淺析東北中溫帶地區(qū)提高壩體抗滑穩(wěn)定的方案

韓澤兵

（吉林省水產(chǎn)科學(xué)研究院，長春130033）

淺析東北中溫帶地區(qū)提高壩體抗滑穩(wěn)定的方案

韓澤兵

（吉林省水產(chǎn)科學(xué)研究院，長春130033）

通過諸多壩體抗滑穩(wěn)定的方案分析，設(shè)定了幾種能夠切實(shí)做到抗滑穩(wěn)定的分析方案，對壩體抗滑穩(wěn)定做了一定量的研究，針對不同地質(zhì)形態(tài)的壩體也有不同的分析研究。防震抗震也是壩體穩(wěn)定性能的一個重要考驗，本文對壩體的抗滑防震進(jìn)行相關(guān)敘述，希望能為我國壩體抗滑穩(wěn)定的實(shí)踐做出一定的貢獻(xiàn)。

壩型；抗滑；穩(wěn)定性

拱壩從建筑學(xué)意義上來講，是一種高次超靜定空間殼體結(jié)構(gòu)。它主要是通過相應(yīng)的各個地質(zhì)環(huán)境中，依靠地質(zhì)所形成的山體結(jié)構(gòu)作為依托，加上人工的綜合作用，建構(gòu)一組平行于地面的拱圈和懸臂梁，使其能夠達(dá)到長時間穩(wěn)定山體、阻擋水流的作用。拱壩壩肩巖體穩(wěn)定是拱壩安全的根本保證,當(dāng)拱壩壩肩巖體存在軟弱結(jié)構(gòu)面或壩肩巖體較軟弱時,兩岸壩肩巖體應(yīng)進(jìn)行抗滑穩(wěn)定計算。但是每個地理環(huán)境下的地質(zhì)情況不盡相同，水源和氣候等條件也會影響壩體的抗滑穩(wěn)定性能，所以在進(jìn)行壩肩巖體穩(wěn)定計算及壩身應(yīng)力分析時需要具體問題具體分析。

1　關(guān)于壩肩巖體穩(wěn)定的相關(guān)問題分析

1.1拱壩的工作特點(diǎn)

拱壩是將水平外力通過拱橋的張力把這種水平外力分擔(dān)給兩側(cè)的山體巖石，山體巖石具有本身堅固不可動的特點(diǎn)，如果沒有較大的地理地質(zhì)運(yùn)動，一般不會發(fā)生位置的變動，因此山體巖石可以通過自身的反力支撐拱壩的水平外力，實(shí)現(xiàn)整個壩體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性能。另外的張力通過垂直梁把這些張力傳達(dá)給壩體底部的河床，河床能夠支撐壩體的本身重量，使得壩體結(jié)構(gòu)能在山體之間穩(wěn)固，這樣的三角架結(jié)構(gòu)從力學(xué)意義上來說是最穩(wěn)定的。壩體的穩(wěn)定性主要就是通過這三點(diǎn)之間的張力和反力的相互作用維持平衡，因此拱壩的工作特點(diǎn)就是依據(jù)這三點(diǎn)相互作用控制壩體整體的平衡性，因而壩肩巖體的抗滑穩(wěn)定分析就顯得尤其重要。

1.2剛體極限平衡法

這是一種拱壩抗滑穩(wěn)定分析常用的手法，主要是通過依據(jù)一些現(xiàn)實(shí)理論假設(shè)，建立模型，通過分析模型的各個部分之間的相互作用來分析拱壩建設(shè)的科學(xué)性。也可以通過這種分析手法測量相關(guān)地質(zhì)條件下建設(shè)拱壩的合理性，也是一種檢測的手段，檢測拱壩的安全系數(shù)。這種剛體極限平衡法是不考慮滲壓在各個界面上數(shù)值達(dá)到平衡點(diǎn)之前的變化，它只看滲壓達(dá)到平衡點(diǎn)之后它在壩體的各個部位的情況。同時這種方法也不計各面在達(dá)到各自極限平衡狀態(tài)時剪切錯動位移可能產(chǎn)生不同的影響。對于壩體兩側(cè)的山體結(jié)構(gòu)，不考慮各個部分山體的巖石強(qiáng)度和密度不同，只是把他們看成一個統(tǒng)一的數(shù)值，這樣能夠方便計算和模型的構(gòu)成，但忽略了很多實(shí)際的地理地質(zhì)條件，可能與實(shí)際情況還是會有一定的理論差距。所以剛體極限平衡法所得出的結(jié)論能夠反映現(xiàn)實(shí)壩體的一些基本情況，對壩體抗滑穩(wěn)定的研究具有重要意義，它的模擬性使得學(xué)者在研究壩體抗滑穩(wěn)定分析時更加具有操作化意義。但是我們也要看到其結(jié)果的局限性，統(tǒng)計數(shù)據(jù)也不可全然盡信，在建造拱壩或者其他水庫大壩時，還是需要根據(jù)實(shí)際情況具體問題具體分析。

1.3拱壩的地質(zhì)特點(diǎn)

拱壩的地質(zhì)特點(diǎn)是指拱壩所在空間范圍內(nèi)的地理地質(zhì)環(huán)境結(jié)構(gòu)，包括植被、巖石、礦物等各種地理物質(zhì)的分布狀況、組成情況、發(fā)育發(fā)展和構(gòu)造，了解壩體的地理地質(zhì)環(huán)境結(jié)構(gòu)會對建構(gòu)拱壩的穩(wěn)定性的建設(shè)具有良好的促進(jìn)作用。一般來說，河谷狹窄的地質(zhì)地理環(huán)境會使得壩體建設(shè)更加方便，尤其是在山體相對對稱的地形條件下，巖石堅固，最好的是有整體的砂巖，砂巖具有較高的強(qiáng)度，這對拱壩所依托山體巖石反力的穩(wěn)定性具有良好的保障，有得天獨(dú)厚的雄厚山體作為依托，會更加增強(qiáng)壩體穩(wěn)固的性能。但是砂巖內(nèi)之間層之間如果有地質(zhì)運(yùn)動造成巖層的變動，就會造成巖石不穩(wěn)，進(jìn)而影響拱壩的穩(wěn)定，當(dāng)遇到大雨拱壩就很容易造成滑坡泥石流等災(zāi)害，同時也會對壩體本身的構(gòu)造造成損毀。也有些巖石層是不具有建設(shè)拱壩的地質(zhì)構(gòu)造的，例如一些碎石塊的巖層，這種巖層雖然看上去緊密結(jié)實(shí)，但巖層的密度很容易通過壓力分崩瓦解，造成山體變形。

1.4東北中溫帶的氣候特點(diǎn)

本文主要的實(shí)驗研究地點(diǎn)在中國北方，因此特意考慮了中溫帶的各種特點(diǎn)有可能對重力壩的地質(zhì)條件來進(jìn)行抗滑穩(wěn)定的方案研究討論。眾所周知，中溫帶季風(fēng)氣候的特點(diǎn)就是冬季寒冷干燥，夏季暖熱多雨，雨熱同季。這種氣候條件下，多雨季節(jié)和少雨季節(jié)相對應(yīng)的水量的不同導(dǎo)致了水庫大壩對于重力的承受是不一樣的，修建水庫的時候還需要考慮最多量時候水對于壩體中壓力以及壩體能夠承受的壓力范圍，實(shí)現(xiàn)最大限度的承受能力，能夠最大程度的滿足壩體的穩(wěn)定性能。同時我國北方大多屬于平原地帶，土壤土質(zhì)相較于高原來說較為松軟，這也是技術(shù)上需要克服的一個問題，需要在建造水庫大壩的時候?qū)τ诘匦蔚刭|(zhì)的考察更加嚴(yán)格，增加對于天然壩體堅固的追求，以減少人工建造的成本和困難程度。

2　壩體抗滑穩(wěn)定及加固優(yōu)化的方案

2.1壩體仿真計算的抗滑穩(wěn)定方案之一

仿真計算的抗滑穩(wěn)定方案主要有兩種類型，都是屬于維彈塑性有限元分析方法的范疇，在壩體澆筑和水庫蓄水過程中切實(shí)模擬拱壩的建造過程，以此來對壩體的抗滑穩(wěn)定性能進(jìn)行分析比較研究。仿真計算一種是非整體式重力壩，另一種是整體式重力壩。非整體重力壩其實(shí)就是依據(jù)各個部分單獨(dú)進(jìn)行應(yīng)力場模擬，各個部分之間沒有聯(lián)系性，這是在壩體是一次性澆筑建成完工、水庫的蓄水狀態(tài)也是同步完成的情形下進(jìn)行的討論，一次澆筑建成的拱壩，各個部分之間相較而言會較為獨(dú)立，其對山體的張力以及對水庫水量的荷載力也是相對獨(dú)立互不相干的，把基巖在自重狀態(tài)下產(chǎn)生的應(yīng)力視為初始地應(yīng)力，既考慮了基巖處于地質(zhì)形態(tài)中的變動性，也考慮了模型完成的簡單化操作的要求，這樣在進(jìn)行相關(guān)的造地應(yīng)力和巖石自重應(yīng)力的數(shù)據(jù)建構(gòu)時，統(tǒng)計資料會更加具有科學(xué)性，結(jié)果也相應(yīng)的更加具有權(quán)威性，兼顧了實(shí)驗和現(xiàn)實(shí)兩者的關(guān)系。

2.2壩體仿真計算的抗滑穩(wěn)定方案之二

整體重力壩則是在整個模擬大壩建成后又經(jīng)過了一定的加固，整個大壩之間各個部分已經(jīng)形成一個總體，橫縫單元在其中有相互牽制的作用。這種整體重力壩需要按照三個部分進(jìn)行計算，首先和非整體重力壩一樣，也是進(jìn)行初始地應(yīng)力場的計算。第二部分是在壩體自身重量的基礎(chǔ)上進(jìn)行壩體澆筑的反力計算，這個部分和非整體重力壩的計算操作類似。最后是橫縫單元連貫的重力計算，把整個橫縫灌漿連成一個整的單元，是整個壩體之間相互聯(lián)系，大壩所攔截的水量也是正常水量，然后針對這時的壩體進(jìn)行三維彈塑性有限元分析。

2.3有關(guān)抗震設(shè)計的壩體抗滑加固方案分析

由于我國是一個地震災(zāi)害頻發(fā)的國家，所以抗震要求也是壩體防滑穩(wěn)定中一個重要的研究方面，我國的學(xué)者們對壩體的地震安全也非常重視。就整個壩體構(gòu)造來說，壩體上部結(jié)構(gòu)在地震危害來臨時是最難防范的地方，也是整個壩體結(jié)構(gòu)中容易損壞的地方，有相關(guān)專家指出，對于非線性動力有限元法運(yùn)用于校核地震復(fù)核時，若沒有出現(xiàn)貫穿性開裂，則為安全。否則，對開裂面以上的孤立壩體需要進(jìn)行抗滑穩(wěn)定計算，并指出孤立壩體動力穩(wěn)定復(fù)核可以采用的方法有Newmark滑塊位移法、DDA、離散元等動力非連續(xù)方法。

3　結(jié)語

水庫大壩具有結(jié)構(gòu)輕巧、節(jié)省材料、抗震能力高、壩身能泄洪、能充分利用材料的強(qiáng)度等許多優(yōu)點(diǎn)。在我國的水利建設(shè)過程中受到極高的歡迎，各地的水利工程建設(shè)條件允許都會建設(shè)一道水庫大壩，這項工程能給人民帶來的福祉是豐富多樣的。就其抗滑穩(wěn)定來說，拱壩壩肩巖體穩(wěn)定是拱壩安全的根本保證，要做到這點(diǎn)，需要工程師對相應(yīng)的地理地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行充分的考察，熟悉當(dāng)?shù)氐牡乩須夂蛩牡认嚓P(guān)知識，對地質(zhì)巖石的穩(wěn)定性做充分的調(diào)查研究，再進(jìn)行壩身應(yīng)力分析，對壩體整體或者局部型態(tài)做相應(yīng)的工程改變，提出自己的方案設(shè)計，以此來促進(jìn)壩體的抗滑穩(wěn)定性能。

［1］袁勇福.東焦河水庫大壩穩(wěn)定分析應(yīng)力計算［J］.山西水利科技，2013，（03）：50-52.

［2］陳廣華.興隆崗水庫大壩穩(wěn)定分析計算研究［J］.黑龍江水利科技，2014，（07）：77-79.

［3］混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范(DL5108-1999)［S］.北京：中國電力出版社，2000.

Brief analysis of improving anti-sliding stability of dam body in mid-temperate zone of northeast of China

HAN Ze-bing
(Jilin Academy of Fishery Sciences,Changchun 130033,China)

Based on the analysis of anti-sliding stability of a number of dams,several analytical schemes for anti-sliding stability are set up,and a certain amount of research on the anti-sliding stability of dams is made.Different types of dams have different analytical studies.Earthquake resistance is also an important test of the stability of the dam.In this paper,the anti-sliding and anti-shock of dams is described,hoping to make some contribution to the practice of dam stability.

Dam type;Anti-sliding;Stability

P467

B

1674-8646（2016）19-0084-02

2016-08-09

韓澤兵(1986-)，男，碩士，助理工程師。