□ 姚志華 張光科

混凝土重力壩的抗滑穩(wěn)定分析

□ 姚志華 張光科

重力壩是最早出現(xiàn)的一種壩型。重力壩的滑動(dòng)模式有表面滑動(dòng)、淺層滑動(dòng)和深層滑動(dòng)。按照目前的設(shè)計(jì)方法，高度h小于100 m的重力壩，控制剖面尺寸常常是穩(wěn)定而不是應(yīng)力，對(duì)此類壩首先應(yīng)進(jìn)行抗滑穩(wěn)定分析，以確保其穩(wěn)定安全。

一、工程實(shí)例

某工程攔河壩為混凝土重力壩，從左至右為非溢流壩段（擋水壩段）、溢流壩段、深孔壩段（沖沙底孔）以及右岸非溢流壩段。壩頂高程1 054 m，最低建基面高程994 m，最大壩高60 m，防浪墻高1 m，厚0.4 m，防浪墻頂高程為1 055 m，壩頂軸線總長(zhǎng)130 m。溢流壩段按照橫縫一共布置3個(gè)壩段，非溢流壩壩段按12.5 m分成8個(gè)壩段。溢流壩布置在河床中部，共3個(gè)自由溢流表孔，表孔尺寸為5 m×5 m（寬×高）。堰面為“WES”曲線，堰頂高程1 047 m，壩體上游面從高程1 017.0 m以上為鉛直，以下為1：0.2的正坡，壩體下游坡度為1∶0.8。上游正常水位、設(shè)計(jì)和校核水位依次是1 052 m，1 051.35 m和1 052.53 m；相應(yīng)的下游水位分別是999.34 m、999.12 m和999.79 m。

二、計(jì)算原理

（一）抗剪強(qiáng)度公式

此法的基本觀點(diǎn)是把滑動(dòng)面看成是一種接觸面，而不是膠結(jié)面。滑動(dòng)面上的阻滑力只計(jì)摩擦力，不計(jì)凝聚力。

當(dāng)滑動(dòng)面為水平面時(shí)，其抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K可按下式計(jì)算：

式中：∑W—作用于滑動(dòng)面以上的力在鉛直方向投影的代數(shù)和；

∑P—作用于滑動(dòng)面上的力在水平方向投影的代數(shù)和；

f—滑動(dòng)面上的抗剪摩擦系數(shù)，根據(jù)基本資料取0.65；

K—按摩擦公式計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。

當(dāng)滑動(dòng)面為傾向上游的傾斜面時(shí)，計(jì)算公式為

式中：α為滑動(dòng)面與水平面的夾角，其他符號(hào)與第一個(gè)式子相同。

由上式看出，滑動(dòng)面傾向上游時(shí)，對(duì)壩體抗滑穩(wěn)定有利；傾向下游時(shí)，α角由正變負(fù)，滑動(dòng)力增大，抗滑力減小，對(duì)壩的穩(wěn)定不利。

（二） 抗剪斷公式

利用抗剪斷公式時(shí)，認(rèn)為壩與基巖膠結(jié)良好，滑動(dòng)面上的阻滑力包括摩擦力和凝聚力，并直接通過膠結(jié)面的抗剪斷試驗(yàn)確定抗剪強(qiáng)度的參數(shù)f'和C'。其抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)由下式計(jì)算。

式中：f'—壩體與壩基面連接面的抗剪斷摩擦系數(shù)；

C'—壩體與壩基連接面的抗剪斷凝聚力；

A—壩體與壩基連接面的面積；

K'—按抗剪斷公式計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。

基面處在強(qiáng)風(fēng)化線以下，綜合評(píng)價(jià)為中等巖石，查壩體混凝土與基巖接觸面抗剪斷參數(shù)參考值表可知f′=0.9～1.2取1.0，c′=0.7～1.1 Mpa取0.9 Mpa。

三、計(jì)算成果

選用的計(jì)算斷面有典型的非溢流壩段和溢流壩段，應(yīng)分別計(jì)算。

（一）非溢流壩段的計(jì)算

表1 非溢流壩段穩(wěn)定計(jì)算（抗剪強(qiáng)度公式）

由上表可見在各工況下抗滑穩(wěn)定系數(shù)均大于允許值，滿足要求。

表2 非溢流壩段穩(wěn)定計(jì)算（抗剪斷公式）

由上表可見在各工況下抗滑穩(wěn)定系數(shù)均大于允許值，滿足要求。

（二）溢流壩段的計(jì)算

對(duì)于溢流壩段，兩種公式中參數(shù)的選取和非溢流壩段的相同，分壩頂溢流和不溢流兩種情況分別計(jì)算。

1.壩頂不溢流情況

表3 溢流壩段壩頂不溢流時(shí)抗剪穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算表

表4 溢流壩段壩頂不溢流時(shí)抗剪穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算表

2.壩頂溢流情況

表5 溢流壩段壩頂溢流時(shí)抗剪穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算表

表6 溢流壩段壩頂溢流時(shí)抗剪穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算表

四、成果分析

通過以上的計(jì)算可以看到?jīng)Q定大壩抗滑穩(wěn)定參數(shù)有三大點(diǎn)，即垂直合力、水平合力以及大壩與建基面連接面的參數(shù)值。此工程大壩接觸面以上的垂直力主要來自壩體自重、揚(yáng)壓力、垂直的泥沙壓力和上下游壩面的水重，接觸面以上的總水平力包括上、下游水平靜水壓力、水平泥沙壓力和浪壓力。提高重力壩抗滑穩(wěn)定理論上也就是從這些荷載入手。

（一）增強(qiáng)垂直合力的大小

通過改變擬定大壩的剖面尺寸增加大壩斷面面積，從而增大自重。合理設(shè)置上下游坡度，可以增加上下游水重。伴隨著垂直泥沙壓力的增加也會(huì)導(dǎo)致水平泥沙壓力的加大，對(duì)穩(wěn)定是不利的，而且泥沙在壩前的堆積過多對(duì)影響壩的正常運(yùn)行，泥沙壓力對(duì)垂直合力的貢獻(xiàn)可以不考慮。揚(yáng)壓力是重力壩要控制的一大問題，減少揚(yáng)壓力的大小可有效增加阻滑力。壩址區(qū)應(yīng)盡量選擇在透水性小的地基上。

（二）減少水平合力大小

水平合力主要由水位來決定，這是所處壩址區(qū)水文計(jì)算的結(jié)果，在穩(wěn)定計(jì)算中基本上是一定的，水平泥沙壓力這一項(xiàng)可以通過一些合理的排沙措施來解決。

（三） 增加f、f′和c′值

規(guī)范規(guī)定，f的最后選取應(yīng)以野外和室內(nèi)試驗(yàn)成果為基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，參照地質(zhì)條件類似的已建工程的經(jīng)驗(yàn)等，由地質(zhì)、試驗(yàn)和設(shè)計(jì)人員研究確定。所處地基基巖質(zhì)量越好，f′、c′值越大，而且這些值對(duì)大壩尺寸有很大影響，所以壩址選擇時(shí)應(yīng)盡可能選擇地質(zhì)條件好的地基。

五、結(jié)束語

提高大壩的穩(wěn)定性可從上述三點(diǎn)入手，增強(qiáng)總垂直合力的大小，減小水平合力大小，建基面選取在地質(zhì)條件較好的地段，即抗剪摩擦系數(shù)較大，抗剪斷摩擦系數(shù)和抗剪斷凝聚力值都較大，應(yīng)綜合考慮各個(gè)因素以確保大壩的穩(wěn)定。

（作者單位：四川大學(xué)水利水電學(xué)院 610065）