重力壩特性及深層抗滑穩(wěn)定分析

□石江同（新密市水利局）

重力壩特性及深層抗滑穩(wěn)定分析

□石江同（新密市水利局）

隨著我國重力壩建設的繁榮，高壩數目的增加，使得對重力壩進行深層抗滑穩(wěn)定分析有著重要的理論和實踐的意義。重力壩主要依靠自身重量來維持穩(wěn)定，其深層抗滑穩(wěn)定性是重力壩設計中的重要問題。通過以上分析，重力壩分布廣，類型多，投資大，一旦失事，危害巨大，特別是重力壩的深層抗滑穩(wěn)定分析又是重力壩設計中的重要內容，是關系到大壩安全性的重要問題，因此，加強對重力壩的深層抗滑穩(wěn)定分析和研究尤為重要。

重力壩；深層抗滑穩(wěn)定。

一、概述

人類修建堰、壩已有數千年歷史，重力壩是出現最早的一種壩型。早在公元前2900年，埃及便在尼羅河上修建了一座高15m、頂長240m的重力擋水壩。我國秦代50年里（公元前250-219年）建造的三大水利工程：四川灌縣都江堰的飛沙堰，陜西鄭國渠渠首30m高的石籠壩，廣西興安縣靈渠的砌石分水堰，都是溢流重力壩（古稱“天平”）。其中的靈渠工程運行至今已2200多年，是世界上使用歷史最久的重力壩。還有剛剛完成的舉世矚目的三峽大壩是當今世界上最大的實體混凝土重力壩，壩高181m，壩長2335m，混凝土2794萬m3。1962年瑞士建成的285m高的大狄克桑斯壩，為地球上重力壩壩高之最。

二、重力壩特性

（一）重力壩的概念及優(yōu)缺點

1.概念

重力壩是由混凝土或漿砌石修筑的大體積擋水建筑物，其基本剖面是直角三角形，整體是由若干壩段組成。重力壩在水壓力及其他荷載作用下，主要依靠壩體自重產生的抗滑力來滿足穩(wěn)定要求；同時依靠壩體自重產生的壓力來抵消有雨水壓力所引起的拉應力以滿足強度要求。

2.特點

一是，安全可靠。重力壩剖面尺寸大，應力較小，筑壩材料強度高，耐久性好，因而抵抗水的滲漏、洪水漫頂、地震和戰(zhàn)爭破壞的能力都比較強。二是，對地形、地質條件適應性強。任何形狀的河谷都可以修建重力壩，因為壩體作用于地面上的壓應力不高，所以對地質條件的要求也較低。三是，樞紐泄洪問題容易解決。重力壩可以做成溢流的，也可以在壩內設置泄水孔，一般不需要另設溢洪道或泄水隧洞，樞紐布置緊湊。四是，便于施工導流。在施工期可以利用壩體導流，一般不需要另開設導流隧洞。五是，施工方便。大體積混凝土，可以采用機械化施工，在放樣、立模和混凝土澆搗方面都比較簡便。六是，結構作用明確。重力壩沿壩軸線用橫縫分成若干段，各壩段獨立工作，結構作用明確，應力分析和穩(wěn)定計算都比較簡單。

3.缺點

一是，壩體剖面尺寸大，水泥用量多。二是，壩體應力較低，材料強度不能充分發(fā)揮。三是，壩體與地基接觸面積大，因而壩底的揚壓力較大，對穩(wěn)定不利。四是，壩體體積大，施工期混凝土的溫度應力和收縮應力較大，在施工期對混凝土溫度控制的要求較高。五是，壩體與壩基的接觸面積大，壩體前的揚壓力較大，抵消了壩體的部分重力，對壩體的穩(wěn)定不利。因此必須采取各種有效措施削減揚壓力，以減小壩體剖面尺寸。六是，重力壩壩體重力大，加上壩體承受的水壓力和其它荷載的共同作用，使壩體傳給地基的壓應力較大，一般都要修建在巖基上。因此對基巖的地質構造和物理力學性質應有清楚的了解，以便對壩基進行處理加固。重力壩對地基的要求比土石壩高，比拱壩和輕型壩低。低矮的小型重力壩經論證也可修建在非巖石地基上。

（二）重力壩的工作特點和剖面形式

重力壩的根本特點是，在巨大的水壓力（靜水壓力、揚壓力為主）作用下，主要依靠壩體自重產生的抗剪（滑）力來維持穩(wěn)定（不移動、不傾倒、不浮起）。所以其基本剖面形式是固結于地基的三角形，上游面為鉛直或稍有傾斜，具有重心低，底面大、應力小、穩(wěn)定性最好的特點。

（三）重力壩的類型

1.按壩的高度分類。重力壩按壩的最大高度（不包括小局部深度）分為低壩、中壩、高壩。壩高＜30m的為低壩，壩高在30～70m之間的為中壩，壩高＞70m的為高壩。

2.按筑壩材料分類。按壩體的建筑材料，分為混凝土重力壩和漿砌石重力壩。重要的和較高的重力壩，大都用混凝土建造，有澆筑的（常規(guī)的、埋石的）和碾壓的之分。

3.按泄水條件分類。一座重力壩往往是河床中部壩段溢流，其余壩段不溢流。其中溢流部分為溢流壩，不溢流部分為非溢流壩。

4.按壩的結構形式分類。有實體重力壩、空腹重力壩和寬縫重力壩等之分。實體重力壩構造簡單，對地形、地質條件適應性強；空腹和寬縫重力壩，也稱非實體重力壩，都是為了有效地減少揚壓力，較好地利用材料強度，以節(jié)省壩體工程量。國內一些地方還發(fā)展了硬殼壩、填碴壩等壩型。硬殼壩是用干砌石或堆石代替實體重力壩內低應力通道具有復雜性。必須查明軟弱結構面的空間分布情況、性狀、成因、充填物的礦物成分、物理力學性質等，從而尋找最危險的滑裂組合通道，采取相應的工程措施，確保工程安全。

三、重力壩抗滑穩(wěn)定分析的重要性

一座按照現代理論設計、用現代施工工藝澆筑起來的混凝土大壩，只要地基巖體比較完整，沒有重大的缺陷，發(fā)生整體失穩(wěn)的可能性是非常小的。過去，由于對壩基問題的重要性認識不足，因而對地基地質勘測、抗滑穩(wěn)定的研究和工程處理工作做的不夠，往往造成重大的損失。據1979年的不完全統(tǒng)計，僅因未能及時發(fā)現壩基的軟弱夾層，以致改變設計、延誤工期和后期加固的大中型閘壩就有30余座。在國外，有的混凝土壩地基的處理費用甚至與壩體造價相接近。由此可見，抗滑穩(wěn)定問題是關系到大壩安全性和經濟性的重要問題。由于地基條件的復雜性，勘探測試手段不足，以及人們認識的局限性，長期以來，對于這樣的地基問題，主要依據經驗和估算來進行設計。近年來，由于巖石力學的發(fā)展，各種勘探、測試和處理手段的進步，特別是有限元和高速度、大容量的電子計算機的出現，設計工作正由定性估計向定量分析進展。但由于問題的復雜性，許多問題還沒有得到滿意的解決，諸如：不同結構的巖石壩基的破壞機理，合理的分析方法，材料強度、安全準則的確定等。因此，如何利用現代的勘探，測試、計算的先進手段來進一步完善壩體抗滑穩(wěn)定的分析和處理設計，仍然是擺在水利和地質工程者面前的一項重大任務。

四、重力壩深層抗滑穩(wěn)定的破壞類型

（一）沿滑裂面剪切破壞

壩基內有單斜滑動或能構成雙斜滑動的軟弱結構面，在水平荷載作用下將沿軟弱結構面產生剪切破壞。上游壩踵處一般為拉裂破壞。

（二）下游尾巖擠壓破壞

當壩基內有傾向下游的緩傾角軟弱結構面時，下游尾巖內無傾向上游的緩傾角結構面，則構不成天然的雙斜滑動面。如尾巖巖性軟弱或十分破碎，或下游有規(guī)模較大的橫向斷裂破碎帶，而壩踵處基巖已發(fā)生拉裂破壞，壩基內軟弱結構面已發(fā)生剪切破壞時，假定尾巖中的滑裂面尚未發(fā)生剪切破壞，但壩體傳給尾巖抗力體的剩余推力已超過其承載力，尾巖抗力體將產生擠壓破壞，壩基將產生過大的向下游的壓縮變形，使大壩失穩(wěn)。

（三）下游尾巖抗力體隆起破壞

壩基內軟弱結構面與上述兩種情況相同，但尾巖為層狀巖石，巖性堅硬且比較完整。在水平荷載作用下，尾巖上部產生拉力區(qū)，巖體表部產生向上的位移，即發(fā)生隆起破壞。因支撐的尾巖抗力體失穩(wěn)，最終導致壩體基礎產生過大的向下游的位移而失穩(wěn)。

五、重力壩深層抗滑穩(wěn)定的特點

（一）壩體帶動壩基部分巖體同時滑動

與重力壩沿壩基面滑動不同，重力壩的深層抗滑穩(wěn)定問題則是壩體帶動壩基部分巖體同時沿壩基內軟弱結構面滑動，滑動體由混凝±和巖體兩種材料組成。

壩體通常被許多結構面所切割，屬不連續(xù)多向異性體，其物理力學性質的量化很困難。因此，由這兩種材料組成的滑動體，其應力一應變狀態(tài)十分復雜。

（二）滑動通道具有特定性和復雜性

壩基巖體內分布著軟弱結構面，其抗剪（斷）強度低，抗滑強度遠遠低于基巖巖體，這就構成了大壩沿該軟弱結構面滑動的特定通道。由于軟弱結構面通常是多層或多條組合，且多條軟弱結構面間會相互切割，組合關系復雜，因此滑動滑動通道具有特定性和復雜性。

六、重力壩深層抗滑穩(wěn)定計算抗剪（斷）強度參數的選擇

（一）影響軟弱夾層抗剪（斷）強度的主要因素

根據我國工程的實踐經驗，影響軟弱夾層抗剪（斷）強度的主要因素有：巖性，結構及埋藏狀態(tài)和物質組成，起伏差和厚度，連通率，試驗方法及試樣尺寸，水庫蓄水后引起的變化等。

資料表明，當粒徑＞5mm的顆粒含量占70%以上時，粗顆粒能起主要作用；而其含量占30%以下時，粗粒不起抗滑作用。軟弱夾層的充填物如以蒙脫石或伊利石為主，則抗剪強度低。軟弱夾層與圍巖接觸的起伏差，往往對抗剪強度有較大影響。當起伏差大于軟弱夾層厚度，夾層利用起伏差后的摩擦系數增加了一起伏差坡度（a。）的t卸a。值，a。愈大，增加的摩擦系數愈大。當夾層不均一，或由許多薄層組成，各薄層起伏差大于薄層厚度或薄層不連續(xù)，則可考慮其加權平均值。

試驗方法與抗剪強度關系密切。當巖性均一，夾層厚度較大，接觸面平整，用不同試驗方法所得結果比較接近；反之，則可能相差較大。對于大、中型工程，應有適當數量的野外大型剪，并輔以室內中型剪，作為選擇抗剪（斷）強度參數的依據。

（二）軟弱夾層抗剪（斷）強度參數選擇

目前國內在選擇抗剪（斷）強度參數時，大致有以下幾種標準：①極限強度標準；②比例極限標準；③屈服極限標準；④殘余強度標準。我認為有兩點值得注意：第一，抗剪（斷）強度參數應由地質、試驗、設計人員通過綜合分析確定。因為三方人員看問題的角度不完全一致，一起討論，彌補各自的不足，也可避免各自留有安全裕度的弊病。第二，選擇抗剪（斷）強度參數與采用的計算方法結合，當用抗剪斷公式計算時，采用極限強度標準較好，因該法安全系數大，用峰值強度值既可保證安全，又可節(jié)約投資。當采用抗剪公式計算時，可用其余3種標準。

（三）軟弱夾層不連通時抗剪強度的取值

壩基軟弱夾層不連通時，按其所占面積的大小和部位取加權平均值，即以面積作權重，同時考慮作用力的影響求取綜合抗剪（斷）強度參數。

（四）滑動巖體的側向抗剪（斷）阻力

由于軟弱結構面在地基中有一定的埋藏深度，其上巖體隨壩體滑動時，巖體兩側面存在阻止巖體滑動的抗剪（斷）阻力。當軟弱結構面埋藏較深，地基中順河向裂隙不發(fā)育，此種阻滑力比較大。在計算阻滑力中是否考慮這種側向阻滑力，我認為應區(qū)別對待：經確認側向阻滑力存在時，則應考慮軟弱結構面在地基中所占面積的比例。當大壩只有幾個壩段地基中存在軟弱結構面，大壩滑動時，有軟弱結構面和沒有軟弱結構面的壩段之間可產生相對錯動，則可適當考慮側向阻滑力。反之，當各壩段地基中普遍存在各壩段同時滑動的可能，各壩段的變形是連續(xù)的，這時只有靠近河岸兩個側面可能存在側向阻滑力，如果在計算單個壩段穩(wěn)定安全系數時都考慮側向阻滑力，顯然是不安全的。

部分的壩體，外表為漿砌塊石或條石或混凝土的硬殼；填碴壩的作用原理與硬殼壩相同，卻是在壩內留有牢格或寬縫供填碴之用。

七、重力壩深層抗滑穩(wěn)定理論研究現狀

由于重力壩深層抗滑穩(wěn)定問題的復雜性，其分析方法尚無較為合理的統(tǒng)一的規(guī)定，需根據具體情況，參考類似工程經驗做出判斷。國內外許多學者都在致力于這方面的研究，已取得了十分豐富的研究成果。目前深層抗滑穩(wěn)定分析法有剛體極限平衡法、非線性有限元法、地質力學模型試驗法以及在概率基礎上發(fā)展起來的各種模糊隨機分析等非確定性方法。

重力壩深層抗滑穩(wěn)定雖有多種分析方法，其中剛體極限平衡法能較合理地確定單一滑裂面的穩(wěn)定安全度，對于復雜的破壞面，則必須引入若干假定才能建立剛體極限平衡模型。但剛體極限平衡法出現較早，經過無數的工程實踐經驗積累，已經建立了比較成熟的理論，所以目前剛體極限平衡法仍是計算壩基深層抗滑穩(wěn)定的基本方法。

剛體極限平衡法是根據確定的邊界條件，將滑動體與阻滑體視為剛體，研究達到臨界失穩(wěn)狀態(tài)時的平衡條件，從而估算其安全度。除單斜滑動外，雙斜滑動等較復雜的情況一般都要做若干假定才能進行計算。

由于假定不同，剛體極限平衡法一般可分為剩余推力法、被動抗力法和等安全系數法3種。其共同點是求取第一滑裂面與第二滑裂面上的安全系數。前2種方法，第一滑裂面與第二滑裂面上的安全系數不等，第3種方法是通過試算，得到二個滑裂面上相等的安全系數。第3種方法安全系數法的概念比較清楚，現在應用比前2種方法也更廣泛。實際上在許多情況下，第一滑裂面與第二滑裂面的巖性差別很大，其物理力學性質相對懸殊，二滑裂面上的變形并不相容，故實際安全度并不相等，用“等安全系數”去表征，并不反映兩滑裂面真實的安全儲備。

2010-04-28