提高重力壩抗滑穩(wěn)定的措施

李光平

(興文縣水務(wù)局，四川 興文，644400)

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提高重力壩抗滑穩(wěn)定的措施

李光平

(興文縣水務(wù)局，四川 興文，644400)

本文對重力壩抗滑穩(wěn)定性進(jìn)行了理論分析，闡明了重力壩的受力分析和抗滑穩(wěn)定性不足的主要原因，并針對這些原因提出了增加重力壩抗滑穩(wěn)定性的措施。

重力壩 抗滑穩(wěn)定 措施

1 概述

重力壩因其對地形、地質(zhì)及地基條件的要求低于拱壩及支墩壩，與其它壩型比較更適于在壩頂溢流和在壩身設(shè)置泄水孔，易于解決施工導(dǎo)流、渡汛和樞紐泄洪問題，并具有施工方便等優(yōu)點(diǎn)，在水利工程中得到廣泛的應(yīng)用。

重力壩的抗滑穩(wěn)定分析是重力壩設(shè)計(jì)中的一個重要內(nèi)容，目的是核算沿壩基面或沿地基深層軟弱結(jié)構(gòu)面抗滑穩(wěn)定的安全度。重力壩的失穩(wěn)破壞過程是比較復(fù)雜的，理論分析、試驗(yàn)及原型觀測結(jié)果表明，位于均勻壩基上的重力壩沿壩基面失穩(wěn)機(jī)理是：首先在壩踵處基巖和膠結(jié)面出現(xiàn)微裂松馳區(qū)，隨后在壩趾處基巖和膠結(jié)面出現(xiàn)局部區(qū)域的剪切屈服，進(jìn)而屈服范圍逐漸增大并向上游延伸，最后形成滑動通道，導(dǎo)致大壩的整體失穩(wěn)。

重力壩主要依靠壩體自重產(chǎn)生的抗滑力來滿足穩(wěn)定要求，同時依靠壩體自重產(chǎn)生的壓應(yīng)力來抵消水壓力所引起的拉應(yīng)力，以滿足強(qiáng)度要求，其荷載主要包括自重、水壓力、揚(yáng)壓力及其它各種荷載。

2 重力壩抗滑穩(wěn)定分析

重力壩滑動的基本形式為三種：壩基平面滑動、壩基沿巖體淺層滑動、壩基沿巖體深層滑動。

2.1 沿壩基面的抗滑穩(wěn)定分析

圖1 壩體抗滑穩(wěn)定計(jì)算簡圖

(1)抗剪強(qiáng)度公式

(1)

式中：ΣW——接觸面以上總鉛直力；

ΣP——接觸面以上的總水平力；

U——作用在接觸面上的揚(yáng)壓力；

f——接觸面間的摩擦系數(shù)；

Ks——抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。

公式(1)是假設(shè)接觸面為水平狀態(tài)，當(dāng)接觸面傾向上游時，則

(2)

式中：β——接觸面與水平面間的夾角。

從式(2)可以看出，當(dāng)壩體與基巖接觸面傾向上游時，對壩體抗滑有利；而當(dāng)接觸面傾向下游時，β為負(fù)值，使抗滑力減小，滑動力增大，對壩體穩(wěn)定不利。

抗剪強(qiáng)度公式未考慮壩體混凝土與基巖間的凝聚力，而將其作為安全儲備，因此相應(yīng)的安全系數(shù)Ks不應(yīng)定得過高。這里的Ks值只是一個抗滑穩(wěn)定的安全指標(biāo)，并不反應(yīng)壩體的真實(shí)安全程度。

(2)抗剪斷公式

(3)

式中：Ks′——按抗剪斷強(qiáng)度計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；

f′——抗剪斷摩擦系數(shù)；

C′——抗剪斷凝聚力；

A——壩基截面積；

P——接觸面以上的總水平力；

U——作用在接觸面上的揚(yáng)壓力。

從式(3)可以清楚看出，抗剪斷公式實(shí)質(zhì)是用試塊的平均抗剪強(qiáng)度與壩底的平均剪應(yīng)力相比較，判斷大壩是否穩(wěn)定。

2.2 深層抗滑穩(wěn)定分析

當(dāng)壩基內(nèi)存在不利的緩傾角軟弱結(jié)構(gòu)面時，在水荷載作用下，壩體有可能連同部分基巖沿軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生滑移，所謂的深層滑動。

地基深層滑動情況十分復(fù)雜，失穩(wěn)機(jī)理和計(jì)算方法還在探索中。設(shè)計(jì)時，首先要查明地基中的主要缺陷，確定失穩(wěn)邊界，測定失穩(wěn)邊界面上的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，選擇合理的計(jì)算方法并規(guī)定相應(yīng)的安全系數(shù)，最后是選擇提高深層抗滑穩(wěn)定性的措施。

2.3 岸坡壩段的抗滑穩(wěn)定分析

當(dāng)靠近兩岸岸坡壩段的壩基面是傾向河床的斜面或折面時，該壩段在上游水壓力及壩體自重作用下，有向下游及河床滑動的趨勢，在三向荷載作用下，使其抗滑穩(wěn)定性不如河床壩段。

3 重力壩抗滑穩(wěn)定性不足的主要原因

通過上述對重力壩抗滑穩(wěn)定的分析可知，影響重力壩穩(wěn)定的主要因素，為壩與地基或壩基內(nèi)軟弱夾層的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)、壩基揚(yáng)壓力、壩體所受垂直和水平荷載。其中，特別是地基的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，由于變化范圍極大，對重力壩的抗滑穩(wěn)定性起著非常關(guān)鍵的作用。歸納起來，最常見的原因有以下幾個方面：

(1)壩基地質(zhì)條件不良，壩體建造于較差的地基上；

(2)設(shè)計(jì)時壩體斷面過于單薄，自重不夠，在水平推力作用下，使壩體上游面底部形成拉力裂縫，增大了揚(yáng)壓力，使壩體穩(wěn)定性不夠；

(3)施工時由于地基處理不徹底，開挖深度不夠，將壩體置于強(qiáng)風(fēng)化巖層上，使抗剪強(qiáng)度指標(biāo)減小，而壩底揚(yáng)壓力卻超過設(shè)計(jì)計(jì)算數(shù)值；

(4)由于各種原因造成防滲帷幕斷裂漏水，或者由于管理不善而造成排水設(shè)備堵塞失效，這樣將增大壩基滲透壓力，減小壩體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。

綜上，重力壩抗滑穩(wěn)定性不足，往往是由于多方面原因綜合造成的結(jié)果，采取措施增加壩體抗滑穩(wěn)定性以前，應(yīng)對造成抗滑穩(wěn)定性不足的原因進(jìn)行全面分析，針對具體情況，采取合理的處理措施，才能有效地增加壩體的抗滑穩(wěn)定性。

4 提高壩體抗滑穩(wěn)定性的措施

4.1 增加壩體所受鉛直力ΣW

4.1.1 加大壩體剖面，增加壩體自重

當(dāng)采用其它方法增加壩體抗滑穩(wěn)定存在困難時，可采用加大壩體剖面，增加壩體自重的方法。加大剖面可從壩的上游面或從壩的下游面進(jìn)行，從上游面加大剖面可增加壩體自重，又可增加壩面上的水重，同時還可以改善壩體防滲條件，而從下游面加大壩體剖面施工較為方便。

4.1.2 預(yù)應(yīng)力錨索錨固措施

一般從壩頂鉆孔到壩基，孔內(nèi)放置鋼索，將其下端錨入壩基內(nèi)的完整巖層中，而在壩頂?shù)牧硪欢耸┘永?，使鋼索受拉，壩體受壓，從而增加壩體的抗滑穩(wěn)定。但實(shí)施此法應(yīng)在壩體上游部位進(jìn)行。下面例舉一個成功的實(shí)例。

該壩錨固的垂直鉆孔的直徑為25.4cm，間距為4m，從壩頂穿過壩體深入到壩22m～24.5m的基巖內(nèi)，在孔的底部擴(kuò)大成2個直徑為33cm的錨定段，高差約3m。錨索的鋼束由630根鍍鋅鋼絲組成，每根鋼絲直徑4.75mm，制作時，首先將鋼絲切成適當(dāng)長度，再冷拉到彈性極限，然后綁扎成鋼束。鋼束內(nèi)包含有一根直徑25.4mm的灌漿管，圍繞管外預(yù)置630根涂有瀝青的鍍鋅鋼絲，并用韌性強(qiáng)鋼繩捆扎，捆扎間距為50cm。鋼束先用浸有瀝青的帆布纏繞，將兩層帆布分開，包括防銹層在內(nèi)，鋼束平均直徑約20.3cm。鋼束下端7m不加涂層保護(hù)，只在中間捆扎5圈韌性鋼繩，而使捆扎圈的上下部分鼓出，與鉆孔擴(kuò)大部分相對應(yīng)，以便錨固。在這一段上端設(shè)一水泥圈環(huán)，下端設(shè)一鐵錐頭，鋼束自壩頂放入孔內(nèi)后，通過灌漿管先用壓力水沖洗，然后用1∶1水泥漿灌入，將下端沒有防護(hù)層的7m一段錨入基巖內(nèi)。

在鋼束的頂端，將鋼絲分散編結(jié)在壩頂?shù)幕炷铃^頭內(nèi)，然后每根鋼絲用三臺440t的千斤頂張拉，逐步拉到1100t，相當(dāng)于沿每m壩長增加重力275t。根據(jù)多年觀測，處理后效果良好，壩體穩(wěn)定性大為提高，庫水位比原水位提高3.05m，壩內(nèi)鋼絲的應(yīng)力僅略為減少，個別鋼絲的拉力雖然降低了3%，但采用千斤頂能很方便的恢復(fù)。

由于預(yù)應(yīng)力錨固效果顯著，目前各國使用預(yù)錨的大壩已約60座。我國1964年首次在梅山水泥壩肩采用，獲得成功，以后又相繼在陳村、雙牌等工程采用，達(dá)到了加固壩肩和壩基的目的。

預(yù)錨加固時，除了可由壩肩鉆孔預(yù)錨外，也可用預(yù)錨直接加固壩基。此時錨索可垂直于軟弱夾層或傾向上游，這樣錨索產(chǎn)生的垂直于軟弱夾層的分力，可增加夾層上的正應(yīng)力，增大軟弱面的抗剪強(qiáng)度；平行于機(jī)構(gòu)面的分力，則可直接阻止壩體沿軟弱夾層滑動。軟弱夾層埋藏較深，層數(shù)較多，下覆巖層堅(jiān)硬完整時，采用預(yù)錨能獲得最佳效果。

4.2 減少揚(yáng)壓力

揚(yáng)壓力對壩體的抗滑穩(wěn)定有著極大的影響，減小揚(yáng)壓力作用較之增加壩體重力更為有效。因此，減小揚(yáng)壓力是增加壩基抗滑穩(wěn)定性首先應(yīng)考慮采用的措施，主要有以下三種方法。

4.2.1 補(bǔ)強(qiáng)帷幕灌漿

該方法既能減小揚(yáng)壓力，又能減小壩基滲漏，并保證壩基軟弱夾層的滲透穩(wěn)定。常用的灌漿材料為水泥漿，但對于軟弱夾層和細(xì)微裂隙，應(yīng)采用化學(xué)灌漿。例如我國陳村水電站，大壩為混凝土重力拱壩，壩高75m，壩基為志留系濱海沉積的砂頁巖。大壩的第7#～17#壩段巖層，經(jīng)多次構(gòu)造運(yùn)動產(chǎn)生了斷裂，層間錯動而且裂隙發(fā)育，深部多為細(xì)微裂隙，加以又有兩大斷層通過，使壩基單位吸水率ω達(dá)到(0.05～1.2)l/min·m。后經(jīng)采用丙凝灌漿處理，才使所有孔段的ω均降至0.01l/min·m以下。其中，有92.5%的孔段，ω值小于0.005l/min·m。我省龔嘴水電站6#壩段、葫蘆水庫壩踵以下帷幕以及湖北丹江口水電站大壩巖基，均采用丙凝灌漿處理，收到顯著效果。

4.2.2 加強(qiáng)壩基排水系統(tǒng)

在帷幕下游加強(qiáng)壩基排水系統(tǒng)，增加排水能力，是降低壩底揚(yáng)壓力最經(jīng)濟(jì)、最有效的措施。帷幕與排水配合使用，將更好保證壩基的抗滑穩(wěn)定性。排水系統(tǒng)布置在壩體上游部分較為有效。

我國部分工程采用了“閉路式抽水減壓排水系統(tǒng)”來減小揚(yáng)壓力，效果尤為顯著。該方法是在帷幕后壩基內(nèi)布置縱橫排水幕，將壩基的滲水匯集于高程低于下游水位的集水井中，井內(nèi)設(shè)水泵抽水排入下游。

在設(shè)計(jì)排水孔時應(yīng)作成豎直的較好，便于觀測和檢查，而且孔又不易堵塞。也可把排水孔傾向下游10°左右，以保持帷幕與排水孔在壩基面上有一定的距離。常用的孔距為2m～3m，排水孔徑為10cm～20cm，排水孔深為0.40～0.75倍的帷幕深度。經(jīng)驗(yàn)證明，排水孔過淺，將不能很好地排除地基內(nèi)的滲透水流，減小壩基揚(yáng)壓力。排水系統(tǒng)不僅能極大地減小壩基滲透壓力，而且還可減小部分壩基浮托力，因此特別適用于下游水位變幅極大的河床大壩的壩基排水。

4.3 提高軟弱夾層的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

軟弱夾層在力學(xué)性質(zhì)上最大的特點(diǎn)之一就是抗剪強(qiáng)度極低，我國部分工程的試驗(yàn)結(jié)果，在不利情況下，其粘結(jié)力c常接近為零，而摩擦系數(shù)f多在0.2～0.25左右，極大地降低了增加壩體自重等加固措施的實(shí)際效果。因此，提高軟弱夾層的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，是增加壩基抗滑定的根本途徑。

4.3.1 換基法

該方法是把壩基內(nèi)對抗滑穩(wěn)定不利的軟弱夾層清除，而以混凝土替換回填，從而改變軟弱夾層的力學(xué)性質(zhì)，增大壩基的抗滑穩(wěn)定性。

一般對壩基表面淺埋的軟弱夾層多采用明挖換基方法，對于深埋的軟弱夾層則采用洞挖換基方法。

4.3.2 壩踵深齒

該方法是將齒墻底部高程開挖至控制滑動面以下的完整基巖中，用齒墻切斷軟弱夾層，保證壩基的抗滑穩(wěn)定性。

4.3.3 對于壩體與地基的連接，則可通過固結(jié)灌漿的措施加以改善

固結(jié)灌漿除了能加強(qiáng)壩體與地基結(jié)合，從而提高壩體的抗滑穩(wěn)定性之外，還能增強(qiáng)基巖的整體性和彈性模數(shù)，增加地基的承載能力，減少不均勻沉陷的發(fā)生。并可輔助帷幕灌漿，加強(qiáng)地基與防滲帷幕的銜接，提高帷幕的效果。

4.3.4 增加尾巖抗力

(1)壩趾深齒。該方法是在壩趾下游修建深齒，增大尾巖抗力體高度，增加尾巖抗力，提高壩基的抗滑穩(wěn)定性；

(2)壩趾預(yù)錨。在壩趾下游抗力體部分采取預(yù)錨措施，相當(dāng)于在抗力體上增加荷載，有利于壩基的抗滑穩(wěn)定；

(3)鋼筋混凝土抗滑樁。在壩趾下游抗力體部分，于鉛直方向布置鋼筋混凝土樁，深入到控制滑動面以下完整巖層，利用樁所能承受的推力，加大尾巖抗力，可以增加壩基的抗滑穩(wěn)定性。

4.3.5 其他措施

開挖壩基設(shè)計(jì)時，要考慮利用巖面的自然坡度，使壩基面傾向上游，有時有意將壩踵高程降低，使壩基面高程降低。但此方案將加大上游水壓力，增加開挖量和混凝土澆筑量，故較少采用。當(dāng)基巖比較堅(jiān)固時，可開挖成鋸齒狀，形成局部的傾向上游的斜面，但能否挖成齒狀主要取決于節(jié)理裂隙的產(chǎn)狀。如葛洲壩二江泄洪閘，即將上游齒墻深入基巖13.5m，增加了泄洪閘的抗滑穩(wěn)定性。

5 結(jié)語

總之，提高重力壩抗滑穩(wěn)定的措施多種多樣，工程上具體處理時，應(yīng)根據(jù)壩址的地形條件，壩基的巖層情況，采取多種不同的措施，進(jìn)行綜合處理，以達(dá)到最佳效果。

〔1〕陸文海等.水工建筑物病害處理.成都：四川科學(xué)技術(shù)出版社，1985.

〔2〕祁慶和.水工建筑物.北京：中國水利水電出版社，1997.

〔3〕劉貽紂，汝效禹.水工建筑物的破壞及其原因分析.北京：中國工業(yè)出版社，1965.7.

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