關于新建水庫重力壩抗滑穩定問題分析

王豐

（重慶同望水利水電工程設計有限公司 重慶渝北 401120）

關于新建水庫重力壩抗滑穩定問題分析

王豐

（重慶同望水利水電工程設計有限公司 重慶渝北 401120）

對于新建水庫的重力壩失穩問題，主要是由于工程勘測前期沒有對工程場地地質情況進行詳細的探查而導致的，其對水庫的安全性與穩定性均會造成嚴重的損害。基于此，本文對新建水庫沿壩基面的抗滑穩定、重力壩深層抗滑穩定、岸坡壩段的抗滑穩定進行了詳細的分析。

新建水庫；重力壩；抗滑穩定；問題

1 引言

重力壩對地形、地質以及地基條件的要求比拱壩、支墩壩等其它壩型要低，同時，還比其它壩型更適于在壩頂溢流和在壩身設置泄水孔，進而較好的解決施工導流、渡汛和樞紐泄洪問題。在重力壩的實際施工中，為了更好保證新建水庫的安全運行，必須對其抗滑穩定問題進行深入的探討。

2 新建水庫重力壩沿壩基面的抗滑穩定分析

2.1 沿壩基面抗滑穩定分析

2.1.1 抗剪強度公式

式中：ΣW-接觸面以上總鉛直力；ΣP-接觸面以上的總水平力；U-作用于接觸面上的揚壓力；f-接觸面間的摩擦系數；Ks-抗滑穩定安全系數。

公式（1）主要是假設接觸面為水平狀態，當接觸面傾向上游時：

式中：β——接觸面與水平面間的夾角。

由式（2）可知，當壩體與基巖接觸面傾向上游時，有利于壩體抗滑。當接觸面傾向下游時，此時的β為負值，抗滑力減小，滑動力增大，不利于壩體的穩定。抗剪強度公式沒有對壩體混凝土與基巖間的凝聚力進行全面的考慮，只是將其作為安全儲備，因此，對于相應的安全系數Ks，不應定得過高。此處的Ks值僅為一個抗滑穩定的安全指標，并不能真實的反映出壩體的真實安全程度。圖1為壩體抗滑穩定計算簡圖。

2.1.2 抗剪斷公式

圖1 壩體抗滑穩定計算簡圖

式中：Ks′-按抗剪斷強度計算的抗滑穩定安全系數；f′-抗剪斷摩擦系數；C′-抗剪斷凝聚力；A-壩基截面積；P-接觸面以上的總水平力；U-作用于接觸面上的揚壓力。

通過式（3）可知，抗剪斷公式實質是用試塊的平均抗剪強度與壩底的平均剪應力相比較，判斷大壩的穩定性。

2.2 提高抗滑穩定性的工程措施

由穩定性分析計算公式可知，要想增大K值，可以采取多種措施，例如增加壩體的鉛直力ΣW值，減小揚壓力U值，提高滑動面的抗剪強度指標f值。對于有軟弱夾層的地基，應當增加尾巖抗體被動抗力。同時，若是僅僅采取減小水平推力ΣP的方式來增加壩體的穩定性，具有較大的困難。所以，此時可以采取以下工程措施來提高重力壩沿壩基面的抗滑穩定性：①增大壩體剖面。具體來說就是在上游面或是下游面加大剖面，以此來增加壩體的自重。在上游面增大剖面，可有效增加壩體自重以及垂直水重，進而提高ΣW值，提高其抗滑穩定性。②選用有利的開挖輪廓線，當進行壩基的開挖施工時，可利用巖面的自然坡度進行，進而使得壩基面傾向于上游。③在壩基面部位布設排水系統，增大壩基排水，減少揚壓力，增大K值。④提高軟弱夾層的抗剪強度指標。一般情況下，軟弱夾層的抗剪強度都較低，通過提高f值，可有效增加壩體抗滑穩定性。

3 新建水庫重力壩深層抗滑穩定分析

3.1 深層抗滑穩定特點

3.1.1 深層抗滑穩定安全度判據的多元性

當壩體發生滑動現象時，一般會帶動滑裂面以上的巖體同時滑動，在滑動的過程中，其所受到的平衡影響因素是多元化的，所以，對于現有的深層抗滑分析，必須從不同的角度以及周邊的平衡元素進行分析和斷定。具體包括：下游尾巖抗力體、軟弱結構面、軟弱結構面下部的基巖、隨壩體而動的基巖、混凝土壩體。

此外，各個平衡因素從不同方面對現有的抗滑安全度都存在一定的影響，這就要求在進行安全系數的計算時，需要對壩體、壩基、尾巖等應力、位移等各類指標進行綜合性計算，只有這樣，才能真正形成多元性的考察以及安全度的評價，實現現有深層抗滑穩定的評價有效性。

3.1.2 對下游尾巖抗力體的依賴性

當壩基內含有軟弱結構面時，其必須要對下游尾巖抗力體提供支撐，具體來說就是，當自身穩定安全系數小于1.0時，必然需要進一步需求外部支持，以此來確保自身的穩定性。基于此，在設計過程中，必須要對下游尾巖抗力體的支撐進行充分的考慮，并高度重視對下游尾巖抗力體可靠性、地質結構的探查，然后還要對現有的壩基整體結構以及外部承受力進行有效結合，采取合理的尾巖抗力體的加固與防護措施，從本質上確保壩基的穩定性。

3.1.3 壩體連同壩基部分巖體同時滑動

重力壩一般都是沿著建基面滑動，也就是滑動發生在兩種介質的分界面上，滑動體為人工均質彈性體。就目前水利大壩建設情況來看，許多存在抗滑穩定問題的大壩幾乎都是因為其自身內部結構的脆弱性而導致建造過程中的缺陷。基于此，為了避免、提升壩基部分巖體的穩定性和自身承受力的合理性，必須要對包括混凝土和巖體兩種材料進行合理的比例的混合，確保彼此之間能夠共同形成合力，提升滑動體的應力。

3.1.4 大壩滑動通道具有特定性和多元性

當壩基內部存在軟弱結構面時，由于其抗剪強度比基巖低，就形成了大壩沿該軟弱結構面滑動的特定通道。同時，因其內部結構的復雜性以及滑裂通道的多元性，要想真正實現自身穩定性，就要對其中的組成物質，填充部分、礦物成分進行系統性的分析，并且還要進一步尋找和分析滑裂組合通道自身的施工方式，積極采取合理的風險防范措施，更好的確保工程自身的安全性。

3.2 深層抗滑穩定分析

當壩基內部存在一些不利的緩傾角軟弱結構面時，通過水荷載作用，壩體極容易與部分基層沿軟弱結構面發生滑移，也就是深層滑動現象。地基深層滑動現象非常復雜，目前，其失穩機理與計算方式依舊沒有最終的結論。所以，在進行此方面設計時：①需要對地基中存在的主要的缺陷進行詳細的分析，以此來確定失穩邊界，同時還要對失穩邊界面上的抗剪強度參數進行嚴格的測定。②要選擇適宜的計算方法及相應的安全系數，積極采取提高深層抗滑穩定性的措施。

對于深層抗滑穩定計算，主要如下：

（1）單斜面深層抗滑穩定計算

一般情況下，地基內僅存在一個軟弱面，所以，在進行穩定分析時，需要將軟弱面以上的壩體和地基作為壩體，并按照式（2）與式（3）來計算壩體沿軟弱面的抗滑穩定安全系數Ks。

（2）雙斜面深層抗滑穩定計算

大多數工程內通常都有多條相互切割交錯的斷層或是軟弱夾層，其共同形成了復雜的滑動面。在此情況下，當進行深層抗滑穩定分析時，需要對幾個可能的滑動通道進行仔細的驗證與計算，進而找出其中最不利的滑動面組合，以此來計算其抗滑穩定安全系數。

對于此時采用的計算方法，主要包括剩余推力法、被動抗力法、等安全系數法。對于前兩種計算方法，主要是在一個區處于極限平衡狀態之后，也就是該區域的K=1時，推算出另外一個區的K值要大于等安全系數法，由此可知，等安全系數法更加合理。

3.3 提高深層抗滑穩定的措施

①在壩踵部位設齒墻，并將較淺的軟弱面切斷，這樣一來，可增大滑動體的重量以及抗滑體的抗力。②在壩趾部位設置齒墻，此方法可使得抗力體的作用得到充分的發揮，并且還能改善壩踵應力，提高抗剪能力。③采取帷幕灌漿、固結灌漿、斷層和軟弱夾層處理等措施，全面加固地基。④采取預加應力措施，也就是在靠近壩體上游面部位，采用深孔錨固高強度鋼索，并且施加預應力，這樣一來，不僅能夠增強壩體抗滑穩定性，還能夠消除壩踵拉應力。

4 新建水庫重力壩岸坡壩段的抗滑穩定分析

4.1 岸坡壩段抗滑穩定分析

當鄰近兩岸岸坡壩段的壩基面傾向于河床的斜面，或者是折面時，在壩體受到上游水壓力與壩體自重作用之后，滑梯有向下游河床滑動的趨勢。同時，通過三向荷載作用，導致其抗滑穩定性低于河床壩段。此時選取鄰近岸坡的一個壩段作為實驗對象，設岸坡傾角為θ，壩段總重為W，壩基面上的揚壓力為U，上游壩面水壓力為P，壩基面的抗剪強參數或抗剪斷參數為f或f′和C′，滑動面面積為A。做好上述工作之后，將自重W分解為對滑動面的法向分力N=Wcosθ和切向分力T=Wsinθ，然后將切向分力和水壓力合成為s，則此情況下，岸坡壩段的抗滑穩定安全系數為：

4.2 提高抗滑穩定的措施

通過上述Ks計算公式可知，要想增大Ks（K′s），就必須增大N、減小U 和 T。但因 N=Wcosθ、T=Wsinθ，這就表示，θ 越小 N 越大，T 越小，所以，通過減小岸坡傾角θ的方式，可以增大N、減小T。此外，通過采取將岸坡開挖成臺階的方式，可實現提高岸坡壩段抗滑穩定性的目的。此外，對鄰近岸坡區域的壩段橫縫進行局部的或者是全部的灌漿施工，可有效提高其穩定性。通過帷幕灌漿，可大幅降低岸坡壩段的揚壓力U，進而增大抗滑穩定安全系數Ks。

5 結語

總之，水利工程在我國經濟建設中發揮著重要作用，必須重視其運行安全性問題。以重力壩為例，在大壩施工中需做好相應的抗滑穩定性分析，并制定針對性的處理措施，以保證工程后期運行可靠性，實現其社會、經濟、生態效益的最大化發揮。

[1]黃耀英，沈振中，鄭宏.重力壩深層抗滑穩定分析中揚壓力施加方法[J].長江科學院院報，2013（30）：112～117.

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[3]陳祖煜，徐佳成，孫平，等.重力壩抗滑穩定可靠度分析：（一）相對安全率方法[J].水力發電學報，2012（31）：148～159.

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1004-7344（2016）02-0108-02

2016-1-3

王豐（1985-），男，工程師，大學本科，主要從事水利水電工程設計工作。