宝珠寺水电站工程大坝与坝基稳定分析

一、工程简况

有关宝珠寺水电站工程的枢纽布置和工程地质等情况可参见第一篇第十一章第一节。

本项研究针对宝珠寺重力坝第17号坝段（厂房坝段），以该坝段两侧横缝为界截取21.5m的坝体和地基作为模拟对象。基岩上游方向长度约为坝高的1.0倍，基岩深度约为坝高的1.2倍，基岩下游方向长度按2.0倍坝高考虑。该坝段的简化断面形式如图2-9-1所示。

图2-9-1　宝珠寺重力坝第17号坝段

（③和④为地质力学模型试验中的位移量测点）

厂坝基础为奥陶系条带状粉砂岩，下游为志留系页岩（S1），主要地质构造有F4、F2断层和D5、D7，8、D1、D3、D6等泥化夹层，见图2-9-1。基岩和软弱结构面的物理力学参数见表2-9-1和表2-9-2。在建成蓄水达到550.00m水位之前，厂坝独立工作；蓄水达到550.00m水位时，进行并缝灌浆，此后厂坝联合工作。

计算分析之前，已进行过地质力学模型试验，目的是研究厂坝联合作用下坝基的应力及变位、极限承载能力、薄弱部位、在正常荷载及超载条件下的破坏机理等问题。

二、模型试验简介

试验所用的主要相似常数为：①几何比尺170；②变形模量比尺170；③容重比尺1；④位移比尺170；⑤摩擦系数比尺1。

表2-9-1　基岩和坝体混凝土的物理力学参数

表2-9-2　结构面的物理力学参数

图2-9-2　试验模型照片

模型材料采用重晶石粉、掺和料、粘结料调配而成。模型由预制块砌筑而成，块体单元之间用粘结材料粘结，变形模量较低的断层用橡皮代替。图2-9-2为试验模型的照片。

破坏试验时只考虑了自重和水平向的水压力。自重按体积力模拟，水压力以乳胶盛水袋施加并用测压管及压力表控制加载及超载水头。开始超载后，先按超载前最大水深的12%逐步增大水位，到最大水深的1.4倍时，再按超载前最大水深的6%逐步增大水位，直到坝体出现第一条裂缝为止。超载程序如表2-9-3所示。

表2-9-3　超载程序

式中：H为开始超载时的上游水深；H i为第i个荷载步时的上游水深。

试验时，在坝段和厂房顶部布置了若干个位移测点。此外，在大坝迎水面等部位还布置了若干个应变片，以检测破坏情况和应变分布规律。

三、计算条件

将坝体及地基划分为28个块体单元（图2-9-3），其中基岩部位的块体单元与实际的岩石块体单元一致，坝体及厂房部位通过设置虚拟结构面划分为16个块体单元。划分单元时考虑了厂坝接缝的影响，即地基内的结构面是真实的，而坝体和厂房部位的结构面是虚拟的。虚拟结构面的设置应遵循一定原则，其力学参数的选取有一定的要求（参见本篇第四章第四节）。

按照试验的超载程序加载进行弹粘塑性计算。未超载时计算得到的应力作为超载时弹粘塑性计算的初应力计入。由于试验过程中位移和应变的量测是以开始超载时为零点逐步累计的，因此未超载时计算得到的位移和应变不进入超载后的计算。计算和试验都未考虑渗流作用，上下游河床上没有铅直方向的水压力。

压力钢管采用等效方法模拟，即在钢管部位，根据扣除钢管直径后的坝段厚度与所截取坝段厚度的比值，将坝体混凝土的弹性模量按照同一比例降低后进行计算。

(www.xing528.com)

图2-9-3　宝珠寺重力坝块体单元系统（28个块体单元方案）

厂坝接缝灌浆的模拟采用空气单元法，即在需要灌浆的部位设置一个单独的块体单元，没有灌浆时，单元的刚度为接近于零的一个小正数，灌浆后取实际变形模量进行计算。

单元的形函数沿Y方向（厚度方向）固定取1阶，沿X向和Z向初始计算时取1阶。进入升阶循环后，将各单元的形函数都升高1阶，以此计算结果近似作为精确解，进行误差判断。当所有块体单元的相对误差小于允许值时，自适应计算结束；否则，不满足误差判据的单元继续升阶。图2-9-4为经过自适应分析后，块体单元系统的阶次分布。

图2-9-4　宝珠寺重力坝块体单元系统阶次分布（28个块体单元方案，et=5%）

四、计算结果

1.位移

在非常洪水位下，计算得到的坝顶上游侧水平总位移为2.4cm，垂直总位移为4.0cm。当超载系数为2.0时，坝顶上游侧相对于非常洪水位下水平位移的增量为7.9cm，垂直位移增量为2.3cm。大坝在自重和水压力作用下有向下游转动的趋势，坝体和坝基的总位移都是指向下游偏下方。图2-9-5是计算得出的超载系数为2.0时的总位移增量矢量图。

图2-9-5　总位移增量矢量图（K　p=2.0）

为了将计算结果与试验结果相比较，将坝顶下游侧和下游坝面上高程为521.3m处的两个点作为位移特征点（图2-9-1），考察该处相对于非常洪水位状态下的水平位移增量。试验和计算结果如图2-9-6所示。

图2-9-6　特征点的位移与超载系数关系曲线

2.应力

图2-9-7是超载系数K p达到2.0时大坝和地基内的主应力。

3.点安全系数

若把屈服函数分解为荷载效应S和抗力R两部分，则某点或某一局部的安全系数可定义为

当采用Drucker-Prager屈服准则时，有

图2-9-7　X-Z平面上的主应力（K　p=2.0）

式中：I 1为应力第一不变量；α和k为材料常数；J 2为应力偏量的第二不变量。

按上述定义，安全系数小于或等于1的区域即为屈服区域。在超载系数为K p=2.0时，坝体和基础的屈服情况如图2-9-8所示，图中安全系数等于1.0的等值线与边界轮廓围成的区域为屈服区。由图2-9-8可以看出，在自重和超载系数为K p=2.0的水压力作用下，坝体的屈服区位于上游坝面中部偏下的位置，基础的屈服区则是从上游河床开始一直延伸到坝踵下近1/2坝底宽处。

图2-9-8　安全系数等值线