重力坝特性及深层抗滑稳定分析

□石江同（新密市水利局）

重力坝特性及深层抗滑稳定分析

□石江同（新密市水利局）

随着我国重力坝建设的繁荣，高坝数目的增加，使得对重力坝进行深层抗滑稳定分析有着重要的理论和实践的意义。重力坝主要依靠自身重量来维持稳定，其深层抗滑稳定性是重力坝设计中的重要问题。通过以上分析，重力坝分布广，类型多，投资大，一旦失事，危害巨大，特别是重力坝的深层抗滑稳定分析又是重力坝设计中的重要内容，是关系到大坝安全性的重要问题，因此，加强对重力坝的深层抗滑稳定分析和研究尤为重要。

重力坝；深层抗滑稳定。

一、概述

人类修建堰、坝已有数千年历史，重力坝是出现最早的一种坝型。早在公元前2900年，埃及便在尼罗河上修建了一座高15m、顶长240m的重力挡水坝。我国秦代50年里（公元前250-219年）建造的三大水利工程：四川灌县都江堰的飞沙堰，陕西郑国渠渠首30m高的石笼坝，广西兴安县灵渠的砌石分水堰，都是溢流重力坝（古称“天平”）。其中的灵渠工程运行至今已2200多年，是世界上使用历史最久的重力坝。还有刚刚完成的举世瞩目的三峡大坝是当今世界上最大的实体混凝土重力坝，坝高181m，坝长2335m，混凝土2794万m3。1962年瑞士建成的285m高的大狄克桑斯坝，为地球上重力坝坝高之最。

二、重力坝特性

（一）重力坝的概念及优缺点

1.概念

重力坝是由混凝土或浆砌石修筑的大体积挡水建筑物，其基本剖面是直角三角形，整体是由若干坝段组成。重力坝在水压力及其他荷载作用下，主要依靠坝体自重产生的抗滑力来满足稳定要求；同时依靠坝体自重产生的压力来抵消有雨水压力所引起的拉应力以满足强度要求。

2.特点

一是，安全可靠。重力坝剖面尺寸大，应力较小，筑坝材料强度高，耐久性好，因而抵抗水的渗漏、洪水漫顶、地震和战争破坏的能力都比较强。二是，对地形、地质条件适应性强。任何形状的河谷都可以修建重力坝，因为坝体作用于地面上的压应力不高，所以对地质条件的要求也较低。三是，枢纽泄洪问题容易解决。重力坝可以做成溢流的，也可以在坝内设置泄水孔，一般不需要另设溢洪道或泄水隧洞，枢纽布置紧凑。四是，便于施工导流。在施工期可以利用坝体导流，一般不需要另开设导流隧洞。五是，施工方便。大体积混凝土，可以采用机械化施工，在放样、立模和混凝土浇捣方面都比较简便。六是，结构作用明确。重力坝沿坝轴线用横缝分成若干段，各坝段独立工作，结构作用明确，应力分析和稳定计算都比较简单。

3.缺点

一是，坝体剖面尺寸大，水泥用量多。二是，坝体应力较低，材料强度不能充分发挥。三是，坝体与地基接触面积大，因而坝底的扬压力较大，对稳定不利。四是，坝体体积大，施工期混凝土的温度应力和收缩应力较大，在施工期对混凝土温度控制的要求较高。五是，坝体与坝基的接触面积大，坝体前的扬压力较大，抵消了坝体的部分重力，对坝体的稳定不利。因此必须采取各种有效措施削减扬压力，以减小坝体剖面尺寸。六是，重力坝坝体重力大，加上坝体承受的水压力和其它荷载的共同作用，使坝体传给地基的压应力较大，一般都要修建在岩基上。因此对基岩的地质构造和物理力学性质应有清楚的了解，以便对坝基进行处理加固。重力坝对地基的要求比土石坝高，比拱坝和轻型坝低。低矮的小型重力坝经论证也可修建在非岩石地基上。

（二）重力坝的工作特点和剖面形式

重力坝的根本特点是，在巨大的水压力（静水压力、扬压力为主）作用下，主要依靠坝体自重产生的抗剪（滑）力来维持稳定（不移动、不倾倒、不浮起）。所以其基本剖面形式是固结于地基的三角形，上游面为铅直或稍有倾斜，具有重心低，底面大、应力小、稳定性最好的特点。

（三）重力坝的类型

1.按坝的高度分类。重力坝按坝的最大高度（不包括小局部深度）分为低坝、中坝、高坝。坝高＜30m的为低坝，坝高在30～70m之间的为中坝，坝高＞70m的为高坝。

2.按筑坝材料分类。按坝体的建筑材料，分为混凝土重力坝和浆砌石重力坝。重要的和较高的重力坝，大都用混凝土建造，有浇筑的（常规的、埋石的）和碾压的之分。

3.按泄水条件分类。一座重力坝往往是河床中部坝段溢流，其余坝段不溢流。其中溢流部分为溢流坝，不溢流部分为非溢流坝。

4.按坝的结构形式分类。有实体重力坝、空腹重力坝和宽缝重力坝等之分。实体重力坝构造简单，对地形、地质条件适应性强；空腹和宽缝重力坝，也称非实体重力坝，都是为了有效地减少扬压力，较好地利用材料强度，以节省坝体工程量。国内一些地方还发展了硬壳坝、填碴坝等坝型。硬壳坝是用干砌石或堆石代替实体重力坝内低应力通道具有复杂性。必须查明软弱结构面的空间分布情况、性状、成因、充填物的矿物成分、物理力学性质等，从而寻找最危险的滑裂组合通道，采取相应的工程措施，确保工程安全。

三、重力坝抗滑稳定分析的重要性

一座按照现代理论设计、用现代施工工艺浇筑起来的混凝土大坝，只要地基岩体比较完整，没有重大的缺陷，发生整体失稳的可能性是非常小的。过去，由于对坝基问题的重要性认识不足，因而对地基地质勘测、抗滑稳定的研究和工程处理工作做的不够，往往造成重大的损失。据1979年的不完全统计，仅因未能及时发现坝基的软弱夹层，以致改变设计、延误工期和后期加固的大中型闸坝就有30余座。在国外，有的混凝土坝地基的处理费用甚至与坝体造价相接近。由此可见，抗滑稳定问题是关系到大坝安全性和经济性的重要问题。由于地基条件的复杂性，勘探测试手段不足，以及人们认识的局限性，长期以来，对于这样的地基问题，主要依据经验和估算来进行设计。近年来，由于岩石力学的发展，各种勘探、测试和处理手段的进步，特别是有限元和高速度、大容量的电子计算机的出现，设计工作正由定性估计向定量分析进展。但由于问题的复杂性，许多问题还没有得到满意的解决，诸如：不同结构的岩石坝基的破坏机理，合理的分析方法，材料强度、安全准则的确定等。因此，如何利用现代的勘探，测试、计算的先进手段来进一步完善坝体抗滑稳定的分析和处理设计，仍然是摆在水利和地质工程者面前的一项重大任务。

四、重力坝深层抗滑稳定的破坏类型

（一）沿滑裂面剪切破坏

坝基内有单斜滑动或能构成双斜滑动的软弱结构面，在水平荷载作用下将沿软弱结构面产生剪切破坏。上游坝踵处一般为拉裂破坏。

（二）下游尾岩挤压破坏

当坝基内有倾向下游的缓倾角软弱结构面时，下游尾岩内无倾向上游的缓倾角结构面，则构不成天然的双斜滑动面。如尾岩岩性软弱或十分破碎，或下游有规模较大的横向断裂破碎带，而坝踵处基岩已发生拉裂破坏，坝基内软弱结构面已发生剪切破坏时，假定尾岩中的滑裂面尚未发生剪切破坏，但坝体传给尾岩抗力体的剩余推力已超过其承载力，尾岩抗力体将产生挤压破坏，坝基将产生过大的向下游的压缩变形，使大坝失稳。

（三）下游尾岩抗力体隆起破坏

坝基内软弱结构面与上述两种情况相同，但尾岩为层状岩石，岩性坚硬且比较完整。在水平荷载作用下，尾岩上部产生拉力区，岩体表部产生向上的位移，即发生隆起破坏。因支撑的尾岩抗力体失稳，最终导致坝体基础产生过大的向下游的位移而失稳。

五、重力坝深层抗滑稳定的特点

（一）坝体带动坝基部分岩体同时滑动

与重力坝沿坝基面滑动不同，重力坝的深层抗滑稳定问题则是坝体带动坝基部分岩体同时沿坝基内软弱结构面滑动，滑动体由混凝±和岩体两种材料组成。

坝体通常被许多结构面所切割，属不连续多向异性体，其物理力学性质的量化很困难。因此，由这两种材料组成的滑动体，其应力一应变状态十分复杂。

（二）滑动通道具有特定性和复杂性

坝基岩体内分布着软弱结构面，其抗剪（断）强度低，抗滑强度远远低于基岩岩体，这就构成了大坝沿该软弱结构面滑动的特定通道。由于软弱结构面通常是多层或多条组合，且多条软弱结构面间会相互切割，组合关系复杂，因此滑动滑动通道具有特定性和复杂性。

六、重力坝深层抗滑稳定计算抗剪（断）强度参数的选择

（一）影响软弱夹层抗剪（断）强度的主要因素

根据我国工程的实践经验，影响软弱夹层抗剪（断）强度的主要因素有：岩性，结构及埋藏状态和物质组成，起伏差和厚度，连通率，试验方法及试样尺寸，水库蓄水后引起的变化等。

资料表明，当粒径＞5mm的颗粒含量占70%以上时，粗颗粒能起主要作用；而其含量占30%以下时，粗粒不起抗滑作用。软弱夹层的充填物如以蒙脱石或伊利石为主，则抗剪强度低。软弱夹层与围岩接触的起伏差，往往对抗剪强度有较大影响。当起伏差大于软弱夹层厚度，夹层利用起伏差后的摩擦系数增加了一起伏差坡度（a。）的t卸a。值，a。愈大，增加的摩擦系数愈大。当夹层不均一，或由许多薄层组成，各薄层起伏差大于薄层厚度或薄层不连续，则可考虑其加权平均值。

试验方法与抗剪强度关系密切。当岩性均一，夹层厚度较大，接触面平整，用不同试验方法所得结果比较接近；反之，则可能相差较大。对于大、中型工程，应有适当数量的野外大型剪，并辅以室内中型剪，作为选择抗剪（断）强度参数的依据。

（二）软弱夹层抗剪（断）强度参数选择

目前国内在选择抗剪（断）强度参数时，大致有以下几种标准：①极限强度标准；②比例极限标准；③屈服极限标准；④残余强度标准。我认为有两点值得注意：第一，抗剪（断）强度参数应由地质、试验、设计人员通过综合分析确定。因为三方人员看问题的角度不完全一致，一起讨论，弥补各自的不足，也可避免各自留有安全裕度的弊病。第二，选择抗剪（断）强度参数与采用的计算方法结合，当用抗剪断公式计算时，采用极限强度标准较好，因该法安全系数大，用峰值强度值既可保证安全，又可节约投资。当采用抗剪公式计算时，可用其余3种标准。

（三）软弱夹层不连通时抗剪强度的取值

坝基软弱夹层不连通时，按其所占面积的大小和部位取加权平均值，即以面积作权重，同时考虑作用力的影响求取综合抗剪（断）强度参数。

（四）滑动岩体的侧向抗剪（断）阻力

由于软弱结构面在地基中有一定的埋藏深度，其上岩体随坝体滑动时，岩体两侧面存在阻止岩体滑动的抗剪（断）阻力。当软弱结构面埋藏较深，地基中顺河向裂隙不发育，此种阻滑力比较大。在计算阻滑力中是否考虑这种侧向阻滑力，我认为应区别对待：经确认侧向阻滑力存在时，则应考虑软弱结构面在地基中所占面积的比例。当大坝只有几个坝段地基中存在软弱结构面，大坝滑动时，有软弱结构面和没有软弱结构面的坝段之间可产生相对错动，则可适当考虑侧向阻滑力。反之，当各坝段地基中普遍存在各坝段同时滑动的可能，各坝段的变形是连续的，这时只有靠近河岸两个侧面可能存在侧向阻滑力，如果在计算单个坝段稳定安全系数时都考虑侧向阻滑力，显然是不安全的。

部分的坝体，外表为浆砌块石或条石或混凝土的硬壳；填碴坝的作用原理与硬壳坝相同，却是在坝内留有牢格或宽缝供填碴之用。

七、重力坝深层抗滑稳定理论研究现状

由于重力坝深层抗滑稳定问题的复杂性，其分析方法尚无较为合理的统一的规定，需根据具体情况，参考类似工程经验做出判断。国内外许多学者都在致力于这方面的研究，已取得了十分丰富的研究成果。目前深层抗滑稳定分析法有刚体极限平衡法、非线性有限元法、地质力学模型试验法以及在概率基础上发展起来的各种模糊随机分析等非确定性方法。

重力坝深层抗滑稳定虽有多种分析方法，其中刚体极限平衡法能较合理地确定单一滑裂面的稳定安全度，对于复杂的破坏面，则必须引入若干假定才能建立刚体极限平衡模型。但刚体极限平衡法出现较早，经过无数的工程实践经验积累，已经建立了比较成熟的理论，所以目前刚体极限平衡法仍是计算坝基深层抗滑稳定的基本方法。

刚体极限平衡法是根据确定的边界条件，将滑动体与阻滑体视为刚体，研究达到临界失稳状态时的平衡条件，从而估算其安全度。除单斜滑动外，双斜滑动等较复杂的情况一般都要做若干假定才能进行计算。

由于假定不同，刚体极限平衡法一般可分为剩余推力法、被动抗力法和等安全系数法3种。其共同点是求取第一滑裂面与第二滑裂面上的安全系数。前2种方法，第一滑裂面与第二滑裂面上的安全系数不等，第3种方法是通过试算，得到二个滑裂面上相等的安全系数。第3种方法安全系数法的概念比较清楚，现在应用比前2种方法也更广泛。实际上在许多情况下，第一滑裂面与第二滑裂面的岩性差别很大，其物理力学性质相对悬殊，二滑裂面上的变形并不相容，故实际安全度并不相等，用“等安全系数”去表征，并不反映两滑裂面真实的安全储备。

2010-04-28