周公宅水库混凝土拱坝坝肩稳定性分析

中国水电顾问集团华东勘测设计研究院 何明杰 徐建荣 徐建军 朱瑞晨###。

【摘要】周公宅水库大坝坝高125.5m，坝型为混凝土双曲薄拱坝。坝址处河谷较宽，挡水面积较大，拱坝坝肩承载高，是坝线布置中的主要问题之一。坝基岩体条件较好，但坝址区发育多条断层、岩脉和缓倾角节理，坝肩抗力体范围存在多个可能滑动组合块体。采用空间刚体极限平衡法对拱坝坝肩抗滑稳定条件进行了分析。

周公宅水库坝址位于宁波市大皎溪皎口水库上游15km，距宁波市区约51km，是一座具有供水、防洪结合发电等综合利用的大（Ⅱ）型水利工程，枢纽建筑物主要由拦河坝、泄洪及放空（水）建筑物、引水隧洞、地面发电厂房及开关站等组成。拦河坝采用抛物线形混凝土双曲拱坝，最大坝高125.5m，属宽河谷薄拱坝，按2级建筑物设计。

工程区地处浙东北四明山与天台山之间，区内多为中低山。大皎溪呈“S”形曲折，在坝线上游约100m处急转为由南向北流经坝址。坝址处为约300m长的深切河谷，呈宽“V”字形，河面一般宽35m~40m，正常蓄水位233m处河谷宽340m。两岸边坡地形基本对称，坡度35°~45°，山坡地形略有起伏，右岸上下游均发育有深切冲沟，常年流水。山坡多为基岩裸露，覆盖层浅薄，两岸出露基岩多为弱风化岩，部分微风化岩，河床清除漂卵砾石即为微风化岩。

坝址出露主要地层为中生界侏罗系上统流纹质晶屑玻屑熔结凝灰岩（J₃^d）、蚀变岩［J₃^d（s）］，局部燕山期岩脉侵入，以及少量第四系冲洪积和残坡积物。熔结凝灰岩（J₃^d）岩体致密坚硬，力学强度高。蚀变岩J₃^d（s）］岩体呈渐变交互混杂状、团块状，常于断层带及两侧分布，新鲜和微风化蚀变岩致密坚硬，局部珍珠构造与强烈蚀变带岩质较软。右岸坝基、右岸水垫塘出露辉绿岩脉（βμ），宽0.6m~2.0m，岩质坚硬，细条带状，与围岸呈裂隙接触。

坝址发育多条断层F₁、F₃、F₂₀、F₂₃、F₂₄、F₂₆、F₃₀、f₁~f₁₀等，规模均较小，断层带宽度一般0.1m~0.5m，产状以走向N30~50°E向居多，部分为NW向，均为中高倾角，压扭性为主，未发现有缓倾角断层。坝基开挖揭示，左岸以J₈、J₉、J₁₇一组节理最发育，产状为N80°~90°E，NW或NE410。~30°，多数充填石英细脉，胶结情况较好；右岸以J2节理较发育，产状N25°~45°W，NE∠5°~30°，充填石英脉，胶结较好;河床坝基以中高倾角顺河节理为主。

周公宅水库坝址地形较适合修建高拱坝，但地形上仍存在一些缺陷。受上、下河道转向影响，左岸为半岛状山包，调整余地较小，高程200m以上山体相对单薄，需尽量增大拱坝轴线与地形等高线的夹角，改善拱推力的方向。右坝肩下游约150m处存在一条大冲沟，下游约50m处存在一条悬挂式的浅沟，对右岸抗力体影响明显，应尽量向上游侧布置，但受上游侧冲沟和引水隧洞进口位置限制，实际上右坝肩可调整的范围更为有限。初设阶段对Ⅰ坝线（原可研的推荐坝线）、Ⅱ坝线和Ⅲ坝线进行比较分析，见图1。三条轴线方案主要对左岸坝肩位置进行了比较，Ⅱ坝线左坝肩较Ⅰ线方案下移约20m，Ⅲ坝线左坝肩较Ⅰ线方案下移约40m。

图1 坝线比较示意###。

三条坝线方案的抗滑稳定安全系数均能满足规范要求，中低高程安全系数的变化并不明显，变化主要在中上部坝肩稳定条件，左岸安全系数从Ⅰ线向Ⅲ线递减，右岸安全系数从Ⅰ线向Ⅲ线递增。Ⅰ坝线方案拱左岸推力方向最为有利，但左拱端过于靠上游山脊和上部陡崖，对右拱肩稳定也不利；Ⅲ坝线方案提高了右岸的稳定性，但左岸推力方向偏向下游，坝肩高部岩体略显不足。Ⅱ坝线方案则兼顾了拱推力与两岸坝肩的关系，左坝肩稳定安全系数稍高于右坝肩，较好地适应了坝址地形地质条件。最终结合坝址区的地形地质条件、拱坝体形、坝肩稳定和工程量等因素，选定Ⅱ线作为坝轴线。

周公宅坝址河谷较宽，天然河谷宽高比近3.0，拱坝设计弧高比达3.64，加之拱坝设计受供水水库库水位消落大等因素影响.需适当增大中上部拱圈的中心角。虽然坝基地质条件较好，但两岸坝肩并不十分雄厚，断层、节理也较发育，局部存在结构面组合的可能。所以，拱坝设计需协调坝体应力和坝肩稳定间的关系，既力求坝体应力状态良好，又要尽量使拱圈扁平，选择合适的拱圈中心角，使拱坝推力偏向山体深部，改善坝肩稳定性。通过坝肩稳定分析，拱坝最大中心角选取95。左右。(www.xing528.com)

周公宅拱坝两岸坝肩均为较完整山体，坝肩稳定主要受浅部发育的断层、节理、岩脉等影响较大，坝肩范围各种结构面发育相互组合，可构成多组比较明确的楔形块体。坝基和水垫塘开挖后，坝肩范围断层、节理、裂隙及岩脉分布见图2、图3。坝基开挖揭露情况与初设阶段勘测成果基本相符，未发现有新的较大不利地质结构面，坝基岩体总体质量较好。

图2 坝址区地质平面示意图###。

图3 坝轴线地质展开示意图###。

左岸坝肩范围发育F₂₆、F₃₀、F₃₁、f₃等中高倾角断层，一般宽0.05m~0.5m，以岩屑夹泥型为主，可构成左岸块体的侧滑面；开挖揭露坝基发育J₈、J₉、J₁₇等缓倾角节理，缓倾山内，以近EW走向为主，多为胶结型结构面，少量为岩块岩屑型，部分延伸较长，可构成左岸块体的不利底滑面。右岸坝肩发育有F₁、F₂₀、F₂₃、F₃₂、f₁、f₂、f₄、f₆断层，多为中高倾角，断层带宽0.05m~0.80m，由岩块岩屑、石英脉组成，局部夹泥；右岸节理相对不发育，主要发育一组J₂缓倾角节理，充填石英脉，延伸较短；根据空间分析，F₂₃、F₂₄断层可构成右岸块体侧滑面，f₁、J₂、J₁₀。为影响右岸坝端稳定的不利底滑面，此外右岸下部存在一条辉绿岩脉βμ1，斜穿坝基插入河床中，也可构成侧滑面。除右岸低高程存在上游横河向结构面f₆外，坝基其他范围块体均无明确的上游拉裂面，考虑到拱坝的受力特点，假定坝基帷幕线为上游拉裂面。按上述构造，两岸坝肩可形成多组代表性的可能滑动块体，侧滑面主要由断层构成，底滑面主要以断层或成组节理构成，见表1。由此可见，左岸主要由中下部高程的块体控制，而右岸除下部块体外，坝顶附近受结构面组合影响也较大。

表1 左右坝肩可能成为滑动体的结构面组合###。

由于周公宅拱坝坝高达125.5m，属2级建筑物，采用空间刚体极限平衡法进行了两岸坝肩的抗滑稳定计算。计算选用抗剪断公式（见下式），根据规范要求，正常工况条件下稳定安全系数不小于3.25，特殊工况条件下稳定安全系数不小于2.75。

采用空间刚体极限平衡法对前面组合分析构造的11个可能滑动块体的抗滑稳定性进行了计算分析。分析表明，各可能滑动块体的滑动模式均为双面抗滑，滑动趋势方向沿侧裂面和底滑面棱线指向下游，正常蓄水位工况和校核洪水位工况下两岸坝肩可能滑动块体的抗剪断稳定安全系数均可满足设计标准。正常蓄水位工况时，左岸断层f₃与缓倾节理J₁₇构成的中下部块体1的安全系数最小（3.28），右岸辉绿岩脉βμ1与缓倾节理J₁₀构成的低高程块体11的安全系数最小（3.32）。两岸块体稳定性的总体规律是：倾坡外侧滑面对稳定安全系数影响较大；块体高程越低，安全系数越小，坝肩稳定主要由中下部块体控制；同一侧滑面而底滑面成组发育时，底滑面越低，安全系数越小。

随着坝基开挖和坝肩边坡清坡，坝址区的地质条件更为明确，根据坝基开挖揭露的实际地质情况，坝基处理也进行了相应的调整，加强了结构面较发育坝基范围的固结灌浆和下游坝趾坡面排水和岸体平洞排水，按上述计算工况进行相应的坝肩稳定计算是符合工程运行条件的。此外作为特殊情况，对坝基排水孔失效、坝基（肩）渗透压力增大的情况也进行了分析。渗透压力在上游拉裂面取全水头，帷幕仍起防渗作用，帷幕处折减系数取0.5.渗径长度取至坡面出露点。按此假定计算，排水失效使中下部块体的安全系数略有下降，抗剪断安全系数最大下降0.29，各块体抗剪断安全系数均大于3.0，仍可满足特殊工况时的设计标准。

周公宅拱坝根据枢纽工程规模定为2级建筑物，但已属高拱坝，加之河谷较宽，运行工况特殊，设计难度较大。前期进行了比较全面的勘察，坝基开挖揭露情况与初设阶段勘测成果基本相符，未发现有新的较大不利地质结构面。设计中充分考虑了拱坝和坝肩稳定间的关系，合理选择坝线和体形设计，在优化坝体应力的同时尽可能提高坝肩稳定条件.较好地适应了坝址工程条件。坝基处理方面系统布置了坝基帷幕和排水，适当加深了坝基帷幕和排水深度，加强了对断层、节理发育范围的固结灌浆处理，在坝肩边坡范围布置了两层排水洞，对中低高程近坝肩深切冲沟进行混凝土回填，通过这些综合措施进一步增强了坝基工程条件，提高了坝肩稳定安全性。