黄连水电站拱坝坝肩岩体稳定分析.doc

1 黄连水电站拱坝坝肩岩体稳定分析摘要: 坝肩岩体稳定是拱坝安全的根本保证, 当坝肩岩体存在软弱结构面时,两岸坝肩岩体应进行抗滑稳定计算。本文主要介绍采用刚体极限平衡法计算坝肩稳定的设计情况,为中低型拱坝的坝肩岩体稳定计算提供参考。关键词:拱坝坝肩坝肩岩体稳定刚体极限平衡分析法滑移体滑裂面 1 前言黄连水电站枢纽位于广东省乳源瑶族自治县境内的北江支流南水河上游,是一个拦截黄连水和伴山水的径流式电站。黄连水拦河砼拱坝位于黄连水和伴山水两水汇合处上游约 公里,坝址区为中粗粒状花岗岩,两岸均有大片基岩裸 2 露; 坝址河床狭窄,呈“U”形状, 坝顶河谷宽 52米。该坝为砼定角式拱坝,坝底最大厚度为 米,中心角为 110 ° ;建基面高程为 米, 堰顶高程为 米, 最大坝高 18米, 坝顶长 52 米。正常蓄水位为 米。由于拱坝主要的工作特点就是将坝体承受的水平外力一部分通过拱的作用传给两岸的基岩, 另一部分通过垂直梁的作用传至坝底基岩, 坝体的稳定性主要是依靠两岸拱端的反力作用来维持。因而坝肩岩体的抗滑稳定计算就显得尤其重要。 2 坝肩岩体稳定分析综述拱坝坝肩岩体稳定分析原则上按空间问题处理,确定其整体抗滑稳定安全系数。根据本工程实际情况, 采用刚体极限平衡法作为判断坝肩岩体稳定性的方法。其基本假定为: 滑移体视为刚体,不考虑其中各部分间的相对位移; 只考虑滑移体上力的平衡, 不考虑力矩的平衡, 认为后者可由力的分布自行调整满足, 因此在拱端作用的力系中也 3 不考虑弯矩的影响; 忽略拱坝的内力重分布作用, 认为拱端作用在岩体上的力系为定值; 达到极限平衡状态时, 滑裂面上的剪力方向将与滑移的方向平行,指向相反,数值达到极限值。 3 坝肩岩体整体稳定分析 结构计算模型的假定一般情况下,坝肩岩体是由陡裂面 F1 、河床附近的缓裂面 F2 、上游的破裂面 F3 及临空面分割成一个滑移体,岩体失稳时, 一般是沿 F1与 F2 的交线①-①滑动的( 如图 1 所示)。取一个单位高(代表性)拱圈,坝端对岸坡岩体的作用力, 按拱梁分载法分为:梁的铅直力 Gtg Ψ和剪力 Vbtg Ψ, 拱梁的推力 H 和剪力 Va 。这些力可合成为:①铅直力 Gtg Ψ;②剪力V= Va+Vbtg Ψ;③水平推力 H 。将 H及V 分解为正交及平行滑动线的两个分值 N、Q ,选取几个代表性拱圈,计算出它们的 N、Q、G 值,沿高程连成曲线,然后求曲线下的面积,即为ΣN、ΣQ、ΣG ,同时计入滑移体自重ΣW 及渗透 4 压力 U1 、 U2 ,即可验算其抗滑稳定性。 拱端内力计算拱圈拱端由外荷产生的内力为轴向力 H 和剪力 V ,将 H和 V 分解为平行和垂直于破裂面交线①-①的两分值, 设破裂面与轴向力 H 方向相交成а角,则平行于破裂面的分力 S 为: S=Hcos а+Vsin а垂直于破裂面的分力 N 为: N= Hsin а-Vcos а设基坑面与垂线相交成Ψ角,将垂直于破裂面的分力 N沿基坑面分解为垂直和平行的两个分力 P和Q, 基坑面上还受自重 W1 及渗透压力 U 的作用。最后可得: 平行于底滑面的分力 Q= Nsin Ψ-W1cos Ψ 5 垂直于底滑面的分力 P= Ncos Ψ+W1sin Ψ-U 其中, U 为坝底扬压力。 稳定分析由于本工程属于中低拱坝,根据设计规范,可采用摩擦公式进行抗滑验算。在只考虑摩擦力时, 坝肩岩体的抗滑稳定安全系数为: K=P*f/S 其中: P 为底滑面的法向力, S 为滑动面上的滑动力, f 为滑动面的摩擦系数。在设计情况,只考虑摩擦力时, K≥ 。 4 滑移体边界组成分析据黄连水拱坝坝址区工程地质分析,两侧坝肩存在顺河流 6 向、垂直河流向陡倾角裂隙及密集带、缓倾角裂隙、断层破碎带等软弱结构面, 这些结构面可能组成不稳定岩体。设计中对这些可能的滑动面进行了分析, 排除了近坝区无临空条件, 对大坝抗滑稳定不起控制作用的可能滑动面, 而从左侧坝肩某间歇面( 5#) 的分布和产状确定了它是控制两岸坝肩岩体稳定最关键的一个底滑面;另外分布在左岸 796m 高程左右的缓倾角裂隙 Z22 、 Z32 、 Z33 (编号) ,构成左岸山体的另一组底滑面;它们与下游临空面组成了可能的滑移体。滑移体基坑面与垂直方向交角ψ近似于 55°, 滑裂面与轴向力 H 方向交角а近似于 70°。 5 坝肩稳定验算 采用纯拱法计算拱圈拱端轴向力 H 和剪力 V。考虑到本工程为位于狭窄河谷中的薄拱坝,故采用纯拱法进行内力计算不失为一种简单实用的计算方法。(本文只取基本荷载组合进行计算) 基本荷载组合为:上游正常蓄水位(