□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(guó)重力壩建設(shè)的繁榮，高壩數(shù)目的增加，使得對(duì)重力壩進(jìn)行深層抗滑穩(wěn)定分析有著重要的理論和實(shí)踐的意義。重力壩主要依靠自身重量來(lái)維持穩(wěn)定，其深層抗滑穩(wěn)定性是重力壩設(shè)計(jì)中的重要問(wèn)題。通過(guò)以上分析，重力壩分布廣，類(lèi)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(shè)計(jì)中的重要內(nèi)容，是關(guān)系到大壩安全性的重要問(wèn)題，因此，加強(qiáng)對(duì)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(lèi)修建堰、壩已有數(shù)千年歷史，重力壩是出現(xiàn)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(zhǎng)240m的重力擋水壩。我國(guó)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(guó)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(chēng)“天平”）。其中的靈渠工程運(yùn)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(dāng)今世界上最大的實(shí)體混凝土重力壩，壩高181m，壩長(zhǎng)2335m，混凝土2794萬(wàn)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(diǎn)

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(chǎn)生的抗滑力來(lái)滿(mǎn)足穩(wěn)定要求；同時(shí)依靠壩體自重產(chǎn)生的壓力來(lái)抵消有雨水壓力所引起的拉應(yīng)力以滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。

2.特點(diǎn)

一是，安全可靠。重力壩剖面尺寸大，應(yīng)力較小，筑壩材料強(qiáng)度高，耐久性好，因而抵抗水的滲漏、洪水漫頂、地震和戰(zhàn)爭(zhēng)破壞的能力都比較強(qiáng)。二是，對(duì)地形、地質(zhì)條件適應(yīng)性強(qiáng)。任何形狀的河谷都可以修建重力壩，因?yàn)閴误w作用于地面上的壓應(yīng)力不高，所以對(duì)地質(zhì)條件的要求也較低。三是，樞紐泄洪問(wèn)題容易解決。重力壩可以做成溢流的，也可以在壩內(nèi)設(shè)置泄水孔，一般不需要另設(shè)溢洪道或泄水隧洞，樞紐布置緊湊。四是，便于施工導(dǎo)流。在施工期可以利用壩體導(dǎo)流，一般不需要另開(kāi)設(shè)導(dǎo)流隧洞。五是，施工方便。大體積混凝土，可以采用機(jī)械化施工，在放樣、立模和混凝土澆搗方面都比較簡(jiǎn)便。六是，結(jié)構(gòu)作用明確。重力壩沿壩軸線(xiàn)用橫縫分成若干段，各壩段獨(dú)立工作，結(jié)構(gòu)作用明確，應(yīng)力分析和穩(wěn)定計(jì)算都比較簡(jiǎn)單。

3.缺點(diǎn)

一是，壩體剖面尺寸大，水泥用量多。二是，壩體應(yīng)力較低，材料強(qiáng)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(yáng)壓力較大，對(duì)穩(wěn)定不利。四是，壩體體積大，施工期混凝土的溫度應(yīng)力和收縮應(yīng)力較大，在施工期對(duì)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(yáng)壓力較大，抵消了壩體的部分重力，對(duì)壩體的穩(wěn)定不利。因此必須采取各種有效措施削減揚(yáng)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(yīng)力較大，一般都要修建在巖基上。因此對(duì)基巖的地質(zhì)構(gòu)造和物理力學(xué)性質(zhì)應(yīng)有清楚的了解，以便對(duì)壩基進(jìn)行處理加固。重力壩對(duì)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(jīng)論證也可修建在非巖石地基上。

（二）重力壩的工作特點(diǎn)和剖面形式

重力壩的根本特點(diǎn)是，在巨大的水壓力（靜水壓力、揚(yáng)壓力為主）作用下，主要依靠壩體自重產(chǎn)生的抗剪（滑）力來(lái)維持穩(wěn)定（不移動(dòng)、不傾倒、不浮起）。所以其基本剖面形式是固結(jié)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(yīng)力小、穩(wěn)定性最好的特點(diǎn)。

（三）重力壩的類(lèi)型

1.按壩的高度分類(lèi)。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(lèi)。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(lèi)。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(jié)構(gòu)形式分類(lèi)。有實(shí)體重力壩、空腹重力壩和寬縫重力壩等之分。實(shí)體重力壩構(gòu)造簡(jiǎn)單，對(duì)地形、地質(zhì)條件適應(yīng)性強(qiáng)；空腹和寬縫重力壩，也稱(chēng)非實(shí)體重力壩，都是為了有效地減少揚(yáng)壓力，較好地利用材料強(qiáng)度，以節(jié)省壩體工程量。國(guó)內(nèi)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(shí)體重力壩內(nèi)低應(yīng)力通道具有復(fù)雜性。必須查明軟弱結(jié)構(gòu)面的空間分布情況、性狀、成因、充填物的礦物成分、物理力學(xué)性質(zhì)等，從而尋找最危險(xiǎn)的滑裂組合通道，采取相應(yīng)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(xiàn)代理論設(shè)計(jì)、用現(xiàn)代施工工藝澆筑起來(lái)的混凝土大壩，只要地基巖體比較完整，沒(méi)有重大的缺陷，發(fā)生整體失穩(wěn)的可能性是非常小的。過(guò)去，由于對(duì)壩基問(wèn)題的重要性認(rèn)識(shí)不足，因而對(duì)地基地質(zhì)勘測(cè)、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(jù)1979年的不完全統(tǒng)計(jì)，僅因未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)壩基的軟弱夾層，以致改變?cè)O(shè)計(jì)、延誤工期和后期加固的大中型閘壩就有30余座。在國(guó)外，有的混凝土壩地基的處理費(fèi)用甚至與壩體造價(jià)相接近。由此可見(jiàn)，抗滑穩(wěn)定問(wèn)題是關(guān)系到大壩安全性和經(jīng)濟(jì)性的重要問(wèn)題。由于地基條件的復(fù)雜性，勘探測(cè)試手段不足，以及人們認(rèn)識(shí)的局限性，長(zhǎng)期以來(lái)，對(duì)于這樣的地基問(wèn)題，主要依據(jù)經(jīng)驗(yàn)和估算來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。近年來(lái)，由于巖石力學(xué)的發(fā)展，各種勘探、測(cè)試和處理手段的進(jìn)步，特別是有限元和高速度、大容量的電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，設(shè)計(jì)工作正由定性估計(jì)向定量分析進(jìn)展。但由于問(wèn)題的復(fù)雜性，許多問(wèn)題還沒(méi)有得到滿(mǎn)意的解決，諸如：不同結(jié)構(gòu)的巖石壩基的破壞機(jī)理，合理的分析方法，材料強(qiáng)度、安全準(zhǔn)則的確定等。因此，如何利用現(xiàn)代的勘探，測(cè)試、計(jì)算的先進(jìn)手段來(lái)進(jìn)一步完善壩體抗滑穩(wěn)定的分析和處理設(shè)計(jì)，仍然是擺在水利和地質(zhì)工程者面前的一項(xiàng)重大任務(wù)。

四、重力壩深層抗滑穩(wěn)定的破壞類(lèi)型

（一）沿滑裂面剪切破壞

壩基內(nèi)有單斜滑動(dòng)或能構(gòu)成雙斜滑動(dòng)的軟弱結(jié)構(gòu)面，在水平荷載作用下將沿軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)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(dāng)壩基內(nèi)有傾向下游的緩傾角軟弱結(jié)構(gòu)面時(shí)，下游尾巖內(nèi)無(wú)傾向上游的緩傾角結(jié)構(gòu)面，則構(gòu)不成天然的雙斜滑動(dòng)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(nèi)軟弱結(jié)構(gòu)面已發(fā)生剪切破壞時(shí)，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(guò)其承載力，尾巖抗力體將產(chǎn)生擠壓破壞，壩基將產(chǎn)生過(guò)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(nèi)軟弱結(jié)構(gòu)面與上述兩種情況相同，但尾巖為層狀巖石，巖性堅(jiān)硬且比較完整。在水平荷載作用下，尾巖上部產(chǎn)生拉力區(qū)，巖體表部產(chǎn)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(dǎo)致壩體基礎(chǔ)產(chǎn)生過(guò)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(diǎn)

（一）壩體帶動(dòng)壩基部分巖體同時(shí)滑動(dòng)

與重力壩沿壩基面滑動(dòng)不同，重力壩的深層抗滑穩(wěn)定問(wèn)題則是壩體帶動(dòng)壩基部分巖體同時(shí)沿壩基內(nèi)軟弱結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)，滑動(dòng)體由混凝±和巖體兩種材料組成。

壩體通常被許多結(jié)構(gòu)面所切割，屬不連續(xù)多向異性體，其物理力學(xué)性質(zhì)的量化很困難。因此，由這兩種材料組成的滑動(dòng)體，其應(yīng)力一應(yīng)變狀態(tài)十分復(fù)雜。

（二）滑動(dòng)通道具有特定性和復(fù)雜性

壩基巖體內(nèi)分布著軟弱結(jié)構(gòu)面，其抗剪（斷）強(qiáng)度低，抗滑強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于基巖巖體，這就構(gòu)成了大壩沿該軟弱結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)的特定通道。由于軟弱結(jié)構(gòu)面通常是多層或多條組合，且多條軟弱結(jié)構(gòu)面間會(huì)相互切割，組合關(guān)系復(fù)雜，因此滑動(dòng)滑動(dòng)通道具有特定性和復(fù)雜性。

六、重力壩深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算抗剪（斷）強(qiáng)度參數(shù)的選擇

（一）影響軟弱夾層抗剪（斷）強(qiáng)度的主要因素

根據(jù)我國(guó)工程的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，影響軟弱夾層抗剪（斷）強(qiáng)度的主要因素有：巖性，結(jié)構(gòu)及埋藏狀態(tài)和物質(zhì)組成，起伏差和厚度，連通率，試驗(yàn)方法及試樣尺寸，水庫(kù)蓄水后引起的變化等。

資料表明，當(dāng)粒徑＞5mm的顆粒含量占70%以上時(shí)，粗顆粒能起主要作用；而其含量占30%以下時(shí)，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(qiáng)度低。軟弱夾層與圍巖接觸的起伏差，往往對(duì)抗剪強(qiáng)度有較大影響。當(dāng)起伏差大于軟弱夾層厚度，夾層利用起伏差后的摩擦系數(shù)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(shù)愈大。當(dāng)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(quán)平均值。

試驗(yàn)方法與抗剪強(qiáng)度關(guān)系密切。當(dāng)巖性均一，夾層厚度較大，接觸面平整，用不同試驗(yàn)方法所得結(jié)果比較接近；反之，則可能相差較大。對(duì)于大、中型工程，應(yīng)有適當(dāng)數(shù)量的野外大型剪，并輔以室內(nèi)中型剪，作為選擇抗剪（斷）強(qiáng)度參數(shù)的依據(jù)。

（二）軟弱夾層抗剪（斷）強(qiáng)度參數(shù)選擇

目前國(guó)內(nèi)在選擇抗剪（斷）強(qiáng)度參數(shù)時(shí)，大致有以下幾種標(biāo)準(zhǔn)：①極限強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)；②比例極限標(biāo)準(zhǔn)；③屈服極限標(biāo)準(zhǔn)；④殘余強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。我認(rèn)為有兩點(diǎn)值得注意：第一，抗剪（斷）強(qiáng)度參數(shù)應(yīng)由地質(zhì)、試驗(yàn)、設(shè)計(jì)人員通過(guò)綜合分析確定。因?yàn)槿饺藛T看問(wèn)題的角度不完全一致，一起討論，彌補(bǔ)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(qiáng)度參數(shù)與采用的計(jì)算方法結(jié)合，當(dāng)用抗剪斷公式計(jì)算時(shí)，采用極限強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)較好，因該法安全系數(shù)大，用峰值強(qiáng)度值既可保證安全，又可節(jié)約投資。當(dāng)采用抗剪公式計(jì)算時(shí)，可用其余3種標(biāo)準(zhǔn)。

（三）軟弱夾層不連通時(shí)抗剪強(qiáng)度的取值

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

（四）滑動(dòng)巖體的側(cè)向抗剪（斷）阻力

由于軟弱結(jié)構(gòu)面在地基中有一定的埋藏深度，其上巖體隨壩體滑動(dòng)時(shí)，巖體兩側(cè)面存在阻止巖體滑動(dòng)的抗剪（斷）阻力。當(dāng)軟弱結(jié)構(gòu)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(jì)算阻滑力中是否考慮這種側(cè)向阻滑力，我認(rèn)為應(yīng)區(qū)別對(duì)待：經(jīng)確認(rèn)側(cè)向阻滑力存在時(shí)，則應(yīng)考慮軟弱結(jié)構(gòu)面在地基中所占面積的比例。當(dāng)大壩只有幾個(gè)壩段地基中存在軟弱結(jié)構(gòu)面，大壩滑動(dòng)時(shí)，有軟弱結(jié)構(gòu)面和沒(méi)有軟弱結(jié)構(gòu)面的壩段之間可產(chǎn)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)，則可適當(dāng)考慮側(cè)向阻滑力。反之，當(dāng)各壩段地基中普遍存在各壩段同時(shí)滑動(dòng)的可能，各壩段的變形是連續(xù)的，這時(shí)只有靠近河岸兩個(gè)側(cè)面可能存在側(cè)向阻滑力，如果在計(jì)算單個(gè)壩段穩(wěn)定安全系數(shù)時(shí)都考慮側(cè)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(nèi)留有牢格或?qū)捒p供填碴之用。

七、重力壩深層抗滑穩(wěn)定理論研究現(xiàn)狀

由于重力壩深層抗滑穩(wěn)定問(wèn)題的復(fù)雜性，其分析方法尚無(wú)較為合理的統(tǒng)一的規(guī)定，需根據(jù)具體情況，參考類(lèi)似工程經(jīng)驗(yàn)做出判斷。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)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(xiàn)性有限元法、地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)法以及在概率基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的各種模糊隨機(jī)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(duì)于復(fù)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(xiàn)較早，經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)積累，已經(jīng)建立了比較成熟的理論，所以目前剛體極限平衡法仍是計(jì)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(jù)確定的邊界條件，將滑動(dòng)體與阻滑體視為剛體，研究達(dá)到臨界失穩(wěn)狀態(tài)時(shí)的平衡條件，從而估算其安全度。除單斜滑動(dòng)外，雙斜滑動(dòng)等較復(fù)雜的情況一般都要做若干假定才能進(jìn)行計(jì)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(dòng)抗力法和等安全系數(shù)法3種。其共同點(diǎn)是求取第一滑裂面與第二滑裂面上的安全系數(shù)。前2種方法，第一滑裂面與第二滑裂面上的安全系數(shù)不等，第3種方法是通過(guò)試算，得到二個(gè)滑裂面上相等的安全系數(shù)。第3種方法安全系數(shù)法的概念比較清楚，現(xiàn)在應(yīng)用比前2種方法也更廣泛。實(shí)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(xué)性質(zhì)相對(duì)懸殊，二滑裂面上的變形并不相容，故實(shí)際安全度并不相等，用“等安全系數(shù)”去表征，并不反映兩滑裂面真實(shí)的安全儲(chǔ)備。

2010-04-28