关于新建水库重力坝抗滑稳定问题分析

2016-08-10王丰

大科技 2016年2期

关键词：重力坝抗力坝段

王丰

（重庆同望水利水电工程设计有限公司重庆渝北 401120）

关于新建水库重力坝抗滑稳定问题分析

王丰

（重庆同望水利水电工程设计有限公司重庆渝北 401120）

对于新建水库的重力坝失稳问题，主要是由于工程勘测前期没有对工程场地地质情况进行详细的探查而导致的，其对水库的安全性与稳定性均会造成严重的损害。基于此，本文对新建水库沿坝基面的抗滑稳定、重力坝深层抗滑稳定、岸坡坝段的抗滑稳定进行了详细的分析。

新建水库；重力坝；抗滑稳定；问题

1 引言

重力坝对地形、地质以及地基条件的要求比拱坝、支墩坝等其它坝型要低，同时，还比其它坝型更适于在坝顶溢流和在坝身设置泄水孔，进而较好的解决施工导流、渡汛和枢纽泄洪问题。在重力坝的实际施工中，为了更好保证新建水库的安全运行，必须对其抗滑稳定问题进行深入的探讨。

2 新建水库重力坝沿坝基面的抗滑稳定分析

2.1 沿坝基面抗滑稳定分析

2.1.1 抗剪强度公式

式中：ΣW-接触面以上总铅直力；ΣP-接触面以上的总水平力；U-作用于接触面上的扬压力；f-接触面间的摩擦系数；Ks-抗滑稳定安全系数。

公式（1）主要是假设接触面为水平状态，当接触面倾向上游时：

式中：β——接触面与水平面间的夹角。

由式（2）可知，当坝体与基岩接触面倾向上游时，有利于坝体抗滑。当接触面倾向下游时，此时的β为负值，抗滑力减小，滑动力增大，不利于坝体的稳定。抗剪强度公式没有对坝体混凝土与基岩间的凝聚力进行全面的考虑，只是将其作为安全储备，因此，对于相应的安全系数Ks，不应定得过高。此处的Ks值仅为一个抗滑稳定的安全指标，并不能真实的反映出坝体的真实安全程度。图1为坝体抗滑稳定计算简图。

2.1.2 抗剪断公式

图1 坝体抗滑稳定计算简图

式中：Ks′-按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数；f′-抗剪断摩擦系数；C′-抗剪断凝聚力；A-坝基截面积；P-接触面以上的总水平力；U-作用于接触面上的扬压力。

通过式（3）可知，抗剪断公式实质是用试块的平均抗剪强度与坝底的平均剪应力相比较，判断大坝的稳定性。

2.2 提高抗滑稳定性的工程措施

由稳定性分析计算公式可知，要想增大K值，可以采取多种措施，例如增加坝体的铅直力ΣW值，减小扬压力U值，提高滑动面的抗剪强度指标f值。对于有软弱夹层的地基，应当增加尾岩抗体被动抗力。同时，若是仅仅采取减小水平推力ΣP的方式来增加坝体的稳定性，具有较大的困难。所以，此时可以采取以下工程措施来提高重力坝沿坝基面的抗滑稳定性：①增大坝体剖面。具体来说就是在上游面或是下游面加大剖面，以此来增加坝体的自重。在上游面增大剖面，可有效增加坝体自重以及垂直水重，进而提高ΣW值，提高其抗滑稳定性。②选用有利的开挖轮廓线，当进行坝基的开挖施工时，可利用岩面的自然坡度进行，进而使得坝基面倾向于上游。③在坝基面部位布设排水系统，增大坝基排水，减少扬压力，增大K值。④提高软弱夹层的抗剪强度指标。一般情况下，软弱夹层的抗剪强度都较低，通过提高f值，可有效增加坝体抗滑稳定性。

3 新建水库重力坝深层抗滑稳定分析

3.1 深层抗滑稳定特点

3.1.1 深层抗滑稳定安全度判据的多元性

当坝体发生滑动现象时，一般会带动滑裂面以上的岩体同时滑动，在滑动的过程中，其所受到的平衡影响因素是多元化的，所以，对于现有的深层抗滑分析，必须从不同的角度以及周边的平衡元素进行分析和断定。具体包括：下游尾岩抗力体、软弱结构面、软弱结构面下部的基岩、随坝体而动的基岩、混凝土坝体。

此外，各个平衡因素从不同方面对现有的抗滑安全度都存在一定的影响，这就要求在进行安全系数的计算时，需要对坝体、坝基、尾岩等应力、位移等各类指标进行综合性计算，只有这样，才能真正形成多元性的考察以及安全度的评价，实现现有深层抗滑稳定的评价有效性。

3.1.2 对下游尾岩抗力体的依赖性

当坝基内含有软弱结构面时，其必须要对下游尾岩抗力体提供支撑，具体来说就是，当自身稳定安全系数小于1.0时，必然需要进一步需求外部支持，以此来确保自身的稳定性。基于此，在设计过程中，必须要对下游尾岩抗力体的支撑进行充分的考虑，并高度重视对下游尾岩抗力体可靠性、地质结构的探查，然后还要对现有的坝基整体结构以及外部承受力进行有效结合，采取合理的尾岩抗力体的加固与防护措施，从本质上确保坝基的稳定性。

3.1.3 坝体连同坝基部分岩体同时滑动

重力坝一般都是沿着建基面滑动，也就是滑动发生在两种介质的分界面上，滑动体为人工均质弹性体。就目前水利大坝建设情况来看，许多存在抗滑稳定问题的大坝几乎都是因为其自身内部结构的脆弱性而导致建造过程中的缺陷。基于此，为了避免、提升坝基部分岩体的稳定性和自身承受力的合理性，必须要对包括混凝土和岩体两种材料进行合理的比例的混合，确保彼此之间能够共同形成合力，提升滑动体的应力。

3.1.4 大坝滑动通道具有特定性和多元性

当坝基内部存在软弱结构面时，由于其抗剪强度比基岩低，就形成了大坝沿该软弱结构面滑动的特定通道。同时，因其内部结构的复杂性以及滑裂通道的多元性，要想真正实现自身稳定性，就要对其中的组成物质，填充部分、矿物成分进行系统性的分析，并且还要进一步寻找和分析滑裂组合通道自身的施工方式，积极采取合理的风险防范措施，更好的确保工程自身的安全性。

3.2 深层抗滑稳定分析

当坝基内部存在一些不利的缓倾角软弱结构面时，通过水荷载作用，坝体极容易与部分基层沿软弱结构面发生滑移，也就是深层滑动现象。地基深层滑动现象非常复杂，目前，其失稳机理与计算方式依旧没有最终的结论。所以，在进行此方面设计时：①需要对地基中存在的主要的缺陷进行详细的分析，以此来确定失稳边界，同时还要对失稳边界面上的抗剪强度参数进行严格的测定。②要选择适宜的计算方法及相应的安全系数，积极采取提高深层抗滑稳定性的措施。

对于深层抗滑稳定计算，主要如下：

（1）单斜面深层抗滑稳定计算

一般情况下，地基内仅存在一个软弱面，所以，在进行稳定分析时，需要将软弱面以上的坝体和地基作为坝体，并按照式（2）与式（3）来计算坝体沿软弱面的抗滑稳定安全系数Ks。

（2）双斜面深层抗滑稳定计算

大多数工程内通常都有多条相互切割交错的断层或是软弱夹层，其共同形成了复杂的滑动面。在此情况下，当进行深层抗滑稳定分析时，需要对几个可能的滑动通道进行仔细的验证与计算，进而找出其中最不利的滑动面组合，以此来计算其抗滑稳定安全系数。

对于此时采用的计算方法，主要包括剩余推力法、被动抗力法、等安全系数法。对于前两种计算方法，主要是在一个区处于极限平衡状态之后，也就是该区域的K=1时，推算出另外一个区的K值要大于等安全系数法，由此可知，等安全系数法更加合理。

3.3 提高深层抗滑稳定的措施

①在坝踵部位设齿墙，并将较浅的软弱面切断，这样一来，可增大滑动体的重量以及抗滑体的抗力。②在坝趾部位设置齿墙，此方法可使得抗力体的作用得到充分的发挥，并且还能改善坝踵应力，提高抗剪能力。③采取帷幕灌浆、固结灌浆、断层和软弱夹层处理等措施，全面加固地基。④采取预加应力措施，也就是在靠近坝体上游面部位，采用深孔锚固高强度钢索，并且施加预应力，这样一来，不仅能够增强坝体抗滑稳定性，还能够消除坝踵拉应力。

4 新建水库重力坝岸坡坝段的抗滑稳定分析

4.1 岸坡坝段抗滑稳定分析

当邻近两岸岸坡坝段的坝基面倾向于河床的斜面，或者是折面时，在坝体受到上游水压力与坝体自重作用之后，滑梯有向下游河床滑动的趋势。同时，通过三向荷载作用，导致其抗滑稳定性低于河床坝段。此时选取邻近岸坡的一个坝段作为实验对象，设岸坡倾角为θ，坝段总重为W，坝基面上的扬压力为U，上游坝面水压力为P，坝基面的抗剪强参数或抗剪断参数为f或f′和C′，滑动面面积为A。做好上述工作之后，将自重W分解为对滑动面的法向分力N=Wcosθ和切向分力T=Wsinθ，然后将切向分力和水压力合成为s，则此情况下，岸坡坝段的抗滑稳定安全系数为：

4.2 提高抗滑稳定的措施

通过上述Ks计算公式可知，要想增大Ks（K′s），就必须增大N、减小U 和 T。但因 N=Wcosθ、T=Wsinθ，这就表示，θ 越小 N 越大，T 越小，所以，通过减小岸坡倾角θ的方式，可以增大N、减小T。此外，通过采取将岸坡开挖成台阶的方式，可实现提高岸坡坝段抗滑稳定性的目的。此外，对邻近岸坡区域的坝段横缝进行局部的或者是全部的灌浆施工，可有效提高其稳定性。通过帷幕灌浆，可大幅降低岸坡坝段的扬压力U，进而增大抗滑稳定安全系数Ks。