重力壩抗滑穩(wěn)定分析

胡 玉 龍

(華北水利水電大學，河南 鄭州 450045)

·水利工程·

重力壩抗滑穩(wěn)定分析

胡 玉 龍

(華北水利水電大學，河南 鄭州 450045)

通過介紹重力壩深層抗滑穩(wěn)定的特點，對重力壩深層抗滑穩(wěn)定進行了分析，綜述了計算重力壩抗滑穩(wěn)定的幾種算法，并提出了幾項提高重力壩抗滑穩(wěn)定的措施，為重力壩的相關(guān)工程建設提供一定的參考。

重力壩，抗滑穩(wěn)定，研究方法，解決措施

1 重力壩深層抗滑穩(wěn)定的特點

1.1 深層抗滑穩(wěn)定影響因素的多元性

重力壩通常是沿建基面滑動，而有深層抗滑穩(wěn)定問題的壩，則是連同壩基帶動滑裂面以上巖體同時滑動。所以我們要從不同的角度進行分析，在壩體滑動過程中其受到的平衡影響因素具體包括：軟弱結(jié)構(gòu)面及下部的基巖、下游尾巖抗力體、隨壩體而動的基巖以及混凝土壩體等。因此在考慮抗滑安全性的時候，需要對尾巖、壩基、壩體上的位移、應力等指標進行綜合分析，確保重力壩的抗滑穩(wěn)定性。

1.2 軟弱結(jié)構(gòu)面引起的壩體與壩基整體滑動

重力壩的壩體與壩基之間的膠結(jié)力和摩擦力是保證重力壩穩(wěn)定的前提。但由于軟弱結(jié)構(gòu)面的存在以及水荷載的水平推力作用，壩基深層結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，壩基混凝土與巖體之間的抗力不足以抵抗水平荷載，壩體與壩基處部分巖體共同移動，導致軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)生破壞，進而發(fā)生重力壩失穩(wěn)問題。在重力壩的施工過程中就可以對巖體和混凝土兩種材料進行合理的比例的混合，使得彼此之間能夠形成共同合力，從而提高滑動體的應力，保證自身承受力的合理性和壩基部分巖體的穩(wěn)定性。

1.3 軟弱結(jié)構(gòu)面的特殊性與復雜性

一般情況下，大壩存在不止一層軟弱結(jié)構(gòu)面，而且由于軟弱結(jié)構(gòu)面的抗剪強度比壩基部分巖體的抗剪強度低，從而導致大壩存在深層滑動的安全隱患。而軟弱結(jié)構(gòu)面的內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復雜，而且由于滑裂通道的多元性，為保證工程自身的安全性，需要做好地質(zhì)勘測，確定軟弱結(jié)構(gòu)面的具體位置，并且需要進行軟弱夾層的抗剪試驗，分析得出其力學參數(shù)，結(jié)合合適的計算方法，分析滑裂組合通道，并采取相應的處理措施。

由于水壓力，泥沙壓力等水平荷載以及軟弱結(jié)構(gòu)面的共同作用，使壩體自身穩(wěn)定安全系數(shù)小于1.0，即重力壩連同其下部基巖不能維持自身穩(wěn)定，此時，壩體需要下游尾巖抗力體對其有所支撐，以保證自身的穩(wěn)定性。因此，設計者需要合理判斷下游尾巖抗力體的可靠性、力學性質(zhì)和地質(zhì)條件，并結(jié)合壩基整體結(jié)構(gòu)和所受荷載，采取合理的措施加固尾巖抗力體，保證壩體的穩(wěn)定。

2 重力壩抗滑穩(wěn)定的應力分析方法

2.1 剛體極限平衡法

由于軟弱結(jié)構(gòu)面的不確定性以及多元性，為得到更為合理的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，需要對多個滑動通道進行驗算，找出最不利的工況，并由此得出所需參數(shù)。根據(jù)剛體極限平衡法假定的不同，令重力壩正下方區(qū)域的滑移體和緊靠重力壩壩趾的下游滑移體處于極限平衡狀態(tài)，即可演繹出三種不同的計算方法：被動抗力法、剩余推力法及等安全系數(shù)法。

被動抗力法是先令緊靠重力壩壩趾的下游滑移體處于極限平衡狀態(tài)，求得抗力后，再計算重力壩正下方區(qū)域的滑移體沿滑動面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。剩余推力法則是跟被動抗力法的順序相反。而等安全系數(shù)法則是令重力壩正下方區(qū)域的滑移體和緊靠重力壩壩趾的下游滑移體同時處于極限平衡狀態(tài)，分別列出兩個區(qū)域的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)等式方程，求得抗力后，代入原式即可得出抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。由于前兩種方法得到的安全系數(shù)比等安全系數(shù)法大，相比之下，等安全系數(shù)法更為合理。

當然，在使用剛體極限平衡法的時候，也需要注意一些問題。首先是荷載的計算。在現(xiàn)階段，我國對于深層抗滑穩(wěn)定問題的認識上還存在一些不足，如揚壓力的圖形需要跟基礎處理措施相適應等，所以為保證工程的安全性，在荷載計算時需要保守一些；其次是抗力和水平面的夾角。由于抗力與水平面夾角β難以準確給出，所以在選擇夾角的時候需要考慮用合適的方法。在通常的計算中，有三種方法：1)當假定β=0時，得出的結(jié)果偏于安全；2)假定滑 動面上的摩擦系數(shù)除以安全系數(shù)等于夾角β的正切，從而得出夾角β；3)用有限元法進行分析，根據(jù)有限元的結(jié)果，得出壩趾處鉛直面的所有主應力夾角，并用其平均數(shù)作為所求β。

2.2 有限元法

在計算壩體沿深層緩傾角軟弱夾層抗滑穩(wěn)定的安全度時，我們通常采用有限元方法中的應力代數(shù)和比值法，該方法運用數(shù)學微積分原理，先計算出滑動面上各個應力，再進行累加，接著算出總的滑動力和抗滑力，最后用總的抗滑力除以滑動力得出比值。當壩基巖體較為復雜時，需要將軟弱結(jié)構(gòu)面進行分段，得出每個分段的剪應力和正應力，沿著接觸面求代數(shù)和，由此就可以得出抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。

2.3 模型試驗法

對于重要的工程和較為復雜的地基，常采用模型實驗法加以復核。模型可還原出結(jié)構(gòu)的力學特性和地質(zhì)特點。地質(zhì)力學模型試驗是近些年新興的方法，該方法可以較真實的模擬壩體與壩基的工程地質(zhì)條件，從而可以優(yōu)化結(jié)構(gòu)，找出影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的各方面因素，但這種模型一般只應用于重要性比較高的大型工程上。

3 提高壩體抗滑穩(wěn)定的措施

3.1 選擇合理的參數(shù)

在保證工程質(zhì)量的前提下，為減少造價方便施工，這就需要選擇合理的重力壩抗滑穩(wěn)定參數(shù)：1)在進行軟弱夾層抗滑強度參數(shù)的選擇時，為減少誤差，保障工程安全，需要結(jié)合設計、地質(zhì)、試驗三方人員的綜合分析結(jié)果來確定；2)當壩基存在多個軟弱夾層時，需要考慮各個軟弱夾層的空間位置以及面積大小，綜合各種最不利工況，選取合適的抗滑強度參數(shù)，以保證工程的安全與經(jīng)濟；3)考慮土層粒徑的大小以及巖性等可以影響軟弱夾層抗滑強度的參數(shù)。當粒徑小于5 mm的時候，抗滑作用并不明顯，只有當粒徑大于5 mm時，才可以起到抗滑作用。

3.2 提高壩體抗滑穩(wěn)定性的工程措施

為提高壩體的抗滑穩(wěn)定性，采用的工程措施有很多，大致可分為以下幾種：1)運用水的重力。在設計上將壩體的上游迎水面略向上游傾斜，此時，壩的上游面的水重增加了壩體與基巖的摩擦力。但是需要注意的是為防止上游壩面出現(xiàn)拉應力，上游壩面的坡度不應過緩；2)設置齒墻。若壩基下的多層軟弱結(jié)構(gòu)面傾向下游時，可以在壩踵設置一定深度的齒墻，貫穿表層的軟弱結(jié)構(gòu)面，從而增加抗滑力；3)開挖輪廓線的選取。在基巖巖性較好的情況下，利用天然的巖面坡度，使壩基面傾向上游，這樣可以減少開挖量提高壩體的抗滑穩(wěn)定。當基巖比較堅固時，可以開挖成鋸齒狀，但是為避免應力集中，尖角不能過于凸出，當然，是否可以開挖成鋸齒狀還需要考慮基巖節(jié)理裂隙的產(chǎn)狀；4)排水措施和抽水系統(tǒng)。當下游水位較高時，可以在壩基面設置排水系統(tǒng)，定時抽水，減少壩底浮托力，也可以在一定程度上節(jié)省壩體混凝土的澆筑量；5)預加應力措施。在靠近壩體的上游面，若采用高強度鋼索深孔錨固，并施加預應力，則可以消除壩踵處的拉應力，從而增加壩體的抗滑穩(wěn)定性；6)加固地基。主要措施有固結(jié)灌漿、帷幕灌漿和軟弱夾層處理等。

4 結(jié)語

水利工程建設是國家的基礎性工程建設，作為有著重要地位的重力壩更是在我國的經(jīng)濟發(fā)展中起著重要作用。重力壩的結(jié)構(gòu)明確、適應性強、施工方便等優(yōu)點，使其在我國的水利基礎建設上占有重要的一席之地。而抗滑穩(wěn)定分析作為重力壩設計中的一項重要內(nèi)容，為了保證工程的質(zhì)量，需對其加以研究。文章分析了重力壩抗滑穩(wěn)定性的特點，然后綜述了計算重力壩抗滑穩(wěn)定的幾種算法，最后提出了提高抗滑穩(wěn)定的措施，其目的在于更加完善重力壩的各項安全指標，為重力壩的安全性提供一些建議。

[1] 陳德亮.水工建筑物[M].北京:中國水利水電出版社,2004.

[2] 林繼鏞.水工建筑物[M].北京：中國水利水電出版社，2006：44-52.

[3] 左東啟,王世夏,林益才.水工建筑物(上冊)[M].南京:河海大學出版社,1995.

[4] 石江同.重力壩特性及深層抗滑穩(wěn)定分析[J].河南水利與南水北調(diào)，2010(8)：95-97.

[5] 李 旭.重力壩抗滑穩(wěn)定問題分析[J].四川水利，2007(9)：22-23.

[6] 石自堂.水利工程管理[M].北京：中國水利水電出版社，2009：100-104.

[7] 潘家錚.水工建筑物設計叢書 重力壩[M].北京:水利電力出版社,1983.

On analysis of anti-sliding and stability of gravity dams

Hu Yulong

(NorthChinaUniversityofWaterResourcesandElectricPower,Zhengzhou450045,China)

According to the introduction of the features of deep layer anti-sliding and stability of the gravity dams, the paper analyzes the deep anti-sliding and stability of the dams, sums up some calculation methods for the stability of the dams, and points out some measures to improve their stability, so as to provide some reference for related engineering construction.

gravity dam, anti-sliding stability, research method, solution

2015-06-22

胡玉龍(1989- )，男，在讀碩士

1009-6825(2015)25-0220-02

TV641.32

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