大岗山水电站拱坝坝肩岩体加固效果分析

肖 薇

(四川大学水利水电学院，成都 610065)

大岗山水电站拱坝坝肩岩体加固效果分析

肖 薇

(四川大学水利水电学院，成都 610065)

大岗山水电站坝址具备修建高拱坝的优越地形条件，但坝址区地质构造复杂，岩脉、挤压破碎带、断层和节理裂隙发育，必须进行加固处理。利用ANSYS有限元分析软件，分别对大岗山拱坝坝肩天然地基和加固地基进行了数值分析。结果表明：天然地基条件下，超载安全系数为4.0～5.0，加固地基条件下，超载安全系数为5.0～6.0。说明加固方案能够有效提高坝体的稳定性和安全度，并且明显改善坝体应变及坝体的塑性变化范围，为工程设计和施工以及类似工程加固提供了科学依据。

大岗山水电站；坝肩稳定；天然地基；加固地基；加固效果；分析

0 前 言

大岗山水电站坝址具备修建高拱坝的优越地形条件：坝址区两岸山体雄厚，河谷深切，谷坡陡峻，自然坡度介于40°～65°之间，相对高差一般在 600 m 以上。两岸山体基本对称，左岸较陡，基岩裸露，左岸海流沟、右岸铜槽沟为较大的支沟，海流沟口以上大渡河河谷呈“V”形峡谷。但另一方面，大岗山水电站工程规模大，坝址区地质构造较为复杂，工程技术难度大，特别是对稳定起控制作用的断层、蚀变岩脉和节理裂隙，直接影响到拱坝坝肩的稳定和安全，因此，为了保证大岗山水电站的安全运行，就必须对其两岸坝肩岩体采取加固措施[4]。本文利用ANSYS分析软件，对大岗山拱坝加固前地基和加固后地基分别进行有限元计算分析，对其加固效果进行评价，为该工程的设计和施工以及类似工程的加固处理提供科学依据。

1 工程概况及主要地质条件

大岗山水电站位于四川省雅安市石棉县境内，是大渡河干流近期开发的大型水电工程之一，其枢纽主要由混凝土双曲拱坝、泄洪消能建筑物以及左岸地下引水发电系统组成，大坝最大坝高210 m。枢纽主要功能为发电，兼有防洪、拦沙、供水等作用，装机总容量为2 600 MW。

坝址位于黄草山断块西缘，坝区无区域断裂切割，坝址区基岩以澄江期花岗岩类为主，河床坝基岩体主要为中粒黑云二长花岗岩，局部穿插辉绿岩脉；地质构造以小断层(Ⅳ级结构面)和岩脉破碎带为主，裂隙较为发育，裂面平直粗糙，新鲜无充填，对两岸坝肩稳定起主要影响的地质结构为岩脉及断层。右岸坝肩主要有岩脉β4(f5)、β8(f7)、β43(f6)以及断层f65、f85；左坝肩主要有岩脉β21、β4(f5)、β8(f7)和断层f54、f99、f100。坝址区岩脉较松弛，与围岩多呈裂隙式接触，主要为Ⅳ、Ⅴ类岩体；断层主要由片状岩、糜棱岩、压碎岩、断层泥等组成。

大岗山水电站拱坝坝址区地质条件总体较好，但存在影响坝肩稳定的不利因素，如坝肩岩体弹性模量变化较大、不均匀性严重，弹性模量从1 GPa到15 GPa不等。另外，两岸坝肩存在较多断层、岩脉等各种软弱结构面，在坝与地基的共同作用下，这些软弱结构面易产生相对滑动，对坝肩稳定具有较大影响。坝址区岩体力学参数和主要结构面参数分别见表1、2。

表1 坝址区岩体力学性能参数表

2 有限元计算原理及建模

岩石由于其高抗压、低抗拉和低抗剪的性能，其应力应变关系呈现出复杂的非线性特征。对岩体材料而言，一般采用材料的非线性有限元法进行计算分析[5]。在ANSYS非线性分析中，提供了多种强度准则，其中适用于岩体材料的为D-P准则。D-P准则是Mohr-Coulomb准则的近似，并以此来修正Mises屈服准则。D-P模型是理想的弹塑性模型，按D-P准则判断岩体是否进入塑性状态的判别式为：

(1)

有限元计算中，弹塑性矩阵[Dep]可表达为：

[Dep]=[De]-[Dp]

(2)

(3)

式中：[De]为弹性矩阵；[Dp]为塑性矩阵；g、φ分别为塑性势及屈服函数；A为应变硬化参数根据三维地质力学模型试验成果[6]和其他相关计算成果[7]，采用以混凝土置换塞和固结灌浆等为主的措施对大岗山水电站拱坝坝肩岩体关键结构面进行加固处理，加固结构面主要有：右岸f19、f65、f47、f7、f6和左岸f7、β21、f99等，加固范围主要位于大坝坝基以下2.5～6.8 m；大坝上游顺断层走向3.7～4.9 m；大坝下游顺断层走向3.2～6.1 m。天然地基方案和加固地基方案采用同一个模型(见图1)，建模方法是建立几何模型和网格划分合为一步，再由单元组成模型，模型共计23 091个节点,21 300个单元。

水库自动化设施仅有自计水位计一套，仅能观测水位。目前还采用原始的雨量筒观测降雨。水库不具备洪水预报、工程监控、信息检索及水库调度等现代化应用系统，不能实现全局统筹管理，现在仍然沿用老旧的人工处理模式，达不到精准、高效的要求。

表2 坝址区主要结构面力学参数表

图1 三维有限元模型网格图(加固方案)

3 有限元计算结果分析

3.1 大坝变位分析

天然地基方案和加固地基方案的三维有限元计算成果表明，坝肩岩体加固前后大坝坝体的变位规律基本一致，但加固后坝体的变位明显减小，且高程越高，变位减小的趋势越明显。

从横河向变位来看，加固方案左右两岸向两侧山体变位值有了较大幅度的降低。1倍荷载条件下，左、右半拱变位值较加固前分别减少了28.6%和31.2%；5倍荷载条件下，左、右半拱变位值较加固前分别减少了35.4%和33.5%，加固地基对坝体横河向变位的有利影响随荷载的加大而越发明显，而对左右两侧坝肩变位影响的程度则基本相当。

从顺河向变位来看，坝肩加固后对坝体的顺河向变位有较为明显的改善作用，在1倍和5倍荷载情况下，拱冠的变位分别减少了28.5%和29.7%。在1倍荷载条件下，加固地基左、右半拱顺河向变位值分别减小了16.5%和21.4%；在5倍荷载条件下，加固地基左、右半拱顺河向变位值分别减小了17.6%和 22.5%。由此可见，加固地基对改善坝体的变形情况效果明显，而加固地基对右坝肩变位的改善作用明显优于左坝肩，这是由于两岸地质情况的差异所导致的。

3.2 岩脉及断层变位分析

坝肩岩体加固前后，断层受挤压而产生变位的趋势是基本一致的。总体说来，加固地基对改善β43(f6)断层的效果较为明显，在1～6倍荷载作用下，其测点变位值减小了29%～46%。其余4条断层在加固处理后测点变位值变化的情况相差不大。

3.3 坝肩破坏形态分析

正常工况下，天然地基方案与加固地基方案坝肩均无明显破坏现象。在超载破坏阶段，2种方案均是断层及岩脉处先出现塑性破坏。天然地基方案破坏区域扩大延伸，而加固地基方案，由于混凝土置换和加密固结灌浆作用，消除了部分原生地质缺陷，因而破坏范围减小，提高了坝肩抗力体的综合强度。地基加固后，右岸坝肩抗力体顺河向变位降低12.3%～28.2%，横河向变位降低18.2%～29.1%；左岸坝肩抗力体顺河向变位降低13.4%～28.8%，横河向变位降低5.5%～30.2%。从加固效果上来讲，左右岸的加固效果是明显的，且变位对称性较好。

3.4 整体安全度分析

坝肩加固前，在Kp=4.0～5.0时，下游坝踵塑性区向上游扩展，右岸扩展至β4(f5)，最大塑性应变出现在左坝肩山体与河谷交汇的坡脚，大坝下游面开始出现贯通的塑性变位，大坝及坝肩岩体整体失去承载能力，大坝开裂破坏，由此得出，在天然地基下，大坝的整体安全度在4.0～5.0之间。

坝肩加固处理后，在Kp=5.0～6.0时，坝踵附近河谷坡脚及β43(f6)、β21上游面附近岩体塑性区贯通，并向上游逐渐扩展至右岸β4(f5)，最大塑性应变仍出现在左坝肩山体与河谷交汇的坡脚，但应变值明显减小，此时，大坝下游面开始出现贯通的塑性变位，由此得出，坝肩加固后，大坝的整体安全度在5.0～6.0之间，坝与地基的稳定性得到了明显的提高。2种方案在5倍荷载条件下坝体下游面塑性破坏范围分别见图2、3，从图中可知，坝肩岩体加固后，坝体塑性破坏范围得到明显减小。

图2 5倍荷载时下游坝面塑性破坏范围图(加固前)

图3 5倍荷载时下游坝面塑性破坏范围图(加固后)

4 结 语

通过对大岗山水电站坝肩岩体加固前后稳定性的有限元计算分析，可以得到以下结论：

(1) 在正常工况下，坝肩加固措施对坝体变位的影响相对较小，在2～6倍荷载作用下，随荷载增大，坝肩加固后坝体变位明显减小，拱冠部位顺河向变位减小效果最为明显，左右两岸基本对称；横河向变位右岸的加固效果优于左岸。

(2) 在荷载作用下，坝肩加固前后岩脉(断层)受挤压而发生变位的趋势基本一致。加固措施对β43(f6)岩脉(断层)的变位变化影响相对较大，而对其他4条岩脉(断层)的影响相对较小，且差别不大。

(3) 从产生塑性破坏的情况看，坝肩加固后坝体的塑性变形区域明显减小，且左右两岸发生塑性变形的区域基本对称。

(4) 从加固前后的整体超载安全系数分析，加固前超载安全系数Kp=4.0～5.0，加固后超载安全系数Kp=5.0～6.0。对比加固前后的计算结果，采用混凝土置换和加密固结灌浆相结合的处理方式对岩脉、断层进行了局部置换，使软弱结构面强度提高，减小了部分原生地质缺陷对坝肩稳定的不利影响。加固方案对于改善坝肩岩体的受力条件和变形特征具有较为明显的效果。

[1] 张林,费文平,李桂林,等.高拱坝坝肩坝基整体稳定地质力学模型试验研究[J].岩石力学与工程学报,2005,24(10)：3465-3469.

[2] 刘林广.小湾拱坝坝肩稳定及加固处理措施研究[D].成都：四川大学,2005.

[3] 庞明亮,唐忠敏,陆欣.锦屏一级水电站拱坝坝肩稳定分析及工程措施研究[J].西北水电，2012，(04)：31-35.

[4] 胡波,廖占勇,刘晓丽.小湾特高拱坝蓄水初期坝肩抗力体变形特性研究[J].西北水电，2011，(S1)：38-42.

[5] 朱伯芳.有限单元法原理与应用[M].2版.北京：中国水利水电出版社,1998.

[6] 董建华,谢和平,张林,等.大岗山双曲拱坝整体稳定三维地质力学模型试验研究[J].岩石力学与工程学报,2007,26(10)：2027-2033.

[7] 包祎.大渡河大岗山水电站拱肩槽边坡稳定性研究[D].成都：成都理工大学,2011.

Analysis on Reinforcing Effects of Rockmass in Arch Dam Abutment, Dagangshan Hydropower Project

XIAO Wei

(College of Water Resources and Hydropower, Sichuan University, Chengdu 610065，China)

The dam site of Dagangshan Hydropower Project is with the superior geographic advantage of building high arch dam. But the geological tectonics her is complicated. Dike, fractured zone because of extrusion, faults and joint fissures shall be reinforced. By application of ANSYS, the value analysis is respectively performed on the natural foundation and the reinforced foundation in abutment of the Dagangshan arch dam. The analysis shows that the safety factor is 4.0～5.0 in condition of the natural foundation; 5.0～6.0 in condition of the reinforced foundation. This presents that the reinforcement scheme can effectively increase stability and safety of the dam body as well as obviously improve strain and plastic variation range of the dam body, providing design, construction and similar project reinforcement with reference.

Dagangshan Hydropower Station; abutment stability; natural foundation; reinforce foundation; reinforcing effect; analysis

1006—2610(2015)02—0044—04

2014-09-15

肖薇(1991- )，女，广西柳州市人，硕士研究生，从事水利水电工程研究.

TV642.45

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.02.011