土石壩的穩(wěn)定分析講義

1、4.5土石壩的穩(wěn)定分析4.5.1、概述（一）土石壩的失穩(wěn)型式分析：土石壩依靠土體顆粒之間的摩擦力來維持穩(wěn)定。摩爾認為：土體的破壞，主要是剪切破壞，即：一旦土體內任一平面上的剪應力達到或超過了土體的抗剪強度時，土體就發(fā)生破壞。土石壩體積肥大，如果土石壩的局部穩(wěn)定性能能得到保證，則其整體穩(wěn)定性也就能得到保證。因此，土石壩的穩(wěn)定性問題主要是局部穩(wěn)定問題。如果局部穩(wěn)定得不到保證，或者局部失穩(wěn)現象得不到控制，任其逐漸發(fā)展，也可能導致整體失穩(wěn)破壞。土石壩的局部失穩(wěn)一般表現為三種型式：滑坡、塑性流動、液化塑性流動是指由于壩體或壩基內局部地區(qū)的剪應力超過土料的抗剪強度，變形超過彈性限值，使壩坡或壩基發(fā)生過大的

2、局部變形，從而引起裂縫或沉陷。塑性流動可能發(fā)生在設計不良的軟粘性土的壩體或壩基中。液化是指飽和無粘性土體（特別是砂質土體）在動荷載（如地震荷載）等因素的作用下，孔隙水壓力突然升高，土粒間的有效壓力則隨之減小，甚至趨近于零，土體完全喪失抗剪強度和承載能力，成為如粘滯的液體一樣的現象。液化失穩(wěn)一般發(fā)生在均勻細砂土的壩體或壩基中。關于塑性流動和液化失穩(wěn)的進一步知識，請同學們參考有關文獻，如：天津大學祁慶和教授主編的水工建筑物教材，以及有關土力學書籍。本節(jié)主要介紹土石壩結構穩(wěn)定中最為重要的、也是最為常見的失穩(wěn)型式：壩坡滑動穩(wěn)定問題。（二）土石壩壩坡滑動失穩(wěn)的型式土石壩壩坡滑動失穩(wěn)，簡稱滑坡，其型式與壩

3、體結構、土料和地基的性質、壩的工作條件等密切相關。壩坡可能的滑動型式大體上可以歸納為以下3種：（1）曲線滑動（如圖所示）曲線滑動的滑動面是一個頂部稍陡而底部漸緩的曲面，多發(fā)生在粘性土壩坡中。在計算分析時，通常簡化為一個圓弧面。曲線滑動示意圖（2）直線和折線滑動面（如圖所示）在均質的非粘性土邊坡中，滑動面一般為直線；當壩體的一部分淹沒在水中時，滑動面可能為折線。在不同土料的分界面，也可能發(fā)生直線或折線滑動。直線和折線滑動面示意圖（3）復式滑動面（如圖所示） 復式滑動面是同時具有粘性土和非粘性土的土壩中常出現的滑動面型式。復式滑動面比較復雜，穿過粘性土的局部地段可能為曲線面，穿過非粘性土的局部地段

4、則可能為平面或折線面。在計算分析時，通常根據實際情況對滑動面的形狀和位置進行適當的簡化。復式滑動面示意圖4.5.2土料抗剪強度指標的選取土的抗剪強度指標主要指總抗剪強度指標（凝聚力c和內摩擦角）和有效抗剪強度指標（凝聚力和內摩擦角）。通?？梢圆捎檬彝庠粶y試方法測定，或室內剪切試驗方法確定。室內抗剪強度指標測定方法有3種：不排水剪、固結不排水剪和排水剪。SL2742001 碾壓式土石壩設計規(guī)范第8.3.5條中規(guī)定：土的抗剪強度指標應采用三軸儀測定。對3級以下的中壩，可用直接慢剪試驗測定土的有效強度指標；對滲透系數很小（小于107cm/s）或壓縮系數很?。ㄐ∮?.2MPa-1）的土，也可采用直接

5、快剪試驗或固結快剪試驗測定其總強度指標。SL2742001 碾壓式土石壩設計規(guī)范附錄四中第D.1.1條規(guī)定了不同時期（施工期、穩(wěn)定滲流期和水庫水位降落期）、不同土類的抗剪強度指標的測定方法和計算方法。4.5.3穩(wěn)定計算情況和安全系數的采用一、穩(wěn)定計算情況1正常運用情況(1)上游為正常蓄水位，下游為最低水位，或上游為設計洪水位，下游為相應最高水位，壩內形成穩(wěn)定滲流時，上下游壩坡穩(wěn)定驗算。(2)水庫水位處于正常和設計水位之間范圍內的正常性降落，2非常運用情況I(1)施工期，考慮孔隙壓力時的上下游壩坡穩(wěn)定驗算。(2)水庫水位非常降落，如自校核洪水降落至死水位以下，以及大流量快速泄空等情況下的上游壩坡

6、穩(wěn)定驗算。 (3)校核洪水位下有可能形成穩(wěn)定滲流時的下游壩坡穩(wěn)定驗算。3非常運用情況 正常運用情況遇到地震時上下游壩坡穩(wěn)定驗算。二、抗滑穩(wěn)定安全系數的采用規(guī)范一：DL5180-2003 水電樞紐工程等級劃分及設計安全標準按瑞典圓弧法計算時的容許最小抗滑穩(wěn)定安全系數 上表中的安全系數適用于采用不計條間作用力的瑞典圓弧法計算的情況。對于1、2級高壩以及復雜條件情況，可采用計入條間作用力的畢肖普法或其他較為嚴格的方法。此時，表中的安全系數應提高510，且對1級大壩，在正常運用條件下的安全系數不應小于1.5。運行條件攔 河 壩 的 級 別1234、5 基本組合1.31.251.21.15特殊組合校核洪

7、水1.21.151.11.05正常運用+地震1.11.051.051.0規(guī)范二：SL2742001 碾壓式土石壩設計規(guī)范SL2742001 碾壓式土石壩設計規(guī)范第8.3.9條規(guī)定：對于均質壩、厚斜墻壩和厚心墻壩，宜采用計及條間作用的簡化畢肖普法；對于有軟弱夾層、薄斜墻壩的壩坡穩(wěn)定分析及其他任何壩型，可采用滿足力和力矩平衡的摩根斯頓普賴斯等滑楔法。按簡化畢肖普法計算時的容許最小抗滑穩(wěn)定安全系數見課本P119 表4-9SL2742001 碾壓式土石壩設計規(guī)范第8.3.11條還規(guī)定：采用不計條間作用力的瑞典圓弧法計算壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數時，對1級壩正常運用條間最小安全系數應不小于1.30，對其他情況

8、應比上表規(guī)定值減小8。SL2742001 碾壓式土石壩設計規(guī)范第8.3.12條還規(guī)定：采用滑楔法進行穩(wěn)定計算時，如假設滑楔之間作用力平行于坡面和滑底斜面的平均坡度，安全系數應滿足上表中的規(guī)定；若假設滑楔之間作用力為水平方向，安全系數應滿足上述第8.3.11條的規(guī)定。4.5.4壩坡穩(wěn)定分析方法一、圓弧滑動面穩(wěn)定計算1. 瑞典圓弧法 瑞典圓弧法是目前土石壩設計中壩坡穩(wěn)定分析的主要方法之一。該方法簡單、實用，基本能滿足工程精度要求，特別是在中小型土石壩設計中應用更為廣泛。瑞典圓弧法1基本思路假設滑動面為一個圓柱面，在剖面上表現為圓弧面。將可能的滑動面以上的土體劃分成若干鉛直土條，不考慮土條之間作用力

9、的影響，作用在土條上的力主要包括：土條自重、土條底面的凝聚力和摩擦力。瑞典圓弧法安全系數定義為：土條在滑動面上所提供的抗滑力矩與滑動力矩之比。不考慮條間作用力的圓弧滑動法土壩壩坡穩(wěn)定計算示意圖（1）2.計算步驟(1)確定圓心、半徑，繪制滑弧。(2)將土體分條編號。為便于計算，土條寬取b0.1R(圓弧半徑)，圓心以下的為0號土條：向上游為1，2，3，向下游為一1，一2，一3，如圖438所示。(3)計算土條重量。計算抗滑力時，浸潤線以上部分用濕容重，浸潤線以下部分用浮容重；計算滑動力時，下游水面以上部分用濕容重，下游水面以下部分用飽和容重。(4)計算安全系數。3.穩(wěn)定安全系數計算公式1）有效應力法

10、計算，且計入地震荷載時（4-41）2）有效應力法，不計地震荷載時， 瑞典圓弧法安全系數K的計算公式為：3）按總應力法計算時，瑞典圓弧法安全系數K為：SL2742001 碾壓式土石壩設計規(guī)范第8.3.2條規(guī)定：土石壩各種工況，土體的抗剪強度均應采用有效應力法；粘性土施工期和粘性土庫水位降落期，應同時采用總應力法。（這主要是粘性土的孔隙率比較小的緣故）。第8.3.3條還規(guī)定：對以粗粒料填筑的高壩，特別是高面板堆石壩，還應考慮其非線性抗剪強度指標問題。土壩壩坡穩(wěn)定分析方法之二 簡化的畢肖普法瑞典圓弧法的主要缺點是沒有考慮土條間的作用力，因而不滿足力和力矩的平衡條件，所計算出的安全系數一般偏低。畢肖普

11、法是對瑞典圓弧法的改進。其基本原理是：考慮了土條水平方向的作用力（即EiEi+10），忽略了豎直方向的作用力（即令Xi=Xi+1=0）。如圖。由于忽略了豎直方向的作用力，因此稱為簡化的畢肖普法。簡化的畢肖普法畢肖普法是目前土壩壩坡穩(wěn)定分析中使用得較多的一種方法。根據摩爾庫侖準則、土條豎向力平衡條件以及滑動體對圓心的力矩平衡條件，可以推導出簡化的畢肖普法的安全系數計算公式為：上式中，兩端均含有K，必須用試算法或迭代法求解。折線滑動面的穩(wěn)定分析1折線滑動部位 可能發(fā)生直線、或折線、或復合面滑動的部位包括： 發(fā)生在非粘性土的壩坡中。例如：心墻壩的上、下游壩坡，斜墻壩的下游壩坡，等； 發(fā)生在兩種不同材

12、料的接觸面。例如：斜墻壩的上游保護層滑動，斜墻壩的上游保護層連同斜墻一起滑動，等。2穩(wěn)定計算方法 采用滑楔法分析計算。如圖，ADC為滑動面（對上游壩坡，折點一般在上游水位對應處），從折點鉛直向DE將滑動土體分為兩部分：BCDE楔形體和ADE楔形體。 對BCDE楔形體 其作用力主要有：楔形體自重W1、平行于DC的兩土塊之間的作用力P（ADC楔形體對BCDE楔形體的抗滑力）、土體自重在滑動面DC上產生的摩擦力。則BCDE楔形體沿DC滑動方向的極限平衡方程為（4-43） 對ADE楔形體 其作用力主要有：楔形體自重W2、平行于DC的兩土塊之間的作用力P（BCDE楔形體作用在ADC楔形體上的滑動力）、土

13、體自重在滑動面AD上產生的摩擦力。 則ADE楔形體沿AD滑動方向的極限平衡方程為：聯立式（4-43）和式（4-44），可求得滑動體的安全系數K和土塊間的作用力P。（4-44）3幾點說明（1）上述示例中，只將滑動體分割為兩塊楔形體。實際上，為更精確計算，可以將滑動塊分割為N個楔形體滑塊。此時計算相對要復雜一些，需要采用試算法或迭代法求解安全系數。具體計算方法詳見王宏碩教授主編的水工建筑物。即俗稱的老水工建筑物。（2）為計算簡便，在楔形體分割時，均按垂直方向分割；（3）上述示例中，楔形體間的作用力方向取為DC方向。作用力方向的選取大致有以下4種： 作用力為水平的； 作用力平行于坡面； 作用力平行于

14、滑楔體底斜面； 作用力平行于壩坡面和滑楔體底斜面的平均坡度。作用力方向選取的不同，最小安全系數的取值標準野不同。SL2742001 碾壓式土石壩設計規(guī)范第8.3.12條中規(guī)定了上述第、兩種情況下的最小安全系數取值標準。（4）最危險滑動面的確定根據理論分析和工程經驗，選擇多個可能的滑動面進行試算。復合滑動面的穩(wěn)定分析當滑動面通過不同土料時，常有直線與圓弧組合的型式。例如：厚心墻壩的滑動面，通過砂性土的部分為直線，通過粘性土的部分為圓弧；當壩基下不深處存在軟弱夾層時，滑動面可能通過軟弱夾層而形成復合滑動面，等。計算時，將滑動土體劃分為abf、bcef、cde三個區(qū)。取bcef為脫離體，土體abf作

15、用于土體bcef的推力為Pa，土體cde作用于土體bcef的推力為Pn，土體bcef產生的抗滑力為Gtg+cl，則滑動面的穩(wěn)定安全系數為求Pa和Pn，可以采用試算法。（1）將土體abf和土體cde分別分成若干條塊（圖中分為3塊），假設各條塊間的推力近似為水平。（2）先擬定一個安全系數K，推求各條塊對下一條塊的推力。土體abf作用于土體bcef的推力為Pa；土體cde作用于土體bcef的推力為Pn。對Pa，從左邊開始推求，因為最左邊的條塊的Pa=0；對Pn；從右邊開始推求，因為最右邊的條塊的Pn =0。（3）將Pa和Pn代入式中，求出滑動面的安全系數K。如果求得的安全系數K與假設的安全系數K不同，則重新假設K，重復計算，直至兩者相等為止。（4）為了得出最危險滑動面上的最小安全系數，一般要多假設幾個ab弧和c