岩基上水工建築物抗滑穩定

對岩基上的水工建築物及其地基，在規定荷載作用下不發生滑移、保持穩定的分析方法和工程措施。水工建築物的種類很多，滑移方式也各異。本條主要闡述岩基上重力式閘壩的抗滑穩定。對於拱壩主要指拱壩壩肩穩定，土石壩的抗滑穩定是指土石壩壩坡穩定分析。

基本介紹

• 中文名：岩基上水工建築物抗滑穩定
• 外文名：stability against sliding of hydraulic structures on rock foundation

建基面的抗滑穩定

建基面常為分析驗算抗滑穩定的主要部位，常以單寬或一個壩段作為計算單元。分析計算用的公式有摩擦公式、抗剪強度公式、剪摩公式、抗剪斷強度公式等。

摩擦公式構想壩體與基岩處於接觸狀態，因壩體和基岩的性質以及施工方法、施工質量等不同，摩擦係數的取值也有所不同。抗剪強度公式構想壩體和基岩處於膠結狀態，但只考慮法向力所產生的抗滑力，不計黏聚力，這時的f稱為抗剪摩擦係數，可參考野外試驗成果的屈服極限值(塑性破壞型)或比例極限值(脆性破壞型)以及室內試驗成果選定。這兩種公式在考慮壩體與壩基間實際存在的抗滑力方面偏於保守，因此安全係數(K)只要求稍大於1.0。由於這兩種公式的K值不能表徵實際的安全度，故使用的國家已日益減少。剪摩公式與抗剪斷強度公式的形式也相同。

深層抗滑穩定

當壩基內有不利的緩傾角軟弱結構面時，壩體可能連同部分基岩沿軟弱結構面產生滑移。壩基深層抗滑穩定情況比較複雜，失穩機理尚在探索。常用的分析方法有計算和試驗兩類。計算方法有剛體極限平衡法和有限元法；試驗方法有抗滑穩定結構模型試驗和地質力學結構模型試驗。試驗方法常只作為設計的參考。抗滑穩定結構模型試驗一般用來研究壩基地質條件不很複雜，可能滑移途徑比較明確的壩段滑移失穩情況。地質力學結構模型試驗能反映壩基的具體工程地質構造情況，可以模擬岩體中的斷層、破碎帶和軟弱帶以及主要節理裂隙，可用來研究破壞機理和超載能力，但試驗周期長、工作量大，費工費時。

剛體極限平衡法有被動抗力法、等安全係數法、剩餘推力法三種計算方法。

有限元法計算重力壩深層抗滑穩定時常按平面形變問題進行分析，採用合適的單元形態進行離散。對於厚度大的軟弱帶可採取普通單元，對於厚度薄的結構面一般採用特殊單元(如節理單元)進行離散。通過非線性分析，可求得某一設計情況時，可能的滑移通道上各單元的剪應力和法向應力以及相應的點抗剪安全係數，即局部安全係數。對於平面的滑移通道，可以滑移面上各單元的抗剪力總和與剪下力總和的比值作為壩段抗滑穩定的安全係數。

由於抗滑穩定分析涉及結構的極限狀態，考慮材料的彈塑性和破損機理，進行非線性分析才能求得比較符合實際的計算結果。但採用的本構關係還不夠完善，而且勘測試驗精度也有限。為了簡化計算，有時不去精確模擬材料在屈服或破壞後的各種性質，而用一些近似方法進行處理。常用的方法是：根據所採用的判別準則，檢查每次疊代所得的單元應力；若拉應力超過抗拉強度，就認為產生開裂，單元的拉應力和剪應力全部鬆弛；根據莫爾庫侖準則，若剪應力超過剪下強度，就認為產生滑移，滑移面只能承受殘餘剪下強度；通過應力轉移法將超余應力轉移到其他單元。這種簡化方法雖不能求得精確解答，但可作為工程設計的重要參考。

用有限元法進行深層抗滑穩定分析時，不使用上述抗滑穩定安全係數和局部安全係數，而使用超載係數或強度儲備係數來表征安全度更為方便。這兩種方法都屬於極限狀態法。①超載係數。一般是使上游水壓力逐步增加(即達到不同程度的超載)，求得極限狀態時的水壓力，它與某一設計情況時水壓力的比值即為超載係數。②強度儲備係數，或稱材料強度係數。施加在壩體和壩基上某一設計情況的荷載不變，逐步降低可能滑移面的抗剪指標，直到極限狀態，設計採用的抗剪指標與極限狀態時的抗剪指標的比值即為強度儲備係數。一般說來，由於水位升高引起的超載總是有限的，而壩基中弱面的抗剪指標較難準確確定，在運行期又可能發生不可逆轉的惡變，因此不少人認為，採用強度儲備係數來表征安全度比採用超載係數更為合理。

由於缺乏統一的控制標準，有限元法常只作為重要工程的校核驗證手段。中國的DL5108—1999規定，採用有限元法計算時，計入揚壓力，壩基上游面拉應力區寬度宜小於壩底寬度的0．07倍或小於壩踵至帷幕中心線的距離。

提高抗滑穩定性的工程措施

提高抗滑穩定性主要工程措施可歸納為3個方面：1.增加滑移體重量。2.提高滑移面的抗剪能力。3.減小揚壓力。

具體措施有：①挖除壩基淺層的軟弱面。②增加壩體重量，放緩上游壩坡以利用壩面上的水重。③在壩踵上游設定阻滑板或防滲板，並把防滲帷幕和排水孔幕移至板的始端。④在壩基採用抽排減壓措施以減小揚壓力。⑤設定混凝土齒牆，切斷壩基淺層的軟弱結構面或軟弱帶。⑥設定切斷軟弱結構面的混凝土或鋼筋混凝土洞塞(又名抗剪鍵)。⑦採用預應力錨索或鋼筋混凝土錨固樁來加固壩基。⑧用深井錨固樁(抗滑或抗剪樁)來處理斷層交匯處的嚴重破碎帶。

在實際工程中，一般總是根據具體情況，選用一種或幾種工程措施來提高閘壩的抗滑穩定安全度。中國的雙牌大頭壩，主要採用預應力錨索錨固成層的岩體；大黑汀混凝土寬縫重力壩的第18壩段，採用了斷面為17m×17m、深25m的混凝土抗剪樁；葛洲壩水利樞紐的二江泄水閘，採用抽排減壓措施和混凝土齒牆，在壩踵上游設定防滲板，並對穩定性仍不夠的閘段，在閘室下游設定直徑為乒850mm和乒219mm的鋼筋混凝土錨固樁，以加固抗力體部位的岩體。