拱坝荷载主要传递给拱座岩体,因而拱坝的坝基稳定通常表现为坝肩稳定。以往拱坝失事的原因分析表明,绝大多数是坝肩岩体失稳或变形过大所致。其中拱坝坝肩岩体存在不利的软弱结构面是重要的决定性因素,如1959年法国马尔帕塞(Malpasset)拱坝左岸坝肩岩体滑动失事。验算拱坝坝肩稳定和制定工程措施,是拱坝及其基础设计的一项重要工作。拱坝坝肩稳定分析主要有刚体极限平衡法、有限单元法和地质力学模型试验法等。
刚体极限平衡法。世界各国设计规范普遍采用的分析方法。该方法假定潜在的滑动岩体为刚体,分析作用在坝肩可能滑动岩体上的各种力的平衡,根据抗滑力和滑动力的比较,判断可能滑动体的抗滑稳定性,即抗滑安全系数。坝肩滑动是三维空间问题,滑动体通常由两个或三个滑裂面和下游临空面构成滑移边界;其中一个滑移面倾角较缓,构成底滑面,另一个或两个构成侧裂面。由于岩石材料非常复杂,常发育有多组不同规模和性质的结构面,这些结构面组合成的可能滑移块体形态多种多样,计算方法也不同,但基本思路是相似的。
有限单元法。实际上坝基岩体并非刚体,其应力应变关系具有明显的非线性特征,刚体极限平衡法只能给出临界状态的安全评价,不能真实反映岩体的本构关系、应力分布和破坏机理。有限元法能够计算岩体各部位的变形和应力,由此可求出超载系数和强度储备系数来进行拱坝抗滑稳定评价。但有限单元法尚无统一的控制标准,仅作为重要工程的校核验证手段。因此对于地质条件复杂的1级、2级拱坝,除用刚体极限平衡法进行坝肩稳定计算外,要求进行有限元分析论证。
地质力学模型试验法。自20世纪70年代以来已成为研究高拱坝坝基岩体稳定一种辅助手段。地质力学模型试验法模拟拱坝及坝基在荷载作用下的应力和变形特征及破坏过程,从而了解开裂、滑动面部位和特征,以及超载能力,与有限元法相互印证,有助于评价坝基的抗滑稳定能力和确定需要加固的薄弱部位以及评价地基加固处理效果等。但模型难以完全模拟岩体的真实情况,模型试验的成果只是定性的或近似的。
拱坝基础加固与重力坝类似,但要求较高。加固处理措施在一般情况下,需进行帷幕灌浆和幕后排水,增强坝基抗渗能力和减小渗透压力;表层固结灌浆,提高坝基的整体性和稳定性;挖除建基面的软弱岩带并回填混凝土,对影响坝肩稳定的长大结构面如断层破碎带、软弱岩带等进行锚固或网格置换回填混凝土,提高坝基坝肩抗滑稳定能力;坝肩局部软弱岩体采取结构措施,如设置混凝土垫座和抗剪传力洞,降低软弱岩体的压应力或将拱端推力传至完整坚硬岩体等。