滇东南泥岩区重力坝安全稳定性评价

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摘要： 滇东南地区是云南省岩溶发育区，水库工程建设多选择于泥岩、页岩等碎屑岩区。泥岩区建设水利工程，特别是重力坝建设，面临的工程地质问题较突出，对坝体安全稳定性影响较大。本文通过对滇东南某水库建设项目为例，分析了工程区工程地质条件，采用材料力学法和有限单元法，对泥岩区修建重力坝可能产生的工程地质问题进行分析，评价了坝体稳定性，对可能产生的坝体拉裂及坝基渗透变形破坏应加强监测，并采取相应的工程处理措施。

Abstract： Southeast Yunnan is the karst development area. Most reservoirs are located in the mudstone and shale clastic rock area. Construction of water conservancy projects， especially gravity dam construction， in mudstone area， faces many engineering geological problems， which influences the stability of the dam safety. Taking a water conservancy project as an example in southeast Yunnan， the paper analyzes the existing engineering geological conditions； it analyzes the possible engineering geological problems in construction of gravity dam at mudstone area by using material mechanics method and finite element method， evaluates the stability of the dam body，For the dam body cracking and seepage deformation damage in dam， we should strengthen monitoring， and take the corresponding engineering treatment measures.

关键词： 泥岩；重力坝；稳定性

Key words： mudstone；gravity dam；stability

中图分类号：TV642.3 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）26-0067-04

0 引言

滇东南地区是云南省岩溶发育区，也是近年来云南省干旱较为严重区。该区水利工程建设是解决该区城镇饮水和农田灌溉的主要途径，对缓解该区旱情具有重要意义。滇东南地区建设小型蓄水灌溉型水库多选址于泥岩、页岩等碎屑岩区，该区泥岩主要分布在三叠系中统法郎组（T2f）地层中，在实际工程中该岩体分布地区边坡失稳、隧洞易产生冒顶、掉块等地质灾害[1～2]。滇东南泥岩区建设水利枢纽工程，特别是重力坝的建设，面临的工程地质问题较突出，影响坝体的整体稳定性。本文以滇东南某建设项目为例，通过阐述工程区工程地质条件，同时运用目前国内外对大坝安全稳定分析较为普遍的材料力学法和有限单元法，对工程区可能出现的工程地质问题进行了分析。

1 工程概况

拟建水库工程是《文山州水资源综合规划》列入的近期开发项目，水库大坝采用堆石混凝土重力坝，采用C15埋石混凝土填筑，坝体重度γ为23KN/m3，弹性模量E0=28.5GPa，泊松比为0.167，最大坝高36.5m，建基面高程1244.70m，坝轴线长110m，水库蓄水指标见表1，拟建水库是以村镇供水为主，兼顾农业灌溉和工业用水的综合型小（Ⅰ）型水库。

2 工程地质条件

2.1 地形地貌 工程区位于云贵高原的南缘斜坡地带滇东南岩溶山原亚区，属于碎屑岩组成的构造侵蚀中山地貌，总体地势北东高，南西低，侵蚀作用是区内地貌形成的主要营力。碳酸盐岩与泥岩间形成的溶蚀、侵蚀地貌为小型水库建设提供了有利条件[3]。

2.2 地层岩性 工程区出露地层主要有三叠系中统法郎组（T2f）、第四系全新统残坡积层（Q4el+dl）以及冲洪积层（Q4al+pl）。各地层性质分述如下：①三叠系中统法郎组（T2f）：该地层广泛分布于拟建水库坝址区及库区，是本次研究的重点地层。岩性主要为钙质泥岩及细砂岩，表层岩体风化强烈，风化层厚约5～6m，岩层总体呈北西～南东走向，倾向南西，倾角65～70°。②第四系全新统残坡积层（Q4el+dl）：分布于水库两岸山坡，岩性为粘土、亚粘土及碎石质土，为基岩风化残积土及碎块石，松散状，干燥～稍湿状。厚度0～6.0m。③第四系全新统冲洪积层（Q4al+pl）：分布于沟谷地带，岩性为粘土、淤泥质粘土及砂卵砾石等。呈中密，稍湿～饱和状，厚度0～10m。

2.3 地质构造及地震 工程区位于华南褶皱系滇东南褶皱带之云南山字形构造和广西山字形构造带之间的文山巨型环状构造内，文麻断裂北东侧。工程区内无断裂构造通过，地质构造简单，但受区域地质构造影响，库区内岩层小褶曲以及节理裂隙较发育，主要表现为岩体较破碎，多为风化岩体，岩体产状倾向下游，基本呈单斜构造。

根据1：400万《中国地震动参数区划图》（GB18306-2001）[4]，滇东南地区的地震动峰值加速度为0.05g，地震动反应谱特征周期为0.35s，地震基本烈度为Ⅵ度，根据云南省区域地壳稳定性评价图[5]，工程区所在位置位于地壳相对稳定区。

2.4 水文地质条件 工程区地下水类型主要有基岩风化裂隙水和松散岩类孔隙水。大气降水是地下水的主要补给来源，工程区内弱风化钙质泥岩为相对隔水层，第四系松散土体接受大气降水补给，少量地下水下渗，暂存于强风化钙质泥岩及细砂岩风化裂隙中，大部分地下水随地势向地势低洼的河床排泄。

3 工程地质条件分析及计算模型建立

3.1 岩土体物理力学参数确定 从室内岩石物理力学性质试验结果看（表2），坝基岩体物理力学性质具有以下特征。①弱风化岩体单轴干抗压强度55～70Mpa，饱和抗压强度45～60Mpa，软化系数0.6～0.7，因此弱风化钙质泥岩岩体质量级别[6]定为Ⅳ级，属较坚硬岩；强风化岩体单轴干抗压强度10～15Mpa，饱和抗压强度5～10Mpa，软化系数0.4～0.5，强风化岩体质量级别定为Ⅴ级，属软岩。②弱风化岩体变形模量4～7Gpa，泊松比0.26～0.28。

3.2 岩土体工程地质特性 根据评估区岩土体工程地层性质及岩土体物理力学参数，将工程区内岩土体分为两个岩体类型三大类。各岩组特征现分述如下：

①较软弱薄～中层状钙质泥岩强风化岩组（Ⅰ）。该岩组主要为中三叠统法郎组钙质泥岩，表层岩体风化强烈，风化层厚度5～13m，节理裂隙面较发育，形成密集的风化裂隙；近地表岩体被风化破碎，呈碎裂结构，岩体完整性较差，岩石完整性指标RQD值一般10～25%，属于破碎～较破碎岩体；风化岩体物理力学性质较差，单轴抗压强度为10～15Mpa，单轴饱和抗压强度为5～10Mpa，属软岩。

②较坚硬中厚层状钙质泥岩弱风化岩组（Ⅱ）。该岩组主要由三叠系中统法郎组（T2f）钙质泥岩。弱风化岩体以层状结构为主，岩体完整性较好，岩石完整性指标RQD值为40～80%，岩石物理力学性质较好，单轴抗压强度为55～70Mpa，单轴饱和抗压强度为45～60Mpa，属较坚硬岩体。

3.3 建立计算模型

根据重力坝设计参数，在ANSYS分析软件中建立重力坝计算模型并划分网格（如图1所示），其中坝体采用混凝土单元SOLID65，应力应变模型为D-P模型，坝基岩体为弱风化钙质泥岩，计算模型中坝基岩体采用均质三维结构单元SOLID45，应力应变模型为线弹性模型[7]。单元数13248个，节点数15480个。边界约束条件采用底面所有自由度都约束，侧面采用法向约束。

4 坝体稳定性分析

4.1 抗滑稳定性分析 坝基稳定性分析选择河床最大坝高断面，以校核洪水位为计算水位进行抗滑稳定性计算，坝体受力分析示意图见图2，采用抗剪断强度计算公式[8]（1）计算：K=■（1）

坝基抗滑稳定安全系数为4.11，大于规范值要求。工程区建设重力坝坝基能够满足抗滑稳定性要求。

4.2 抗倾覆稳定性分析

根据材料力学法计算公式[9]（2），？滓y=■±■（2）

计算坝踵及坝趾部位应力值为49.15Kpa和478.29Kpa，坝踵部位应力值大于零，表现为压应力。坝体处于稳定状态，满足抗倾覆稳定性要求。

4.3 坝基压缩变形 根据岩体室内试验成果，坝基岩体为弱风化钙质泥岩，属较坚硬厚层状钙质泥岩弱风化岩组，坝基岩体属弹性介质，根据弹塑性力学理论[10]，采用有限单元法对坝基压缩变形进行分析。根据有限元计算结果（表3），坝基肩变形量最大值均位于计算结构顶部，最大值为23.010mm，大坝建基面岩体压缩变形量为10.227～17.897mm，坝基岩体变形随基岩埋深增加变形量逐渐减小。坝基压缩变形位移分布云图显示，大坝建基面岩体产生压缩变形，其中两岸岩体压缩变形量大于中部岩体变形量，因此坝基可能产生不均匀沉降，同时产生拉应力导致坝体混凝土拉裂破坏。

4.4 位移变形及混凝土开裂破坏 坝体沿各分矢量方向均产生变形。坝体沿X正方向的最大变形量发生在坝体下游坝坡，其值为0.832mm；沿X负方向的最大位移量位于坝顶部位，其值为1.907mm（图3）；坝体沿Y方向的位移主要变现为负变形，即由于坝基沉降变形导致，最大变形量发生于坝体下游底部坡面（图4），最大值为19.773 mm；坝体的总位移变形量为19.904mm，占坝高H的0.55‰，由于静水压力及自重产生的坝体变形属于小变形问题[11]，处于正常变形范围内。

4.5 坝体第一主应力分布及坝体混凝土开裂破坏 主应力分布（图5）：计算结构第一主应力在坝体上部产生拉应力集中现象，拉应力最大值为1.54Mpa；大坝坝基岩体第一主应力主要以压应力为主，呈层状分布，随坝基埋深增大而增大，最大主压应力发生在计算结构底部，其值为0.813Mpa；坝体第一主应力在坝顶出现拉应力集中（图5），最大主应力为1.54Mpa。C15混凝土抗压强度标准值[12]为1.27Mpa，抗拉强度设计值为0.91Mpa，根据第一强度理论[7]，坝体最大主应力将导致坝体混凝土产生开裂，且坝体混凝土拉裂缝具有可传递性，混凝土局部开裂将导致坝体整体开裂。

坝体最大主压应力位于坝体上游底部，最大主压应力值约0.31Mpa，C15混凝土抗压强度标准值为10Mpa，抗拉强度设计值为7.2Mpa，混凝土能够满足抗压强度要求。

4.6 坝基渗漏变形 坝基强风化岩体透水率为80～94.12Lu，具有中等透水性[13]；弱风化岩体透水率为6.15～7.2Lu，具有弱透水性。拟建水库工程大坝建基面为弱风化钙质泥岩；岩体透水率约为7.2Lu，大于坝基隔水层透水率控制标准。

通过对校核洪水位条件下坝基渗流情况进行分析计算（图5），取坝基岩体渗透系数K≈0.0622m/d。坝基渗流梯度最大值位于坝踵及坝趾部位，其值1.386；最大渗流流速为0.08137m/d；根据H.H.巴普诺夫斯基公式[14]计算，渗流流体实际渗流雷诺数（Re）远小于临界雷诺数（Rek=7～9），渗流流体处于层流状态[15]；应用临界渗流梯度计算公式[16]，坝基渗流临界渗流梯度为1.58，允许渗流梯度为0.79。结合坝基渗流梯度等值线分布图，坝基表层（建基面以下0～4m）岩体渗流梯度大于允许渗流梯度，因此坝基面处于不稳定状态，受库水渗透作用影响，在坝踵、坝趾部位渗流梯度较大，将产生明显潜蚀作用，随着岩体内水压力增加，可能形成管涌，影响坝基渗流稳定。

5 结论

根据上述分析，拟建水库工程区重力坝位于钙质泥岩区，受泥岩物理力学性质差异以及泥岩所特有的压缩变形、遇水易软化变形等特征，坝基岩体产生不均匀沉降变形，导致坝体混凝土结构拉裂破坏，影响坝体稳定；坝肩弱风化岩体具有弱透水性，岩体透水率不能满足规范要求，同时坝基表层岩体中流体渗流梯度大于钙质泥岩允许渗流梯度，将产生明显的潜蚀作用，随水压力的增大，可能形成管涌，破坏坝基岩体的渗流平衡。滇东南泥岩区建设水利枢纽工程，采用重力坝作为拟建坝型，应加强对工程区地质环境条件调查，对可能存在的工程地质问题加强论证，对可能产生的工程地质问题进行必要的工程处理，同时建立较密切的大坝安全稳定性检查，完善大坝运营过程中工程施工应急处理机制。

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