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水布垭面板堆石坝覆盖层基础处理 稳定计算是计算土石坝设计中最重要的计算内容之一，通常决定坝的段和结构类型。由于稳定计算往往涉及到抗剪强度、计算方法和安全系数等诸多因素,且彼此之间相互联系,因此虽然已有长期的实践和不断的改进,但在很大程度上仍带有半经验的性质,需要一定的经验和判断。混凝土面板堆石坝属于土石坝的范畴,但由于它具有自身的特点,即堆石坝体透水性强、稳定性好,所以一般不作稳定计算。实践证明,面板堆石坝的稳定性很少成为工程问题,堆石坝体具有较高的强度,可以维持较陡的边坡,粗颗粒形成的骨架能很好地保持其渗透稳定性。对面板坝而言,只有当坝基遇有软弱夹层或坝基砂砾石层中存在细砂层、粉砂层或粘土夹层;或非常运行条件下,才需要作稳定计算。因此,有关混凝土面板坝的稳定分析并不多见。水布垭面板坝是目前世界上在建同类坝中第一高坝(233m),地质勘探揭示,坝址河床砂卵砾石覆盖层含有砂砾粉土、粉质粘土透镜体,厚度从几米到几十米不等。对于砂卵砾石覆盖层的性质还不甚明了,考虑到该工程的重要性及技术上的难度,也为了方便进一步优化设计,很有必要进行稳定计算,以验证砂卵砾石覆盖层对大坝尤其是下游坝坡的稳定影响,提出相应的工程处理措施,并为大坝优化设计提供了建设性的意见。 1 表面活性剂的选择 稳定分析法有刚体极限平衡及土体内各点剪应力水平两大类。鉴于近年来新发展的分析方法尚缺乏足够的实践经验,加上土体本身的复杂性,目前还没有公认的评价准则,因此计算仍以最常用的、有丰富经验的刚体极限平衡法为主。按照文献,选择瑞典圆弧法作为基本方法。该法不考虑条块之间作用力,使用比较简单,已积累了一定的实践经验,所以即使理论上有缺陷,给出的结果偏于保守,但仍是实际工程常用的方法。考虑到工程的重要性,按照文献,同时使用毕肖普法,该法近似考虑了条块间的作用力,计算也比较简单。由于坝基砂卵砾石覆盖层中夹砂砾粉土、粉质粘土透镜体,有必要验算底部沿该软弱面滑动的情况,同时也考虑了任意滑动面稳定计算。为了使计算结果尽量可靠并便于对多种方法的计算成果进行比较,在此应用中国水利科学院陈祖煜教授编制的《STAB》程序进行稳定分析。该程序除了提供上述方法外,还包括陈祖煜法的其它分析方法。 2 选择安全度较高的处理方法 在稳定分析中考虑了正常运用条件和非常运用条件两种情况。正常运用有两种工况:①设计水位(1000年一遇),②正常运用水位。非常运用为正常蓄水位考虑7°地震。由于必须遵守《水利水电枢纽工程等级划分及设计标准(山区、丘陵区部分)》中有关土石坝安全系数的规定,故选择瑞典圆弧法作为基本方法。以适当考虑较小安全系数时仍具有足够的安全度。其安全系数按文献选定,简化毕肖普法及其精确方法(含任意滑动面法),计算所得安全系数比瑞典圆弧法大,按照文献,正常运用条件,取安全系数不小于1.5,非常运用条件比瑞典法提高10%,具体见表1。 3 坝体稳定复核设计 水布垭面板坝上游边坡为1∶1.4,下游综合边坡1∶1.4,局部边坡为1∶1.25。在稳定复核时,取下游坝坡为1∶1.4。在坝基覆盖层处理方案比较时,分别取下游坝坡为1∶1.4及1∶1.25两种情况。当下游坝坡为1∶1.25时,不增设其它措施(以下称方案1),(图1);当下游坝坡为1∶1.4时,有两种考虑:①在230m高程加30m顶宽的压脚平台,以增加稳定性(以下称方案2),(图2)。②从坡脚算起,将下游覆盖层挖除110m(以下称方案3),(图3)。 在坝基软弱夹层处理前,进行了正常运用与非常运用条件下大坝稳定复核计算,计算简图见图4。按照设计拟定方案,堆石坝体从上游向下游大致分为:垫层区、过渡区、主堆石区、次堆石区、下游堆石区,次堆石区底部高程为225m,其下与坝基间设置透水层,下游坝坡坡脚处有一大块石区(抛石区)。各区填料物理力学指标通过室内外试验取得,坝基砂卵砾石覆盖层物理力学指标类比其它工程取得。同时,为研究软弱夹层(砂砾粉土、粉质粘土透镜体)对下游坝坡稳定的影响,将覆盖层摩擦角?0分别取:20°、25°、30°、35°等几种情况。总体上说,堆石坝体透水性好,稳定分析采用有效应力法,相应抗剪强度指标则按文献取非线性强度指标,以反映堆石料的强度特性。各种材料参数见表2。 4 稳定分析 4.1 覆盖层经济厚度的确定 当下游坝坡为1∶1.4时,采用瑞典圆弧法、简化毕肖普法、任意滑动面法对正常运用条件(设计水位)与非常运用条件下下游坝坡稳定进行复核,计算简图见图4,计算成果见表3。 由表3可知,正常运用条件下,当覆盖层?值30°时,不能满足稳定要求;当?=30°时,刚好能满足稳定要求;非常运用条件下,当覆盖层?值30°时,不能满足稳定要求;当?=30°时,能满足稳定要求。另外,用任意滑动面法算出的最小安全系数与毕肖普法接近。根据初步分析,考虑软弱