高拱坝坝肩岩体稳定性控制效应分析

慈红卫

(黑龙江省红兴隆垦区江川水利建筑有限公司，黑龙江桦川154302)

拱坝是在平面上呈凸向上游的拱形挡水建筑物，借助拱的作用将水压力的全部或部分传给河谷两岸的基岩。与重力坝相比，在水压力作用下坝体的稳定不需要依靠本身的重量来维持，主要是利用拱端基岩的反作用来支承。拱圈截面上主要承受轴向反力，可充分利用筑坝材料的强度。因此，是一种经济性和安全性都很好的坝型。

1 坝肩岩体的结构与稳定性

拱坝所座落的构岸岩体部分，包括两岸坝体直接浇筑的部位和上下游一定范围内的岩体称为拱座(坝肩)。坝肩部位的岩休与其他岩体一样，是由各种地质结构面所切割的不同形态、不同大小结构体的综合体，是结构体和结构面两部分组成的不连续介质。结构面是指在地质发展中，在岩体内形成的具有一定方向、一定规模、一定形态和特征的面、缝、层、带状地质界面。由于结构面是岩体中力学性质薄弱的部位，因此，在很大程度上，结构面决定着岩体的结构特征和力学性质，其在坝肩岩体的稳定性评价中具有重要的意义。

坝肩岩体的稳定性除了受上述自身的工程地质因素影响外，其他影响因素还有地形条件、水文地质条件、受力条件、枢纽布置、泄洪方式、坝体体型、施工方法等。

作用在坝肩上的空间力系有岩体自重、渗透水压力、岩体内的地应力及地震力等。坝肩岩体在上述空间力系作用下的稳定性问题包括:抗滑稳定、变形稳定及渗透稳定，但在进行坝肩稳定性分析评价时，通常是对坝肩岩体稳定的综合分析评价。

2 坝肩岩体的稳定分析方法

高拱坝坝基岩体动力稳定性分析是高拱坝抗震研究的主要内容之一，对坝肩岩体稳定性进行合理的分析评价，一直是坝工界所关心的问题。分析评价的方法很多，按力学模型可分为刚性体方法及变形体方法，变形体方法又可分为连续介质分析方法和非连续介质分析方法;按坝肩稳定安全度评价方法中是否考虑影响因素的不确定性可分为确定性方法及不确定性分析法;此外，地质力学模型试验目前也广泛应用于坝肩岩体稳定分析评价。

2.1 刚性体方法

2.1.1 刚体极限平衡法

刚体极限平衡法假定坝肩岩体的可能滑动块为不发生变形的刚体，不考虑刚体上作用力引起的转动作用(即弯矩的影响)，在极限状态下建立平衡方程，以抗滑力与滑动力之比作为稳定安全系数，以此安全系数判断可能滑动块是否失稳。采用刚体极限平衡法进行坝肩岩体抗滑稳定分析时，按是否考虑滑裂面的凝聚力，可以分为剪摩和纯摩两种情况。

刚体极限平衡法是一种传统的稳定分析方法，也是现行规范。规定采用的方法，是目前唯一一种安全系数取值有规范可依的坝肩岩休稳定分析法。此法虽然作了许多简化，但由于具有丰富的工程经验，因此，目前仍是拱坝坝肩稳定分析的主要方法之一。这种方法只能对某种整体欠稳状态从极限平衡观点出发作出一个笼统的安全度估计，而不能确定各部位的应力、变位、失稳机理以及发展过程;另外由于此法采用假定较多，特别是采用的岩体力学模型为刚塑性模型，与岩体实际力学行为不符，这也是其在坝肩稳定分析中的不足之处。

2.1.2 块体理论

块体理论首先由石根华于20世纪70年代提出，并在随后得到了迅速发展。块体理论完全是三维分析，其基本方法是:首先将岩体的结构面和临空面看成空间平面，将岩体结构体看成凸体，将各种作用荷载看成空间力向量，应用几何方法(拓扑学和集合论)研究在已知空间平面的条件下，岩体内将构成多少种块体类型及其可动性，排除所有不可动块体;再通过运动学分析，找出工程作用力和自重作用下的所有可能失稳的块体，然后根据滑动面的物理力学特性，确定出临空面上所有的失稳块体，即关键块体。在确定了关键块体的滑动模式、滑动而及滑动方向后、进行稳定性计算。

目前，块体理论在边坡稳定分析及地下洞室围岩稳定分析中应用较多，在拱坝坝肩稳定分析中尚未见诸报导。

2.2 变形体方法

将高拱坝坝肩岩体视为连续变形介质或不连续变形介质，应用多种变形体数值分析方法，求解出坝肩岩体的应力场、位移场，进而从极限平衡的观点出发进行稳定性分析并得出坝肩岩体的稳定安全度是目前分析坝肩岩体稳定的变形体方法。用于坝肩岩体变形分析的数值方法很多。可分为如下几种方法，但必须指出的是，下述方法本身并不能独立完成对坝肩岩体的稳定性分析与评价，与相关稳定性分析方法的结合使用才能完成对坝肩岩体的稳定性分析评价。

2.2.1 有限元法(FEM)

有限元法是一种基于连续介质力学的数值分析方法，自上世纪中叶发展至今，已经相对成熟，并已在拱坝坝肩岩体的稳定分析中得到广泛应用。现行《混凝土拱坝设计规范》中规定“拱座抗滑稳定的数值计算方法以刚体极限平衡法为主。1、2级拱坝或地质情况复杂的拱坝还应辅以有限元法或其它方法加以分析”。明确了有限元法在拱坝坝肩稳定分析中的应用。

有限元法将坝和坝基作为各种本构关系下的变形体，可以在分析中将应力、变形和稳定统一起来进行计算，可以了解拱坝坝肩破坏的过程和机理并给出各种情况下的安全度。采用有限单元法能够充分考虑岩体不同区域材料的力学特性、坝肩岩体构造的复杂性并且能够一次算出稳定安全系数。另外，在分析过程中，可以得到危险滑移面上应力、应变及稳定安全系数的变化规律，定量的指出最危险区域的位置。但同时也应注意，有限元法的计算精度受单元划分的疏密程度和单元特性的影响。另外，有限元法计算结果的可靠程度取决于采用的计算模型及计算参数。在进行坝肩稳定分析时，如何合理地模拟坝肩岩体地质构造及采用合理计算模型和计算参数是在用有限无法分析坝肩稳定时需要着重考虑的问题。

2.2.2 离散元法(DEM)

离散元法是专门用来解决不连续介质问题的数值模拟方法。该方法把节理岩体视为由离散的岩块和岩块间的节理面所组成，允许岩块平移、转动和变形，而节理面可被压缩、分离或滑动。因此，岩体被看作一种不连续的离散介质。其内部可存在大位移、旋转和滑动乃至块体的分离，从而可以较真实地模拟节理岩体中的非线性大变形特征。

目前，离散元法主要应用于边坡工程、地下工程及岩体的动力稳定性分析。

2.2.3 块体单元法

块体单元法是以块体单元的刚体位移作为基本知量，并根据它们在外力作用下的平衡条件、变形协调条件及块体之间夹层材料的本构关系，建立起块体单元法的支配方程，用于确定块体单元的刚体位移及夹层材料的应力状态。该法特别适用于具有地质结构面岩体的稳定分析。块体单元法除了考虑岩块之间的相互作用和平衡外，还同时研究了岩块之间结构面材料的本构关系，可以考虑它的弹性、弹塑性及黏塑性。岩块本身可视为刚体或弹性体。

2.2.4 刚体弹簧元法

刚体弹簧元模型是把结构划分为一些由分布在接触面上的弹簧系统连接在一起的刚性单元的集合。刚体元本身不发生弹性变形，因此结构的变形能完全储存在接触面的弹簧系统中。刚体元的优势在于可用于模拟不连续变形，且计算相对简洁。传统有限元强调几何协调性，这种模型常常不易用于模拟错动等岩石变形特点。为此，必须在有限元计算中加入夹层元。刚体元放松了单元间界面位移协调性，可方便地用于模拟岩层错动。在分析中可以直接求出交界面上的面力，故而可以方便地求得总的下滑力及总的阻滑力，进而求得任意给定的可能滑动面抗滑安全系数。刚体元的这个优点使得最危险滑动块体的搜索成为可能，为坝肩稳定性评价提出一种新方法。目前，刚体弹簧元法已被应用到拱坝坝肩稳定分析中。

总之，现阶段高拱坝坝肩稳定分析多采用“安全系数”来定义其安全程度，这难以反映其实际的安全度，而且不同的稳定分析方法一般得到不同的结果。如何科学定义高拱坝坝肩稳定安全度，是今后研究工作应着重考虑的问题。

[1]宋战平，李宁，陈飞熊.高拱坝坝肩裂隙岩体的三维非线性抗震稳定性分析[J].岩土工程学报，2004(03).

[2]张伯艳，陈厚群，杜修力，张艳红.拱坝坝肩抗震稳定分析[J].水利学报，2000(11).