瓦托水电站坝基抗滑稳定研究

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春130021）

瓦托水电站坝基抗滑稳定研究

齐立伟，都兴洋，郑玉玲，宁卫琦

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春130021）

瓦托水电站厂房为坝后式厂房，受引水管道底高程控制采用上游建基面高、下游建基面低的布置方式，导致坝基抗滑稳定计算存在沿坝基的双滑面滑动问题，本文拟定了3种传递方式，并分别进行抗滑稳定计算，最终的计算结果表明，采用坝基应力分配法比采用自重分配法抗力作用比系数可提高约10%，坝体自重分配法过于保守，不能真实地反映坝基岩体的载荷分布情况,因此对于特殊双滑面采用坝基应力分配法比较合理。

重力坝；坝基；双滑面稳定计算；抗力作用比系数；瓦托水电站

1 概述

重力坝是靠自身重量维持稳定的一种挡水建筑物，重力坝的失事往往是由坝体滑动导致的，因此抗滑稳定成为研究坝体稳定的主要课题。重力坝抗滑稳定计算是设计重力坝首先要考虑的问题，抗滑稳定分析主要有2种情况：一种是沿坝基面抗滑稳定分析，另一种是深层抗滑稳定分析。实际工程中，重力坝的厂房引水坝段经常受引水管体型的控制采用上游建基面高、下游建基面低的布置方式，这就导致坝基抗滑稳定计算存在沿坝基的双滑面滑动问题。下面结合瓦托水电站发电厂房的坝式进水口坝段对重力坝双滑面稳定问题做具体分析。

2 工程概况

瓦托水电站工程在澜沧江一级支流金河下游河段上，是金河水电规划中的第五个梯级电站，坝址位于昌都市卡若区列巴村金河下游约2.5km处，在已建金河大坝上游约5.0km处，水库总库容0.1383×108m3，电站装机容量50MW，是一座以发电为主的中型水电枢纽工程。瓦托水电站厂房为坝后式厂房，厂房受引水管道底高程控制采用上游建基面高、下游建基面低的布置方式，这就导致坝基抗滑稳定计算存在沿坝基的双滑面滑动问题，此次设计难点就是双滑面滑动稳定计算问题。

3 抗滑稳定计算

重力坝坝基抗滑稳定计算采用刚体极限平衡法，刚体极限平衡法是坝基岩体抗滑稳定分析中应用最广泛且为规范所推荐的一种方法。它计算工作量小，有许多成功的工程实例,还具有与该方法相配套的安全判定标准。刚体极限平衡法假定坝基岩体可能滑动块为不发生变形的刚体,以抗滑力(矩)与滑动力(矩)之比的抗力作用比系数作为稳定安全系数,以此安全系数判断可能滑动块是否失稳。

瓦托水电站发电厂房坝式进水口坝段坝基基岩为细砂岩夹泥质砂岩岩组（J1ch2）、泥质砂岩与细砂岩互层岩组（J1ch1）。坝基岩体抗剪断指标见表1。发电厂房坝式进水口坝段抗滑稳定分析简图见图1。

表1 坝基岩体抗剪断指标表

由图1可以看出，重力坝坝基可能的滑动面有2个，一个是沿ADBC面滑动，一个是沿ABC面滑动，沿ADBC面滑动可用常规的沿单滑面滑动进行计算，沿ABC面滑动则是沿AB和BC两个滑动面滑动，即是沿双滑面滑动问题。经计算抗滑稳定的控制工况为设计洪水位工况，下面仅就设计洪水位工况对2种滑动面的抗滑稳定进行分析计算。

3.1 单滑面抗滑稳定计算

单滑面抗滑稳定计算可按常规的重力坝抗滑稳定计算方法进行计算，经计算设计洪水位工况的抗力作用比系数η=1.23，具体的计算公式，计算过程本文不再详述。

3.2 双滑面抗滑稳定计算

取整个坝段为计算单元，计算简图见图1。

图1 双滑面抗滑稳定计算简图

3.2.1 计算方法

由图1可以看出，滑动面不在一个平面上，无法按常规计算方法进行计算，参考相关规范，引用重力坝深层抗滑稳定相关计算方法进行分析计算，既在转折点处（图中B点）将重力坝分上下2个滑面，AB滑面和BC滑面，采用等安全系数法求出重力坝的整体抗滑稳定安全系数。经上述假设，如何将坝体竖向荷载分配到上、下滑块上就成为计算中应考虑的关键问题，这里有2种方法：

1）坝体自重分配法，即以转折点（图中B点）垂直向上引以假象平面（BF）将坝体及基岩自重分为两部分,分别加载到两滑动面上，采用等安全系数法计算出最终结果。

2）坝基应力分配法，即将作用在坝体上的竖向荷载转化成正应力，将水平荷载转化成切应力分别作用在上、下滑块上，采用等安全系数法计算出最终结果。

下面对上述2种方法进行分析，坝基自重分配法只是将坝体自重简单地分配到各滑面上，没有考虑坝体实际运行中坝基实际应力情况（坝踵压应力小，坝趾压应力大），因重力坝大部分重量集中在坝体上游侧，这就导致坝体自重分配法过于保守，因此对于特殊双滑面采用坝基应力分配法比较合理，这也将在下面计算结果中得到进一步验证。

采用坝基应力分配法将坝基应力传递到滑动块上有2种方式：第一种方式是以ADBC以上坝体为脱离体计算整个混凝土坝的坝基应力，然后将坝基应力计算结果分别分配到AD和BC面上，再加上其他水平向及竖向荷载，采用等安全系数法计算出抗滑稳定安全系数。第二种方式是以ADE以上坝体为脱离体，计算作用在ADE面上的应力，然后将坝基应力计算结果分别分配到AD和DE面上，再加上作用在上、下滑块上其他水平向及竖向荷载，采用等安全系数法计算出抗滑稳定安全系数。

下面对上述坝体自重分配法、坝基应力分配法（2种应力传递方式）进行抗滑稳定计算。

3.2.2 计算公式

2种计算方法的计算公式均引用坝基深层抗滑稳定计算公式，将公式中相关参数根据计算模型实际情况作相应调整：

式中：γθ——结构重要性系数，对于结构安全级别为Ⅱ级的结构及构件，采用1.05；Ψ——设计状况系数，对应于持久状况、短暂状况、偶然状况，可分别取用1.00，0.95，0.85——作用效应函数；——结构及构件抗力函数；γG——永久作用的分项系数；γQ——可变作用的分项系数；GK——永久作用标准值；QK——可变作用标准值；ak——几何参数的标准值（可作为定值处理）；fk——材料性能的标准值；γm——材料性能的分项系数；γd——结构系数；η——抗力作用比系数。

式中荷载和材料性能均采用设计值计算，其中：∑W1，∑W2——上、下滑块所受坝体传递的垂直力之和；∑P1，∑P2——作用于滑动面的全部水平向作用之和；G1，G2——分别为上、下滑块岩体（混凝土）重量的垂直作用——分别为AB，BC滑动面的抗剪断摩擦系数；——分别为AB，BC滑动面的抗剪断凝聚力；A1，A2——分别为AB，BC面的面积；α，β——分别为AB，BC与水平面的夹角；U1，U2，U3——分别为AB，BC，BD面上的扬压力；Q，φ——分别为BD面上的作用力及作用力与水平面的夹角，从偏于安全考虑φ可取为0。

3.2.3 计算结果及分析

经计算，采用单滑面计算出的抗滑稳定抗力作用比系数大于双滑面抗力作用比系数，双滑面是计算的最危险滑面。

双滑面抗滑稳定计算采用坝体自重分配法时，抗力作用比系数η=0.949；采用坝基应力分配法第一种坝基应力传递方式时，抗滑稳定抗力作用比系数η=1.031；采用坝基应力分配法第二种坝基应力传递方式时，抗滑稳定抗力作用比系数η=1.055。

由上述计算可知，双滑面是抗滑稳定计算最危险滑面，双滑面抗滑稳定计算采用坝基应力分配法比采用自重分配法抗力作用比系数可提高约10%，这也和计算方法中的分析结果相吻合；坝基应力分配法采用第一种与第二种应力传递方式抗力作用比系数变化不大。

4 结语

坝基抗滑稳定计算不仅要计算沿一个平面的单滑面抗滑稳定，沿坝基双滑面抗滑稳定也是抗滑稳定计算中经常遇到的问题，其计算的核心是如何将坝体的自重传递到滑动面上，本文拟定了3种传递方式，并分别进行抗滑稳定计算，最终的计算结果表明，采用坝基应力分配法比采用自重分配法抗力作用比系数可提高约10%，坝体自重分配法过于保守，不能真实地反映坝基岩体的载荷分布情况,因此对于特殊双滑面采用坝基应力分配法比较合理。坝基应力分配法采用第一种与第二种应力传递方式抗力作用比系数变化不大，计算时可同时采用2种计算方法，对比分析计算结果。

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2017-03-05