王豐

（重慶同望水利水電工程設(shè)計(jì)有限公司 重慶渝北 401120）

關(guān)于新建水庫(kù)重力壩抗滑穩(wěn)定問(wèn)題分析

王豐

（重慶同望水利水電工程設(shè)計(jì)有限公司 重慶渝北 401120）

對(duì)于新建水庫(kù)的重力壩失穩(wěn)問(wèn)題，主要是由于工程勘測(cè)前期沒(méi)有對(duì)工程場(chǎng)地地質(zhì)情況進(jìn)行詳細(xì)的探查而導(dǎo)致的，其對(duì)水庫(kù)的安全性與穩(wěn)定性均會(huì)造成嚴(yán)重的損害。基于此，本文對(duì)新建水庫(kù)沿壩基面的抗滑穩(wěn)定、重力壩深層抗滑穩(wěn)定、岸坡壩段的抗滑穩(wěn)定進(jìn)行了詳細(xì)的分析。

新建水庫(kù)；重力壩；抗滑穩(wěn)定；問(wèn)題

1 引言

重力壩對(duì)地形、地質(zhì)以及地基條件的要求比拱壩、支墩壩等其它壩型要低，同時(shí)，還比其它壩型更適于在壩頂溢流和在壩身設(shè)置泄水孔，進(jìn)而較好的解決施工導(dǎo)流、渡汛和樞紐泄洪問(wèn)題。在重力壩的實(shí)際施工中，為了更好保證新建水庫(kù)的安全運(yùn)行，必須對(duì)其抗滑穩(wěn)定問(wèn)題進(jìn)行深入的探討。

2 新建水庫(kù)重力壩沿壩基面的抗滑穩(wěn)定分析

2.1 沿壩基面抗滑穩(wěn)定分析

2.1.1 抗剪強(qiáng)度公式

式中：ΣW-接觸面以上總鉛直力；ΣP-接觸面以上的總水平力；U-作用于接觸面上的揚(yáng)壓力；f-接觸面間的摩擦系數(shù)；Ks-抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。

公式（1）主要是假設(shè)接觸面為水平狀態(tài)，當(dāng)接觸面傾向上游時(shí)：

式中：β——接觸面與水平面間的夾角。

由式（2）可知，當(dāng)壩體與基巖接觸面傾向上游時(shí)，有利于壩體抗滑。當(dāng)接觸面傾向下游時(shí)，此時(shí)的β為負(fù)值，抗滑力減小，滑動(dòng)力增大，不利于壩體的穩(wěn)定。抗剪強(qiáng)度公式?jīng)]有對(duì)壩體混凝土與基巖間的凝聚力進(jìn)行全面的考慮，只是將其作為安全儲(chǔ)備，因此，對(duì)于相應(yīng)的安全系數(shù)Ks，不應(yīng)定得過(guò)高。此處的Ks值僅為一個(gè)抗滑穩(wěn)定的安全指標(biāo)，并不能真實(shí)的反映出壩體的真實(shí)安全程度。圖1為壩體抗滑穩(wěn)定計(jì)算簡(jiǎn)圖。

2.1.2 抗剪斷公式

圖1 壩體抗滑穩(wěn)定計(jì)算簡(jiǎn)圖

式中：Ks′-按抗剪斷強(qiáng)度計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f′-抗剪斷摩擦系數(shù)；C′-抗剪斷凝聚力；A-壩基截面積；P-接觸面以上的總水平力；U-作用于接觸面上的揚(yáng)壓力。

通過(guò)式（3）可知，抗剪斷公式實(shí)質(zhì)是用試塊的平均抗剪強(qiáng)度與壩底的平均剪應(yīng)力相比較，判斷大壩的穩(wěn)定性。

2.2 提高抗滑穩(wěn)定性的工程措施

由穩(wěn)定性分析計(jì)算公式可知，要想增大K值，可以采取多種措施，例如增加壩體的鉛直力ΣW值，減小揚(yáng)壓力U值，提高滑動(dòng)面的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)f值。對(duì)于有軟弱夾層的地基，應(yīng)當(dāng)增加尾巖抗體被動(dòng)抗力。同時(shí)，若是僅僅采取減小水平推力ΣP的方式來(lái)增加壩體的穩(wěn)定性，具有較大的困難。所以，此時(shí)可以采取以下工程措施來(lái)提高重力壩沿壩基面的抗滑穩(wěn)定性：①增大壩體剖面。具體來(lái)說(shuō)就是在上游面或是下游面加大剖面，以此來(lái)增加壩體的自重。在上游面增大剖面，可有效增加壩體自重以及垂直水重，進(jìn)而提高ΣW值，提高其抗滑穩(wěn)定性。②選用有利的開(kāi)挖輪廓線，當(dāng)進(jìn)行壩基的開(kāi)挖施工時(shí)，可利用巖面的自然坡度進(jìn)行，進(jìn)而使得壩基面傾向于上游。③在壩基面部位布設(shè)排水系統(tǒng)，增大壩基排水，減少揚(yáng)壓力，增大K值。④提高軟弱夾層的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。一般情況下，軟弱夾層的抗剪強(qiáng)度都較低，通過(guò)提高f值，可有效增加壩體抗滑穩(wěn)定性。

3 新建水庫(kù)重力壩深層抗滑穩(wěn)定分析

3.1 深層抗滑穩(wěn)定特點(diǎn)

3.1.1 深層抗滑穩(wěn)定安全度判據(jù)的多元性

當(dāng)壩體發(fā)生滑動(dòng)現(xiàn)象時(shí)，一般會(huì)帶動(dòng)滑裂面以上的巖體同時(shí)滑動(dòng)，在滑動(dòng)的過(guò)程中，其所受到的平衡影響因素是多元化的，所以，對(duì)于現(xiàn)有的深層抗滑分析，必須從不同的角度以及周邊的平衡元素進(jìn)行分析和斷定。具體包括：下游尾巖抗力體、軟弱結(jié)構(gòu)面、軟弱結(jié)構(gòu)面下部的基巖、隨壩體而動(dòng)的基巖、混凝土壩體。

此外，各個(gè)平衡因素從不同方面對(duì)現(xiàn)有的抗滑安全度都存在一定的影響，這就要求在進(jìn)行安全系數(shù)的計(jì)算時(shí)，需要對(duì)壩體、壩基、尾巖等應(yīng)力、位移等各類指標(biāo)進(jìn)行綜合性計(jì)算，只有這樣，才能真正形成多元性的考察以及安全度的評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有深層抗滑穩(wěn)定的評(píng)價(jià)有效性。

3.1.2 對(duì)下游尾巖抗力體的依賴性

當(dāng)壩基內(nèi)含有軟弱結(jié)構(gòu)面時(shí)，其必須要對(duì)下游尾巖抗力體提供支撐，具體來(lái)說(shuō)就是，當(dāng)自身穩(wěn)定安全系數(shù)小于1.0時(shí)，必然需要進(jìn)一步需求外部支持，以此來(lái)確保自身的穩(wěn)定性?；诖耍谠O(shè)計(jì)過(guò)程中，必須要對(duì)下游尾巖抗力體的支撐進(jìn)行充分的考慮，并高度重視對(duì)下游尾巖抗力體可靠性、地質(zhì)結(jié)構(gòu)的探查，然后還要對(duì)現(xiàn)有的壩基整體結(jié)構(gòu)以及外部承受力進(jìn)行有效結(jié)合，采取合理的尾巖抗力體的加固與防護(hù)措施，從本質(zhì)上確保壩基的穩(wěn)定性。

3.1.3 壩體連同壩基部分巖體同時(shí)滑動(dòng)

重力壩一般都是沿著建基面滑動(dòng)，也就是滑動(dòng)發(fā)生在兩種介質(zhì)的分界面上，滑動(dòng)體為人工均質(zhì)彈性體。就目前水利大壩建設(shè)情況來(lái)看，許多存在抗滑穩(wěn)定問(wèn)題的大壩幾乎都是因?yàn)槠渥陨韮?nèi)部結(jié)構(gòu)的脆弱性而導(dǎo)致建造過(guò)程中的缺陷?；诖?，為了避免、提升壩基部分巖體的穩(wěn)定性和自身承受力的合理性，必須要對(duì)包括混凝土和巖體兩種材料進(jìn)行合理的比例的混合，確保彼此之間能夠共同形成合力，提升滑動(dòng)體的應(yīng)力。

3.1.4 大壩滑動(dòng)通道具有特定性和多元性

當(dāng)壩基內(nèi)部存在軟弱結(jié)構(gòu)面時(shí)，由于其抗剪強(qiáng)度比基巖低，就形成了大壩沿該軟弱結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)的特定通道。同時(shí)，因其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及滑裂通道的多元性，要想真正實(shí)現(xiàn)自身穩(wěn)定性，就要對(duì)其中的組成物質(zhì)，填充部分、礦物成分進(jìn)行系統(tǒng)性的分析，并且還要進(jìn)一步尋找和分析滑裂組合通道自身的施工方式，積極采取合理的風(fēng)險(xiǎn)防范措施，更好的確保工程自身的安全性。

3.2 深層抗滑穩(wěn)定分析

當(dāng)壩基內(nèi)部存在一些不利的緩傾角軟弱結(jié)構(gòu)面時(shí)，通過(guò)水荷載作用，壩體極容易與部分基層沿軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)生滑移，也就是深層滑動(dòng)現(xiàn)象。地基深層滑動(dòng)現(xiàn)象非常復(fù)雜，目前，其失穩(wěn)機(jī)理與計(jì)算方式依舊沒(méi)有最終的結(jié)論。所以，在進(jìn)行此方面設(shè)計(jì)時(shí)：①需要對(duì)地基中存在的主要的缺陷進(jìn)行詳細(xì)的分析，以此來(lái)確定失穩(wěn)邊界，同時(shí)還要對(duì)失穩(wěn)邊界面上的抗剪強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格的測(cè)定。②要選擇適宜的計(jì)算方法及相應(yīng)的安全系數(shù)，積極采取提高深層抗滑穩(wěn)定性的措施。

對(duì)于深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算，主要如下：

（1）單斜面深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算

一般情況下，地基內(nèi)僅存在一個(gè)軟弱面，所以，在進(jìn)行穩(wěn)定分析時(shí)，需要將軟弱面以上的壩體和地基作為壩體，并按照式（2）與式（3）來(lái)計(jì)算壩體沿軟弱面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)Ks。

（2）雙斜面深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算

大多數(shù)工程內(nèi)通常都有多條相互切割交錯(cuò)的斷層或是軟弱夾層，其共同形成了復(fù)雜的滑動(dòng)面。在此情況下，當(dāng)進(jìn)行深層抗滑穩(wěn)定分析時(shí)，需要對(duì)幾個(gè)可能的滑動(dòng)通道進(jìn)行仔細(xì)的驗(yàn)證與計(jì)算，進(jìn)而找出其中最不利的滑動(dòng)面組合，以此來(lái)計(jì)算其抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。

對(duì)于此時(shí)采用的計(jì)算方法，主要包括剩余推力法、被動(dòng)抗力法、等安全系數(shù)法。對(duì)于前兩種計(jì)算方法，主要是在一個(gè)區(qū)處于極限平衡狀態(tài)之后，也就是該區(qū)域的K=1時(shí)，推算出另外一個(gè)區(qū)的K值要大于等安全系數(shù)法，由此可知，等安全系數(shù)法更加合理。

3.3 提高深層抗滑穩(wěn)定的措施

①在壩踵部位設(shè)齒墻，并將較淺的軟弱面切斷，這樣一來(lái)，可增大滑動(dòng)體的重量以及抗滑體的抗力。②在壩趾部位設(shè)置齒墻，此方法可使得抗力體的作用得到充分的發(fā)揮，并且還能改善壩踵應(yīng)力，提高抗剪能力。③采取帷幕灌漿、固結(jié)灌漿、斷層和軟弱夾層處理等措施，全面加固地基。④采取預(yù)加應(yīng)力措施，也就是在靠近壩體上游面部位，采用深孔錨固高強(qiáng)度鋼索，并且施加預(yù)應(yīng)力，這樣一來(lái)，不僅能夠增強(qiáng)壩體抗滑穩(wěn)定性，還能夠消除壩踵拉應(yīng)力。

4 新建水庫(kù)重力壩岸坡壩段的抗滑穩(wěn)定分析

4.1 岸坡壩段抗滑穩(wěn)定分析

當(dāng)鄰近兩岸岸坡壩段的壩基面傾向于河床的斜面，或者是折面時(shí)，在壩體受到上游水壓力與壩體自重作用之后，滑梯有向下游河床滑動(dòng)的趨勢(shì)。同時(shí)，通過(guò)三向荷載作用，導(dǎo)致其抗滑穩(wěn)定性低于河床壩段。此時(shí)選取鄰近岸坡的一個(gè)壩段作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，設(shè)岸坡傾角為θ，壩段總重為W，壩基面上的揚(yáng)壓力為U，上游壩面水壓力為P，壩基面的抗剪強(qiáng)參數(shù)或抗剪斷參數(shù)為f或f′和C′，滑動(dòng)面面積為A。做好上述工作之后，將自重W分解為對(duì)滑動(dòng)面的法向分力N=Wcosθ和切向分力T=Wsinθ，然后將切向分力和水壓力合成為s，則此情況下，岸坡壩段的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為：

4.2 提高抗滑穩(wěn)定的措施

通過(guò)上述Ks計(jì)算公式可知，要想增大Ks（K′s），就必須增大N、減小U 和 T。但因 N=Wcosθ、T=Wsinθ，這就表示，θ 越小 N 越大，T 越小，所以，通過(guò)減小岸坡傾角θ的方式，可以增大N、減小T。此外，通過(guò)采取將岸坡開(kāi)挖成臺(tái)階的方式，可實(shí)現(xiàn)提高岸坡壩段抗滑穩(wěn)定性的目的。此外，對(duì)鄰近岸坡區(qū)域的壩段橫縫進(jìn)行局部的或者是全部的灌漿施工，可有效提高其穩(wěn)定性。通過(guò)帷幕灌漿，可大幅降低岸坡壩段的揚(yáng)壓力U，進(jìn)而增大抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)Ks。

5 結(jié)語(yǔ)

總之，水利工程在我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮著重要作用，必須重視其運(yùn)行安全性問(wèn)題。以重力壩為例，在大壩施工中需做好相應(yīng)的抗滑穩(wěn)定性分析，并制定針對(duì)性的處理措施，以保證工程后期運(yùn)行可靠性，實(shí)現(xiàn)其社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)效益的最大化發(fā)揮。

[1]黃耀英，沈振中，鄭宏.重力壩深層抗滑穩(wěn)定分析中揚(yáng)壓力施加方法[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2013（30）：112～117.

[2]吳杰芳，張林讓，陳震.混凝土重力壩深層抗震抗滑穩(wěn)定分析研究[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2010（27）：58～61.

[3]陳祖煜，徐佳成，孫平，等.重力壩抗滑穩(wěn)定可靠度分析：（一）相對(duì)安全率方法[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2012（31）：148～159.

TV642

A

1004-7344（2016）02-0108-02

2016-1-3

王豐（1985-），男，工程師，大學(xué)本科，主要從事水利水電工程設(shè)計(jì)工作。