提高重力坝抗滑稳定的措施

李光平

(兴文县水务局，四川 兴文，644400)



提高重力坝抗滑稳定的措施

李光平

(兴文县水务局，四川 兴文，644400)

本文对重力坝抗滑稳定性进行了理论分析，阐明了重力坝的受力分析和抗滑稳定性不足的主要原因，并针对这些原因提出了增加重力坝抗滑稳定性的措施。

重力坝 抗滑稳定 措施

1 概述

重力坝因其对地形、地质及地基条件的要求低于拱坝及支墩坝，与其它坝型比较更适于在坝顶溢流和在坝身设置泄水孔，易于解决施工导流、渡汛和枢纽泄洪问题，并具有施工方便等优点，在水利工程中得到广泛的应用。

重力坝的抗滑稳定分析是重力坝设计中的一个重要内容，目的是核算沿坝基面或沿地基深层软弱结构面抗滑稳定的安全度。重力坝的失稳破坏过程是比较复杂的，理论分析、试验及原型观测结果表明，位于均匀坝基上的重力坝沿坝基面失稳机理是：首先在坝踵处基岩和胶结面出现微裂松驰区，随后在坝趾处基岩和胶结面出现局部区域的剪切屈服，进而屈服范围逐渐增大并向上游延伸，最后形成滑动通道，导致大坝的整体失稳。

重力坝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应力来抵消水压力所引起的拉应力，以满足强度要求，其荷载主要包括自重、水压力、扬压力及其它各种荷载。

2 重力坝抗滑稳定分析

重力坝滑动的基本形式为三种：坝基平面滑动、坝基沿岩体浅层滑动、坝基沿岩体深层滑动。

2.1 沿坝基面的抗滑稳定分析

图1 坝体抗滑稳定计算简图

(1)抗剪强度公式

(1)

式中：ΣW——接触面以上总铅直力；

ΣP——接触面以上的总水平力；

U——作用在接触面上的扬压力；

f——接触面间的摩擦系数；

Ks——抗滑稳定安全系数。

公式(1)是假设接触面为水平状态，当接触面倾向上游时，则

(2)

式中：β——接触面与水平面间的夹角。

从式(2)可以看出，当坝体与基岩接触面倾向上游时，对坝体抗滑有利；而当接触面倾向下游时，β为负值，使抗滑力减小，滑动力增大，对坝体稳定不利。

抗剪强度公式未考虑坝体混凝土与基岩间的凝聚力，而将其作为安全储备，因此相应的安全系数Ks不应定得过高。这里的Ks值只是一个抗滑稳定的安全指标，并不反应坝体的真实安全程度。

(2)抗剪断公式

(3)

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——作用在接触面上的扬压力。

从式(3)可以清楚看出，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，判断大坝是否稳定。

2.2 深层抗滑稳定分析

当坝基内存在不利的缓倾角软弱结构面时，在水荷载作用下，坝体有可能连同部分基岩沿软弱结构面产生滑移，所谓的深层滑动。

地基深层滑动情况十分复杂，失稳机理和计算方法还在探索中。设计时，首先要查明地基中的主要缺陷，确定失稳边界，测定失稳边界面上的抗剪强度参数，选择合理的计算方法并规定相应的安全系数，最后是选择提高深层抗滑稳定性的措施。

2.3 岸坡坝段的抗滑稳定分析

当靠近两岸岸坡坝段的坝基面是倾向河床的斜面或折面时，该坝段在上游水压力及坝体自重作用下，有向下游及河床滑动的趋势，在三向荷载作用下，使其抗滑稳定性不如河床坝段。

3 重力坝抗滑稳定性不足的主要原因

通过上述对重力坝抗滑稳定的分析可知，影响重力坝稳定的主要因素，为坝与地基或坝基内软弱夹层的抗剪强度指标、坝基扬压力、坝体所受垂直和水平荷载。其中，特别是地基的抗剪强度指标，由于变化范围极大，对重力坝的抗滑稳定性起着非常关键的作用。归纳起来，最常见的原因有以下几个方面：

(1)坝基地质条件不良，坝体建造于较差的地基上；

(2)设计时坝体断面过于单薄，自重不够，在水平推力作用下，使坝体上游面底部形成拉力裂缝，增大了扬压力，使坝体稳定性不够；

(3)施工时由于地基处理不彻底，开挖深度不够，将坝体置于强风化岩层上，使抗剪强度指标减小，而坝底扬压力却超过设计计算数值；

(4)由于各种原因造成防渗帷幕断裂漏水，或者由于管理不善而造成排水设备堵塞失效，这样将增大坝基渗透压力，减小坝体抗滑稳定安全系数。

综上，重力坝抗滑稳定性不足，往往是由于多方面原因综合造成的结果，采取措施增加坝体抗滑稳定性以前，应对造成抗滑稳定性不足的原因进行全面分析，针对具体情况，采取合理的处理措施，才能有效地增加坝体的抗滑稳定性。

4 提高坝体抗滑稳定性的措施

4.1 增加坝体所受铅直力ΣW

4.1.1 加大坝体剖面，增加坝体自重

当采用其它方法增加坝体抗滑稳定存在困难时，可采用加大坝体剖面，增加坝体自重的方法。加大剖面可从坝的上游面或从坝的下游面进行，从上游面加大剖面可增加坝体自重，又可增加坝面上的水重，同时还可以改善坝体防渗条件，而从下游面加大坝体剖面施工较为方便。

4.1.2 预应力锚索锚固措施

一般从坝顶钻孔到坝基，孔内放置钢索，将其下端锚入坝基内的完整岩层中，而在坝顶的另一端施加拉力，使钢索受拉，坝体受压，从而增加坝体的抗滑稳定。但实施此法应在坝体上游部位进行。下面例举一个成功的实例。

该坝锚固的垂直钻孔的直径为25.4cm，间距为4m，从坝顶穿过坝体深入到坝22m～24.5m的基岩内，在孔的底部扩大成2个直径为33cm的锚定段，高差约3m。锚索的钢束由630根镀锌钢丝组成，每根钢丝直径4.75mm，制作时，首先将钢丝切成适当长度，再冷拉到弹性极限，然后绑扎成钢束。钢束内包含有一根直径25.4mm的灌浆管，围绕管外预置630根涂有沥青的镀锌钢丝，并用韧性强钢绳捆扎，捆扎间距为50cm。钢束先用浸有沥青的帆布缠绕，将两层帆布分开，包括防锈层在内，钢束平均直径约20.3cm。钢束下端7m不加涂层保护，只在中间捆扎5圈韧性钢绳，而使捆扎圈的上下部分鼓出，与钻孔扩大部分相对应，以便锚固。在这一段上端设一水泥圈环，下端设一铁锥头，钢束自坝顶放入孔内后，通过灌浆管先用压力水冲洗，然后用1∶1水泥浆灌入，将下端没有防护层的7m一段锚入基岩内。

在钢束的顶端，将钢丝分散编结在坝顶的混凝土锚头内，然后每根钢丝用三台440t的千斤顶张拉，逐步拉到1100t，相当于沿每m坝长增加重力275t。根据多年观测，处理后效果良好，坝体稳定性大为提高，库水位比原水位提高3.05m，坝内钢丝的应力仅略为减少，个别钢丝的拉力虽然降低了3%，但采用千斤顶能很方便的恢复。

由于预应力锚固效果显著，目前各国使用预锚的大坝已约60座。我国1964年首次在梅山水泥坝肩采用，获得成功，以后又相继在陈村、双牌等工程采用，达到了加固坝肩和坝基的目的。

预锚加固时，除了可由坝肩钻孔预锚外，也可用预锚直接加固坝基。此时锚索可垂直于软弱夹层或倾向上游，这样锚索产生的垂直于软弱夹层的分力，可增加夹层上的正应力，增大软弱面的抗剪强度；平行于机构面的分力，则可直接阻止坝体沿软弱夹层滑动。软弱夹层埋藏较深，层数较多，下覆岩层坚硬完整时，采用预锚能获得最佳效果。

4.2 减少扬压力

扬压力对坝体的抗滑稳定有着极大的影响，减小扬压力作用较之增加坝体重力更为有效。因此，减小扬压力是增加坝基抗滑稳定性首先应考虑采用的措施，主要有以下三种方法。

4.2.1 补强帷幕灌浆

该方法既能减小扬压力，又能减小坝基渗漏，并保证坝基软弱夹层的渗透稳定。常用的灌浆材料为水泥浆，但对于软弱夹层和细微裂隙，应采用化学灌浆。例如我国陈村水电站，大坝为混凝土重力拱坝，坝高75m，坝基为志留系滨海沉积的砂页岩。大坝的第7#～17#坝段岩层，经多次构造运动产生了断裂，层间错动而且裂隙发育，深部多为细微裂隙，加以又有两大断层通过，使坝基单位吸水率ω达到(0.05～1.2)l/min·m。后经采用丙凝灌浆处理，才使所有孔段的ω均降至0.01l/min·m以下。其中，有92.5%的孔段，ω值小于0.005l/min·m。我省龚嘴水电站6#坝段、葫芦水库坝踵以下帷幕以及湖北丹江口水电站大坝岩基，均采用丙凝灌浆处理，收到显著效果。

4.2.2 加强坝基排水系统

在帷幕下游加强坝基排水系统，增加排水能力，是降低坝底扬压力最经济、最有效的措施。帷幕与排水配合使用，将更好保证坝基的抗滑稳定性。排水系统布置在坝体上游部分较为有效。

我国部分工程采用了“闭路式抽水减压排水系统”来减小扬压力，效果尤为显著。该方法是在帷幕后坝基内布置纵横排水幕，将坝基的渗水汇集于高程低于下游水位的集水井中，井内设水泵抽水排入下游。

在设计排水孔时应作成竖直的较好，便于观测和检查，而且孔又不易堵塞。也可把排水孔倾向下游10°左右，以保持帷幕与排水孔在坝基面上有一定的距离。常用的孔距为2m～3m，排水孔径为10cm～20cm，排水孔深为0.40～0.75倍的帷幕深度。经验证明，排水孔过浅，将不能很好地排除地基内的渗透水流，减小坝基扬压力。排水系统不仅能极大地减小坝基渗透压力，而且还可减小部分坝基浮托力，因此特别适用于下游水位变幅极大的河床大坝的坝基排水。

4.3 提高软弱夹层的抗剪强度指标

软弱夹层在力学性质上最大的特点之一就是抗剪强度极低，我国部分工程的试验结果，在不利情况下，其粘结力c常接近为零，而摩擦系数f多在0.2～0.25左右，极大地降低了增加坝体自重等加固措施的实际效果。因此，提高软弱夹层的抗剪强度指标，是增加坝基抗滑定的根本途径。

4.3.1 换基法

该方法是把坝基内对抗滑稳定不利的软弱夹层清除，而以混凝土替换回填，从而改变软弱夹层的力学性质，增大坝基的抗滑稳定性。

一般对坝基表面浅埋的软弱夹层多采用明挖换基方法，对于深埋的软弱夹层则采用洞挖换基方法。

4.3.2 坝踵深齿

该方法是将齿墙底部高程开挖至控制滑动面以下的完整基岩中，用齿墙切断软弱夹层，保证坝基的抗滑稳定性。

4.3.3 对于坝体与地基的连接，则可通过固结灌浆的措施加以改善

固结灌浆除了能加强坝体与地基结合，从而提高坝体的抗滑稳定性之外，还能增强基岩的整体性和弹性模数，增加地基的承载能力，减少不均匀沉陷的发生。并可辅助帷幕灌浆，加强地基与防渗帷幕的衔接，提高帷幕的效果。

4.3.4 增加尾岩抗力

(1)坝趾深齿。该方法是在坝趾下游修建深齿，增大尾岩抗力体高度，增加尾岩抗力，提高坝基的抗滑稳定性；

(2)坝趾预锚。在坝趾下游抗力体部分采取预锚措施，相当于在抗力体上增加荷载，有利于坝基的抗滑稳定；

(3)钢筋混凝土抗滑桩。在坝趾下游抗力体部分，于铅直方向布置钢筋混凝土桩，深入到控制滑动面以下完整岩层，利用桩所能承受的推力，加大尾岩抗力，可以增加坝基的抗滑稳定性。

4.3.5 其他措施

开挖坝基设计时，要考虑利用岩面的自然坡度，使坝基面倾向上游，有时有意将坝踵高程降低，使坝基面高程降低。但此方案将加大上游水压力，增加开挖量和混凝土浇筑量，故较少采用。当基岩比较坚固时，可开挖成锯齿状，形成局部的倾向上游的斜面，但能否挖成齿状主要取决于节理裂隙的产状。如葛洲坝二江泄洪闸，即将上游齿墙深入基岩13.5m，增加了泄洪闸的抗滑稳定性。

5 结语

总之，提高重力坝抗滑稳定的措施多种多样，工程上具体处理时，应根据坝址的地形条件，坝基的岩层情况，采取多种不同的措施，进行综合处理，以达到最佳效果。

〔1〕陆文海等.水工建筑物病害处理.成都：四川科学技术出版社，1985.

〔2〕祁庆和.水工建筑物.北京：中国水利水电出版社，1997.

〔3〕刘贻纣，汝效禹.水工建筑物的破坏及其原因分析.北京：中国工业出版社，1965.7.

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