重力坝深层抗滑稳定分析方法综述

水电站设计　第２６卷第３期　Ｄ　Ｈ　Ｐ　Ｓ　２　０　１　０年９月　重力坝深层抗滑稳定分析方法综述　彭文明，张连明，陈　强　（中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川成都６１００７２）　摘要：概述了目前重力坝深层抗滑稳定分析使用比较广泛的方法，指出了各种分析方法的优缺点，最后，对重力坝深层抗滑稳定　分析方法的发展方向进行了探讨和展望。　关键词：重力坝；极限平衡稳定分析；滑动；安全系数；计算方法　中图法分类号：ＴＶ２２３．３１　文献标识码：Ｂ　文章编号：１００３—９８０５（２０１０）０３—００５２—０３　１　前　言　重力坝是最常用的混凝土坝型之一，其最大特　点是依靠自身的重量维持坝体稳定。实际工程中，　坝体基岩内经常存在各种形式的软弱面，当它们的　产状有利于其上坝体的滑动时，抗滑稳定便很容易　成为坝体安全的控制因素。　抗滑稳定分析方法历来受到专家学者的重视，　经过一个世纪的演变发展，形成了以刚体极限平衡　方法为基础的多种求解方法¨　。随着对工程要求　的提高以及数值方法的发展，有限元方法开始在坝　基稳定分析中应用，对于某些特殊工程，也可采用模　型试验方法来复核坝体的稳定问题。　稳定，其稳定安全系数只要求达到１．０～１．１（地震　工况～正常工况）即可（根据坝的级别安全系数要　求稍有差异）。而剪摩公式求解的是接触面从胶结　状态剪断的安全系数　，要求达到２．３～３．０（地震　工况～正常工况），其中采用的力学参数厂、ｃ　和，分　别通过抗剪断试验和抗剪试验确定。但是大多数情　况滑移面仅部分通过软弱面，其余部分切穿新鲜岩　体或混凝土，此时应考虑抗剪断参数ｃ　的作用。　２．１单滑面抗滑稳定　如图１所示，地基中只有一个软弱面，计算中将　软弱面以上的坝体和地基一起视作刚体，复核刚体　沿软弱面的抗滑稳定安全系数。　２坝基深层抗滑稳定计算方法　当坝基岩体内存在软弱结构面、缓倾角裂隙时，　在水荷载的作用下，坝体有可能连同部分基岩沿软　弱结构面产生滑移，形成深层滑动，此时需对重力坝　作深层抗滑稳定复核。根据工程的等级差异或深层　图１单滑面滑移示意　抗滑稳定问题的突出程度，常采用的深层抗滑稳定　分析方法有如下几种：（１）单滑面抗滑稳定；（２）双　滑面抗滑稳定；（３）多滑面抗滑稳定；（４）有限元方　法；（５）模型试验。其中（１）～（３）均属于刚体极限　平衡方法。　深层抗滑稳定分析的刚体极限平衡方法有摩擦　公式（Ｋ＝，∑ｗｒ／∑Ｐ）和剪摩公式（Ｋ　＝（厂∑ｗ＋　２．２双滑面抗滑稳定　在实际工程中，地基内往往发育多条相互切割　交错的断层或软弱结构面，这些软弱面可构成复杂　的滑移面。图２为双滑面稳定计算示意图，该方法　假定主滑面ＡＢ和辅滑面ＢＣ在ＢＤ处断裂，通常Ｄ　为坝趾。　双滑面通常有三种计算方法，即被动抗力法、剩　ｃ　Ａ）／ＺＰ）两种，其中摩擦公式假定接触面上的　凝聚力为０（ｃ＝０），仅仅依靠接触面的摩擦力维持　余推力法和等安全系数法。被动抗力法，即利用尾　岩抗力体的被动抗力作用，首先计算出抗力体为极　收稿日期：２００８—０９一Ｏｌ　作者简介：彭文明（１９７８一），男，江西宜春人，硕士，工程师，主要从事水工设计和计算工作。　５２　限平衡状态时作用于主滑体的反力Ｑ，再计算主滑　体的稳定安全系数；剩余推力法，按块体静力传递原　理，假设前块处于极限平衡状态，求解前后两个滑块　之间的剩余推力Ｑ，考虑剩余推力Ｑ的作用，再计　算后块的安全系数，本法适用于后块为主滑动面的　情况；等安全系数法，假定前后两滑块具有相等的抗　滑稳定安全系数，再进行计算，求得的主、辅滑动面　上的安全系数相等，且符合两个滑动面的剪力平衡　条件。由于被动抗力法和剩余推力法是建立在假定　后块或前块达到极限状态的基础上，两个滑动面上　的安全系数不相同，不能评定基岩的整体稳定，故而　目前规范推荐采用等安全系数法　Ｊ。　２．３多滑面抗滑稳定　滑稳定计算的重要性；而美国军工师团颁发的规范　则采用多滑面稳定计算理论。可见，多滑面稳定计　算越来越受到专家学者的关注和重视。多滑面抗滑　目前国内混凝土重力坝设计规范均以双滑面方　法作为深层抗滑稳定推荐方法，同时指出多滑面抗　＼　＼　１＼　Ａ　稳定分析方法基于刚体极限平衡理论、参考国内外　使用成熟的坝基双滑面和边坡多滑面等多种稳定计　算方法推导得出。该方法依据等安全系数法的思　路，以各滑移面为对象推求极限平衡方程组，并采用　非线性迭代方法求解滑移通道稳定安全系数。坝基　岩体内错动带分布较为复杂时（如图３所示），危险　滑移通道常由多个滑裂面组成，此时采用多滑面方　法进行计算在滑移模式和参数选取上均更接近实际　情况。多滑面方法在边坡稳定计算中较为常见，在　坝基深层抗滑中应用还比较少。文献［４］提出了坝　基多滑面抗滑稳定的一种求解方法，并在工程中得　到了应用。采用多滑面方法，可避免双滑面方法在　滑移通道的假定及滑裂面参数的选取上与实际情况　相差较大的情况，从而避免不必要的误差。　２．４有限元方法　Ｄ　对于较为重要的工程，规范推荐采用有限元方　法对坝基深层稳定进行复核分析，其中数值计算模　型的建立至关重要，尤其是软弱接触面的建模。通　常对较厚的软弱夹层，可划分为常规单元；若软弱夹　层较薄或者为闭合的裂隙面（无厚度），则可采用杆　图３多滑面滑移示意　单元模拟。在有限元方法计算中评判结构的破坏状　态很重要，当荷载递增（或材料强度递减）达到一定　程度，结构进入屈服状态，表现为基岩或混凝土局部　应力集中，并超过限定值，或者坝体及基岩发生较大　位移、开裂、错动，超过允许位移的，均可视作计算结　构达到破坏状态。有限元计算也可求解滑裂通道的　安全系数，安全系数的评估方法通常有：（１）沿滑动　面分析逐点应力状态，计算点安全系数，最后加权归　纳出一个整体安全系数；（２）设想将设计荷载增大　倍后，坝体深层抗滑稳定达临界状态，　即称为　超载系数，实际操作中一般仅将上游水压力超载；　（３）设想将滑裂面材料的强度降低　倍后，坝体深　层抗滑稳定达临界状态，　即称为强度储备系数。　２．５模型试验　对于某些特殊的工程或者深层抗滑稳定问题较　为突出的，可采用模型试验复核验证。模型要精确　５３　反映各种因素是十分困难的，所以模型试验只能给　出定性成果。很多重要工程都通过模型试验测得的　结果来判断大坝稳定安全度的依据较多，如计算应　力和位移值、滑裂通道的屈服单元所占的比例、计算　通道的安全系数。常用的安全系数评判标准均是建　现象和数据给研究工程提供了参考，但由于单个模　型试验的成果重复利用性较差，近年来较少使用。　２．６坝基稳定空间分析方法　立在极限平衡方法的基础上，而有限元方法与刚体　极限平衡方法是不相同的，因此用常规安全系数标　准来判别用有限元方法求得的安全系数是否安全还　实际工程的边界条件很复杂，坝基深层稳定往　往是空间问题。在坝体和部分基岩达到临界失稳状　值得讨论；对计算应力、位移及屈服单元所占滑裂通　道的比例，目前尚无统一标准来评判其安全度。在　实际计算中，以下２点常作为安全辅佐判据　引：ａ．　坝基帷幕区和尾岩抗力体不应有拉力区；ｂ．滑裂通　态时，不仅底部软弱结构面和下游抗力体发挥抗剪　作用，岩体两侧也可提供一定的侧向阻滑力，所以对　于空间特性较为明显的工程，对坝基采用空间抗滑　稳定分析往往要比平面稳定计算安全。对于不同的　地质条件，空间分析方法所作的假设也不尽相同。　目前，三维稳定计算在边坡稳定分析中已经得到了　大量应用　Ｊ，但坝基空间稳定分析方法还不成熟，　专家学者也提出了三维分析的极限平衡方法　，并　应用于工程中。不过值得注意的是，空间分析方法　比常规方法更多地挖掘了抗滑潜力，所以应适当提　高安全系数标准。　３深层抗滑稳定几个问题的探讨　目前，对重力坝深层抗滑稳定尚有如下３个问　题存在一定争议：　（１）关于抗力方向问题。对于双滑面和多滑面　的深层抗滑稳定计算，滑块之间通过抗力作用，抗力　的方向对计算结果有一定影响。双滑面计算中抗力　为水平时安全系数最小，而多滑面抗力方向与基岩　中软弱面分布有关，也有文献　经过论证认为抗力　为水平时安全系数也是最小的。为简便，在多滑面　方法中通常也考虑抗力为水平方向。　（２）单一安全系数设计法和概率极限状态设计　法。对于重力坝深层抗滑稳定安全度的判据，现行　规范主要有两种方法，即单一安全系数设计法、概率　极限状态设计法。前者常用剪摩公式和摩擦公式求　出的经验　值作为安全系数，并用　值度量结构的　安全性，大于规范值则认为是安全的。事实上　，　安全系数　其实由材料强度安全储备系数　和荷　载的超载系数　两部分组成。考虑到不同工程结　构尺寸、材料强度及荷载作用的变异性，ＤＬ　５１０８—　１９９９《混凝土重力坝设计规范》根据国家标准　ＧＢ　５０１９９—９４（水利水电工程结构可靠度设计统一　标准》修订并采用了概率极限状态设计法　¨方　法，该方法考虑各种材料分项系数、荷载作用系数及　结构系数、结构重要性系数、设计状况系数的影响，　并以抗力效应与作用效应的比值是否大于１来评价　抗滑稳定是否满足要求。　（３）有限元方法安全度的判据。以有限元计算　５４　道的屈服单元不应超过６０％。　４展　望　深层抗滑稳定作为重力坝最关注的重点之一，　早期的专家学者提出了实用的求解方法，并在一定　程度上解决了坝基抗滑稳定问题。随着科学技术的　发展，人们掌握了更多的技术可以把大坝建立在更　为复杂的基础上。在复杂基岩上的重力坝，采用常　规的单、双滑面抗滑稳定计算方法往往无法满足生　产需求。有限元仿真模拟技术发展很快，可以解决　上述问题，但是有限元计算需要投入大量的人力、物　力，不够经济，对快节奏生产设计也非常不利。广泛　应用于边坡稳定计算的多滑面计算方法正被引入到　坝基深层抗滑稳定分析中，多滑面方法体现更大的　适用性。以三维刚体极限平衡理论为基础的三维深　层稳定计算已经受到很多专家学者的关注，但目前该　方法尚处于探索当中。现代社会是多元化的社会，人　们正在寻求更多的方法来求证大坝的抗滑稳定。　参考文献：　［１］潘家铮．建筑物的抗滑稳定和滑坡分析［Ｍ］．北京：水利出版　社．１９８０．　［２］郑颖人，陈祖煜，等．边坡与滑坡工程治理［Ｍ］．北京：人民交　通出版社，２００７．　［３］混凝土重力坝设计规范（ＳＬ３１９—２００５）［Ｓ］．北京：中国水利　水电出版社，２００５．　［４］　彭文明，马行东．多滑动面方法在官地电站深层抗滑稳定分　析中的应用［ＪＪ．ＩＮ）＇Ｉ水利，２００８，（４）．　［５］陈祖煜，弥宏亮，汪小刚．边坡稳定三维分析的极限平衡方法　［Ｊ］．岩土工程学报，２００１，２３（５）：５２５—５２９．　［６］　张发明，陈祖煜，弥宏亮．坝基三维深层抗滑稳定分析的极限　方法［Ｊ］．辽宁工程技术大学学报，２００３，２２（６）．　［７］梅明荣，任青文．基于优化理论的刚体极限平衡模型［Ｊ］．长　江科学院院报，１９９９，１６（３）．　［８］　马力．重力坝深层抗滑稳定计算的几个问题［Ｊ］．水利学报，　１９８４（１）．　［９］　黄东军，聂广明．重力坝深层抗滑稳定安全评价若干问题的　思考［Ｊ］．水力发电学报，２００５，２４（２）．　［１Ｏ］侯建国，贺采旭．水工混凝土结构设计分项系数的确定［Ｊ］．　水利学报，１９９６（７）：３７—４６．　［１１］曹去修，柏宝忠，王贵朝．重力坝深层抗滑稳定极限状态设　计式探讨［Ｊ］．人民长江，２００３，３４（７）：４０－４２．　［１２］　李培基．重力坝深层抗滑稳定问题浅析［Ｊ］．水利水电工程　设计．２０００，１９（１）．