土基重力坝的地基防渗与抗滑稳定问题

第22卷第4期　　　　　　　　　　　　　　　Vol. 22, No. 4人　民　黄　河　　　　　　　　　　　　　　

2000年4月　　　　　　　　　　　　　　　　YELLOW RIV ER 　　　　　　　　　　　　　Apr. ,2000

【水利水电工程】

土基重力坝的地基防渗与抗滑稳定问题

张立华1, 程素珍1, 郑连成2

(1. 山东省水利科学研究院, 山东济南　250013;2. , )

摘　要:对中小型水利工程而言。结合工程实例, 就土基上重力坝的、土压力的选用以及为提高土基上重力坝的抗滑稳定可采用的有效措施。

关　键　词:重力坝; 土基; 防渗; 抗滑稳定

中图分类号:TV641. 3+2; TV223. 6; TV223. 4+1　　　文献标识码:A　　　文章编号:1000-1379(2000) 04-0034-02　　在我国, 重力坝通常是建在岩基上, 土基上建重力坝较为少见, 在教科书中也很少论述, 设计规范更没有涉及。但是在实际工程中, 经常遇到坝基河床为深度较大的覆盖层, 如将覆盖层清除再建重力坝是很不经济的。对于中小型工程, 若选用土石坝, 则泄洪结构布置与施工导流问题解决起来难度又较大。这种条件下, 在土基上建重力坝可能是一条出路, 它较上两种方案在经济上是合理的, 只有技术上的有关问题需进一步研究。土基上建重力坝需要研究的问题较多, 这里仅就坝基防渗和抗滑稳定问题作一讨论。

又有浅层抗滑和深层抗滑两项内容。坝基应力和浅层抗滑验算可参照土基上水闸的设计方法[1]。下面仅就土基重力坝坝基深层抗滑问题作一探讨。

2. 1　深层抗滑稳定的验算方法

如图1所示的坝基防渗条件下, 深层抗滑验算包括重力坝

连同坝基滑动体的抗滑稳定和重力坝连同防渗帷幕以下坝基的抗滑稳定

。

1　坝基防渗

坝基渗流可产生如下问题:①渗漏水量直接降低了水库的蓄水效益; ②渗流产生的扬压力要求相当大的坝体重量来平衡; ③坝底渗径相对较短, 有可能产生渗透变形而危及坝体安全。因此, 坝基防渗对水库的安全运用是至关重要的。

过去, 由于施工技术条件的限制, 深层覆盖层的坝基防渗, 多是用上游铺盖或悬挂式板墙, 这些措施防渗效果较差, 截减的渗流量和水头都较小。随着现代施工技术的发展, 做地下连续墙或通过高压喷射灌浆等技术, 几乎可以在任何地基中构造防渗帷幕, 并达到很大的深度, 从而把坝基的渗透通道完全阻断, 而且建造这种全封闭的防渗帷幕在经济上是可取的。我们曾采用这种方法设计了一座水库, 大坝坝基防渗投资只占总投资的8. 5%。

构造防渗帷幕, 除要保证其质量外, 帷幕设置的位置则是一个需要研究的问题。通常都是把防渗墙紧挨坝踵布置, 这样布置比较紧凑, 便于防渗帷幕与坝体的结构连结。但是, 防渗墙的设置还需考虑坝的深层稳定问题。在坝基抗滑力较弱或存在软弱夹层时, 为保证深层稳定, 可能要求防渗帷幕移向上游, 此时防渗帷幕与坝之间需设置铺盖。

图1　大坝剖面　(单位:m)

抗滑验算目前常用的方法有平面滑动法和条分滑弧法。

(1) 平面滑动法。地基平面滑动法取坝底、水平滑动面和

坝底上下游垂直面围成的隔离体进行验算。隔离体顶部有坝体作用力, 上游面有主动土压力和水压力, 下游面有被动土压力和水压力, 底面有土的垂直反力和水压力以及相应摩擦力, 如图2(a ) 所示。

平面滑动法的安全系数计算如下式

K =

() φP +E 1+P 1

式中:W 1为坝体重; W 2为竖向水压力; W 3为滑动土体重; W 4为滑动面上的浮托力; P 为坝体承受的水平水压力; P 1、P 2　收稿日期:1999-07-05; 修订日期:2000-02-24　作者简介:张立华(1971-) , 女, 广西合浦人, 助理工程师。

2　坝基稳定

土基重力坝的稳定验算包括抗滑稳定和坝基应力。前者

第4期　　　　　　　　　　　　　　张立华等:土基重力坝的地基防渗与抗滑稳定问题分别为计算土体承受的上、下游水压力; E 1、E 2分别为上、下游土压力; C ′为土的凝聚力; φ为土的内摩擦角; L 为滑动面长度

。

・35・

的优选法。在地基存在软弱夹层和地基渗流复杂的情况下, 条分滑弧法就不适用了, 平面滑动法就更显出其优越性。

2. 2　防渗帷幕前移是提高坝基抗滑稳定的有效措施

上文述及在坝上游防渗帷幕、铺盖完全阻断渗流的条件下, 坝及坝基的抗滑稳定问题。但如图2(b ) 所示, 防渗帷幕连同其下游坝基、坝体的抗滑是否安全还需研究。

对图2(b ) 隔离体的验算, , 计算实例同上, /m 041015

高程/m

2081. 922. 042. 282. 47

205

197

上

1. 891. 932. 102. 27

下

1. 561. 621. 791. 96

上

1. 511. 551. 711. 83

下

0. 991. 011. 221. 34

1901. 041. 061. 201. 31

从计算结果可以看出, 抗滑稳定安全系数随防渗帷幕前移

图2　抗滑稳定验算

(2) 条分滑弧法。条分滑弧法是假定一滑弧线分割坝基土

距离增大而增大。这是因为帷幕前移距离大, 隔离体所受的竖向水压力、底面的抗滑阻力均增大, 从而使抗滑安全系数增大。这表明, 如果帷幕设在坝踵满足不了稳定要求时, 可前移帷幕位置来解决, 这只需在帷幕与坝之间设置隔水铺盖。帷幕与坝之间设置隔水铺盖, 虽需增加防渗体前沿尺寸和接头, 但这是优选方案的需要, 况且现代土工布技术的发展和广泛应用, 解决这一问题不会有多大难度。

体, 把滑弧内的土体分成若干竖条, 计算每一土条的滑动力矩, 从而求出安全系数。计算中把坝的作用简化成梯形垂直作用力和底面水平力, 具体算法可参见文献[1]。

下面结合一工程实例进一步说明平面滑动法的用法, 土基上重力坝如图1所示。坝与土基的设计参数如下:地基205m

33

高程以上φ=35°, c =0, γ饱=19. 6kN/m , γ干=16. 2kN/m ; 3197～205m 高程φ=30°, c =0, γ饱=19. 6kN/m , γ干=16. 23kN/m 3;197m 高程以下φ=15°, c =15kPa , γ饱=19. 4kN/m ,

2. 3　土基重力坝抗滑稳定验算的步骤

(1) 坝底面浅层抗滑验算应首先进行。是否要进行深层抗

滑稳定验算, 在水闸设计中有一套判断方法。对于土基重力坝, 挡水墙一般比水闸高, 可不作这样的判断而直接进行深层抗滑验算。

(2) 深层抗滑稳定验算先验算帷幕在坝踵的情况, 如不满

γ坝体容重21. 6kN/m 。干=15. 5kN/m 。

对于图1所示条件, 按条分滑弧法计算其抗滑稳定系数K

=1. 54, 相应滑弧的圆心坐标为(29. 7,18. 9) , 半径35. 23m , 滑

33

足要求, 可将帷幕上移, 直至满足要求为止。

(3) 图2(b ) 的计算完成后, 还需做图2(a ) 的验算, 如没达

弧最低点高程192m 。

按平面滑动计算的抗滑稳定安全系数K 如表1。

表1　按平面滑动法计算的K 值

高程/m 208

E 2被动

到要求, 可调整坝剖面来提高抗滑稳定性。

205

上下

203201199

197

上下

196194192

本文得到王军旗副教授和刘云、董新美两位高级

工程师的指导, 在此表示感谢。参考文献:

[1]　张世儒, 夏维城. 水闸[M ].北京:水利水电出版社,1980. [2]　水利电力勘测规划设计院. 水利水电工程地质手册[M ].

土压力

E 2静止

1. 922. 081. 721. 751. 791. 821. 861. 101. 101. 091. 09

1. 922. 201. 851. 962. 082. 222. 371. 621. 611. 591. 59

E 2按静止土压力计算的K 值较条分滑弧法计算的值偏

北京:水利电力出版社,1985.

小。从机理上看, 作为滑动的极限状态, E 2的作用面不可能是静止的, 它在各种力的作用下必然向下游移动, 土压力逐渐增大, 最终达到极限值, 即为被动土压力。

对比两种算法所得结果可以看出, 条分滑弧法与取E 2为被动土压力的平面滑动法的结果不论在滑动位置还是最小安全系数上都是比较接近的, 可以认为两种方法是通用的, 而且平面滑动法计算简便, 物理概念明确, 可作为中小型工程设计

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