后河水库坝肩稳定分析

1 主要工程问题及研究对策

　　狮子滩水电站位于四川省长寿县境内，是龙溪河四级开发利用中最上游一级。电站装机容量4．8万kW，年发电量2．06亿kW&midd0t;h，水库总库容8．3亿m3，可对天然来流量作多年调节。主要水工建筑物由混凝土挡墙堆石坝、溢洪道、有压引水系统及电站厂房组成。溢洪道位于堆石坝左端条形山脊天然垭口，总宽112．0 m，设计最大泄洪能力49l0．0 m3／s，从溢流坝至挑水坎总长358．0m，其中，首段为重力式混凝土溢流坝，共分5个坝段，坝段长22．0-23．0m， 闸墩宽4．0m，在闸墩中心线分沉陷缝，建基面高程从1号至5号坝段为326．5—318．0m，溢流堰顶高程340．0m，坝顶高程350．0m，最大坝高32，0m，溢流坝上设置7．0 m×18．0m(高×宽)弧形闸门5孔。中段为泄水陡槽，长322．5m，平均坡降4．95％，末端为混凝土低鼻坎矩形差动式挑水坎。

　　狮子滩水电站于l957年3月全部建成，至今已安全运行41年。在多年运行期间，水库最低蓄水位325．09m，较死水位低3．14m，最高运行水位347．58m，较正常高水位高0．85m，溢洪道实际下泄最大流量1750 m3／s，仅达设计泄洪能力的35．6％，溢洪道各建筑物还未经受设计最大泄流量考验，同时，经过多年蓄水运行，溢洪道相继出现一些影响安全运行的工程问题，主要包括：

　　(1) 溢流坝上游铺盖被淘空。

　　原设计溢流坝上游铺盖为1：4坡度的粘土铺盖，表面再铺块石保护，施工时作了修改，铺盖粘土只回填至330．0m高程，330．0m高程以上改用废渣回填，经过多次泄洪，下泄水流将回填废渣及330．0m高程以下的粘土大量带走，铺盖大部分已失去保护，溢流坝前沿基础已经暴露在外，致使渗径缩短，增加了帐幕前坝基渗透压力，并可能拉裂帐幕，影响溢流坝体的整体安全。

　　(2) 溢流坝稳定安全参数偏低。

　　由于溢流坝基础大部分位于薄层砂岩上，砂岩厚度一般为3．0—4．0m，以下为砂质粘土与砂岩互层，岩性变化大，节理裂隙发育，问有风化破碎带，在砂质粘土岩中分布有埋深较浅，产状近于水平且连通性较好的G4、G5软弱夹层，其中建基面以下8．0m的G5夹层分布于整个溢流坝基。原设计根据竣工资料，对1号一5号坝段在校核洪水条件下的稳定性进行复核，1号一3号坝段抗滑稳定安全参数Kc为1．0—1．08，4号坝段为0．91，5号坝段为0．94，由此可见4号、5号坝段的Kc值不能满足现行规范要求。为客观评价4号、5号坝段的稳定安全性，设计上建议在稳定分析中考虑尾部岩体的抗剪作用，这种计入尾部岩体抗力的分析方法是合理的，但对4号、5号坝段稳定安全参数量值上的变化设计上未作详细说明。

　　(3) 溢流坝普遍出现贯穿性裂缝。

　　据狮子滩溢洪道运行总结报告介绍，溢流坝体出现的贯穿性裂缝可分为三类：第一类是遗留的施工冷缝；第二类是由于混凝土浇筑过程中未采取严格温控措施和拆模过早等因素形成的，先期(末蓄水发电前)裂缝；第三类则是在多年运行期间，由于坝面温度随外界气温变化所产生并逐步演变形成的。上述三类贯穿性裂缝的形成原因，以及对坝体安全性的影响程度，是工程上所关心的问题。

　　针对狮子滩电站溢洪道所存在的上述三个主要 问题，结合溢洪道多年的运行与安全监测资料，以及 1990年狮子滩水电站大坝安全定检时所修定的最新地质水文成果，运用三维弹塑性有限方法，以上游铺盖、溢流坝及下游护坦和坝基岩体作为计算整体，对溢流坝体的变位与应力特征，以及上述(1)、(2)因素对坝体稳定性的影响进行定量分析评价，给出狮子滩电站溢流坝现今与进行工程处理后所具有的整体安全储备，同时，还对溢流坝出现贯穿性裂缝的原因及其影响作了初步分析。

2 有限元数学模型及计算方法

　　2．1 有限元计算范围及结构离散

　　选取最大坝高，抗滑稳定安全参数最低的4号坝段作为分析对象，并沿上下游及坝基方向延伸一定范围构成三维计算域，其中：

　　垂直水流方向(Y向)：溢流坝1+81．3l—溢流坝l+103．31m；

　　平行水流方向(X向)：0-30．00-0+80．00m：

　　垂直方向(Z向)：建基面以下32．0m至坝顶，绝对高程290.0— 350．0m，相对高差60．0m。

　　该区

长丝土工布的应用领域（1）作挡土墙回填中的加筋，或用于锚固挡土墙的面板。修筑包裹式挡土墙或桥台。（2）加固柔性路面，修补道路上的裂缝，防止路面反射裂缝。（3）增加碎石边坡及加筋土的稳定性，防止水土流失和低温时土体的冻害。（4）路道碴与路基之间的隔离层，或路基与软基之间的隔离层。（5）人工填土、堆石或材料场与地基的隔离层，不同冻土层之间的隔离，反滤和加固作用。（6）储灰坝或尾矿坝的初期上游坝面的滤层，挡土墙回填土中排水系统的滤层。（7）排水暗管周边或碎石排水暗沟周边的滤层。（8）水利工程中水井、减压井或斜压管的滤层。（9）公路、机场、铁路道渣和人工堆石等与地基之间的土工织物的隔离层。（10）土坝内部垂直或水平排水，埋入土体中消散空隙水压力。（11）土坝或土堤中的防渗土工膜后面或混凝土护面下部的排水。（12）排除隧洞周边渗水，减轻衬砌所承受的外水压力及各建筑物周围渗水。（13）人工填土地基运动场地基的排水。（14）公路（包括临时道路）铁路、堤岸、土石坝、机场、运动场等工程中用以加强软弱地基。

域包括4号坝段左右闸墩，溢流坝体、上游前坦30．0m与下游护坦50．0m，以及坝基以下薄层砂岩、砂质粘土岩互层与软弱破碎带G5。根据溢流坝受力特点及坝基地层分布界面，对计算域进行剖分，其中坝体和护坦混凝土结构，以及坝基岩体采用空间8节点等参元模拟，G5软弱夹层以8节点夹层单元模拟，为反映坝体与坝基岩体接触面相对剪切变形，该接触面用接触界面单元模拟。

　　2．2 材料物理力学参数

　　参考原设计采用材料物理力学参数，并结合1990年狮子滩水电站溢洪道坝基岩石力学试验成果，本次有限元分析计算选用材料参数见表l。

表1 材料物理力学参数表

材料名称