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重力坝抗滑稳定

重力坝的坝体和坝基在荷载作用下不致发生滑移而保持稳定的验算方法和改善措施。重力坝承受较大的横向荷载,即水平的或接近水平的荷载,但其坝体和坝基中的弱面,如混凝土浇筑层面、坝的建基面、坝基的缓倾角、软弱夹层等,其方向也多属水平的或接近水平的,因而横向荷载有可能使坝体或连同部分坝基沿这些弱面产生滑移而丧失稳定。在重力坝设计中,应采用正确的验算方法和必要的工程措施,以保证坝体和基岩的抗滑稳定。

重力坝的坝体和坝基在荷载作用下不致发生滑移而保持稳定的验算方法和改善措施。重力坝承受较大的横向荷载,即水平的或接近水平的荷载,但其坝体和坝基中的弱面,如混凝土浇筑层面、坝的建基面、坝基的缓倾角、软弱夹层等,其方向也多属水平的或接近水平的,因而横向荷载有可能使坝体或连同部分坝基沿这些弱面产生滑移而丧失稳定。在重力坝设计中,应采用正确的验算方法和必要的工程措施,以保证坝体和基岩的抗滑稳定。对于土基,见闸室抗滑稳定。

坝基面的抗滑稳定 坝基面常为验算抗滑稳定的主要部位。验算的方法有摩擦公式、抗剪强度公式、剪摩公式、抗剪断公式等多种。摩擦公式和抗剪强度公式的形式相同,即

重力坝抗滑稳定

式中 ∑V及∑H分别为作用于建基面以上单宽或一个坝段坝体的全部荷载在建基面上的法向分力和切向分力。摩擦公式设想坝体与基岩处于接触状态,f为摩擦系数,因坝体和基岩的性质和施工方法、施工质量等而有所不同,常取为0.5~0.8。抗剪强度公式设想坝体与基岩处于胶结状态,但只考虑因法向力所产生的抗滑力,而不计及凝聚力,f称为抗剪摩擦系数,中国规定参考野外试验成果的屈服极限值(塑性破坏型)或比例极限值(脆性破坏型)以及室内试验成果选定。由于这两种公式都没有充分利用坝体与基岩间实际存在的抗滑能力,因此,安全系数K只要求稍大于1.0即可;但也由于同样原因,这两组公式有逐步为抗剪断公式所代替的趋势。剪摩公式与抗剪断公式的形式也相同,即:

重力坝抗滑稳定

式中 A为单宽或一个坝段的坝基面面积。对于剪摩公式,f′与上式的f相同,C′则为坝体或基岩材料的纯剪强度(取其中的较小者)。美国曾多年使用这一公式,但近年已改为抗剪断公式的概念。对于抗剪断公式,f′为抗剪断摩擦系数,C′为抗剪断凝聚力,其数值均由野外抗剪断试验确定。由于各国对f′、C′取值的标准不同,要求的安全系数K′也不同。中国设计规范SDJ 21-78规定,f′及C′应以野外试验测定的峰值的小值平均值或野外试验和室内试验的峰值的小值平均值为基础,结合实际情况确定。荷载为基本组合时,K′采用3.0;荷载为特殊组合时,K′采用2.5。苏联规定f′和C′均使用保证率更大的数值,因而要求的K仅为1.3~1.1。美国和日本对f′及C′的取值未作明确规定,美国只要求K′为3.0~2.0,日本则要求K′大于4.0。抗剪断公式虽日益为世界各国所采用,但如何根据坝体和基岩的物理力学性能、坝体结构、坝基处理措施、施工方法和施工质量,以及野外和室内试验方法的不同而妥善选用f′、C和相应的K′值,尚有待于进一步研究。对于沿坝体内部弱面的抗滑稳定或沿浅层软弱基岩内部的抗滑稳定,可采用各该部位的f′、C′值,按上述同样方法进行验算。

深层抗滑稳定 大坝失事的现实引起人们对坝基深层抗滑稳定的日益重视。具有代表性的深层滑移情况如图所示。图(a)为坝基具有倾向下游的缓倾角弱面的情况,图(b)为坝基具有倾向上游的缓倾角弱面的情况。两种情况都有可能沿弱面产生单斜面滑移,可使用刚体极限平衡法进行抗滑稳定验算,即将弱面以上的坝体和坝基视为刚体,使用公式计算刚体沿弱面滑移的安全系数K。由于弱面的f′、C′值较难确定,极限平衡状态与允许的工作状态也有较大出入,迄今世界各国对要求的K′值多未作出明确的规定,只能参考坝基面抗滑稳定所要求的K′值适当选用。图(c)为坝基具有倾向下游的缓倾角弱面、且坝址下游岩体具有倾向上游的弱面BC或沿BC方向的节理裂隙组的情况。这种情况称为双斜面滑移,仍可使用刚体极限平衡法,但计算时常须在BD面引入一个其方向需事先假定的内力R。取岩体ABD(包括上面的坝体)的安全系数为1,计算R及岩体BCD的安全系数称为剩余推力法;取岩体BCD的安全系数为1,计算R及岩体ABD(包括上面的坝体)的安全系数称为被动抗力法;按两块岩体的安全系数相同的原则计算时,称为等安全系数法。如果坝址下游岩体破碎或节理裂缝为随机性的,可自B点引出若干个倾角不同的BC面进行比较,按最不利情况确定安全系数。显然,使用刚体极限平衡法验算双斜面抗滑稳定的精确度更差,其结果只能供作参考。

深层抗滑稳定计算图

抗滑稳定验算方法的展望 20世纪50年代以来,静力学模型试验特别是地力学模型试验的发展为抗滑稳定的试验研究提供了较有效的手段。地力学模型试验能够较好地模拟基岩的结构、强度的变形特性,以及自重、静水压力等荷载,能够形象地显示滑移破坏的过程;但由于模拟的内容还不够全面,改变材料强度参数以寻求强度储备系数也不够方便,目前还不能完全依靠它来定量地解决问题。岩体强度和变形理论的发展以及有限元、边界元、无限元等方法的应用,为抗滑稳定的数值分析提供了有效手段。

提高抗滑稳定性的措施 首先应致力于减少横向荷载或增加竖向荷载,如根据具体情况采用拱形重力坝宽缝重力坝等坝型,将坝基面开挖成平台或稍为倾向上游、采用有效的帷幕灌浆和排水设施,以及抽水减压措施(见扬压力)等。其次为提高坝的抗滑能力,如进行横缝灌浆,在坝址处设置齿墙,对坝基弱面或软弱破碎带进行局部开挖回填混凝土或设置抗滑硐塞,对层状基岩设置抗滑桩或预应力锚索,以及将整个大坝和基岩进行预应力锚固等。