第13章工程業例473 黄河水利委员会设计院是较早使用STAB程序的一个单位。小浪底工程大坝也是在我国 较早使用第7章介绍的库水位骤降总应力法分析步骤的一个工程。本节所列的成果是设计院 独立完成的,并作为正式成果列入大坝安全鉴定自检报告。本书作者作为大坝安全鉴定专家, 对分析成果进行了复核。 本次计算一律采用了非圆弧形的滑裂面,对于穿越坝体的滑裂面,采用了STAB程序中 光滑曲线生成滑裂面的功能 13.4三峡工程3坝段坝基深层抗滑稳定分析 13.4.1基本情况 (1)项目来源:三峡开发总公司技术委员会。 (2)完成日期:1997年6月 (3)设计阶段:技施设计 (4)存档文件: 1)三峡工程3坝段坝基深层抗滑稳定分析,中国水利水电科学硏究院,1997年6月, GE-97-3-017; 2)长江三峡1-5坝段岩体节理统计和连通率研究,中国水利水电科学研究院,1996 年,GE-96-3-017 3)长江三峡1-5坝段岩体节理统计和连通率研究补充报告,中国水利水电科学研究 院,1996年,GE-96-3-026 交4)三峡大坝左厂1~5°坝段抗滑稳定深化设计专题报告,水利部长江水利委员会,1996 6月 13.4.2工程概述 三峡工程大坝左、右岸坝段建基面抬高,坝高相对降低,在右岸3坝段坝基与厂房建基 面高程相差60m,形成了一个坡度约为1:15的开挖面(图134),而此坝段高仅为60m。坝 基岩体存在着倾向与坝基开挖边坡基本一致的中缓倾角裂隙,大坝与坝基的抗滑稳定成为 个令人关注的问题。 根据现场地质勘探的成果,在3坝段的坝基存在着连通率较高的一组缓倾角结构面组 合,这组结构面通过接近坝底的A点(图135)。同时,也存在其它可能的结构面组合。本 文采用边坡稳定分析极限平衡法进行大坝深层抗滑稳定分析。 13.4.3计算条件 1.计算工况 (1)设计水位为上游175m,下游62m;相应的校核水位为上游1804m,下游83.1m 稳定分析以设计工况为主,校核工况仅计算个别滑面
第 13 章 工程案例 473 黄河水利委员会设计院是较早使用 STAB 程序的一个单位 小浪底工程大坝也是在我国 较早使用第 7 章介绍的库水位骤降总应力法分析步骤的一个工程 本节所列的成果是设计院 独立完成的 并作为正式成果列入大坝安全鉴定自检报告 本书作者作为大坝安全鉴定专家 对分析成果进行了复核 本次计算一律采用了非圆弧形的滑裂面 对于穿越坝体的滑裂面 采用了 STAB 程序中 光滑曲线生成滑裂面的功能 13. 4 三峡工程 3 坝段坝基深层抗滑稳定分析 13. 4. 1 基本情况 (1) 项目来源 三峡开发总公司技术委员会 (2) 完成日期 1997 年 6 月 (3) 设计阶段 技施设计 (4) 存档文件 1) 三峡工程 3 坝段坝基深层抗滑稳定分析 中国水利水电科学研究院 1997 年 6 月 GE−97−3−017 2) 长江三峡 1−5 坝段岩体节理统计和连通率研究 中国水利水电科学研究院 1996 年 GE−96−3−017 3) 长江三峡 1−5 坝段岩体节理统计和连通率研究补充报告 中国水利水电科学研究 院 1996 年 GE−96−3−026 4) 三峡大坝左厂 1# ∼5# 坝段抗滑稳定深化设计专题报告 水利部长江水利委员会 1996 年 6 月 13. 4. 2 工程概述 三峡工程大坝左 右岸坝段建基面抬高 坝高相对降低 在右岸 3 坝段坝基与厂房建基 面高程相差 60m 形成了一个坡度约为 1:1.5 的开挖面 图 13.4 而此坝段高仅为 60m 坝 基岩体存在着倾向与坝基开挖边坡基本一致的中缓倾角裂隙 大坝与坝基的抗滑稳定成为一 个令人关注的问题 根据现场地质勘探的成果 在 3 坝段的坝基存在着连通率较高的一组缓倾角结构面组 合 这组结构面通过接近坝底的 A 点 图 13.5 同时 也存在其它可能的结构面组合 本 文采用边坡稳定分析极限平衡法进行大坝深层抗滑稳定分析 13. 4. 3 计算条件 1. 计算工况 (1) 设计水位为上游 175m 下游 62m 相应的校核水位为上游 180.4m 下游 83.1m 稳定分析以设计工况为主 校核工况仅计算个别滑面
474土质边坡德定分析一原理·方法·程序 抖衢幂劂邮盛幂 == [幕邹 长
474 土质边坡稳定分析 原理 ⋅ 方法 ⋅ 程序 图 13. 4 三峡大坝 3 坝段典型剖面图 单位 m
第13章工程業例475 V175.0 坝轴线 浸润线2(设计水位时,下游排水失效) 浸润线1(设计水位时,排水有效) 厂房 V62.0 图13.5三峡大坝3坝段坝体和地基联合抗滑稳定计算简图 2)三峡大坝下游采用抽排的方式降低扬压力,这样,在排水系统正常工作的条件下, 扬压力图形为 1)坝基基岩第一道帷幕排水孔处(19+95),扬压力折减系数为0.25: 2)坝基基岩第二道排水孔处(20+015),折减系数为050 3)厂房基岩下游侧帷幕排水孔处(20+164),折减系数为0.30。 对于重力坝稳定分析中的扬压力,在使用条分法计算时,仍通过输入浸润线的方法实 现。 由于三峡大坝基岩内存在着中缓倾角结构面,长委会通过详细的地质勘探,提供了3 坝段可能出现的长大裂隙的剖面图。根据这一基础资料,稳定分析在坝体单独和厂坝联合情 况下的复核工况如下 (1)复核包括坝体单独抗滑和厂坝联合抗滑两种情况。每个情况均考虑下游抽排失效浸 润线抬高的情况。在坝体单独抗滑时,由于下游抽排,故下游坡外无水位,因此在这种特定 的条件下,抽排在降低扬压力的同时,也失去了作用于坝下游岩坡上的反向水推力,造成了 不利因素,因此,计算了不采用抽排,下游水位42m的工况 (2)坝体与地基联合抗滑,厂房的重量无疑会增加坝体的稳定性。本次计算在处理厂房 的重量时,将主厂房与副厂房按提供的重量,等效地座落在相应的位置上 因坝体单独抗滑的安全系数在下游排水失效及校核水位均与设计工况差别较小,厂坝联 合抗滑时,没有再核算这个工况 2.强度指标 完整岩体,混凝土和结构面的抗剪强度见表13.12。表13.13为沿各滑移路径的岩体连 通率,用k表示,其与岩体力学指标c、关系为
第 13 章 工程案例 475 图 13. 5 三峡大坝 3 坝段坝体和地基联合抗滑稳定计算简图 (2) 三峡大坝下游采用抽排的方式降低扬压力 这样 在排水系统正常工作的条件下 扬压力图形为 1) 坝基基岩第一道帷幕排水孔处(19+995) 扬压力折减系数为 0.25 2) 坝基基岩第二道排水孔处(20+015) 折减系数为 0.50 3) 厂房基岩下游侧帷幕排水孔处(20+164) 折减系数为 0.30 对于重力坝稳定分析中的扬压力 在使用条分法计算时 仍通过输入浸润线的方法实 现 由于三峡大坝基岩内存在着中缓倾角结构面 长委会通过详细的地质勘探 提供了 3 坝段可能出现的长大裂隙的剖面图 根据这一基础资料 稳定分析在坝体单独和厂坝联合情 况下的复核工况如下: (1) 复核包括坝体单独抗滑和厂坝联合抗滑两种情况 每个情况均考虑下游抽排失效浸 润线抬高的情况 在坝体单独抗滑时 由于下游抽排 故下游坡外无水位 因此在这种特定 的条件下 抽排在降低扬压力的同时 也失去了作用于坝下游岩坡上的反向水推力 造成了 不利因素 因此 计算了不采用抽排 下游水位 42m 的工况 (2) 坝体与地基联合抗滑 厂房的重量无疑会增加坝体的稳定性 本次计算在处理厂房 的重量时 将主厂房与副厂房按提供的重量 等效地座落在相应的位置上 因坝体单独抗滑的安全系数在下游排水失效及校核水位均与设计工况差别较小 厂坝联 合抗滑时 没有再核算这个工况 2. 强度指标 完整岩体 混凝土和结构面的抗剪强度见表 13.12 表 13.13 为沿各滑移路径的岩体连 通率 用 k 表示 其与岩体力学指标 c φ的关系为 c c k c k (13.1) = r − + j (1 )
476土质边坡德定分析一原理·方法·程序 f=f(1-k)+f k (132) 式中:c为岩体的粘聚力;f为岩体的摩擦系数;=tan;c为结构面的粘聚力;f为结构面 的摩擦系数。 表13.12设计院提供的材料参数和接触面抗剪强度参数 材料号材料名 容重 摩擦系数摩擦角 Y9 8kN/m) tang C MPa) 12345 微新岩体 5953 2.00 岩桥(连通率k=11.5%)270 57.83 岩体结构面 0.70 混凝土/厂房基岩接触面 表13.13根据地质概化模型指定的各段连通率(图13.5) 序号滑移路径 (见图135)分段k 分段 1 QABCDRE QA 0% ABC 11.5% QABCGHTUY QA ABCGHT 76 UY 100% QABCGHTVY QA ABCGHT 753% 100% 3.滑动模式(图13.5) (1)坝体与地基单独抗剪,不考虑厂房作用 (a)沿滑面 QABCDE滑动。QA段在坝体内,起点Q选在坝体上游体型突变且断面最 小处, ABCD为结构面,连通率为100%;RE为岩桥,长269m,连通率k为115% 其力学指标见表13.12的1、4和3材料。 上游水位175m,下游水位62m,上、下游排水均有效,浸润线位置见图135中浸润线 上游水位175m,下游水位62m,下游排水失效,浸润线位置见图13.5中浸润线2 上游水位175m,下游坡面无水,上、下游排水仍均有效,但考虑厂、坝分开,厂房起 挡水作用,虽扬压力能传递过去,但所研究的滑动体下游无水。在计算处理时,相当于无坡 外水位,但浸润线仍与排水有效时相同,仍为图13.5中的浸润线1。此情况为设计要求复核 的工况。 (b)沿滑面 QABCGH滑动。QA段在坝体内, ABCGH为结构面,连通率为100% H为岩桥,长244m,连通率k为115%。力学指标见表13.12的1、4和3材料 其它项与(1)项相应项相同。另外复核校核上游水位180.4m,下游水位83.1m,上、下 游排水均有效。 (c)沿滑面J滑动。整个滑面均在地基中。长委会提供J滑面平均连通率为359% 为了了解J滑面的力学指标对安全系数的影响,对某些工况作了敏感计算。中国水利水电
476 土质边坡稳定分析 原理 ⋅ 方法 ⋅ 程序 f f k f k (13.2) = r − + j (1 ) 式中 cr为岩体的粘聚力 fr为岩体的摩擦系数 f=tanφ cj为结构面的粘聚力 fj为结构面 的摩擦系数 表 13. 12 设计院提供的材料参数和接触面抗剪强度参数 材料号 材料名 容重 γ(9.8kN/m3 ) 摩擦系数 f(tanφ) 摩擦角 φ(°) 粘聚力 c(MPa) 1 混凝土 2.45 1.10 47.73 3.00 2 微新岩体 2.70 1.70 59.53 2.00 3 岩桥 连通率k=11.5% 2.70 1.59 57.83 1.79 4 岩体结构面 2.70 0.70 35.00 0.20 5 混凝土/厂房基岩接触面 1.25 51.34 1.50 表 13. 13 根据地质概化模型指定的各段连通率 图 13.5 1 2 3 序号 滑移路径 见图13.5 分段 k 分段 k 分段 k 1 QABCDRE QA 0% ABCDR 100% RE 11.5% 2 QABCGHI QA 0% ABCGH 100% HI 11.5% 3 JI JI 35.9% 4 QABCGHTUY QA 0% ABCGHT 76.9% UY 100% 5 QABCGHTVY QA 0% ABCGHT 75.3% VY 100% 3. 滑动模式 图 13.5 (1) 坝体与地基单独抗剪 不考虑厂房作用 (a) 沿滑面 QABCDE 滑动 QA 段在坝体内 起点 Q 选在坝体上游体型突变且断面最 小处 ABCDR 为结构面 连通率为 100 RE 为岩桥 长 26.9m 连通率 k 为 11.5 其力学指标见表 13.12 的 1 4 和 3 材料 上游水位 175m 下游水位 62m 上 下游排水均有效 浸润线位置见图 13.5 中浸润线 1 上游水位 175m 下游水位 62m 下游排水失效 浸润线位置见图 13.5 中浸润线 2 上游水位 175m 下游坡面无水 上 下游排水仍均有效 但考虑厂 坝分开 厂房起 挡水作用 虽扬压力能传递过去 但所研究的滑动体下游无水 在计算处理时 相当于无坡 外水位 但浸润线仍与排水有效时相同 仍为图 13.5 中的浸润线 1 此情况为设计要求复核 的工况 (b) 沿滑面 QABCGHI 滑动 QA 段在坝体内 ABCGH 为结构面 连通率为 100 HI 为岩桥 长 24.4m 连通率 k 为 11.5 力学指标见表 13.12 的 1 4 和 3 材料 其它项与(1)项相应项相同 另外复核校核上游水位 180.4m 下游水位 83.1m 上 下 游排水均有效 (c) 沿滑面 JI 滑动 整个滑面均在地基中 长委会提供 JI 滑面平均连通率为 35.9 为了了解 JI 滑面的力学指标对安全系数的影响 对某些工况作了敏感计算 中国水利水电
第13章工程業例477 科学研究院根据勘探提供的定位的长大裂隙进行连通率计算,建议采用68.75%作为一种 校核的工况。计算工况与滑面2相同,见图13.5。 (d)沿滑面 KABCGHI滑动。见图13.5,沿坝基与地基接触面KA和结构面 ABCGHI 滑动。KA段参数取表13.12中5号材料(混凝土/厂房基岩), ABCGH段取表13.12中 相应指标 仅计算设计工况,即上游水位175m,下游水位62m,上、下游排水均有效,浸润线位 置见图13.5中浸润线1。本工况也是指定的复核工况 (2)坝体与厂房联合抗剪。厂坝联合抗滑,主要校核以下三个情况: (a)滑面从厂基下滑出。在这一工况中,这一情况又分为厂房和地基接触面采用混凝 土和基岩接触面指标和采用k=50%的节理岩体指标两种情况 (b)滑动体从厂房下游滑出。底面呈圆弧形状,这一失稳模式是否成立取决于对厂房 下游节理岩体抗剪强度的认识。由于设计没有给出统一的规定,本次复核参考了中国水利 水电科学研究院网络模拟的成果,按连通率k=50%确定这部分岩体的抗剪强度。用程序 的搜索功能找出失稳的最小安全系数 (c)按指定结构面组合滑动。复核沿 QABCGHTUY和 QABCGHTUY抗滑稳定安全系 数 上述各滑移路径各段连通率详见表13.13。 13.4.4坝体与地基单独抗滑的计算成果 1.设计工况 本工况相应设计水位,下游抽排,厂房挡水,故坝后无水位。计算成果汇总于表13.14。 对滑面 QABCDE工况1-3和 QABCGH工况2-3,计算安全系数分别为2793和2539 距重力坝要求的安全系数尚有差距 对滑面J(工况3-3),如果使用设计提供的连通率k=35.9%,则安全系数F=3235 但如使用水科院根据长委会勘测院提供的定位结构面进行网络模拟的成果k=6875%,则F 2098。 2.其它情况 对大坝单独挡水,还进行了以下情况的复核 (1)上述分析是考虑抽排有效但厂房在下游挡水的情况下进行的,如果让厂房泡在水 中,下游水位直接作用于下游边坡面上,则在下游可增加40m水压力。情况1-1和2-1给 出了相应滑面 QABCDE和 QABCGH的安全系数,分别为2879和2703。安全系数可提高 0.1至02。但仍未达到重力坝要求的安全系数值。 (2)情况1-3、2-3、3-3(相应k=359%情况)分别给出了相应设计工况,但一旦抽排 失效扬压力增加时安全系数值为2.71(工况1-2),2.620况2-2)和3.324(工况3-2),可知 抽排失效尽管增加了扬压力,但下游水位作用于坝坡面,故安全系数并无实质性削弱。对以 上工况,大部分都进行了土条间力的复核,图136为情况1-1相应的底滑面和条间力的分 布图,可见未出现拉力和剪力破坏,因此,可视为可接受的解
第 13 章 工程案例 477 科学研究院根据勘探提供的定位的长大裂隙进行连通率计算 建议采用 68.75 作为一种 校核的工况 计算工况与滑面 2 相同 见图 13.5 (d) 沿滑面 KABCGHI 滑动 见图 13.5 沿坝基与地基接触面 KA 和结构面 ABCGHI 滑动 KA 段参数取表 13.12 中 5 号材料 混凝土 厂房基岩 ABCGHI 段取表 13.12 中 相应指标 仅计算设计工况 即上游水位 175m 下游水位 62m 上 下游排水均有效 浸润线位 置见图 13.5 中浸润线 1 本工况也是指定的复核工况 (2) 坝体与厂房联合抗剪 厂坝联合抗滑 主要校核以下三个情况 (a) 滑面从厂基下滑出 在这一工况中 这一情况又分为厂房和地基接触面采用混凝 土和基岩接触面指标和采用 k=50 的节理岩体指标两种情况 (b) 滑动体从厂房下游滑出 底面呈圆弧形状 这一失稳模式是否成立取决于对厂房 下游节理岩体抗剪强度的认识 由于设计没有给出统一的规定 本次复核参考了中国水利 水电科学研究院网络模拟的成果 按连通率 k = 50 确定这部分岩体的抗剪强度 用程序 的搜索功能找出失稳的最小安全系数 (c) 按指定结构面组合滑动 复核沿 QABCGHTUY 和 QABCGHTUY 抗滑稳定安全系 数 上述各滑移路径各段连通率详见表 13.13 13. 4. 4 坝体与地基单独抗滑的计算成果 1. 设计工况 本工况相应设计水位 下游抽排 厂房挡水 故坝后无水位 计算成果汇总于表 13.14 对滑面 QABCDE 工况 1−3 和 QABCGHI 工况 2−3 计算安全系数分别为 2.793 和 2.539 距重力坝要求的安全系数尚有差距 对滑面 JI 工况 3−3 如果使用设计提供的连通率 k = 35.9 则安全系数 F= 3.235 但如使用水科院根据长委会勘测院提供的定位结构面进行网络模拟的成果k=68.75 则F= 2.098 2. 其它情况 对大坝单独挡水 还进行了以下情况的复核 (1) 上述分析是考虑抽排有效但厂房在下游挡水的情况下进行的 如果让厂房泡在水 中 下游水位直接作用于下游边坡面上 则在下游可增加 40m 水压力 情况 1−1 和 2−1 给 出了相应滑面 QABCDE 和 QABCGHI 的安全系数 分别为 2.879 和 2.703 安全系数可提高 0.1 至 0.2 但仍未达到重力坝要求的安全系数值 (2) 情况 1−3 2−3 3−3 相应 k=35.9 情况 分别给出了相应设计工况 但一旦抽排 失效扬压力增加时安全系数值为 2.791(工况 1−2) 2.620(工况 2−2)和 3.324(工况 3−2) 可知 抽排失效尽管增加了扬压力 但下游水位作用于坝坡面 故安全系数并无实质性削弱 对以 上工况 大部分都进行了土条间力的复核 图 13.6 为情况 1−1 相应的底滑面和条间力的分 布图 可见未出现拉力和剪力破坏 因此 可视为可接受的解