基于不同标准的重力坝抗滑稳定对比分析

李志刚

（甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，甘肃 兰州 730000）

1 问题的提出

重力坝是水利水电工程中最重要的典型坝型之一，其结构型式简单，地形地质条件适应性强，在工程实践中得到广泛应用。坝基抗滑稳定分析是重力坝设计中的一项关键工作，关系着大坝的长久安全与稳定。根据行业不同，国内目前有2 种重力坝设计规范，分别为水利行业SL 319—2018《混凝土重力坝设计规范》[1]和能源行业NB/T 35026—2014《混凝土重力坝设计规范》[2]，二者存在诸多异同之处。工程设计人员如何选取适合的规范以便能更好地指导设计工作，或是由于选用规范不同，出现计算成果不尽一致的情况时该如何应对，都是工程设计实践中经常会遇到的问题。

2 不同规范抗滑稳定控制标准

2.1 安全系数表达方式

对于重力坝抗滑稳定安全系数的表达方式，SL 319—2018 采用抗剪断或抗剪公式，判别标准采用的是抗滑稳定安全系数K′或K，此方法较为直观，易于设计人员理解，可以在一定程度上表征坝体的安全度，在水利行业应用多年，具有良好的应用基础[3]；NB/T 35026—2014 采用基于概率统计理论的可靠度分析方法，采用抗剪断公式，以分项系数极限状态法代替单一安全系数法，此方法理论依据科学，从随机性和不确定性角度出发，考虑影响坝体诸多因素的贡献度[4-6]。

2.2 坝基抗滑稳定计算方法及判别标准

SL 319—2018 采用抗剪断强度公式（1）或抗剪强度公式（2）计算坝基面抗滑稳定安全系数。

2.2.1 抗剪断强度计算

抗剪断强度计算公式：

式中：K′为按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数；f′为坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断摩擦系数；c′为坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断凝聚力，kPa；A为坝基接触面截面积，m2；∑W为作用于坝体上全部荷载对滑动面的法向分值，kN；∑P为作用于坝体上全部荷载对滑动面的切向分值，kN。

2.2.2 抗剪强度计算

抗剪强度计算公式：

式中：K为按抗剪强度计算的抗滑稳定安全系数；f为坝体混凝土与坝基接触面的抗剪摩擦系数。

2.2.3 抗滑稳定安全系数的规定

坝基面抗滑稳定安全系数见表1。按抗剪断强度公式和抗剪强度公式计算的坝基面抗滑稳定安全系数K′和K值分别不应低于表1 中规定的数值。

表1 坝基面抗滑稳定安全系数表

NB/T 35026—2014 采用概率极限状态设计原则，以分项系数设计表达式进行结构计算。对基本组合，采用式（3）所列极限状态设计表达式：

式中：γ0为结构重要性系数，对应于结构安全级别为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级的结构及构件，可取1.10、1.05、1.00，ψ为设计状况系数，对应于持久设计状况、短暂设计状况、偶然设计状况，可分别取1.00、0.95、0.85；S（·）为作用效应函数；R（·）为结构及构件抗力函数；γG为永久作用分项系数；γQ为可变作用分项系数；GK为永久作用标准值；QK为可变作用标准值；aK为几何参数的标准值；fK为材料性能的标准值；γm为材料性能分项系数；γd为结构系数；η为抗力作用比系数。

对偶然组合，应采用下列极限状态设计表达式：

式中：AK为偶然作用代表值。

采用刚体极限平衡法进行重力坝抗滑稳定计算时，分别计算基本组合和偶然组合，应满足：

式（6）～（7）中：∑PR为坝基面上全部切向作用之和，kN；∑WR为坝基面上全部法向作用之和，kN3；fR′为坝基面抗剪断摩擦系数；cR′为坝基面抗剪断凝聚力，kPa。

3 工程实例应用

国内某水电站工程主要任务是发电，中型III 等工程，主要建筑物级别为3 级，由枢纽工程、引水系统及发电厂房3 部分组成，水库正常蓄水位及设计洪水位均为2 002.0 m，校核洪水位2 004.0 m，坝顶高程2 005.0 m，最大坝高45.0 m，总库容1 741 万m3。枢纽挡水建筑物为闸坝结合型式，从左至右依次为左岸截渗墙、左岸挡水坝、泄洪冲砂闸、溢流坝和右岸碾压砼坝等建筑物，坝基区岩石为白垩系下统碎屑岩层，以砂质黏土岩为主，夹有砾岩、砂岩和黏土岩。工程于2003 年12 月开工建设，2005 年12 月水库开始初期蓄水，2006 年8 月工程完成竣工。原设计按地震烈度Ⅶ度设防，根据GB 18306—2015《中国地震动参数区划图》，该工程地震基本烈度提高至Ⅷ度，大坝按Ⅷ度设防。大坝枢纽上游立视见图1。

图1 大坝枢纽上游立视图 单位：mm

本次计算选取左岸挡水坝段、泄洪冲砂闸坝段、溢流坝段及右岸挡水坝段等主要坝段，按正常蓄水位工况、校核洪水位工况、地震工况3 种组合，对各坝段整体进行计算，荷载组合见表2，计算结果见表3。

表2 荷载组合表

表3 坝基抗滑稳定计算结果表

根据计算结果，基于水利行业SL 319—2018，各主要坝段坝基抗滑稳定计算无论采用抗剪公式还是抗剪断公式，均满足规范要求。各坝段在不同工况下，随着工况条件的趋于严苛，安全系数K和K＇均呈现递减趋势，能比较形象地表征安全度的降低特点。

基于能源行业NB/T 35026—2014，总共有5个坝段地震工况下坝基抗滑稳定抗力作用比系数η小于1.0，不满足规范要求，分别为左岸挡水坝段（0-025～0+000 m）、泄洪冲砂闸坝段（双孔）和右岸挡水坝桩号0+085～0+140 m 之间的3 个坝段；其他坝段η值均大于或等于1.0，满足规范要求。各坝段在不同工况下，随着工况条件的趋于严苛，抗力作用比系数η呈现出先升高后下降的趋势，分析其原因，应该与NB/T 35026—2014 采用的各分项系数，即结构重要系数γ0、设计状况系数ψ、作用分项系数（γG、γQ）、材料分项系数γm和结构系数γd等有关。设计状况系数ψ在偶然状况下校核洪水位情况和地震情况的值为0.85，而在持久状况下正常蓄水位情况的值为1.00，由此产生了抗力作用比系数η呈现先升高后降的态势。

本工程实例中个别坝段在地震工况下基于SL 319—2018 和NB/T 35026—2014 得出的结论存在不尽一致的情况。从工程本身查找原因，或是由于工程原设计按Ⅶ度地震设防，当时设计冗余度略显单薄，当地震设防烈度提高至Ⅷ度时，地震工况的设计冗余更显勉强，坝基抗滑稳定安全系数K和K′超过规范要求的程度较低，基本处于临界状态，这种情况下，基于不同规范很可能出现不一致甚至相反的结论。

4 结 语

本文基于水利行业SL 319—2018 和能源行业 NB/T 35026—2014 的2 种混凝土重力坝设计规范，分别对某水电站工程重力坝坝基抗滑稳定进行计算，经过比对分析计算成果，得到如下结论：

（1）SL 319—2018 采用单一安全系数法，此方法在水利行业应用多年，积累了丰富的设计经验，概念清晰明了，易于设计人员理解，在一定程度上可表征坝体的安全度，具有良好的应用基础。该规范采用抗剪公式和抗剪断公式时，其满足规范的冗余度也有所不同，总体来讲，采用抗剪公式的冗余度要高于采用抗剪断公式，换言之，采用抗剪公式更容易满足规范要求。

（2）NB/T 35026—2014 规范基于可靠度设计原理，采用分项系数法，各参数取值较为繁琐，不利于工程师在设计实践中的应用，从计算结果来看，也无法较直观地体现出概化的易于设计人员理解的安全度内涵，在工程实践中的应用相对不是十分广泛。

（3）工程实践中，对于重要工程的重力坝坝基抗滑稳定计算，设计人员一般会按不同标准规范分别进行验算。从工程经验来讲，多数情况下，2个规范计算结果的一致性能够得到保证。但由于不同工程的差异性，个别情况下，当存在2 个规范结论不尽一致时，从安全角度考虑，笔者认为按最不利的控制比较合适。