重力坝沿岩层结构面的抗滑稳定分析研究

王 倩

(河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300250)

1 概述

重力坝抗滑稳定分析通常采用刚体极限平衡法，而最危险的滑移往往存在于基岩内部，当基岩内有缓倾角软弱结构面时，坝体连同部分基岩在外荷载影响下将共同沿软弱结构面发生滑移[1]。在我国已完工或正在施工的大、中型闸坝工程中，有近1/3的基岩存在软弱夹层。某些工程由于前期的勘察阶段未能清楚判断坝址地质情况导致施工时出现了较严重的问题，因此，在工程前期的勘察、设计阶段及后期的施工阶段均应高度重视深层抗滑稳定问题[2]，并采取有效的处理措施，从而保证大坝的安全与稳定。

2 坝体沿岩层结构面的抗滑稳定

2.1 沿岩层结构面的抗滑稳定分析

根据SL 319—2018混凝土重力坝设计规范[3]，坝体沿岩层结构面抗滑稳定按抗剪断式(1)进行计算。

(1)

若岩层倾角为倾向上游，故计算公式演变为：

(2)

其中，f′为坝体混凝土与坝基接触面抗剪断摩擦系数；c′为坝体混凝土与坝基接触面抗剪断凝聚力,kN/m2；∑W为全部铅直荷载,kN；∑P为全部水平向荷载,kN；A为坝基接触面截面积，m2。

坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断摩擦系数f′=1.0，抗剪断凝聚力c′=900 kPa；岩层结构面的抗剪断摩擦系数f′=0.8，抗剪断凝聚力c′=300 kPa。

拦河坝为整体坝结构，两侧岸坡开挖较陡，对两侧岸坡采取了固结、接触灌浆处理，岸坡混凝土与坝基接触面抗剪断凝聚力考虑以下几种情况：

1)沿岩层结构面滑动,只考虑滑动面、开挖马道c′值。

2)沿岩层结构面滑动，考虑滑动面、开挖马道及岸坡c′值。

3)沿岩层结构面滑动，考虑滑动面、开挖马道及岸坡垂直投影面积的c′值。

2.2 不同情况的计算分析流程

1)沿岩层结构面滑动，只考虑滑动面、开挖马道c′值。

当只考虑岩层结构滑动面、开挖马道的c′值而不考虑岸坡c′值时，滑动面与岩层的抗剪断摩擦系数f′=0.8，抗剪断凝聚力c′=300 kPa；开挖马道与岩体接触面的抗剪断凝聚力c′=900 kPa，将荷载值代入式(2)进行计算，看计算得到的抗滑稳定安全系数K′是否满足规范要求。

2)沿岩层结构面滑动，考虑滑动面、开挖马道及岸坡c′值。

当考虑滑动面、开挖马道及岸坡的抗剪断凝聚力c′值时，滑动面与岩层的抗剪断摩擦系数f′=0.8，抗剪断凝聚力c′=300 kPa，开挖马道与岩体接触面的抗剪断凝聚力c′=900 kPa，而岸坡与岩体接触面的抗剪断凝聚力c′按n倍的c′进行试算，将荷载值代入式(2)对n值进行试算，然后经反算得出当n为何值时，即岸坡c′为何值时，抗滑稳定安全系数K′=3.0满足规范要求。

3)沿岩层结构面滑动，考虑滑动面、开挖马道及岸坡垂直投影面积的c′值。

当考虑滑动面、开挖马道及岸坡垂直投影面积的抗剪断凝聚力c′值时，滑动面与岩体的抗剪断摩擦系数f′=0.8，滑动面与岩体的抗剪断凝聚力c′=300 kPa，开挖马道及岸坡垂直投影面积与岩体接触面的抗剪断凝聚力c′=900 kPa，若考虑滑动面、开挖马道与岸坡垂直投影面积的抗剪断凝聚力c′，计算得到的抗滑稳定安全系数K′是否满足规范要求。若满足，那么此时岸坡垂直投影面积为岸坡总面积的m倍，当取岸坡投影面积为m1倍的岸坡面积时，计算得到抗滑稳定安全系数应满足要求。

2.3 处理措施

根据上述计算可知，若不满足规范要求，需要c′A的力，抗滑稳定安全系数才能满足规范要求。因此，对坝体下方挂某一厚度的岩体进行试算，并考虑25%侧阻力[4]和考虑坝后岩石压重两种情况进行计算，当抗滑稳定安全系数满足规范要求时为止。

但因无确切的资料作为参考，故岸坡混凝土与岩体间的抗剪断凝聚力c′考虑上述计算值时的合理性存在疑问，因此为安全计，不再考虑岸坡混凝土与岩体间的抗剪断凝聚力c′，但是抗滑稳定安全系数若要满足规范要求，就需要c′A的力，因此对坝体下方挂某一厚度岩体进行试算。

3 工程实例

3.1 工程概况

某重力坝根据实际揭露的地质条件，大坝建基面整体性和完整性较好，基岩岩层虽倾向上游，但倾角较缓，层面较为明显，建基面顺水流方向长度58.12 m，垂直水流方向宽度22 m；左岸分四级开挖，开挖边坡1∶0.25，开挖马道宽度自下而上分别为2 m，2 m，4 m；右岸分四级开挖，开挖边坡高程749 m以下为1∶0.25，高程749 m以上为1∶0.5，开挖马道宽度自下而上分别为2 m，2 m，4 m。正常蓄水位783 m，建基面上游高程为721 m、下游高程为723 m，坝前正常蓄水深度为62 m，30年淤积高程为779 m。

3.2 计算工况及荷载

计算荷载主要包括正常蓄水位工况下，荷载主要包括坝体自重G1、岩体自重G2、静水压力P、扬压力U、淤沙压力Ps；正常蓄水位+地震工况下，荷载主要包括坝体自重G1、岩体自重G2、静水压力P、扬压力U、淤沙压力Ps、动水压力F0及地震惯性力Fi；坝体混凝土容重为25 kN/m3，岩体容重为28.3 kN/m3。计算荷载组合表如表1所示，工况荷载表如表2，表3所示。

表1 计算荷载组合表

表2 正常蓄水位工况荷载表 kN

表3 正常蓄水位+地震工况荷载表 kN

3.3 计算成果与分析

对沿岩层结构面滑动,只考虑滑动面、开挖马道c′值;沿岩层结构面滑动，考虑滑动面、开挖马道及岸坡c′值;沿岩层结构面滑动，考虑滑动面、开挖马道及岸坡垂直投影面积的c′值三种情况在正常蓄水位工况和正常蓄水位+地震两种工况下按式(2)分别进行计算。计算结果见表4～表9。

1)沿5°岩层结构面滑动，只考虑滑动面、开挖马道c′值计算成果。

表4 正常蓄水位工况下的抗滑稳定计算成果(一)

表5 正常蓄水位+地震工况下的抗滑稳定计算成果(一)

2)沿5°岩层结构面滑动，考虑滑动面、开挖马道及岸坡c′值计算成果。

表6 正常蓄水位工况下的抗滑稳定计算成果(二)

表7 正常蓄水位+地震工况下的抗滑稳定计算成果(二)

经反算可知，在正常蓄水位工况下，当n=0.23，即岸坡c′=207 kPa时，抗滑稳定安全系数K′=3.0满足规范要求；在正常蓄水位+地震工况下，当n=0.15，即岸坡c′=135 kPa时，抗滑稳定安全系数K′=2.3满足规范要求。

3)沿5°岩层结构面滑动，考虑滑动面、开挖马道及岸坡投影c′值计算成果。

表8 正常蓄水位工况下的抗滑稳定计算成果(三)

表9 正常蓄水位+地震工况下的抗滑稳定计算成果(三)

经过分别对1)，2)，3)三种情况的计算，可知正常蓄水位工况及正常蓄水位+地震两种工况下，若考虑岸坡c′A,只需岸坡混凝土与岩体间的抗剪断凝聚力c′取为207 kPa，135 kPa，计算得到的抗滑稳定安全系数K′就满足规范要求，但是，因未找到工程实例作为参考，故岸坡混凝土与岩体间的抗剪断凝聚力c′考虑上述计算值时的合理性存在疑问，因此，为安全起见，不再考虑岸坡混凝土与岩体间的抗剪断凝聚力c′，但是，根据情况1)的计算可知，若不考虑岸坡混凝土与岩体间的抗剪断凝聚力c′，抗滑稳定安全系数就不满足要求，根据2)与1)的对比计算可知，需要c′A=900×0.23×3 676.5=761 035.5 kN的力，才能满足规范要求。因此对坝体下方挂岩体进行试算，计算结果如表10所示。

表10 坝体下方挂岩体计算成果

由表10可知，坝体下方挂5 m岩体时，在正常蓄水位与正常蓄水位+地震两种工况下，无论是考虑25%侧阻力[4]还是考虑坝后岩石压重，抗滑稳定安全系数均满足规范要求。

因此，对拦河坝基础采取如下处理措施：

在河床部位下游坝脚和两侧高程735.0 m以下岸坡增设抗滑齿槽，其中河床部位齿槽底宽9.5 m，底高程718.0 m，上游侧开挖边坡坡比为1∶1.0，下游侧为1∶0.5，左、右侧为1∶0.25。齿槽回填混凝土等级同坝体基础回填混凝土，并在相应部位增设基础角筋。

4 结语

本文通过考虑：1)沿岩层结构面滑动,只考虑滑动面、开挖马道c′值；2)沿岩层结构面滑动，考虑滑动面、开挖马道及岸坡c′值；3)沿岩层结构面滑动，考虑滑动面、开挖马道及岸坡垂直投影面积的c′值三种情况在正常蓄水位工况和正常蓄水位+地震两种工况下的坝体沿岩层结构面滑动的计算结果，采取了下挂岩体，并考虑侧阻力和岩石压重的处理措施，从而保证大坝的安全与稳定。