重力坝抗滑稳定分析

胡 玉 龙

(华北水利水电大学，河南 郑州 450045)

·水利工程·

重力坝抗滑稳定分析

胡 玉 龙

(华北水利水电大学，河南 郑州 450045)

通过介绍重力坝深层抗滑稳定的特点，对重力坝深层抗滑稳定进行了分析，综述了计算重力坝抗滑稳定的几种算法，并提出了几项提高重力坝抗滑稳定的措施，为重力坝的相关工程建设提供一定的参考。

重力坝，抗滑稳定，研究方法，解决措施

1 重力坝深层抗滑稳定的特点

1.1 深层抗滑稳定影响因素的多元性

重力坝通常是沿建基面滑动，而有深层抗滑稳定问题的坝，则是连同坝基带动滑裂面以上岩体同时滑动。所以我们要从不同的角度进行分析，在坝体滑动过程中其受到的平衡影响因素具体包括：软弱结构面及下部的基岩、下游尾岩抗力体、随坝体而动的基岩以及混凝土坝体等。因此在考虑抗滑安全性的时候，需要对尾岩、坝基、坝体上的位移、应力等指标进行综合分析，确保重力坝的抗滑稳定性。

1.2 软弱结构面引起的坝体与坝基整体滑动

重力坝的坝体与坝基之间的胶结力和摩擦力是保证重力坝稳定的前提。但由于软弱结构面的存在以及水荷载的水平推力作用，坝基深层结构失稳，坝基混凝土与岩体之间的抗力不足以抵抗水平荷载，坝体与坝基处部分岩体共同移动，导致软弱结构面发生破坏，进而发生重力坝失稳问题。在重力坝的施工过程中就可以对岩体和混凝土两种材料进行合理的比例的混合，使得彼此之间能够形成共同合力，从而提高滑动体的应力，保证自身承受力的合理性和坝基部分岩体的稳定性。

1.3 软弱结构面的特殊性与复杂性

一般情况下，大坝存在不止一层软弱结构面，而且由于软弱结构面的抗剪强度比坝基部分岩体的抗剪强度低，从而导致大坝存在深层滑动的安全隐患。而软弱结构面的内部结构较为复杂，而且由于滑裂通道的多元性，为保证工程自身的安全性，需要做好地质勘测，确定软弱结构面的具体位置，并且需要进行软弱夹层的抗剪试验，分析得出其力学参数，结合合适的计算方法，分析滑裂组合通道，并采取相应的处理措施。

由于水压力，泥沙压力等水平荷载以及软弱结构面的共同作用，使坝体自身稳定安全系数小于1.0，即重力坝连同其下部基岩不能维持自身稳定，此时，坝体需要下游尾岩抗力体对其有所支撑，以保证自身的稳定性。因此，设计者需要合理判断下游尾岩抗力体的可靠性、力学性质和地质条件，并结合坝基整体结构和所受荷载，采取合理的措施加固尾岩抗力体，保证坝体的稳定。

2 重力坝抗滑稳定的应力分析方法

2.1 刚体极限平衡法

由于软弱结构面的不确定性以及多元性，为得到更为合理的抗滑稳定安全系数，需要对多个滑动通道进行验算，找出最不利的工况，并由此得出所需参数。根据刚体极限平衡法假定的不同，令重力坝正下方区域的滑移体和紧靠重力坝坝趾的下游滑移体处于极限平衡状态，即可演绎出三种不同的计算方法：被动抗力法、剩余推力法及等安全系数法。

被动抗力法是先令紧靠重力坝坝趾的下游滑移体处于极限平衡状态，求得抗力后，再计算重力坝正下方区域的滑移体沿滑动面的抗滑稳定安全系数。剩余推力法则是跟被动抗力法的顺序相反。而等安全系数法则是令重力坝正下方区域的滑移体和紧靠重力坝坝趾的下游滑移体同时处于极限平衡状态，分别列出两个区域的抗滑稳定安全系数等式方程，求得抗力后，代入原式即可得出抗滑稳定安全系数。由于前两种方法得到的安全系数比等安全系数法大，相比之下，等安全系数法更为合理。

当然，在使用刚体极限平衡法的时候，也需要注意一些问题。首先是荷载的计算。在现阶段，我国对于深层抗滑稳定问题的认识上还存在一些不足，如扬压力的图形需要跟基础处理措施相适应等，所以为保证工程的安全性，在荷载计算时需要保守一些；其次是抗力和水平面的夹角。由于抗力与水平面夹角β难以准确给出，所以在选择夹角的时候需要考虑用合适的方法。在通常的计算中，有三种方法：1)当假定β=0时，得出的结果偏于安全；2)假定滑 动面上的摩擦系数除以安全系数等于夹角β的正切，从而得出夹角β；3)用有限元法进行分析，根据有限元的结果，得出坝趾处铅直面的所有主应力夹角，并用其平均数作为所求β。

2.2 有限元法

在计算坝体沿深层缓倾角软弱夹层抗滑稳定的安全度时，我们通常采用有限元方法中的应力代数和比值法，该方法运用数学微积分原理，先计算出滑动面上各个应力，再进行累加，接着算出总的滑动力和抗滑力，最后用总的抗滑力除以滑动力得出比值。当坝基岩体较为复杂时，需要将软弱结构面进行分段，得出每个分段的剪应力和正应力，沿着接触面求代数和，由此就可以得出抗滑稳定安全系数。

2.3 模型试验法

对于重要的工程和较为复杂的地基，常采用模型实验法加以复核。模型可还原出结构的力学特性和地质特点。地质力学模型试验是近些年新兴的方法，该方法可以较真实的模拟坝体与坝基的工程地质条件，从而可以优化结构，找出影响结构稳定的各方面因素，但这种模型一般只应用于重要性比较高的大型工程上。

3 提高坝体抗滑稳定的措施

3.1 选择合理的参数

在保证工程质量的前提下，为减少造价方便施工，这就需要选择合理的重力坝抗滑稳定参数：1)在进行软弱夹层抗滑强度参数的选择时，为减少误差，保障工程安全，需要结合设计、地质、试验三方人员的综合分析结果来确定；2)当坝基存在多个软弱夹层时，需要考虑各个软弱夹层的空间位置以及面积大小，综合各种最不利工况，选取合适的抗滑强度参数，以保证工程的安全与经济；3)考虑土层粒径的大小以及岩性等可以影响软弱夹层抗滑强度的参数。当粒径小于5 mm的时候，抗滑作用并不明显，只有当粒径大于5 mm时，才可以起到抗滑作用。

3.2 提高坝体抗滑稳定性的工程措施

为提高坝体的抗滑稳定性，采用的工程措施有很多，大致可分为以下几种：1)运用水的重力。在设计上将坝体的上游迎水面略向上游倾斜，此时，坝的上游面的水重增加了坝体与基岩的摩擦力。但是需要注意的是为防止上游坝面出现拉应力，上游坝面的坡度不应过缓；2)设置齿墙。若坝基下的多层软弱结构面倾向下游时，可以在坝踵设置一定深度的齿墙，贯穿表层的软弱结构面，从而增加抗滑力；3)开挖轮廓线的选取。在基岩岩性较好的情况下，利用天然的岩面坡度，使坝基面倾向上游，这样可以减少开挖量提高坝体的抗滑稳定。当基岩比较坚固时，可以开挖成锯齿状，但是为避免应力集中，尖角不能过于凸出，当然，是否可以开挖成锯齿状还需要考虑基岩节理裂隙的产状；4)排水措施和抽水系统。当下游水位较高时，可以在坝基面设置排水系统，定时抽水，减少坝底浮托力，也可以在一定程度上节省坝体混凝土的浇筑量；5)预加应力措施。在靠近坝体的上游面，若采用高强度钢索深孔锚固，并施加预应力，则可以消除坝踵处的拉应力，从而增加坝体的抗滑稳定性；6)加固地基。主要措施有固结灌浆、帷幕灌浆和软弱夹层处理等。

4 结语

水利工程建设是国家的基础性工程建设，作为有着重要地位的重力坝更是在我国的经济发展中起着重要作用。重力坝的结构明确、适应性强、施工方便等优点，使其在我国的水利基础建设上占有重要的一席之地。而抗滑稳定分析作为重力坝设计中的一项重要内容，为了保证工程的质量，需对其加以研究。文章分析了重力坝抗滑稳定性的特点，然后综述了计算重力坝抗滑稳定的几种算法，最后提出了提高抗滑稳定的措施，其目的在于更加完善重力坝的各项安全指标，为重力坝的安全性提供一些建议。

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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

胡玉龙(1989- )，男，在读硕士

1009-6825(2015)25-0220-02

TV641.32

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