重力壩深層抗滑穩(wěn)定分析

重力壩深層抗滑穩(wěn)定分析

一、世界上最大的實(shí)體混凝土重力壩—概述大壩和水庫已經(jīng)建成幾千年，一直是人類的水庫。水庫是出現(xiàn)最古老的水庫類型。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“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、水庫重特征(一)水庫概念和優(yōu)勢(shì)1.直角三角形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)生的抗滑力來滿足穩(wěn)定要求;同時(shí)依靠壩體自重產(chǎn)生的壓力來抵消有雨水壓力所引起的拉應(yīng)力以滿足強(qiáng)度要求。2.重力壩施工優(yōu)勢(shì)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.混凝土施工對(duì)地質(zhì)構(gòu)造的要求一是,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)抗剪滑力重力壩的根本特點(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)水庫類型1.深度質(zhì)量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.重力壩壩壩組按壩體的建筑材料,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.根據(jù)水源條件的分類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.壩體壩型重力壩有實(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、抗滑穩(wěn)定問題的研究一座按照現(xiàn)代理論設(shè)計(jì)、用現(xiàn)代施工工藝澆筑起來的混凝土大壩,只要地基巖體比較完整,沒有重大的缺陷,發(fā)生整體失穩(wěn)的可能性是非常小的。過去,由于對(duì)壩基問題的重要性認(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,抗滑穩(wěn)定問題是關(guān)系到大壩安全性和經(jīng)濟(jì)性的重要問題。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,對(duì)于這樣的地基問題,主要依據(jù)經(jīng)驗(yàn)和估算來進(jìn)行設(shè)計(jì)。近年來,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。但由于問題的復(fù)雜性,許多問題還沒有得到滿意的解決,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、水庫深層抗滑穩(wěn)定破壞類型(一)沿滑動(dòng)面切割和破壞壩基內(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)壩體被拉裂破碎帶當(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其承載力,尾巖抗力體將產(chǎn)生擠壓破壞,壩基將產(chǎn)生過大的向下游的壓縮變形,使大壩失穩(wěn)。(三)起落架破壞下的巖固體變形壩基內(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)生過大的向下游的位移而失穩(wěn)。五、水庫深層抗滑、穩(wěn)定(一)滑動(dòng)體材料組成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)大壩沿基巖巖體的滑動(dòng)通道壩基巖體內(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、通過計(jì)算重量水庫深層的抗滑穩(wěn)定，計(jì)算抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)的選擇(一)夾層厚度與抗剪強(qiáng)度的關(guān)系根據(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)抗剪斷強(qiáng)度目前國(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)人員通過綜合分析確定。因?yàn)槿饺藛T看問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)抗剪強(qiáng)度參數(shù)計(jì)算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)壩內(nèi)側(cè)向阻滑力的認(rèn)定由于軟弱結(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、剛體極限平衡法由于重力壩深層抗滑穩(wěn)定問題的復(fù)雜性,其分析方法尚無較為合理的統(tǒng)一的規(guī)定,需根據(jù)具體情況,參考類似工程經(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)過無數(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