高拱壩壩肩巖體穩定性控制效應分析

慈紅衛

(黑龍江省紅興隆墾區江川水利建筑有限公司，黑龍江樺川154302)

拱壩是在平面上呈凸向上游的拱形擋水建筑物，借助拱的作用將水壓力的全部或部分傳給河谷兩岸的基巖。與重力壩相比，在水壓力作用下壩體的穩定不需要依靠本身的重量來維持，主要是利用拱端基巖的反作用來支承。拱圈截面上主要承受軸向反力，可充分利用筑壩材料的強度。因此，是一種經濟性和安全性都很好的壩型。

1 壩肩巖體的結構與穩定性

拱壩所座落的構岸巖體部分，包括兩岸壩體直接澆筑的部位和上下游一定范圍內的巖體稱為拱座(壩肩)。壩肩部位的巖休與其他巖體一樣，是由各種地質結構面所切割的不同形態、不同大小結構體的綜合體，是結構體和結構面兩部分組成的不連續介質。結構面是指在地質發展中，在巖體內形成的具有一定方向、一定規模、一定形態和特征的面、縫、層、帶狀地質界面。由于結構面是巖體中力學性質薄弱的部位，因此，在很大程度上，結構面決定著巖體的結構特征和力學性質，其在壩肩巖體的穩定性評價中具有重要的意義。

壩肩巖體的穩定性除了受上述自身的工程地質因素影響外，其他影響因素還有地形條件、水文地質條件、受力條件、樞紐布置、泄洪方式、壩體體型、施工方法等。

作用在壩肩上的空間力系有巖體自重、滲透水壓力、巖體內的地應力及地震力等。壩肩巖體在上述空間力系作用下的穩定性問題包括:抗滑穩定、變形穩定及滲透穩定，但在進行壩肩穩定性分析評價時，通常是對壩肩巖體穩定的綜合分析評價。

2 壩肩巖體的穩定分析方法

高拱壩壩基巖體動力穩定性分析是高拱壩抗震研究的主要內容之一，對壩肩巖體穩定性進行合理的分析評價，一直是壩工界所關心的問題。分析評價的方法很多，按力學模型可分為剛性體方法及變形體方法，變形體方法又可分為連續介質分析方法和非連續介質分析方法;按壩肩穩定安全度評價方法中是否考慮影響因素的不確定性可分為確定性方法及不確定性分析法;此外，地質力學模型試驗目前也廣泛應用于壩肩巖體穩定分析評價。

2.1 剛性體方法

2.1.1 剛體極限平衡法

剛體極限平衡法假定壩肩巖體的可能滑動塊為不發生變形的剛體，不考慮剛體上作用力引起的轉動作用(即彎矩的影響)，在極限狀態下建立平衡方程，以抗滑力與滑動力之比作為穩定安全系數，以此安全系數判斷可能滑動塊是否失穩。采用剛體極限平衡法進行壩肩巖體抗滑穩定分析時，按是否考慮滑裂面的凝聚力，可以分為剪摩和純摩兩種情況。

剛體極限平衡法是一種傳統的穩定分析方法，也是現行規范。規定采用的方法，是目前唯一一種安全系數取值有規范可依的壩肩巖休穩定分析法。此法雖然作了許多簡化，但由于具有豐富的工程經驗，因此，目前仍是拱壩壩肩穩定分析的主要方法之一。這種方法只能對某種整體欠穩狀態從極限平衡觀點出發作出一個籠統的安全度估計，而不能確定各部位的應力、變位、失穩機理以及發展過程;另外由于此法采用假定較多，特別是采用的巖體力學模型為剛塑性模型，與巖體實際力學行為不符，這也是其在壩肩穩定分析中的不足之處。

2.1.2 塊體理論

塊體理論首先由石根華于20世紀70年代提出，并在隨后得到了迅速發展。塊體理論完全是三維分析，其基本方法是:首先將巖體的結構面和臨空面看成空間平面，將巖體結構體看成凸體，將各種作用荷載看成空間力向量，應用幾何方法(拓撲學和集合論)研究在已知空間平面的條件下，巖體內將構成多少種塊體類型及其可動性，排除所有不可動塊體;再通過運動學分析，找出工程作用力和自重作用下的所有可能失穩的塊體，然后根據滑動面的物理力學特性，確定出臨空面上所有的失穩塊體，即關鍵塊體。在確定了關鍵塊體的滑動模式、滑動而及滑動方向后、進行穩定性計算。

目前，塊體理論在邊坡穩定分析及地下洞室圍巖穩定分析中應用較多，在拱壩壩肩穩定分析中尚未見諸報導。

2.2 變形體方法

將高拱壩壩肩巖體視為連續變形介質或不連續變形介質，應用多種變形體數值分析方法，求解出壩肩巖體的應力場、位移場，進而從極限平衡的觀點出發進行穩定性分析并得出壩肩巖體的穩定安全度是目前分析壩肩巖體穩定的變形體方法。用于壩肩巖體變形分析的數值方法很多。可分為如下幾種方法，但必須指出的是，下述方法本身并不能獨立完成對壩肩巖體的穩定性分析與評價，與相關穩定性分析方法的結合使用才能完成對壩肩巖體的穩定性分析評價。

2.2.1 有限元法(FEM)

有限元法是一種基于連續介質力學的數值分析方法，自上世紀中葉發展至今，已經相對成熟，并已在拱壩壩肩巖體的穩定分析中得到廣泛應用。現行《混凝土拱壩設計規范》中規定“拱座抗滑穩定的數值計算方法以剛體極限平衡法為主。1、2級拱壩或地質情況復雜的拱壩還應輔以有限元法或其它方法加以分析”。明確了有限元法在拱壩壩肩穩定分析中的應用。

有限元法將壩和壩基作為各種本構關系下的變形體，可以在分析中將應力、變形和穩定統一起來進行計算，可以了解拱壩壩肩破壞的過程和機理并給出各種情況下的安全度。采用有限單元法能夠充分考慮巖體不同區域材料的力學特性、壩肩巖體構造的復雜性并且能夠一次算出穩定安全系數。另外，在分析過程中，可以得到危險滑移面上應力、應變及穩定安全系數的變化規律，定量的指出最危險區域的位置。但同時也應注意，有限元法的計算精度受單元劃分的疏密程度和單元特性的影響。另外，有限元法計算結果的可靠程度取決于采用的計算模型及計算參數。在進行壩肩穩定分析時，如何合理地模擬壩肩巖體地質構造及采用合理計算模型和計算參數是在用有限無法分析壩肩穩定時需要著重考慮的問題。

2.2.2 離散元法(DEM)

離散元法是專門用來解決不連續介質問題的數值模擬方法。該方法把節理巖體視為由離散的巖塊和巖塊間的節理面所組成，允許巖塊平移、轉動和變形，而節理面可被壓縮、分離或滑動。因此，巖體被看作一種不連續的離散介質。其內部可存在大位移、旋轉和滑動乃至塊體的分離，從而可以較真實地模擬節理巖體中的非線性大變形特征。

目前，離散元法主要應用于邊坡工程、地下工程及巖體的動力穩定性分析。

2.2.3 塊體單元法

塊體單元法是以塊體單元的剛體位移作為基本知量，并根據它們在外力作用下的平衡條件、變形協調條件及塊體之間夾層材料的本構關系，建立起塊體單元法的支配方程，用于確定塊體單元的剛體位移及夾層材料的應力狀態。該法特別適用于具有地質結構面巖體的穩定分析。塊體單元法除了考慮巖塊之間的相互作用和平衡外，還同時研究了巖塊之間結構面材料的本構關系，可以考慮它的彈性、彈塑性及黏塑性。巖塊本身可視為剛體或彈性體。

2.2.4 剛體彈簧元法

剛體彈簧元模型是把結構劃分為一些由分布在接觸面上的彈簧系統連接在一起的剛性單元的集合。剛體元本身不發生彈性變形，因此結構的變形能完全儲存在接觸面的彈簧系統中。剛體元的優勢在于可用于模擬不連續變形，且計算相對簡潔。傳統有限元強調幾何協調性，這種模型常常不易用于模擬錯動等巖石變形特點。為此，必須在有限元計算中加入夾層元。剛體元放松了單元間界面位移協調性，可方便地用于模擬巖層錯動。在分析中可以直接求出交界面上的面力，故而可以方便地求得總的下滑力及總的阻滑力，進而求得任意給定的可能滑動面抗滑安全系數。剛體元的這個優點使得最危險滑動塊體的搜索成為可能，為壩肩穩定性評價提出一種新方法。目前，剛體彈簧元法已被應用到拱壩壩肩穩定分析中。

總之，現階段高拱壩壩肩穩定分析多采用“安全系數”來定義其安全程度，這難以反映其實際的安全度，而且不同的穩定分析方法一般得到不同的結果。如何科學定義高拱壩壩肩穩定安全度，是今后研究工作應著重考慮的問題。

[1]宋戰平，李寧，陳飛熊.高拱壩壩肩裂隙巖體的三維非線性抗震穩定性分析[J].巖土工程學報，2004(03).

[2]張伯艷，陳厚群，杜修力，張艷紅.拱壩壩肩抗震穩定分析[J].水利學報，2000(11).