任务四 了解重力坝的抗滑稳定及应力分析
当初步得到重力坝的剖面尺寸参数后，还不知道其参数是否合理，这时就需要通过各种荷载组合的情况来分析重力坝的抗滑稳定及应力，进而验证坝体是否满足稳定和强度要求并且经济。工程经验证明：对于低坝，一般只要满足稳定条件，则应力条件也满足要求。
一、重力坝的抗滑稳定计算
1.重力坝的抗滑稳定计算目的
抗滑稳定计算主要目的是检验坝体剖面尺寸是否满足稳定要求。
2.重力坝的抗滑稳定计算滑动面
重力坝的滑动面主要是坝体与坝基面的接触面（包括常态混凝土水平施工缝或碾压混凝土层面），有时是坝体与部分含有软弱夹层、缓倾角结构面坝基的薄弱面。
3.重力坝的抗滑稳定计算方法
以一个坝段或单位长度坝段为研究对象，荷载示意图如图2-9所示。原理是：抗滑稳定安全系数＝阻滑力/滑动力≥容许抗滑稳定安全系数。
图2-9 荷载示意图
（1）抗剪强度公式（此时不考虑坝体与滑动面之间的胶结作用）：
抗剪强度公式不考虑坝体与滑动面之间的胶结作用，认为坝体只靠接触面间的摩擦力来抵抗水平推力作用，与实际情况有所出入，求得的抗滑稳定安全系数K偏小，所以规范规定的抗滑稳定安全系数较低（表2-3）。
表2-3 坝基面抗滑稳定安全系数K
（2）抗剪断强度公式（此时考虑坝体与滑动面之间的胶结作用）：
抗剪断强度公式考虑坝体与滑动面之间的胶结作用，与实际情况更为接近，但是凝聚力C′，的变动很大，所以规范规定的抗滑稳定安全系数较大（表2-4）。
表2-4 坝基面抗滑稳定安全系数K′（不分级别）
4.公式及参数的选取
工程实践表明：坝基岩石条件较好，采用抗剪断强度公式是合适的，但是坝基岩石较差时，如软岩或存在软弱结构面时，采用抗剪强度公式也是可行的。
参数的选择合理与否，会对坝体产生非常大的影响，会直接影响坝体的安全与经济。f′、C′的大小应该由项目坝址现场和实验室试验测定，可以结合工程类比合理选取。对于中小型工程，当缺乏项目坝址现场抗剪试验条件时，可以考虑采用抗剪强度公式计算坝体稳定性，其f的大小最好通过实验室试验测定。
5.增加重力坝抗滑稳定性的工程措施
当通过公式计算出坝体的抗滑稳定系数后，如果小于规范要求的允许值，那就说明坝体的稳定性不够，此时需要增加坝体的抗滑稳定性。一般有以下几种工程措施来提高重力坝的稳定性。
（1）利用水重。采用倾斜的上游面（上游边坡系数n＞0）或采用上游面上部分铅直、下部分倾斜的折坡上游面，能利用水重增加坝体的抗滑力，使坝体的稳定安全系数提高，增加了坝体的抗滑稳定性，但倾斜过大，将对坝踵应力不利。
（2）减小扬压力。扬压力的存在抵消了部分有效坝体自重，抗滑力减小，对坝体稳定影响大，所以减小扬压力是增加坝体抗滑稳定性的有效措施。可以采用在上游坝面设置防渗层，在坝体上游侧进行帷幕灌浆，设置坝体排水管幕，或者选用宽缝重力坝或空腹重力坝等措施。还可以采用抽排降压措施，在坝基面设置排水系统，定期抽水减小浮力，但是下游尾水位不高时，抽排降压措施效果不好。
（3）采用倾向上游的开挖轮廓［图2-10（a）］。开挖轮廓向上游倾斜，潜在的滑动呈现上坡趋势，增加了坝体的抗滑力。有时会人为将坝体上游底部的坝踵高程降低［图2-10（b）］，从而是倾向上游，这样上游水深会增加，不仅加大了上游水压力，还会增加地基的开挖量和坝体混凝土的体积，所以此措施运用较少。当岩石地基比较坚硬时，可以考虑开挖成锯齿形的地基［图2-10（c）］，这样可以局部倾向上游，同时还可以增加摩擦系数。
图2-10 采用倾向上游的开挖轮廓
（4）设置齿墙（图2-11）。把坝踵或坝趾向地基底部延伸做齿墙，在工程量增加不多的情况下，能增加坝体的抗滑力，但是齿墙有可能会受剪破坏，降低其效果，所以齿墙不宜太深。当坝体基础具有倾向下游的软弱面时，坝踵处的齿墙会改变潜在滑动面，不仅使滑动体体积增加，还增加抗滑力。在坝趾设置的齿墙深入良好的地基岩石内，可以更好发挥其作用，同时对坝趾处的应力有利。
图2-11 坝踵、坝趾齿墙
（5）加强地基处理。可以采用合理的爆破工艺避免岩体破坏、打掉尖角并清除松动岩块，使坝体建在完整的岩层上、在坝体与地基的结合面进行接触灌浆、在上游面进行帷幕灌浆等。当坝基岩石较差时，还可以采用固结灌浆加固地基，同时加强断层破碎带、软弱夹层的处理等。
二、重力坝的应力计算
1.重力坝应力计算的目的
应力计算的目的是在坝体稳定性满足条件以后，进一步验证所拟坝体剖面是否安全经济，检验坝体在施工期和运用期各个部位所受应力是否满足强度要求，是否超过坝体材料的容许值，并为坝体材料分区和某些局部配筋（孔口、廊道、管道等）提供主要依据。
2.重力坝应力计算的主要内容
（1）计算坝体选定截面上的应力（根据坝高选定计算截面，包括坝基面、折坡处截面以及其他需要计算的截面）。
（2）计算坝体削弱部位（如孔洞、泄水管道、电站引水管道等）的局部应力。
（3）计算坝体个别部位的应力（如闸墩、胸墙、导墙、进水口支撑结构、宽缝重力坝坝头等）。
（4）需要时分析坝基内部的应力。
（5）可以根据工程规模和坝体结构情况，计算上述内容的部分或全部，或还有其他内容。
3.重力坝应力计算的方法
重力坝的应力计算方法有理论计算和结构模型试验两类方法。理论分析方法中又分为材料力学法和有限元法。
对于中、低重力坝，当地质条件简单时，可以采用材料力学法计算。在坝的横剖面上截取若干个控制性水平截面进行应力计算，有时可只计算坝的边缘应力。该法简便，适应面广，并有一套比较成熟的应力控制标准，虽然不能反映地基和坝内孔口等因素对应力的影响，但长期实践证明，能控制坝的强度安全。
对于高坝，尤其当地质条件复杂时，除用材料力学法计算外，宜同时进行模型试验或有限元法进行计算。对于修建在复杂地基上的中、低坝亦可根据需要进行上述计算。
4.重力坝应力控制指标
（1）重力坝坝基面坝踵、坝趾的垂直应力应符合下列要求。
运用期：
1）在各种荷载组合下（地震荷载除外），坝踵垂直应力不应出现拉应力，坝趾垂直应力应小于坝基容许应力。
2）在地震荷载作用下，坝踵、坝趾的垂直应力控制标准应符合SL203的要求。
施工期：坝趾垂直应力允许有小于0.1MPa的拉应力。
（2）重力坝坝体应力应符合下列要求。
运用期：
1）坝体上游面的垂直应力不出现拉应力（计扬压力）。
2）坝体最大主压应力，不应大于混凝土的允许压应力值。
3）在地震情况下，坝体上游面的应力控制标准应符合SL203的要求。
4）关于坝体局部区域拉应力的规定如下：
——宽缝重力坝离上游面较远的局部区域，允许出现拉应力，但不应超过混凝土的允许拉压力；
——当溢流坝堰顶部位出现拉应力时，应配置钢筋；
——廊道及其他孔洞周边的拉应力区域，宜配置钢筋，有论证时可少配或不配钢筋。
施工期：
1）坝体任何截面上的主压应力不应大于混凝土的允许压应力。
2）在坝体的下游面，允许有不大于0.2MPa的主拉应力。