黄连水电站枢纽位于广东省乳源瑶族自治县境内的北江支流南水河上游，是一个拦截黄连水和伴山水的径流式电站。黄连水拦河砼拱坝位于黄连水和伴山水两水汇合处上游约1.2公里，坝址区为中粗粒状花岗岩，两岸均有大片基岩裸露；坝址河床狭窄，呈“U”形状，坝顶河谷宽52米。该坝为砼定角式拱坝，坝底最大厚度为5.5米，中心角为110°；建基面高程为790.9米，堰顶高程为808.9米，最大坝高18米，坝顶长52米。正常蓄水位为808.9米。

由于拱坝主要的工作特点就是将坝体承受的水平外力一部分通过拱的作用传给两岸的基岩，另一部分通过垂直梁的作用传至坝底基岩，坝体的稳定性主要是依靠两岸拱端的反力作用来维持。因而坝肩岩体的抗滑稳定计算就显得尤其重要。

2        坝肩岩体稳定分析综述

拱坝坝肩岩体稳定分析原则上按空间问题处理，确定其整体抗滑稳定安全系数。根据本工程实际情况，采用刚体极限平衡法作为判断坝肩岩体稳定性的方法。其基本假定为：

2.1  滑移体视为刚体，不考虑其中各部分间的相对位移；

2.2  只考虑滑移体上力的平衡，不考虑力矩的平衡，认为后者可由力的分布自行调整满足，因此在拱端作用的力系中也不考虑弯矩的影响；

2.3    忽略拱坝的内力重分布作用，认为拱端作用在岩体上的力系为定值；

2.4    达到极限平衡状态时，滑裂面上的剪力方向将与滑移的方向平行，指向相反，数值达到极限值。

3      坝肩岩体整体稳定分析

3.1    结构计算模型的假定

一般情况下，坝肩岩体是由陡裂面F1、河床附近的缓裂面F2、上游的破裂面F3及临空面分割成一个滑移体，岩体失稳时，一般是沿F1与F2的交线①-①滑动的（如图1所示）。取一个单位高（代表性）拱圈，坝端对岸坡岩体的作用力，按拱梁分载法分为：梁的铅直力GtgΨ和剪力V_btgΨ,拱梁的推力H和剪力V_a。这些力可合成为：①铅直力GtgΨ；②剪力V＝V_a+V_btgΨ；③水平推力H。将H及V分解为正交及平行滑动线的两个分值N、Q，选取几个代表性拱圈，计算出它们的N、Q、G值，沿高程连成曲线，然后求曲线下的面积，即为ΣN、ΣQ、ΣG，同时计入滑移体自重ΣW及渗透压力U₁、U₂，即可验算其抗滑稳定性。

3.2  拱端内力计算

拱圈拱端由外荷产生的内力为轴向力H和剪力V，将H和V分解为平行和垂直于破裂面交线①-①的两分值，设破裂面与轴向力H方向相交成а角，则平行于破裂面的分力S为：

S=Hcosа+Vsinа

垂直于破裂面的分力N为：

N＝Hsinа-Vcosа

设基坑面与垂线相交成Ψ角，将垂直于破裂面的分力N沿基坑面分解为垂直和平行的两个分力P和Q，基坑面上还受自重W₁及渗透压力U的作用。最后可得：

平行于底滑面的分力  Q＝NsinΨ-W₁cosΨ

垂直于底滑面的分力  P＝NcosΨ+W₁sinΨ-U

其中，U为坝底扬压力。

3.3  稳定分析

由于本工程属于中低拱坝，根据设计规范，可采用摩擦公式进行抗滑验算。在只考虑摩擦力时，坝肩岩体的抗滑稳定安全系数为：

K=P*f/S

其中：

P为底滑面的法向力，S为滑动面上的滑动力，f为滑动面的摩擦系数。

在设计情况，只考虑摩擦力时，K≥1.3。

4  滑移体边界组成分析

据黄连水拱坝坝址区工程地质分析，两侧坝肩存在顺河流向、垂直河流向陡倾角裂隙及密集带、缓倾角裂隙、断层破碎带等软弱结构面，这些结构面可能组成不稳定岩体。设计中对这些可能的滑动面进行了分析，排除了近坝区无临空条件，对大坝抗滑稳定不起控制作用的可能滑动面，而从左侧坝肩某间歇面（5#）的分布和产状确定了它是控制两岸坝肩岩体稳定最关键的一个底滑面；另外分布在左岸796m高程左右的缓倾角裂隙Z22、Z32、Z33（编号），构成左岸山体的另一组底滑面；它们与下游临空面组成了可能的滑移体。滑移体基坑面与垂直方向交角ψ近似于55°，滑裂面与轴向力H方向交角а近似于70°。

5  坝肩稳定验算

5.1  采用纯拱法计算拱圈拱端轴向力H和剪力V。

考虑到本工程为位于狭窄河谷中的薄拱坝，故采用纯拱法进行内力计算不失为一种简单实用的计算方法。（本文只取基本荷载组合进行计算）

基本荷载组合为：上游正常蓄水位（下游无水）＋泥砂压力＋温降

基本参数：砼坝身和基础的弹性模量Em=Er=0.75×10¹⁰Pa，泥砂内摩擦角фs＝20⁰，泥砂浮容重γs＝9KN／M³，坝体砼容重γ＝25KN／M³，岩体容重 γ_ω=27.5KN/m³。

取n=1~5个代表性拱圈，在不考虑泥砂压力的情况下，计算H及V。

计算成果如表1-1示：

5.2   根据地形地质情况，确定各拱圈可能破裂面及破裂面与轴向力H方向相交的夹角α，求得各分力S、N、W₁、P。

计算成果如表1-2示：

表1－1 

表2－2

5.3    作用在破裂面上的力有P、Q、S三个，其中P是稳定力，S是滑动力，因而安全系数K为：

K＝Pf／S＝f(NcosΨ+W₁sinΨ-U)／S

因两岸花岗岩裸露，无明显断裂现象，整体性良好，故取f＝0.65。

根据上表数据，可计得安全系数如下：

K＝0.65(9757.68cos55⁰+10294.98sin55⁰-4225)／4638.82=1.37>1.3

故坝肩岩体稳定性验算合格。

6  结束语

拱坝是一种既安全又经济的坝型，由于拱坝优越的结构特点，广东省北部山区林业小水电较多采用中低型拱坝。虽然拱坝的安全度很高，很少因为坝身应力问题而失事，但从以往拱坝失事的原因分析，绝大部分是由于坝肩岩体失稳或变形过大所造成的，可以说，坝肩岩体稳定是拱坝安全的根本保证。因此在设计和施工中应十分重视坝肩岩体的抗滑稳定和变形。设计时应对坝址区岩体进行详细的现场勘察，分析可能的滑裂面，确定可能的滑移体，采用适当的理论方法验算其抗滑稳定性；必要时，还应采取适当的加固措施，以确保拱坝的安全。

参考文献：

[1]　混凝土拱坝设计规范（SD145—85）［S］．北京：水电出版社，1986

[2]   水工建筑物（ISBN 7-120-00931-1）北京：水利电力出版社，1986

[3]   水工设计手册（第五卷）北京：水利电力出版社，1989