重力坝沿坝基面的抗滑稳定可靠度分析

1、重力坝沿坝基面的抗滑稳定可靠度分析    摘要：重力坝作为我国水利枢纽建设的主要坝型之一，其坝基的抗滑稳定安全性一直是工程设计最关键和最受关注的问题。实际工程中坝址具有良好地质条件的情况较少，大多数重力坝都会遇到复杂的地质情况。我国混凝土重力坝设计规范中，对按纯摩擦公式计算和按抗剪断公式计算分别规定了不同的抗滑稳定安全系数控制指标，二者相差很大，且均系经验值，仅代表重力坝抗滑稳定安全度的设计指标.针对这一现状，本文对沿坝基面的抗滑稳定引进可靠度理论进行分析，并提出相应的可靠理论为重力坝设计提供参考。关键词：重力坝   抗滑稳定

2、0;分析   措施    重力坝的工作原理主要是利用自重在坝基面产生的摩擦力来抵抗水平推力而满足稳定要求；同时利用坝体自重在水平截面上引起的压应力来抵消由水压力产生的拉应力以满足强度的要求。在任何可能出现的荷载组合情况下，重力坝都应保持稳定。稳定分析是重力坝设计的一项重要内容。目前重力坝深浅层抗滑稳定分析，国内外主要是采用整体宏观的半经验法，安全系数只是抗滑稳定安全的一个指标，并不是真正的安全系数。抗滑稳定分析的设计原则，连同计算方法的确定、抗剪参数的选择以及安全判据的运用是互相配套的。在很大程度上仍取决于经验和判断，因此需要在总结以往经验的基

3、础上，采用合适的先进技术和科技成果，研究改进和完善坝基深浅层抗滑稳定的分析和设计工作。一、可靠度基本概念重力坝的深层抗滑稳定性是大坝安全的一个重要因素，当前我国大型水利工程还采用有限单元法进行复核。但这两种方法本质上都属于定值设计法即用一个大于1的安全系数K来表征结构的安全性，它们共同的特点就是把结构材料的性能、强度、构件的尺寸及荷载等作为确定性的量值来计算，最后用一个概略的安全系数K代替各种不确定性因素引起的安全问题。这样，加大结构的安全系数并不一定能按比例地增加结构的安全度，而在设计中用以衡量结构安全与否的安全系数究竟代表多大的可靠度也并不为人们所知。为此，本文引入可靠度理论进行深入研究。

4、在结构可靠度分析中，结构的极限状态由功能函数描述，当有n个随机变量(x1， x2， xn)影响结构的可靠度时，结构的功能函数可用下式表示：Z = g(x1，x2，xn)当Z>0时，结构处于可靠状态； Z=0时，结构处于极限状态；Z<0时，结构处于失效状态。二、沿坝基面的抗滑稳定分析稳定分析的主要目的是检验重力坝在各种可能负荷组合情况下的稳定安全度。工程实践和试验研究表明，岩基上混凝土重力坝的失稳破坏可能有两种类型：一种是坝体沿抗剪能力不足的薄弱层面产生滑动，包括沿坝与沿基面接触面的滑动及沿坝基岩体内连续软弱结构面产生的滑动；另一种是在荷载作用下，上游坝踵以下岩体受拉产生倾斜裂缝以及

5、下游坝趾岩体受压发生压碎区而引起倾倒破坏。由于坝体和岩体的接触面是两种材料的结合面，坝体所受的水平推力较大，而且受施工条件限制，其抗剪强度往往较低。因此，在重力坝设计中，都要验算沿坝基面的抗滑稳定性，其结果必须满足规范中关于抗滑稳定安全度的要求。目前常用的有以下两种计算公式。（一）摩擦公式此法的基本观点是把滑动面看成是一种接触面，而不是胶结面。滑动面上的阻滑力只计摩擦力，不计凝聚力。实际工程中的坝基面可能是水平面，也可能是倾斜面。如图（一）所示。         沿水平坝基面抗滑稳定  

6、;               沿倾斜坝基面抗滑稳定图（一）重力坝沿坝基面抗滑稳定计算示意图当滑动面为水平面时，其抗滑稳定安全系数K可按下式(1979年混凝土重力坝设计规范SD2J1一78)计算：                      

7、                                          （1.1） 式中 W-作用于滑动面以上的力在铅直方向投影的代数和， 

8、;     P-作用于滑动面以上的力在水平方向投影的代数和，       U-作用于滑动面上的扬压力，       f-滑动面上的摩擦系数，       K-一按摩擦公式计算的抗滑稳定安全系数。当滑动面为倾向上游的倾斜面时，计算公式为:            

9、                                                   

10、;     （1.2） 式中，a为滑动面与水平面的夹角；其他符号同上。但要注意扬压力U应垂直于所计算的滑动面。由式（1.2）看出，滑动面倾向上游时，对坝体抗滑稳定有利；倾向下游时，snia角由正变负，滑动力(分母)增大，抗滑力(分子)减小，对坝体抗滑稳定不利。在选择坝轴线和开挖基坑时，应尽可能考虑这一影响。（二）抗剪断强度公式此法认为，坝体与基岩胶结良好，滑动面上的阻滑力包括摩擦力和凝聚力，并直接通过胶结面的抗剪断试验确定抗剪断强度的参数厂和。其抗滑稳定安全系数根据混凝土重力坝设计规范补充规定(1985年)由下式计算: &#

11、160;                                                 &#

12、160;             （1.3）式中 f-坝体与坝基连接面的抗剪断摩擦系数      C- 坝体与坝基连接面的抗剪断凝聚力，      A-坝体与坝基连接面的面积，      K-按抗剪断公式计算的抗滑稳定安全系数。在抗剪断强度公式中，W和P都与坝高的平方成正比，而坝底混凝土与岩基面的凝聚力C只与坝高成正比

13、。因此，用式(1.3)核算坝的抗滑稳定时，对较低的坝，凝聚力对抗滑稳定所起的作用比较高的坝为大。抗剪断强度中的参数之一的摩擦角尹(或摩擦系数f)是一个比较固定的数值。它主要受材料风化、构造断裂和时间等因素的影响，变化不大，也即们值具有比较好的稳定性。而另一个抗剪断参数凝聚力C，本质上是岩石内连续性和剪切面不平整度的反映，天然岩石内存在着各种变化不定的不连续结构和不平整度，因此C值也相应表现出变化不定的性质。以上介绍的两种抗滑稳定计算公式虽然理论上还不够完善，但都有长期的使用经验，而且也在不断地改进和发展。随着岩体强度的变形理论的发展，有限单元法的应用，可靠度分析又为抗滑稳定分析计算和试验研究提

14、供了新的途径。表1.1重力坝沿建基面及深层抗滑稳定安全系数规定值                安全系数            荷载组合            坝的级别  

15、0;                 1            2            3        &

16、#160;           K            基本组合            1.10            1.05

17、            1.05                    特殊组合（1）            1.05   

18、60;        1.00            1.00                    特殊组合（2）       

19、     1.00            1.00            1.00                   

20、 K            基本组合            3.0                    特殊组合（1）  

21、60;         2.5                    特殊组合（2）            2.3      &#

22、160;      三、提高坝基深层抗滑稳定性的工程处理措施针对坝基深浅层抗滑稳定问题所进行的加固处理，在国内外已建和在建的大中型水电工程实践中已经取得了丰富的经验。在工程中采用过而又行之有效的处理措施主要有明挖、洞挖、大口径混凝土桩、深齿墙(坝踵、坝趾)和预应力锚索等，归纳起来主要有以下几类:（一）提高软弱夹层抗剪断指标1、坝踵深齿槽:设置坝踵深齿槽，将齿槽的底部高程开挖至控制滑动面以下的完整基岩中，用深齿槽切断软弱结构面，以保证坝基的抗滑稳定。当软弱结构面埋藏较浅时，这种加固措施施工方便，工程量不大，并有利于坝基防渗处理，在国内外广泛采用。

23、例如大化重力坝4#坝段，在坝踵断层处开挖了10m深的齿槽，并辅以3m厚的混凝土防渗铺盖;葛洲坝二江泄洪闸闸基处理方式是上游齿槽深入基岩13.5m。2、混凝土铜塞:当坝基下软弱结构面埋藏较深、厚度较大，并且倾角平缓或接近水平时，全部明挖工程量过大，可在软弱结构面内设置数排混凝土铜塞，用以增加软弱结构面的抗剪断能力，保证坝基的抗滑稳定。例如安康重力坝的中、表孔坝段都是既有倾向下游的缓倾角断层破碎带，又有倾向上游的缓倾角断层破碎带和若干条陡倾角破碎带，设计上采用了沿软弱破碎带设置Zmx3m，4mxsm抗剪铜塞。（二）增加抗力体抗力坝基内倾向下游的缓倾角软弱夹层埋藏较深，坝趾尾岩完整，或者下游岩体临空而夹层下部有较完整的岩体，可以充分利用完整岩体的抗力。一般岩石抗力与抗力体高度的平方以及抗力体上部铅直荷载强度成正比，因此，增加尾岩抗力可以采用下列措施:1