拱壩壩肩的穩(wěn)定分析

1、第六節(jié)第六節(jié) 拱壩壩肩的穩(wěn)定拱壩壩肩的穩(wěn)定分析分析 u拱壩穩(wěn)定分析概述拱壩穩(wěn)定分析概述 在拱壩設(shè)計的各個階段，都應(yīng)重視拱壩的穩(wěn)定性分析。分析以往一些拱壩事故的原因，絕大多數(shù)是由于壩肩壩肩巖體失穩(wěn)或變形過大所致巖體失穩(wěn)或變形過大所致，很少是由于拱壩本身應(yīng)力問題所造成。因此，拱壩的穩(wěn)定性主要體現(xiàn)在兩岸拱座的穩(wěn)定性上，拱壩的穩(wěn)定性分析應(yīng)主要對兩岸拱座的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。拱座的穩(wěn)定性分析應(yīng)該分階段進(jìn)行，作出相應(yīng)于各階段工作深度的分析論證。采取必要的和適當(dāng)?shù)墓こ檀胧员ＷC拱座的穩(wěn)定。目前，國內(nèi)外評價拱座穩(wěn)定的方法較多，根據(jù)其所用手段的不同，可分為兩大類：一類是計算分析法計算分析法；另一類是模型試驗法模型

2、試驗法。計算分析法也分為兩類：將巖體作為剛體考慮的剛體極限平衡法；將壩和地基作為彈性體或彈塑性體的有限元法。有限元法可以將應(yīng)力、變形和穩(wěn)定統(tǒng)一起來計算，了解破壞的過程和機(jī)理。因空間計算的工作量及所需計算機(jī)容量較大，目前國內(nèi)外大都作為平面問題計算。剛體極限平衡法比較粗略，然而概念比較明確，方法比較簡單，其精度和目前原始數(shù)據(jù)的精度比較還是相當(dāng)?shù)摹?模型試驗方法有線彈性結(jié)構(gòu)應(yīng)力試驗和地質(zhì)力學(xué)模型試驗兩種。常規(guī)的是線彈性結(jié)構(gòu)應(yīng)力試驗，用以量測壩體和壩基的變形和應(yīng)力。地質(zhì)力學(xué)模型是惟一能夠相當(dāng)全面地模擬不連續(xù)巖體的自然條件和巖石力學(xué)性質(zhì)的方法，通過試驗可以了解到拱座從加荷開始到破壞的過程和機(jī)理。但是試驗

3、工作量大、費(fèi)用昂貴u拱壩的失穩(wěn)形式分析拱壩的失穩(wěn)形式分析 壩肩巖體滑動的主要原因，一是巖體內(nèi)存在著軟弱結(jié)構(gòu)面軟弱結(jié)構(gòu)面；二是荷載作用荷載作用(拱端推力、滲透壓力等)。因此，在進(jìn)行抗滑穩(wěn)定計算時，首先必須查明壩軸線附近基巖的節(jié)理、裂隙等各種軟弱結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀，研究失穩(wěn)時最可能的滑動面和滑動方向，選取滑動面上的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，然后進(jìn)行抗抗滑穩(wěn)定計滑穩(wěn)定計算算，找出最危險的滑裂面組合最危險的滑裂面組合和相應(yīng)的最小安全系數(shù)最小安全系數(shù)。1）拱壩在水庫蓄水受力后，壩肩上游側(cè)巖體內(nèi)存在著一個水平拉應(yīng)力區(qū)，將產(chǎn)生近于鉛直向的裂縫，從而形成上游拉裂面上游拉裂面； 2）滑移體靠河一側(cè)的自然邊坡為縱縱向臨空面向臨空面

4、； 3）滑移體內(nèi)側(cè)由于存在著陡傾角的節(jié)理、裂隙、軟弱夾層或斷層等，形成側(cè)向滑裂側(cè)向滑裂面面；4）滑移體底部由于存在著緩傾角的上述結(jié)構(gòu)面，形成底部滑底部滑裂面裂面；u滑移體的組合型式滑移體的組合型式 (1)單獨(dú)的陡傾角 結(jié)構(gòu)面和緩傾角結(jié)構(gòu)面 組合。這些軟弱結(jié)構(gòu)面大都屬于比較明顯的連續(xù)的斷層破碎帶、大裂隙、軟弱夾層等 1F2F2F(2)成組的陡傾角和成組的緩傾角結(jié)構(gòu)面組合。這些軟弱結(jié)構(gòu)面大都屬于成組的裂隙密集帶與節(jié)理等，相互切割，構(gòu)成很多可能的滑移體， 1F2F(3)混合組合混合組合 具有單獨(dú)的陡傾角結(jié)構(gòu)面與成組的緩傾角結(jié)構(gòu)面組合，或者是成組的陡傾角結(jié)構(gòu)面與單獨(dú)的緩傾角結(jié)構(gòu)面組合。(4)多剛體組合

5、多剛體組合 由于結(jié)構(gòu)面（裂隙、斷層等）的存在。將滑移體分割為多塊剛體。滑動時各塊剛體之間的接觸面可能相互錯動，構(gòu)成多剛體組合空間滑動的滑移體。左圖表示在壩肩巖體中存在兩個連續(xù)、呈折線型的鉛直軟弱面、和一個水平軟弱面，被另一軟弱面切割成、兩塊，計算時，按照極限平衡理論，假定割分塊都達(dá)到極限平衡狀態(tài)，即兩塊的k值相等，據(jù)此確定安全系數(shù)。u拱壩的失穩(wěn)形式拱壩的失穩(wěn)形式 1）壩肩巖體（拱座）在拱端推力作用下的滑動失穩(wěn)，壩肩巖體失穩(wěn)一般發(fā)生在巖體中存在著明顯的滑列裂面，如斷層、節(jié)理、裂隙、軟弱夾層等，如（a)圖所示；2）拱壩沿建基面及其附近的軟弱面的上滑失穩(wěn)。如(b)圖所示3）壩肩巖體軟弱結(jié)構(gòu)面變形過大

6、導(dǎo)致產(chǎn)生不利應(yīng)力的失穩(wěn)。壩肩失穩(wěn)壩肩失穩(wěn) 上滑失穩(wěn)上滑失穩(wěn) u剛體極限平衡法的應(yīng)用剛體極限平衡法的應(yīng)用 剛體極限平衡法的基本假定剛體極限平衡法的基本假定將滑移體視為剛體，不考慮其中各部分間的相對位移；只考慮滑移體上力的平衡，不考慮力矩的平衡，認(rèn)為后者可由力的分布自行調(diào)整滿足，因此，在拱端作用的力系中不考慮彎矩的影響忽略拱壩的內(nèi)力重分布作用，認(rèn)為作用在巖體上的力系為定值達(dá)到極限平衡狀態(tài)時，滑裂面上的剪力方向?qū)⑴c滑移的方向平行，指向相反，數(shù)值達(dá)到極限值。 剛體極限平衡法立足于核算由節(jié)理裂隙、斷層、軟弱夾層面等構(gòu)成滑裂面的抗滑穩(wěn)定。但當(dāng)巖體的節(jié)理裂隙分布比較均勻，沒有較大的斷層或軟弱夾層或延伸連續(xù)性

7、長的裂隙節(jié)理形成的滑動面時，一般可假定幾個與拱座徑向面有不同夾角的滑動面，每隔進(jìn)行一次穩(wěn)定核算，以安全度最小者控制設(shè)計。剛體極限平衡法又可分為按不同高程單位高度拱圈的壩肩巖體高程單位高度拱圈的壩肩巖體穩(wěn)定算法穩(wěn)定算法(平面分層穩(wěn)定分析)和按空間壩肩整體穩(wěn)定算法空間壩肩整體穩(wěn)定算法(空間整體分析)兩類。前者不考慮巖體上下層的整體作用，如各高程水平拱圈的壩肩巖體都能穩(wěn)定，當(dāng)然更能保證整體穩(wěn)定；但如分層計算時有某層不滿足穩(wěn)定要求，并不意味壩肩一定會失穩(wěn)，這時需進(jìn)行空間整體分析。u剛體極限平衡法分類剛體極限平衡法分類（1 1）平面分層穩(wěn)定分析）平面分層穩(wěn)定分析 拱座處軸向推力 徑向剪力 ；單寬懸臂梁底

8、徑向剪力鉛直向重量 根據(jù)巖體地質(zhì)構(gòu)造條件，選擇可能滑動面與拱座巖基徑向面夾角 則在滑動面上的正交力為：AHAVCVCW滑動面上的正交力 costansin0AACrNHVVr(+) 滑動面上的滑動力為 sintancon0AACrQHVVr(+)現(xiàn)設(shè)滑動面長度為L(亦即滑動面面積為Ll=l)，作用滲透壓力為U，滑動面上摩擦系數(shù)為f，凝聚力為C，則不計Wc及單位高度巖體重量Wr的情況下，最大抗滑力為： F = f NU)+Cl（ 如果計入Wc和Wr的作用，水平滑動面積為A，其上揚(yáng)壓力為Ur，摩阻參數(shù)為fr,Cr，則最大抗滑力為：rrrrtan0CrF = f NU)+Clf WWUC Ar（ （

9、+)根據(jù)前面兩者計算最大滑動力的方法差異， 安全系計算方法不同，分別是：f NU)+ClKQ（rrrrtan0Crf NU)+Clf W WUC ArK =Q（+)前者計算簡單，又偏于安全，故對于具體的壩肩穩(wěn)定分析，宜先用式前者計算，如K值能滿足規(guī)范要求，則無須進(jìn)行其他較復(fù)雜的驗算了。（2 2）整體穩(wěn)定分析）整體穩(wěn)定分析 鉛直軟弱面 ，與拱座徑向面夾角 ，同時有水平軟弱面，則從岸坡頂部到高程之間壩肩巖體在拱座推力作用下可能整體滑動。 1F2F在這一整體壩肩范圍內(nèi)壩肩受力情況為：拱圈傳來軸力、剪力，與拱座共有底面的單寬懸臂梁傳來徑向剪力和垂直力,rcostansin sintancos tan

10、0AAC0AAC0CrNHVVrrQHVVrrGWWr(+)(+) N Q G、 、從壩頂?shù)紽2面將各單位高度的 求和，可得 iiiiiiiiiiiiiiiiriicostansin 341sintancos 342tan+ 3430AAC0AACAB0CrNHVVrrQHVVUrrGWWWr(+)（ ）(+)（ ）)（ ）按現(xiàn)行規(guī)范的單一安全系數(shù)公式，則計算安全系數(shù)K11112222fNU )+C AfGUC AK =Q（) u抗滑穩(wěn)定計算公式選用及安全系數(shù)要求抗滑穩(wěn)定計算公式選用及安全系數(shù)要求1112() 345 346Nf +C AKQNfKQ12（ ）（ ）1112() 34 5 34

11、 6N f + C AKQN fKQ12（）（）按照規(guī)范有兩個安全系數(shù)計算法方法抗剪斷公式，適合于1、2級工程及高壩抗剪公式，適合于中小型工程f1和C1值應(yīng)按相應(yīng)于材料的峰值強(qiáng)度(小值平均值)采用。f2的值應(yīng)按材料的不同性質(zhì)分別取用相應(yīng)的特性值：對脆性破壞的材料，采用比例極限；對塑性或脆塑性破壞的材料，采用屈服強(qiáng)度；對已經(jīng)剪切錯斷過的材料，采用殘余強(qiáng)度。實際工程中，壩肩巖體內(nèi)常存在著斷層、大規(guī)模延伸的裂隙結(jié)構(gòu)面、軟弱夾層或巖體裂隙發(fā)育，且分布有明顯的某種優(yōu)勢產(chǎn)狀，在其漸近破壞過程中，由于巖體不能承受拉力而最終形成連通的、錯臺狀的滑裂面，此時抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)已變得很小(可略去不計)，這類不連續(xù)巖體

12、屬于塑性或彈塑性破壞型，所以，用抗剪強(qiáng)度公式進(jìn)行高拱壩壩肩巖體穩(wěn)定計算還是必要的。目前國外已趨向于采用抗剪強(qiáng)度公式來分析壩肩不連續(xù)巖體的穩(wěn)定性。我國的二灘、李家峽工程在壩肩巖體穩(wěn)定分析中，同時采用了抗剪斷公式和抗剪強(qiáng)度公式。荷載組合情況荷載組合情況拱壩級別拱壩級別1 12 23 3抗剪斷公式抗剪斷公式基基 本本3.503.5003.00特殊特殊( (非地震非地震) )3.003.002.752.752.502.50抗剪公式抗剪公式基基 本本1.301.30特殊特殊( (非地震非地震) )1.101.10拱壩壩肩巖體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)應(yīng)滿足下表的要求 u滲流水壓力對壩肩巖體問

13、題的影響滲流水壓力對壩肩巖體問題的影響在拱壩壩肩巖體穩(wěn)定計算中，應(yīng)當(dāng)考慮下列荷載：壩體傳來的作用力、巖體的自重和滲流水壓力等，其中，滲流水壓力是控制拱壩壩肩巖體穩(wěn)定的重要因素之一。如1959年法國馬爾巴塞拱壩，在初次蓄水不久即全壩潰決，許多專家在分析其原因時，認(rèn)為滲流壓力起著重要的作用。專家們對拱壩潰決的原因分析最終得出的結(jié)論均為由于滲流壓力增大而導(dǎo)致巖體失穩(wěn)。 在裂隙巖體滲流研究工作中，對均質(zhì)和節(jié)理裂隙發(fā)育的巖體中形成的穩(wěn)定滲流，通?？捎眠_(dá)西定律確定巖體內(nèi)的滲壓強(qiáng)度。對節(jié)理、裂隙、斷層等各向異性的巖體，其滲流特性也呈各向異性，且隨巖體內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)而改變，這種裂隙巖體內(nèi)的裂隙水流已不服從達(dá)西定律。此時，盡管也有不同的模擬方法，如不連續(xù)體的裂隙網(wǎng)絡(luò)計算模型和等效連續(xù)介質(zhì)模型等，但更為可靠的手段則是在現(xiàn)場設(shè)置測壓孔，進(jìn)行試驗和監(jiān)測。目前控制滲壓的有效方法是在地基內(nèi)設(shè)置灌漿帷幕和排水系統(tǒng)。但排水孔布置要得當(dāng)，只有當(dāng)排水孔位于拱推力引起的壓應(yīng)力集中區(qū)的上游時，才能獲得良好的效果。u改善壩肩穩(wěn)定性的工程措施改善壩肩穩(wěn)定性的工程措施通過拱壩穩(wěn)定分析，如發(fā)