混凝土重力坝的抗滑稳定分析

□ 姚志华 张光科

混凝土重力坝的抗滑稳定分析

□ 姚志华 张光科

重力坝是最早出现的一种坝型。重力坝的滑动模式有表面滑动、浅层滑动和深层滑动。按照目前的设计方法，高度h小于100 m的重力坝，控制剖面尺寸常常是稳定而不是应力，对此类坝首先应进行抗滑稳定分析，以确保其稳定安全。

一、工程实例

某工程拦河坝为混凝土重力坝，从左至右为非溢流坝段（挡水坝段）、溢流坝段、深孔坝段（冲沙底孔）以及右岸非溢流坝段。坝顶高程1 054 m，最低建基面高程994 m，最大坝高60 m，防浪墙高1 m，厚0.4 m，防浪墙顶高程为1 055 m，坝顶轴线总长130 m。溢流坝段按照横缝一共布置3个坝段，非溢流坝坝段按12.5 m分成8个坝段。溢流坝布置在河床中部，共3个自由溢流表孔，表孔尺寸为5 m×5 m（宽×高）。堰面为“WES”曲线，堰顶高程1 047 m，坝体上游面从高程1 017.0 m以上为铅直，以下为1：0.2的正坡，坝体下游坡度为1∶0.8。上游正常水位、设计和校核水位依次是1 052 m，1 051.35 m和1 052.53 m；相应的下游水位分别是999.34 m、999.12 m和999.79 m。

二、计算原理

（一）抗剪强度公式

此法的基本观点是把滑动面看成是一种接触面，而不是胶结面。滑动面上的阻滑力只计摩擦力，不计凝聚力。

当滑动面为水平面时，其抗滑稳定安全系数K可按下式计算：

式中：∑W—作用于滑动面以上的力在铅直方向投影的代数和；

∑P—作用于滑动面上的力在水平方向投影的代数和；

f—滑动面上的抗剪摩擦系数，根据基本资料取0.65；

K—按摩擦公式计算的抗滑稳定安全系数。

当滑动面为倾向上游的倾斜面时，计算公式为

式中：α为滑动面与水平面的夹角，其他符号与第一个式子相同。

由上式看出，滑动面倾向上游时，对坝体抗滑稳定有利；倾向下游时，α角由正变负，滑动力增大，抗滑力减小，对坝的稳定不利。

（二） 抗剪断公式

利用抗剪断公式时，认为坝与基岩胶结良好，滑动面上的阻滑力包括摩擦力和凝聚力，并直接通过胶结面的抗剪断试验确定抗剪强度的参数f'和C'。其抗滑稳定安全系数由下式计算。

式中：f'—坝体与坝基面连接面的抗剪断摩擦系数；

C'—坝体与坝基连接面的抗剪断凝聚力；

A—坝体与坝基连接面的面积；

K'—按抗剪断公式计算的抗滑稳定安全系数。

基面处在强风化线以下，综合评价为中等岩石，查坝体混凝土与基岩接触面抗剪断参数参考值表可知f′=0.9～1.2取1.0，c′=0.7～1.1 Mpa取0.9 Mpa。

三、计算成果

选用的计算断面有典型的非溢流坝段和溢流坝段，应分别计算。

（一）非溢流坝段的计算

表1 非溢流坝段稳定计算（抗剪强度公式）

由上表可见在各工况下抗滑稳定系数均大于允许值，满足要求。

表2 非溢流坝段稳定计算（抗剪断公式）

由上表可见在各工况下抗滑稳定系数均大于允许值，满足要求。

（二）溢流坝段的计算

对于溢流坝段，两种公式中参数的选取和非溢流坝段的相同，分坝顶溢流和不溢流两种情况分别计算。

1.坝顶不溢流情况

表3 溢流坝段坝顶不溢流时抗剪稳定安全系数计算表

表4 溢流坝段坝顶不溢流时抗剪稳定安全系数计算表

2.坝顶溢流情况

表5 溢流坝段坝顶溢流时抗剪稳定安全系数计算表

表6 溢流坝段坝顶溢流时抗剪稳定安全系数计算表

四、成果分析

通过以上的计算可以看到决定大坝抗滑稳定参数有三大点，即垂直合力、水平合力以及大坝与建基面连接面的参数值。此工程大坝接触面以上的垂直力主要来自坝体自重、扬压力、垂直的泥沙压力和上下游坝面的水重，接触面以上的总水平力包括上、下游水平静水压力、水平泥沙压力和浪压力。提高重力坝抗滑稳定理论上也就是从这些荷载入手。

（一）增强垂直合力的大小

通过改变拟定大坝的剖面尺寸增加大坝断面面积，从而增大自重。合理设置上下游坡度，可以增加上下游水重。伴随着垂直泥沙压力的增加也会导致水平泥沙压力的加大，对稳定是不利的，而且泥沙在坝前的堆积过多对影响坝的正常运行，泥沙压力对垂直合力的贡献可以不考虑。扬压力是重力坝要控制的一大问题，减少扬压力的大小可有效增加阻滑力。坝址区应尽量选择在透水性小的地基上。

（二）减少水平合力大小

水平合力主要由水位来决定，这是所处坝址区水文计算的结果，在稳定计算中基本上是一定的，水平泥沙压力这一项可以通过一些合理的排沙措施来解决。

（三） 增加f、f′和c′值

规范规定，f的最后选取应以野外和室内试验成果为基础，结合现场实际情况，参照地质条件类似的已建工程的经验等，由地质、试验和设计人员研究确定。所处地基基岩质量越好，f′、c′值越大，而且这些值对大坝尺寸有很大影响，所以坝址选择时应尽可能选择地质条件好的地基。

五、结束语

提高大坝的稳定性可从上述三点入手，增强总垂直合力的大小，减小水平合力大小，建基面选取在地质条件较好的地段，即抗剪摩擦系数较大，抗剪断摩擦系数和抗剪断凝聚力值都较大，应综合考虑各个因素以确保大坝的稳定。

（作者单位：四川大学水利水电学院 610065）