第三节　重力坝的抗滑稳定分析

一、概述

抗滑稳定分析是重力坝设计的一项重要内容。其目的是验算坝体沿坝基面及坝基内深层软弱结构面或岸坡坝段等的抗滑稳定安全度。计算单元可取1m长坝段或横缝间的整个坝段，作为平面问题考虑，首先将单元上的计算荷载向滑动面上的基底形心简化，求得其总效应，然后选择适宜的公式进行计算。

二、沿坝基面的抗滑稳定分析

（一）抗剪强度公式

该理论认为，坝体与坝基岩体间的结合面（见图2-12）是一个接触面而非胶结面，面上的抗滑力由摩擦力产生，滑动面以上坝体的全部荷载对滑动面的切向分量是导致坝体失稳的滑动力。抗滑力与滑动力的比值反映了坝体稳定的安全程度，称为抗滑稳定安全系数，公式表达为

当坝基面倾向上游时，见图2-12（b），则有

由式（2-21）可知，当坝基面倾向上游时，β为正，抗滑力增大，滑动力减小，对坝体抗滑有利；而当坝基面倾向下游时则反之，对坝体稳定不利。

抗剪强度公式未计入坝体与基岩间的凝聚力，而将其作为安全储备，所求K值偏小，所以相应的容许安全系数值也较小。各种荷载组合情况下的容许安全系数［K］见表2-8。

（二）抗剪断强度公式

应用抗剪断强度公式时，认为坝体混凝土与基岩之间是接触良好的胶结面。仅当胶结面处材料发生有剪切、断裂、屈服等形式破坏时，才可形成滑动通道，导致坝体滑动失稳，因而胶结面上的抗滑力由抗剪断摩擦力和凝聚力共同构成，坝体抗滑稳定安全系数K′为

式中　f′、c′——坝体混凝土与坝基接触面处的抗剪断摩擦系数和抗剪断凝聚力，N/m2；

　　　A——计算单元的坝底面积，m2。

坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断强度参数f′、c′及抗剪强度参数f，见表2-9。

对于容许安全系数［K′］，不分工程级别，基本组合时采用3.0；特殊组合（1）时采用2.5；特殊组合（2）时采用2.3。

理论、试验及原型观测结果表明，均匀岩基上的混凝土重力坝失稳的机理是：首先在坝踵胶结面处出现微裂松弛区，随后在坝趾胶结面处出现局部剪切屈服区域，并逐渐增大向上游延伸以致形成滑动通道，导致坝体失稳。上述抗剪强度公式（2-20），形式简单，对摩擦系数f的选择有多年经验，适用于坝基岩体较差时。抗剪断强度公式（2-22）直接采用接触面上的抗剪断强度参数f′、c′，物理概念明确，适于基岩条件较好时。当坝基内存在可能导致深层滑动的软弱面时，应按抗剪断强度公式进行深层抗滑稳定分析。

三、深层抗滑稳定分析

当坝基内存在不利的缓倾角软弱结构面时，在水压力作用下，坝体有可能连同部分坝基沿软弱结构面产生滑移，即深层滑动。地基深层滑动情况复杂，失稳机理和计算方法目前还在探索中。常用的分析方法有计算和试验两类。计算方法又有刚体极限平衡法和有限元法。这里仅讨论用刚体极限平衡法分析单斜面深层滑动问题。

单斜面深层滑动，是指地基内只有一个单向倾斜的软弱结构面，见图2-13。

计算时，将软弱面以上的坝体和地基视为刚体。当整个滑动面基本上都由软弱结构面构成时，面上凝聚力已接近于零，宜用抗剪强度公式（2-20）计算刚体沿软弱结构面上的抗滑稳定安全系数K，当可能滑动面仅一部分通过软弱结构面，其余部分切穿岩基或混凝土时，宜采用抗剪断强度公式计算。软弱结构面的抗剪强度参数和容许安全系数，见《规范》（SL 319—2005）。

四、岸坡坝段的抗滑稳定分析

重力坝两岸岸坡坝段，其基面是倾向河床的斜面或台阶状折面，在上游水压力和坝体自重作用下，同时具有向下游和向河床的滑动趋势，应验算其在三维荷载作用下，沿倾斜坝基面的抗滑稳定性。

设图2-14所示为一岸坡坝段，岸坡倾角为θ，坝段所受铅直力总和为W，水平力总和为P，滑动面上的扬压力为U，坝基面上的抗剪强度参数为f或f′、c′，滑动面面积为A。将W分解为沿滑动面的法向分力N＝Wcosθ和切向分力T＝Wsinθ，并将T与P合成为S，是坝体所受的总滑动力。于是，按抗剪强度公式和抗剪断强度公式所确定的岸坡坝段的抗滑稳定安全系数分别为

设计时，保证重力坝在任何工作条件下，抗滑稳定安全系数均不小于规范规定的容许值，即K≥［K］或K′≥［K′］。否则，应修改剖面或采取适当的工程措施，提高其抗滑稳定性。

五、提高重力坝抗滑稳定性的工程措施

为提高重力坝的抗滑稳定性，工程中常采取以下措施：

（1）利用水重。将上游坝面做成倾向上游的斜面，利用坝面水重来增加坝体抗滑力。但坡度不宜过缓，否则易在上游坝面出现较大拉应力，对强度和抗渗造成不利。

（2）采用有利的地基开挖轮廓线。利用岩面的自然坡度，将坝基开挖成倾向上游的斜面见图2-15（a），以利用坝体沿倾斜坝基面的切向分量减少坝体滑动力。但上游水压力、地基开挖量和混凝土浇筑量随之增加，是否经济合理须经比较确定，一般倾角为3°～5°，不宜过大。而当坝基较坚固时，可开挖成锯齿状，形成局部倾向上游的坝基面，见图2-15（b）。

（3）设置齿墙。当基岩内有倾向下游的软弱结构面时，可在坝踵处设齿墙，见图2-16（a），切断浅层软弱面，使可能滑动面abc变为a′b′c′，增加滑移体的重量，提高抗滑力。也可在坝趾处设齿墙，见图2-16（b），由于坝趾处压应力较大，其抗滑能力也会相应增加。

（4）采取抽排水措施。当坝体所受扬压力较大时，可在坝基面设纵横连通的排水廊道，廊道内钻设排水孔、布置集水井等构成排水系统，并定期抽水排出坝外，以减少坝底扬压力，见图2-17，图中也绘出了相应的扬压力水头分布图形。

（5）采取预应力措施。在靠近坝体上游处，利用深孔锚固的高强度预应力钢索，可同时增加坝体抗滑稳定性和消除坝踵处拉应力，见图2-18　。