基于刚体极限平衡法，侧向抗滑稳定安全系数K可按式（1）计算。

式中：W为作用在坝段的总垂直力；Q为作用与坝段上总顺水流方向水平推力；U为作用在坝段上的浮托力；f′为坝段混凝土与坝基接触面的抗剪断摩擦系数；c′为坝段混凝土与坝基接触面的抗剪断凝聚力，kPa；A为坝段坝基接触面截面积。

3.2 深层侧向抗滑稳定

由表1可知，重力坝岸坡坝段岩体的岩/岩的抗剪断强度较低（岩/岩的抗剪断强度参数与混凝土/混凝土间的抗剪断强度参数相当），如右岸8#、9#非溢流坝段基础岩性为抗剪强度较低的薄～中厚层状泥质砂岩夹薄层状页岩，且属微风化层。故存在岩石剪断、坝块沿岩石面进行滑动的可能性，即假定的剪切面由岩石/混凝土面和岩/岩面共同组成。根据《混凝土重力坝设计规范》（SL319-2018）的条款规定，需进一步采用深层抗滑稳定计算方法对岸坡坝段进行深层侧向抗滑稳定分析。对于沿岩石及建基面的组合滑动面的侧向稳定，该计算方法考虑了坝段上下游侧满堂浇筑坝体与岩石接触面之间的凝聚力作用。岸坡坝段深层侧向抗滑稳定受力计算简图见图2。

图2 岸坡坝段深层侧向抗滑稳定计算受力简图

深层侧向抗滑稳定安全系数K′的计算公式按式（2）。

其中，

式中：T为下平段台阶及其上方坝体提供的阻滑力（下平段台阶及其上方坝体不产生滑动力）；W1、W2为滑动段及抗力段自重；U1、U2为滑动段及抗力段的浮托力；A1、A2为滑动段及抗力段坝基或岩基接触面面积；f′1、c′1为滑动段岩/岩间的抗剪断摩擦系数及凝聚力；f′2、c′2为抗力段建基面岩/混凝土间的抗剪断摩擦系数及凝聚力。

4 计算结果的对比与分析

4.1 计算结果对比

由于不同工况下各坝体受到的荷载作用不同，分别按正常工况、设计工况、校核工况和完建工况共4种不同工况对岸坡坝段的9个坝块进行了抗滑稳定计算。按侧向抗滑稳定计算方法计算的结果见表2，按深层侧向抗滑稳定计算方法计算的结果见表3。

表2 岸坡坝段各坝块的侧向抗滑稳定计算结果

表3 岸坡坝段各坝块的深层侧向抗滑稳定计算结果

4.2 计算成果分析

表1的计算结果表明：在正常工况、设计工况下重力坝岸坡坝段的侧向稳定安全系数K均大于3.0，校核工况、完建工况各坝块侧向稳定安全系数K均大于2.5，均能满足《混凝土重力坝设计规范》（SL319-2018）的抗滑稳定要求。表3的计算结果表明：考虑岩/岩的抗剪断强度参数较低的情况，采用深层侧向抗滑稳定计算方法进行计算并考虑坝体满堂浇筑接触面的作用时，各工况作用下重力坝岸坡坝段的深层抗滑稳定安全系数K′亦均满足《混凝土重力坝设计规范》（SL319-2018）的抗滑稳定要求。

对比表2和表3的抗滑稳定系数计算结果可知，各工况下的计算结果K′总体略高于K。这是由于在本工程中采用剪切面由岩石/混凝土面和岩/岩面共同组成的假定存在几点不足：一是岩/岩间力学参数的取值参数偏于保守；二是坝基基础岩石较完整且无明显薄弱结构面，认为沿建基面滑动较剪断岩石滑动的可能性更大；三是假定剪断岩石沿岩石面及下平段台阶面滑动，会导致将上平段视为滑动段的一部分从而忽略了其阻滑作用；四是计算中虽考虑了坝体满堂浇筑接触面的凝聚力作用，但未考虑因顺水流向水压力推挤满堂浇筑接触面岩体时岩体对坝体存在的反作用力。以1#坝块为例，其为整体满堂浇筑坝块，一般认为滑动的可能性较小，但按剪断岩石的计算假定（深层侧向抗滑稳定计算方法）进行计算时，将视其高程为373 m、宽度为1.5 m的下平段为抗力段，视剩余宽度为14 m的坝体为滑动段，在岩/岩间的抗剪断强度参数偏保守的情况下，计算出的抗滑稳定安全系数较低，导致计算结果与一般认识相差较大。

综上可知，采用不同的剪切面假定及计算方法，对重力坝岸坡坝段的侧向抗滑稳定计算结果影响较大。当坝体的基础岩石较完整且无明显薄弱结构面时，推荐采用以岩石/混凝土面为剪切面的侧向抗滑稳定计算方法；当基础地质存在软弱结构面或缓倾角裂隙时，推荐采用以岩石/混凝土面和岩/岩面共同组成剪切面的深层侧向抗滑稳定计算方法。建议设计单位在施工图阶段，应根据开挖地质的实际情况分析坝基岩体物理力学性质，并选用合适的剪切面假定及计算方法，对重力坝岸坡坝段各坝块的侧向抗滑稳定进行合理分析。

5 结论

以坡月水库为例，说明了不同的剪切面假定及计算方法对岸坡坝段的侧向抗滑稳定计算结果的影响是较大的。因此需根据开挖实际情况确定地质参数，采用合适的剪切面假定及计算方法，对岸坡坝段各坝块侧向抗滑稳定进行合理计算。本文对采用不同剪切面假定下的岸坡坝段侧向稳定计算结果进行了比较与分析，为其他类似工程的计算提供参考。