基于不同標(biāo)準(zhǔn)的重力壩抗滑穩(wěn)定對(duì)比分析

李志剛

（甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000）

1 問題的提出

重力壩是水利水電工程中最重要的典型壩型之一，其結(jié)構(gòu)型式簡(jiǎn)單，地形地質(zhì)條件適應(yīng)性強(qiáng)，在工程實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用。壩基抗滑穩(wěn)定分析是重力壩設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)關(guān)鍵工作，關(guān)系著大壩的長(zhǎng)久安全與穩(wěn)定。根據(jù)行業(yè)不同，國內(nèi)目前有2 種重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范，分別為水利行業(yè)SL 319—2018《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]和能源行業(yè)NB/T 35026—2014《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]，二者存在諸多異同之處。工程設(shè)計(jì)人員如何選取適合的規(guī)范以便能更好地指導(dǎo)設(shè)計(jì)工作，或是由于選用規(guī)范不同，出現(xiàn)計(jì)算成果不盡一致的情況時(shí)該如何應(yīng)對(duì)，都是工程設(shè)計(jì)實(shí)踐中經(jīng)常會(huì)遇到的問題。

2 不同規(guī)范抗滑穩(wěn)定控制標(biāo)準(zhǔn)

2.1 安全系數(shù)表達(dá)方式

對(duì)于重力壩抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的表達(dá)方式，SL 319—2018 采用抗剪斷或抗剪公式，判別標(biāo)準(zhǔn)采用的是抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K′或K，此方法較為直觀，易于設(shè)計(jì)人員理解，可以在一定程度上表征壩體的安全度，在水利行業(yè)應(yīng)用多年，具有良好的應(yīng)用基礎(chǔ)[3]；NB/T 35026—2014 采用基于概率統(tǒng)計(jì)理論的可靠度分析方法，采用抗剪斷公式，以分項(xiàng)系數(shù)極限狀態(tài)法代替單一安全系數(shù)法，此方法理論依據(jù)科學(xué)，從隨機(jī)性和不確定性角度出發(fā)，考慮影響壩體諸多因素的貢獻(xiàn)度[4-6]。

2.2 壩基抗滑穩(wěn)定計(jì)算方法及判別標(biāo)準(zhǔn)

SL 319—2018 采用抗剪斷強(qiáng)度公式（1）或抗剪強(qiáng)度公式（2）計(jì)算壩基面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。

2.2.1 抗剪斷強(qiáng)度計(jì)算

抗剪斷強(qiáng)度計(jì)算公式：

式中：K′為按抗剪斷強(qiáng)度計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f′為壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪斷摩擦系數(shù)；c′為壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪斷凝聚力，kPa；A為壩基接觸面截面積，m2；∑W為作用于壩體上全部荷載對(duì)滑動(dòng)面的法向分值，kN；∑P為作用于壩體上全部荷載對(duì)滑動(dòng)面的切向分值，kN。

2.2.2 抗剪強(qiáng)度計(jì)算

抗剪強(qiáng)度計(jì)算公式：

式中：K為按抗剪強(qiáng)度計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f為壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪摩擦系數(shù)。

2.2.3 抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的規(guī)定

壩基面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)見表1。按抗剪斷強(qiáng)度公式和抗剪強(qiáng)度公式計(jì)算的壩基面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K′和K值分別不應(yīng)低于表1 中規(guī)定的數(shù)值。

表1 壩基面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)表

NB/T 35026—2014 采用概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)原則，以分項(xiàng)系數(shù)設(shè)計(jì)表達(dá)式進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。對(duì)基本組合，采用式（3）所列極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式：

式中：γ0為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，對(duì)應(yīng)于結(jié)構(gòu)安全級(jí)別為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級(jí)的結(jié)構(gòu)及構(gòu)件，可取1.10、1.05、1.00，ψ為設(shè)計(jì)狀況系數(shù)，對(duì)應(yīng)于持久設(shè)計(jì)狀況、短暫設(shè)計(jì)狀況、偶然設(shè)計(jì)狀況，可分別取1.00、0.95、0.85；S（·）為作用效應(yīng)函數(shù)；R（·）為結(jié)構(gòu)及構(gòu)件抗力函數(shù)；γG為永久作用分項(xiàng)系數(shù)；γQ為可變作用分項(xiàng)系數(shù)；GK為永久作用標(biāo)準(zhǔn)值；QK為可變作用標(biāo)準(zhǔn)值；aK為幾何參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值；fK為材料性能的標(biāo)準(zhǔn)值；γm為材料性能分項(xiàng)系數(shù)；γd為結(jié)構(gòu)系數(shù)；η為抗力作用比系數(shù)。

對(duì)偶然組合，應(yīng)采用下列極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式：

式中：AK為偶然作用代表值。

采用剛體極限平衡法進(jìn)行重力壩抗滑穩(wěn)定計(jì)算時(shí)，分別計(jì)算基本組合和偶然組合，應(yīng)滿足：

式（6）～（7）中：∑PR為壩基面上全部切向作用之和，kN；∑WR為壩基面上全部法向作用之和，kN3；fR′為壩基面抗剪斷摩擦系數(shù)；cR′為壩基面抗剪斷凝聚力，kPa。

3 工程實(shí)例應(yīng)用

國內(nèi)某水電站工程主要任務(wù)是發(fā)電，中型III 等工程，主要建筑物級(jí)別為3 級(jí)，由樞紐工程、引水系統(tǒng)及發(fā)電廠房3 部分組成，水庫正常蓄水位及設(shè)計(jì)洪水位均為2 002.0 m，校核洪水位2 004.0 m，壩頂高程2 005.0 m，最大壩高45.0 m，總庫容1 741 萬m3。樞紐擋水建筑物為閘壩結(jié)合型式，從左至右依次為左岸截滲墻、左岸擋水壩、泄洪沖砂閘、溢流壩和右岸碾壓砼壩等建筑物，壩基區(qū)巖石為白堊系下統(tǒng)碎屑巖層，以砂質(zhì)黏土巖為主，夾有礫巖、砂巖和黏土巖。工程于2003 年12 月開工建設(shè)，2005 年12 月水庫開始初期蓄水，2006 年8 月工程完成竣工。原設(shè)計(jì)按地震烈度Ⅶ度設(shè)防，根據(jù)GB 18306—2015《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》，該工程地震基本烈度提高至Ⅷ度，大壩按Ⅷ度設(shè)防。大壩樞紐上游立視見圖1。

圖1 大壩樞紐上游立視圖 單位：mm

本次計(jì)算選取左岸擋水壩段、泄洪沖砂閘壩段、溢流壩段及右岸擋水壩段等主要壩段，按正常蓄水位工況、校核洪水位工況、地震工況3 種組合，對(duì)各壩段整體進(jìn)行計(jì)算，荷載組合見表2，計(jì)算結(jié)果見表3。

表2 荷載組合表

表3 壩基抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果表

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，基于水利行業(yè)SL 319—2018，各主要壩段壩基抗滑穩(wěn)定計(jì)算無論采用抗剪公式還是抗剪斷公式，均滿足規(guī)范要求。各壩段在不同工況下，隨著工況條件的趨于嚴(yán)苛，安全系數(shù)K和K＇均呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，能比較形象地表征安全度的降低特點(diǎn)。

基于能源行業(yè)NB/T 35026—2014，總共有5個(gè)壩段地震工況下壩基抗滑穩(wěn)定抗力作用比系數(shù)η小于1.0，不滿足規(guī)范要求，分別為左岸擋水壩段（0-025～0+000 m）、泄洪沖砂閘壩段（雙孔）和右岸擋水壩樁號(hào)0+085～0+140 m 之間的3 個(gè)壩段；其他壩段η值均大于或等于1.0，滿足規(guī)范要求。各壩段在不同工況下，隨著工況條件的趨于嚴(yán)苛，抗力作用比系數(shù)η呈現(xiàn)出先升高后下降的趨勢(shì)，分析其原因，應(yīng)該與NB/T 35026—2014 采用的各分項(xiàng)系數(shù)，即結(jié)構(gòu)重要系數(shù)γ0、設(shè)計(jì)狀況系數(shù)ψ、作用分項(xiàng)系數(shù)（γG、γQ）、材料分項(xiàng)系數(shù)γm和結(jié)構(gòu)系數(shù)γd等有關(guān)。設(shè)計(jì)狀況系數(shù)ψ在偶然狀況下校核洪水位情況和地震情況的值為0.85，而在持久狀況下正常蓄水位情況的值為1.00，由此產(chǎn)生了抗力作用比系數(shù)η呈現(xiàn)先升高后降的態(tài)勢(shì)。

本工程實(shí)例中個(gè)別壩段在地震工況下基于SL 319—2018 和NB/T 35026—2014 得出的結(jié)論存在不盡一致的情況。從工程本身查找原因，或是由于工程原設(shè)計(jì)按Ⅶ度地震設(shè)防，當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)冗余度略顯單薄，當(dāng)?shù)卣鹪O(shè)防烈度提高至Ⅷ度時(shí)，地震工況的設(shè)計(jì)冗余更顯勉強(qiáng)，壩基抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K和K′超過規(guī)范要求的程度較低，基本處于臨界狀態(tài)，這種情況下，基于不同規(guī)范很可能出現(xiàn)不一致甚至相反的結(jié)論。

4 結(jié) 語

本文基于水利行業(yè)SL 319—2018 和能源行業(yè) NB/T 35026—2014 的2 種混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范，分別對(duì)某水電站工程重力壩壩基抗滑穩(wěn)定進(jìn)行計(jì)算，經(jīng)過比對(duì)分析計(jì)算成果，得到如下結(jié)論：

（1）SL 319—2018 采用單一安全系數(shù)法，此方法在水利行業(yè)應(yīng)用多年，積累了豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，概念清晰明了，易于設(shè)計(jì)人員理解，在一定程度上可表征壩體的安全度，具有良好的應(yīng)用基礎(chǔ)。該規(guī)范采用抗剪公式和抗剪斷公式時(shí)，其滿足規(guī)范的冗余度也有所不同，總體來講，采用抗剪公式的冗余度要高于采用抗剪斷公式，換言之，采用抗剪公式更容易滿足規(guī)范要求。

（2）NB/T 35026—2014 規(guī)范基于可靠度設(shè)計(jì)原理，采用分項(xiàng)系數(shù)法，各參數(shù)取值較為繁瑣，不利于工程師在設(shè)計(jì)實(shí)踐中的應(yīng)用，從計(jì)算結(jié)果來看，也無法較直觀地體現(xiàn)出概化的易于設(shè)計(jì)人員理解的安全度內(nèi)涵，在工程實(shí)踐中的應(yīng)用相對(duì)不是十分廣泛。

（3）工程實(shí)踐中，對(duì)于重要工程的重力壩壩基抗滑穩(wěn)定計(jì)算，設(shè)計(jì)人員一般會(huì)按不同標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范分別進(jìn)行驗(yàn)算。從工程經(jīng)驗(yàn)來講，多數(shù)情況下，2個(gè)規(guī)范計(jì)算結(jié)果的一致性能夠得到保證。但由于不同工程的差異性，個(gè)別情況下，當(dāng)存在2 個(gè)規(guī)范結(jié)論不盡一致時(shí)，從安全角度考慮，筆者認(rèn)為按最不利的控制比較合適。