重力坝稳定分析方法及提高坝体抗滑稳定的工程措施

重力坝的稳定性

汪祥胜 3008205112（46）

前言：

重力坝是世界出现最早的一种坝型，早在2900年前在埃及就出现了最早的重力挡水坝。随着我国重力坝建设的繁荣，数量的增多和高度的不断提升，使得对稳定分析有着重要的理论和实践意义。大坝的稳定性直接关系到大坝安全性和人民群众的生命财产息息相关，而此次实习的三峡和向家坝皆是重力坝的代表杰作，通过实习定能从深层次上了解有关大坝稳定性的相关问题，包括什么是重力坝，重力坝稳定的意义，其稳定性分析方法和提高坝体抗滑稳定性的工程措施及在实际中的应用情况和应注意的问题。

一．什么是重力坝

1. 重力坝是由砼或浆砌石修筑的大体积档水建筑物，其基本剖面是直角三角形，整体是由若干坝段组成。

重力坝在水压力及其他荷载作用下，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力来抵消由于水压力所引起的拉应力以满足强度要求。

2. 优缺点：

重力坝优点：重力坝之所以得到广泛应用, 是由于有以下优点：①相对安全可靠, 耐久性好，抵抗渗漏、洪水漫溢、地震和战争破坏能力都比较强；②设计、施工技术简单，易于机械化施工；③对不同的地形和地质条件适应性强，任何形状河谷都能修建重力坝，对地基条件要求相对地说不太高；④在坝体中可布置引水、泄水孔口，解决发电、泄洪和施工导流等问题。

重力坝缺点：①坝体应力较低，材料强度不能充分发挥；②坝体体积大，耗用水泥多；③施工期混凝土温度应力和收缩应力大，对温度控制要求高。

3. 工作原理；重力坝在水压力及其它荷载作用下必需满足：

A 、稳定要求：主要依靠坝体自重产生的抗滑力来满足。

B 、强度要求：依靠坝体自重产生的压应力来抵消由于水压力所引

起的拉应力来满足。

4. 重力坝类型：

重力坝按筑坝材料的不同分为:混凝土重力坝和浆砌石重力坝。

重力坝按其结构形式分为:①实体重力坝; ②宽缝重力坝；③空腹重力坝。 重力坝按泄水条件可分为非溢流坝和溢流坝两种剖面。

实体重力坝因横缝处理的方式不同可分为三类。①悬臂式重力坝：横缝不

设键槽，不灌浆；②铰接式重力坝：横缝设键槽，但不灌浆；③整体

式重力坝：横缝设键槽，并进行灌浆

二．稳定性分析方法：

1. 抗滑稳定分析的目的是核算坝体沿坝基面或沿地基深层软弱结构面抗滑稳定的安全度。当岸坡坝段地形陡峻时，还需核算这些坝段在三向荷载作用下的抗滑稳定。

2. 重力坝滑动失稳模式极其计算方法

重力坝可能沿坝基平面滑动，也可能沿地在中缓倾角断层或软弱夹层滑动。我国修建了大中型重力坝100余座，其中有1/3存在深层滑动问题。

（一）沿坝基面的抗滑稳定分析

假定坝体与坝基的连接有三种物理模式:

“触接”、

“粘接”、

“咬接”

单一的安全系数法：

（1）抗剪强度公式（摩擦公式）

a 、滑动面水平面时：

b 、滑动面倾向上时：

本公式不考虑凝聚力，偏于安全，凝聚力作为安全储备，所以规定的安全系数较低。

摩擦系数f 的选取问题

一般由若干组试验确定。但由于试验岩体自身的非均匀性质和每次试验条件不可能完全相同，导致试验成果具有较大的离散性，如何选用试验值，还值得研究。

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。

根据国内外已建工程的统计资料，混凝土与基岩的f 值常取在0.5～0.8之间。

摩擦系数的选定直接关系到大坝的造价与安全，f 值愈小，要求坝体剖面愈大。以新安江为例，若f 值减小0.01，坝体混凝土方量增加2万m3。

（2）抗剪断公式

1、假定：认为砼与基岩接触良好，直接采用接触面上的抗剪断参数f ′和c ′。

2、公式：

3、 安全系数Ks’,设计规范规定：不分等级

基本荷载组合：采用3.0

特殊荷载组合：（a ）采用2.5；

（b ）采用不小于2.3。

本公式既考虑了抗剪断摩擦力，又考虑了滑动面上的凝聚力，比较符合实际情况。

抗剪断参数的选定

对于大、中型工程，在设计阶段， f ′,c ′应由野外及室内试验成果决定。在规划和可行性研究阶段，可以参考规范给定的数值选用。规范规定如下：

Ⅰ类基岩——很好的岩石，

f ′ ＝1.2～1.5, c ′＝1.3～1.5Mpa

Ⅱ类基岩——好的岩石，

f ′ ＝1.0～1.3, c ′＝1.1～1.3Mpa

Ⅲ类基岩——中等的岩石，

f ′ ＝0.9～1.2, c ′＝0.7～1.1Mpa

Ⅳ 类基岩——较差的岩石，

f ′ ＝0.7～0.9, c ′＝0.3～0.7Mpa

上述结果不包括基岩内有软弱夹层的情况；同时，胶结面的f ′,c ′值不能高于混凝土的f ′,c ′；对于Ⅰ、Ⅱ类基岩，如果建基面做成较大的起伏差，可采用混凝土的抗剪断参数。

（二）深层抗滑稳定分析

深层滑动：地基内往往存在着较弱夹层或缓倾角断层，坝体挡水后，有可

能沿这些薄弱面产生滑动，就叫做深层滑动。

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，即所谓的深层滑动。

地基深层滑动情况十分复杂，失稳和计算方法还在探索之中。在设计中，应该:查明地基中主要缺陷，确定失稳边界，测定抗剪强度参数；选择合理的计算方法，并规定相应的安全系数；选择提高深层稳定性的措施，满足安全系数。

常见的重力坝深层抗滑稳定的破坏类型：

（1）沿滑裂面剪切破坏

坝基内有单斜滑动或能构成双斜滑动的软弱结构面，在水平荷载作用下将沿软弱结构面产生剪切破坏。上有坝踵处一般为拉裂破坏。

（2）下游尾岩挤压破坏

当坝基内有倾向下游的缓倾角软弱结构面时，下游尾岩内无倾向上游的缓倾角软弱结构面时，下游尾岩内无倾向上游的缓倾角结构面，则构不成天然的双斜滑动面。

（3）下游尾岩抗力体隆起破坏

坝基内软弱结构面与上述两种情况相同，但尾岩为层状岩石，岩性坚硬且比较完整。在水平荷载作用下，尾岩上部产生拉力区，岩体表部产生向下的位移，即发生隆起破坏。因支撑的尾岩抗力体失稳，最终导致坝体基础产生过大的向下游的位移而失稳。

当坝基岩体内存在着不利的软弱夹层或缓倾角断层时，坝体有可能沿着坝基软弱面产生深层滑动。

计算时选择几个比较危险的滑动面进行试算，然后做出比较分析判断。 目前尚无成熟的方法：

（1）单斜面深层滑动的计算

（2）双斜面深层滑动

单斜面深层滑动的计算

软弱面上抗剪强度很低，其稳定计算应采用抗剪强度公式：

式中：β为滑动面与水平面间的夹角

U 为作用在滑动面上的扬压力

当滑动面倾向上游时， β为正，增加了抗滑力，减少了滑动力，对坝体稳定有利；当滑动面倾向下游时，β为负，使抗滑力减小，滑动力增大，对坝体稳定不利。

（三）岸坡坝段的稳定分析

重力坝岸坡坝段的基面是一个呈台阶状的倾斜面。

坝体在重力作用下有沿岸坡下滑的趋势，同时又受坝体上游面水压力的作用，构成三维受力。

首先将铅直方向的合力沿岸坡方向分解，然后在滑动面上采用抗剪强度公式和抗剪断强度公式计算安全系数。

岸坡坝段抗滑稳定分析

三．提高重力坝坝体抗滑稳定性的工程措施有哪些?

首先，要选好坝基，坝基的岩石地质构造要求：微风化、新鲜，产状以倾向上游为佳，若坝基岩石质量不理想，还要进行地基处理，使其承载力及应变满足规范要求，如进行固结灌浆。

其次，坝体横截面设计要经过计算，即抗滑稳定计算，安全系数要满足规范要求，如果仅为提高重力坝的抗滑稳定性，那么可把截面做大一些，这样坝体就重，相应的抗滑力就大，抗滑力由坝体自重和坝体混凝土与坝基的摩阻力、粘结力构成。

第三、确保坝基处理、混凝土的施工质量。

当然，设计时必须进行计算，计算时各参数取值要合理或偏保守一些，这样才能确保重力坝的抗滑稳定。

具体措施有：

（1）利用水重 （2）将坝基面开挖成倾向上游的斜面

（3） 横缝灌浆 （4）抽水措施

（5）加固地基

（6）设置齿墙 （7）预应力锚固措施

四．预期成果

这次实习的目的地三峡和向家坝皆是重力坝，能从现场了解到它们的稳定分析方法以及提高坝体抗滑稳定的具体工程措施，和每项水工建筑物的具体作用。我想，能从一个客观的角度了解到坝体稳定性的具体内容，也能从宏观上去理解什么是稳定性分析的意义所在。