西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第1 頁 摘要 土石壩以其取材方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于維修和擴(kuò)建、對(duì)地質(zhì)條件要求低、 能適應(yīng)地基變形、施工技術(shù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于水利、城市建設(shè)、工廠棄 渣、礦山尾礦堆積等領(lǐng)域，但土石壩結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較低，穩(wěn)定性差，易受環(huán)境條 件等的影響，土石壩失事時(shí)有發(fā)生，因此對(duì)土石壩穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)就具有很重 要的實(shí)際意義。 現(xiàn)行的壩體穩(wěn)定性的分析方法主要是定值分析方法，缺乏對(duì)不確定性因 素的考慮，而實(shí)際上，影響壩體穩(wěn)定性的因素都具有不確定性，在壩體的穩(wěn) 定性分析中應(yīng)當(dāng)考慮這些因素的不確定性，將這些因素看成是隨機(jī)變量，運(yùn) 用基于可靠性理論的方法對(duì)壩體進(jìn)行穩(wěn)定性分析，以更有效地評(píng)價(jià)壩體的穩(wěn) 定性。 本論文重點(diǎn)分析了土石壩破壞的可能性，并對(duì)幾種破壞機(jī)理和分析方法 作了一定的闡述，針對(duì)土石壩破壞的各種可能性，建立了土石壩的可靠性評(píng) 價(jià)模型；對(duì)于土石壩的可靠性分析模型的計(jì)算，其最大的難點(diǎn)是獲取實(shí)際壩 體破壞的各種樣本資料的和隨機(jī)變量的分布形式，在難以獲取資料的條件 下，采用改變參數(shù)值的方法來獲取對(duì)土石壩進(jìn)行可靠性分析需要的統(tǒng)計(jì)數(shù) 據(jù)，再利用中心點(diǎn)法，建立了土石壩安全評(píng)價(jià)的數(shù)學(xué)模型。 最后對(duì)某棄渣壩工程的穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，結(jié)果說明所建立的基于可靠 性的棄渣壩穩(wěn)定性分析模型和方法是可行的，但是更深入的問題有待于進(jìn)一 步地研究。 關(guān)鍵詞可靠性；穩(wěn)定性；安全系數(shù)；可靠度指標(biāo)；土石壩 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第頁 a b s t r a c t f o rt h ea d v a n t a g e so fc o n v e n i e n tt og e tm a t e r i a l 、 s i m p l es t r u c t u r e 、 e a s eo fm a i n t e n a n c ea n de x t e n s i o n 、l o wr e q u i r i n gt ot h eg e o l o g i c a l c o n d i t i o n s 、a b i l i t yt om e e tt h ef o u n d a t i o nd e f o r m a t i o n 、a n ds i m p l e c o n s t r u c t i o nt e c h a i q u e s ，e a r t h r o c kd a mh a sav e r yw i d er a n g eo f a p p l i c a t i o n si nw a t e rc o n s e r v a t i o n ，c i t yc o n s t r u c t i o n ，f a c t o r yc i n d e r ， t a i l i n gh e a p i n g ，b u tt h es t r u c t u r eo fe a r t h r o c kd a mh a sl o ws t r e n g t h ， p o o rs t a b i l i t y ，a n de a r t h r o c kd a mi se a s i l yi n f l u e n c e db ye n v i r o n m e n t d a ma c c i d e n t sh a p p e nt i m ea n dt i m e ，e ot h ee v a l u a t i o no ft h es t a b i l i t y o ft h ed a m sh a sv e r yi m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e n o w t h ef i x v a l u em e t h o di st h em a i nm e t h o d ，w h i c hd o e sn o t c o n 8 i d e r i n gu n c e r t a i n t yf a c t o r s i nf a c t ，t h ef a c t o r sa f f e c t i n gt h e s t a b i l i t yo ft h ed a mi su n c e r t a i n t y ， s ot h e s eu n c e r t a i n t i e ss h o u l d b et a k e ni n t oa c c o u n ti nt h es t a b i l i t ya n a l y s i so ft h ed a m t h e s e u n c e r t a i n t yf a c t o r sa r es e e na sr a n d o mv a r i a b l e s ，u s i n gm e t h o d sb a s e d o nr e l i a b i l i t yt h e o r yi nd a m ss t a b i l i t ya n a l y s i st oc o n d u c ti nam o r e e f f e c t i v ee v a l u a t i o no ft h es t a b i l i t yo ft h ed a m a sa ni m p o r t a n tp a r t ，t h i sp a p e ra n a l y s e st h ep 0 8 8 i b i l i t i e 8o fe a r t h r o c kd a m sd a m a g e ，a n dt h e ne x p o u n d ss o m ep r i n c i p l e so fd a m a g ea n d m e t h o d so fa n a l y s i s f o c u s i n go nt h ev a r i o u s p o b s i b i l i t i e 8o ft h ed a m e d m a g e ，e s t a b l i s h i n gr e l i a b i l i t ye v a l u a t i o nm o d e l f o rt h ec a l c u l a t i o n o fr e l i a b i l i t ye v a l u a t i o nm o d e i ，t h ed i f f i c u l t yi sh o wt og e tt h et r u e d a t ao ft h ed a m ed a m a g ea n dh o wt ok n o wt h ed i s t r i b u t i n go fr a n d o m v a r i a b l e s w h e ni ti sh a r dt og e tt h et r u ed a t a ，t h i sp a p e rg e tt h ed a t a o fr e l i a b i l i 七ya n a l y s i sb yc h a n g i n gt h ep a r a m e t e rv a l u e s ，t h e nu s i n g t h em e t h o do ff o c a lp o i n tt oe s t a b l i s ht h em a t h e m a t i c sm o d e io fs a f e e v a l u a t i o no fe a r t h r o c kd a m a tl a s t ，c a t c h i n gs t a b i l i t ye v a l u a t i o nt oac i n d e rd a m ，w h i c hi n d i c a - t e st h em o d e ia n dm e t h o do nt h eb a s i so fr e l i a b i l i t ya r ef e a s i b l e ， b u tt h e r ea r em o r ed e e p e rp r o b l e m st om o r ed e e p e rs t u d y k e yw o r d s ：r e l i a b i l i t y ；s t a b i l i t y ；s a f e t yf a c t o r ；r e l i a b i l i t y c o e f f i e n t ：e a r t h r o c kd a m 西南交通大學(xué) 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保 留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。 本人授權(quán)西南交通大學(xué)可以將本論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢 索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)印手段保存和匯編本學(xué)位論文。 本學(xué)位論文屬于 1 保密口，在年解密后適用本授權(quán)書； 2 不保密口，使用本授權(quán)書。 ( 請(qǐng)?jiān)谝陨戏娇騼?nèi)打“4 ”) 學(xué)位論文作者簽名： 日期： 指導(dǎo)老師躲孤疹白 日期。蘆刃，及，7 西南交通大學(xué)學(xué)位論文創(chuàng)新性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是在導(dǎo)師指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研 究工作所得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任 何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。對(duì)本文的研究做出 貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中作了明確的說明。本人完全意識(shí)到本 聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。 本學(xué)位論文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下： ( 1 ) 重點(diǎn)分析了土石壩的破壞形式，針對(duì)土石壩破壞的各種可能 性，并考慮影響土石壩穩(wěn)定性的各因素的不確定性，將這些因素看成 是隨機(jī)變量，運(yùn)用基于可靠性理論的方法，建立了土石壩的可靠性評(píng) 價(jià)模型； ( 2 ) 對(duì)于土石壩的可靠性模型的計(jì)算，其最大的難點(diǎn)是獲取實(shí)際 壩體破壞的各種樣本資料和隨機(jī)變量的分布形式，在難以獲取資料的 條件下，論文采用改變參數(shù)值的方法來獲取對(duì)土石壩進(jìn)行可靠性分析 需要的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，再利用中心點(diǎn)法，建立了土石壩穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的數(shù)學(xué) 模型。 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第1 頁 1 1 課題的研究意義 第1 章緒論 土石壩是土壩與堆石壩的總稱，它具有就地取材、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于維修 加高和擴(kuò)建、對(duì)地質(zhì)條件要求低、能適應(yīng)地基變形、施工技術(shù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)【l 】。 土石壩可用于攔擋工業(yè)企業(yè)產(chǎn)生的大量棄渣、城市日常生活產(chǎn)生的大量倒入 山谷中的垃圾，也可以攔擋礦山開采過程中產(chǎn)生的大量尾礦；山谷中強(qiáng)降雨 匯流可能產(chǎn)生的泥石流有時(shí)也可通過修建比較經(jīng)濟(jì)的土石壩來防止其造成 災(zāi)害；江河的防洪堤岸、用于蓄洪和農(nóng)田灌溉的小型水庫等很多也需要建造 土石壩，由此可見，土石壩的應(yīng)用十分廣泛。 我國(guó)已建大壩中，多數(shù)為土石壩，這些工程多數(shù)是中華人民共和國(guó)成立 后各個(gè)歷史時(shí)期興建的，由于受當(dāng)時(shí)歷史條件、經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)、技術(shù)水平的限制， 規(guī)劃設(shè)計(jì)不合理，施工質(zhì)量不好，從而在穩(wěn)定方面出現(xiàn)了很多問題嚕1 。例如 我國(guó)有些均質(zhì)土石壩，填料顆粒粗卻無防滲體系，滲流穩(wěn)定得不到保證：有 的砂殼土石壩，砂殼不碾壓或碾壓不實(shí)，不僅不能抵抗當(dāng)?shù)匾欢叶鹊牡卣穑?而且在正常運(yùn)行期間有時(shí)也出現(xiàn)滑坡：有的粘土心墻壩，由于碾壓不實(shí)，大 壩出現(xiàn)一些嚴(yán)重的裂縫，導(dǎo)致滲透破壞，危及大壩安全；有一些擋水樞紐工 程，由于對(duì)強(qiáng)透水覆蓋層地基清理不徹底，或?qū)赡艹霈F(xiàn)的與基巖接觸帶的 接觸沖刷變形未作處理，工程建成以后發(fā)生滲透變形破壞：一些平原水庫土 石壩，地基軟弱或具有較強(qiáng)的沙基透水層，因缺乏正確的設(shè)計(jì)，只修一些很 低的壩，不僅水的利用率很低，而且浪費(fèi)了大面積的農(nóng)田。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，大 壩失事事故中，土石壩所占比例竟高達(dá)7 0 5 ，且由于歷史原因，我國(guó)已建 大壩中9 0 5 以上為土石壩，且多數(shù)己達(dá)到或即將達(dá)到其正常使用年限他】。所 以，有效地評(píng)價(jià)土石壩壩體的穩(wěn)定性，以防止發(fā)生由于壩體失穩(wěn)造成的災(zāi)害， 具有實(shí)際工程意義。 在現(xiàn)行的土石壩的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法中，主要是定值的安全系數(shù)法，這種 方法將影響土石壩穩(wěn)定性的因素看作定值，而實(shí)際上這些因素大多處在不斷 變化之中，具有不確定性，定值分析方法忽略了這種不確定性，顯然是不合 理的。而可靠性理論運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法，能夠較好地考慮影響土石壩穩(wěn)定 性的各種因素的不確定性，比之定值的安全系數(shù)法更加符合實(shí)際，因而，對(duì) 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第2 頁 可靠性理論的研究和應(yīng)用日益深入，其首先在電子工業(yè)、航天、航空工業(yè)等 部門得到充分的認(rèn)可，以后又逐漸推廣到機(jī)械工程、土木工程、道路工程、 水利工程等領(lǐng)域，將可靠性理論應(yīng)用于土石壩，本身有利于促進(jìn)可靠性理論 的發(fā)展，也具有一定的理論意義。 1 2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 土石壩工程是最普及、最常見的壩型，壩高從幾米到幾百米，如今我國(guó) 已建成數(shù)以萬計(jì)的土石壩工程。土石壩以其經(jīng)濟(jì)性和更適應(yīng)各種地形條件的 優(yōu)勢(shì)，數(shù)量位居壩類之首。尤其是混凝土面板堆石壩問世以來，不再受當(dāng)?shù)?防滲土料和筑壩材料的限制，利用建筑物的開挖料直接上壩碾壓，使土石壩 的建設(shè)幾乎不受任何條件的制約，顯示了土石壩工程明顯的優(yōu)勢(shì)和強(qiáng)大的生 命力。 土石壩的發(fā)展，一直經(jīng)久不衰。隨著筑壩材料、施工方法、斷面形狀的 改進(jìn)，施工技術(shù)的進(jìn)步和大型施工機(jī)械的出現(xiàn)，使大型土石壩在各國(guó)相繼修 建起來，國(guó)際上最高的壩就是土石壩。從世界范圍內(nèi)講，美國(guó)建設(shè)的高土石 壩最多；日本在6 0 年代以后，以建高土石壩為主，但規(guī)模較小，且格外重 視抗震設(shè)計(jì)；前蘇聯(lián)水利開發(fā)較早，如在7 0 年代建成了壩高3 2 5 m 的羅貢壩， 創(chuàng)下了壩工建設(shè)的新紀(jì)錄；加拿大于1 9 7 2 年完成了高達(dá)2 4 2 m 的買卡壩：此 外，土耳其、墨西哥等國(guó)家在建的高壩也絕大多數(shù)為土石壩“1 。目前，我國(guó) 土石壩工程建設(shè)水平和技術(shù)不斷提高和發(fā)展，特別是2 0 世紀(jì)9 0 年代以來， 隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水利水電工程建設(shè)突飛猛進(jìn)，土石壩壩高開始向 3 0 0 m 級(jí)高度研發(fā)和建設(shè)，筑壩技術(shù)難題的攻克，使我國(guó)積累了大量的工程建 設(shè)經(jīng)驗(yàn)，并在理論上有所突破。 目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)大壩進(jìn)行安全鑒定，主要是根據(jù)工程有關(guān)觀測(cè)資料、現(xiàn) 場(chǎng)取樣試驗(yàn)結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)檢查運(yùn)用安全系數(shù)法進(jìn)行，鑒定結(jié)果沒有考慮影響因 素的不確定性。 土石壩壩坡穩(wěn)定性的計(jì)算方法，目前多采用條分法( 即將滑動(dòng)土體劃分 為一系列豎直向上的土柱來計(jì)算) ，在計(jì)算中又分為考慮土條間作用力和不 考慮土條間作用力的兩類，對(duì)于一般工程，目前多采用不考慮條間相互作用 力的瑞典圓弧法，但由于瑞典圓弧法計(jì)算結(jié)果過于保守，有時(shí)誤差也比較大， 故對(duì)于重要工程應(yīng)同時(shí)用簡(jiǎn)化畢肖普法進(jìn)行計(jì)算，通常對(duì)于均質(zhì)壩、厚斜墻 壩和厚心墻壩宜采用簡(jiǎn)化畢肖普法進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算；對(duì)于有軟弱夾層、薄斜墻、 薄心墻的壩，可采用摩根斯頓一普賴斯法進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算0 1 ?？紤]地震影響時(shí)的 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第3 頁 土石壩穩(wěn)定計(jì)算，常用的方法是擬靜力法，在擬靜力法中，又可分為穩(wěn)定安 全系數(shù)法、極限狀態(tài)法、極限平衡應(yīng)力法和有限單元法等。 土石壩滲流計(jì)算的方法有：水力學(xué)法、流體力學(xué)法、試驗(yàn)方法和有限單 元法等。1 。水力學(xué)法是一種近似的方法，它是建立在達(dá)西定律和杜平假定的 基礎(chǔ)上的，因此只適用于在滲流表面緩慢下降，流線比較平緩的滲流地段， 為了提高和擴(kuò)大它的適用范圍，在有些情況下常常用試驗(yàn)結(jié)果對(duì)這種方法進(jìn) 行修正和補(bǔ)充，由于這種方法比較簡(jiǎn)單和方便，在一般情況下也能滿足計(jì)算 精度的要求，因此應(yīng)用較廣，但是水力學(xué)計(jì)算方法只能給出兩個(gè)計(jì)算截面內(nèi) 的平均水力坡降和平均滲透流速，而不能求得任意點(diǎn)的坡降和流速。流體力 學(xué)法是以達(dá)西定律為基礎(chǔ)，根據(jù)滲流的邊界條件直接求解滲流連續(xù)方程，因 此是一種比較精確的計(jì)算滲流的方法，但是由于滲流的邊界條件是十分復(fù)雜 的，要直接求解滲流連續(xù)方程也往往存在很多困難，所以除少數(shù)情況有解析 解法之外，一般也只能采用近似解法，如流網(wǎng)法、差分法等。常用的試驗(yàn)方 法有電模擬方法和縫隙水槽法。電擬法是根據(jù)滲流與電流相似的原理而建立 起來的一種解決滲流問題的試驗(yàn)方法，它不僅可以用來解決二維流速問題， 而且也可以用來解決三維滲流問題，以及組合式和層狀地基的滲流問題，試 驗(yàn)方法比較簡(jiǎn)單，是目前應(yīng)用極廣的一種方法?？p隙水槽法是根據(jù)黏滯性液 體在通過兩塊相距很近的平行透明壁時(shí)產(chǎn)生平面無旋流的特性，來模擬滲流 運(yùn)動(dòng)，也是一種簡(jiǎn)便的試驗(yàn)方法，它的優(yōu)點(diǎn)是可以直接給出滲流的圖形，但 是這種方法只能用來解決二維的滲流問題。有限單元法是將滲流區(qū)域離散為 有限個(gè)單元的集合體，并且引用變分原理，將整個(gè)滲流運(yùn)動(dòng)用一組方程來表 示，從而可以利用電子計(jì)算機(jī)來進(jìn)行求解，這種方法能較好地適應(yīng)邊界條件， 因而可以解決復(fù)雜的滲流問題，是一種精度較高的近似計(jì)算方法。 壩體變形分析的常用經(jīng)驗(yàn)方法有相對(duì)沉降率法和不均勻沉降斜率法。相 對(duì)沉降率即指豎向位移與壩高的比率，顧金臣教授在整理了一些土石壩的資 料后，指出了其判別的標(biāo)準(zhǔn)；不均勻沉降斜率法，即傾度法，通過分析水平 土層遭受豎向應(yīng)變的程度來判斷是否會(huì)發(fā)生裂縫，南京水利科學(xué)研究院對(duì)此 方法進(jìn)行了多年研究；有限單元法為壩體變形分析的一種數(shù)值方法，其伴隨 著數(shù)值模擬理論的成熟和計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用而得到了工程界的廣泛重視，自 1 9 6 6 年美國(guó)c l o u g h 和w o o d w a r d 首先使用有限元法分析土石壩以來，有限元 在巖土工程中的應(yīng)用迅速發(fā)展，并取得了巨大進(jìn)展“1 。 近年來，有研究人員利用風(fēng)險(xiǎn)分析方法對(duì)大壩進(jìn)行安全鑒定。以風(fēng)險(xiǎn)分 析來對(duì)大壩失事風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行研究是非常合理的，因大壩失事的各影響因素都具 有隨機(jī)性，應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)分析理論能較好地考慮這種不確定性，用概率論定量計(jì) 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第4 頁 算大壩的失事風(fēng)險(xiǎn)，來進(jìn)行安全評(píng)價(jià)。但傳統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)分析，以概率論和數(shù)理 統(tǒng)計(jì)的知識(shí)僅考慮了不確定性中的隨機(jī)性，而在不確定性中還包含有模糊 性，由于大壩系統(tǒng)的復(fù)雜性，許多輸入輸出關(guān)系在現(xiàn)實(shí)識(shí)別中只能表達(dá)為模 糊關(guān)系，且從數(shù)據(jù)的采集到得出計(jì)算結(jié)果，整個(gè)過程存在著大量模糊性，絕 對(duì)的“非此即彼”不能準(zhǔn)確地描述大壩系統(tǒng)的客觀現(xiàn)實(shí)，存在著“亦此亦彼 的模型現(xiàn)象，不能用1 真或0 假兩值邏輯來刻劃，而需用區(qū)間 0 ，i 的多值 ( 或連續(xù)值) 邏輯來表達(dá)。而模糊數(shù)學(xué)理論正是適用于系統(tǒng)的這種不確定性， 用隸屬函數(shù)來描述邊界不清的過渡問題及受多因素影響的復(fù)雜系統(tǒng)的非確 定性問題。因而在進(jìn)行大壩風(fēng)險(xiǎn)研究時(shí)，必須同時(shí)考慮各因素隨機(jī)性和模糊 性，進(jìn)行大壩模糊風(fēng)險(xiǎn)分析，就是用模糊系統(tǒng)的觀點(diǎn)與模糊集的理論方法進(jìn) 行風(fēng)險(xiǎn)分析。 風(fēng)險(xiǎn)分析是研究系統(tǒng)在一定條件下完成其預(yù)定功能所承擔(dān)的風(fēng)險(xiǎn)，包括 確定系統(tǒng)的失事概率和失事后果，而可靠性分析是研究系統(tǒng)在一定條件下完 成其預(yù)定功能的能力，即確定系統(tǒng)的可靠度，可見可靠性分析與風(fēng)險(xiǎn)分析是 分別從正反兩方面去研究問題，單從概率角度分析，它們存在著互補(bǔ)關(guān)系。 可靠性理論是一門正在迅速發(fā)展的新學(xué)科，可靠性分析方法被譽(yù)為近代 工程技術(shù)的重要發(fā)展，己成為世界各國(guó)工業(yè)領(lǐng)域的熱門話題之一，僅在美國(guó) 就有從事這方面工作的工程技術(shù)人員5 0 多萬，其應(yīng)用可見一斑。它首先在 電子工業(yè)、航天和航空工業(yè)等部門得到充分的認(rèn)識(shí)。無論從經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)看，為 了減少總費(fèi)用；或者從安全角度講，為了避免人身事故和財(cái)產(chǎn)損失；或者從 推銷商品來說，為了企業(yè)信譽(yù)，可靠性研究都起到了非常重大的作用。爾后， 逐漸推廣到機(jī)械工程、土木工程、道路工程、水利工程、礦山工程等。如今， 基于可靠性理論的工程隨機(jī)設(shè)計(jì)和分析方法已在結(jié)構(gòu)工程、港口工程、水利 水電工程等一系列土木工程領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用。工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一 標(biāo)準(zhǔn)，港h i 程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，鐵路工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng) 一標(biāo)準(zhǔn)，水利水電工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)等一系列土木工程可靠 度技術(shù)規(guī)范的頒布就說明這一點(diǎn)。七十年代中后期，加拿大能源與礦業(yè)中心 和美國(guó)亞利桑那大學(xué)等開始把概率統(tǒng)計(jì)理論引用到邊坡的穩(wěn)定分析中來，該 方法通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，獲取影響邊坡穩(wěn)定因素的多個(gè)樣本，然后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析， 以求出他們各自的概率分布及其特征參數(shù)，再利用某種可靠性分析方法，如 m o n t ec a r l o 法、可靠指標(biāo)法、統(tǒng)計(jì)矩法、隨機(jī)有限元法等來求解邊坡巖體的 破壞概率即可靠度。祝玉學(xué)把在規(guī)定的條件下和規(guī)定的實(shí)用期限內(nèi)，安全系 數(shù)或安全儲(chǔ)備大于或等于某一規(guī)定值的概率，即邊坡保持穩(wěn)定的概率定義為 可靠度。只要我們求出的可靠度足夠大，也即破壞概率足夠小，就認(rèn)為邊坡 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第5 頁 工程的設(shè)計(jì)是可靠的。我國(guó)的巖土工程勘察規(guī)范( g b 5 0 0 2 1 9 4 ) 第3 6 1 l 條已明確指出，大型邊坡設(shè)計(jì)除按3 6 1 0 條邊坡穩(wěn)定系數(shù)值計(jì)算邊坡的穩(wěn)定 性外，尚宜進(jìn)行邊坡穩(wěn)定的可靠度計(jì)算分析，并對(duì)影響邊坡穩(wěn)定性的因素進(jìn) 行敏感性分析晦，。 國(guó)外有許多學(xué)者對(duì)可靠性研究作出了卓有成效的貢獻(xiàn)。伍( w u ) 和克拉夫 特( k r a f t ) 等人曾對(duì)土質(zhì)邊坡作過典型研究；麥克馬洪( m c m a h o n ) 等人論述了 概率方法在巖質(zhì)邊坡中的應(yīng)用；恩格因( n g u y e n ) 等人報(bào)告了礦山排土場(chǎng)的可 靠性分析；阿一格里瓦斯( a - g r i v a s ) 等對(duì)累進(jìn)破壞的概率分析方法、范馬克 斯( v a n m a r c k e ) 等對(duì)三維效應(yīng)的概率分析方法均作了有益的探討；坎布 ( c a m b u ) 等人根據(jù)線性一次逼近理論，采用隨機(jī)有限元方法進(jìn)行可靠性分析。 邊坡可靠性研究在我國(guó)開展較晚，1 9 8 3 年攀鋼石灰石邊坡可靠性分析與 經(jīng)濟(jì)研究分析才作為第一個(gè)這個(gè)領(lǐng)域的研究成果通過冶金部鑒定。1 。近年來， 邊坡可靠性研究和應(yīng)用得到一定發(fā)展。如高大釗等對(duì)土力學(xué)可靠性原理的研 究取得了較好的成果，“尖山鐵礦邊坡優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究”( 國(guó)家七五計(jì)劃重 點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目) ，對(duì)可靠性分析作了全面地、深入地探討。相信，可靠性 分析方法的推廣和應(yīng)用將推動(dòng)我國(guó)邊坡工程技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。 目前，邊坡可靠性分析常用的方法主要有四種： ( 1 ) 蒙特卡洛模擬方法，即隨機(jī)模擬方法或統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)法； ( 2 ) 可靠指標(biāo)法，包括中心點(diǎn)法和驗(yàn)算點(diǎn)法； ( 3 ) 統(tǒng)計(jì)矩近似法，亦稱r o s e n b l u e t h 統(tǒng)計(jì)矩法； ( 4 ) 隨機(jī)有限元法，是可靠指標(biāo)法與數(shù)值法相耦合的方法，包括一次線 性逼近法和迭代驗(yàn)算法。 以上四種方法針對(duì)不同的問題各有其優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)加以比較，有選擇地應(yīng) 用。 1 3 本文的主要研究?jī)?nèi)容 根據(jù)前人的研究成果，結(jié)合本課題自身的特點(diǎn)，提出本文的主要研究?jī)?nèi) 容如下： ( 1 ) 論述壩體穩(wěn)定性定值分析方法應(yīng)用的原理、方法、步驟； ( 2 ) 分析比較現(xiàn)有的各種可靠性理論，尋找能夠應(yīng)用于土石壩穩(wěn)定性分 析的較合適的可靠性分析方法； ( 3 ) 通過對(duì)壩體穩(wěn)定性定值分析方法的論述和對(duì)各種可靠性理論的分 析比較，結(jié)合實(shí)際情況，提出本文土石壩可靠度計(jì)算的方法； 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第6 頁 ( 4 ) 建立土石壩可靠性分析的模型； ( 5 ) 運(yùn)用建立的土石壩可靠度計(jì)算模型對(duì)實(shí)際工程進(jìn)行可靠性分析，即 考慮工程各種可能的破壞形式，計(jì)算其可靠度指標(biāo)，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第7 頁 第2 章壩體穩(wěn)定性的定值法分析理論 2 1 壩體破壞的可能性 土石壩作為一個(gè)由松散顆粒構(gòu)成的整體，在復(fù)雜自然條件的影響和各種 外力的作用下，可能會(huì)暴露出一些缺陷，從而造成壩體的破壞，經(jīng)歸納，土 石壩常見的破壞形式主要有： ( 1 ) 壩坡的局部失穩(wěn)； 土石壩壩坡的局部失穩(wěn)，其實(shí)是壩上部壩均勻，下部隆起外移的滑坡， 有些是突然發(fā)生的，有些則先由裂縫開始，對(duì)于后者，如及時(shí)采取措施可以 減輕損害，圖2 - 1 為某滑坡的剖面示意圖【l 】?；碌姆N類按其性質(zhì)可分為剪 切性滑坡、塑性滑坡和液化滑坡。 圖2 1 某滑坡剖面示意圖 剪切性滑坡的表現(xiàn)形式是首先出現(xiàn)一條主要的縱向裂縫及一些不連續(xù) 的短小裂縫，主裂縫逐漸以變弧形向壩坡下部延伸，裂縫兩側(cè)上下錯(cuò)開并隨 著滑坡的發(fā)展而加大錯(cuò)距，滑動(dòng)體下部將出現(xiàn)帶狀或橢圓形隆起并向下游推 移。 塑流性滑坡主要發(fā)生在含水量較大的高粘性土填筑的壩體上，由于土的 蠕動(dòng)作用或塑性流動(dòng)而形成，滑坡前通常不出現(xiàn)明顯的縱縫，但坡面的位移 量連續(xù)增加，滑動(dòng)體下部可能有隆起現(xiàn)象，這種滑坡的滑動(dòng)過程一般較緩慢， 但如壩體含水量較大且排水不良時(shí)，將出現(xiàn)較快的速度。 液化性滑坡多發(fā)生在壩身或壩基有級(jí)配均勻和密實(shí)度較小的中細(xì)砂或 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第8 頁 細(xì)砂的土石壩，滑坡的原因是由于細(xì)砂處于飽和狀態(tài)時(shí)受到強(qiáng)烈的振動(dòng)，導(dǎo) 致砂料粒彼此脫離處于懸浮狀態(tài)，降低了抗滑力。 ( 2 ) 滲流條件下引起的滲透破壞； 土石壩壩體和壩基在一定程度上都是透水的，水流在水位差的作用下從 上游滲透是一種正?，F(xiàn)象，但大量的滲漏可能會(huì)發(fā)生滲透變形，嚴(yán)重時(shí)壩坡 或壩腳附近還會(huì)產(chǎn)生滲透破壞，甚至導(dǎo)致工程失事。 ( 3 ) 洪水、波浪或壩內(nèi)超高的填土在強(qiáng)降雨條件下與雨水形成的徑流一 起流動(dòng)漫過壩頂，引起壩體局部破壞或整體潰決； 水利工程中的土石壩，漫壩是指壩前水位超過壩項(xiàng)，水流漫過壩頂溢流 而下，風(fēng)暴、波浪、風(fēng)暴和波浪的共同作用以及滑坡和地震都可能會(huì)引起漫 壩，在垮壩的原因中，漫壩是主要原因之一。而對(duì)于棄渣壩、垃圾壩、尾礦 壩等以攔擋固體廢物為主的土石壩，漫壩是指壩內(nèi)超高的填土與強(qiáng)降雨條件 下形成的徑流一起流動(dòng)漫過壩項(xiàng)，對(duì)壩頂和壩身造成沖刷，一旦發(fā)生漫壩， 則認(rèn)為壩體已經(jīng)失去安全性，必須進(jìn)行整治。 ( 4 ) 由壩基的地質(zhì)條件和壩體本身材料的壓縮性引起的壩體變形破壞： 土石壩在自重及水庫水壓力的作用下將產(chǎn)生大量的變形，包括豎直位移 ( 通常稱為沉降) 、橫向水平位移( 垂直壩軸線方向) 和縱向水平位移( 平 行壩軸線方向) ，這些變形的一部分( 主要是豎直位移) 產(chǎn)生于施工期，另 一部分則產(chǎn)生于運(yùn)用期。如果變形的數(shù)值過大，則將影響壩的運(yùn)用和安全， 例如，過大的沉降會(huì)使壩的高度降低，造成洪水漫壩；不均勻沉降和水平位 移會(huì)引起壩體的裂縫和破壞等，所以在土石壩的設(shè)計(jì)和運(yùn)用管理中，必須通 過各種方法預(yù)先估計(jì)壩的沉降和位移，以便于做壩的預(yù)留沉降超高，判斷壩 體出現(xiàn)裂縫和其他破壞的可能性，并采取各種預(yù)防性的工程措施。 ( 5 ) 由壩內(nèi)側(cè)土壓力和水壓力等力系作用引起的土石壩水平滑動(dòng)破壞； 在壩內(nèi)側(cè)土壓力和水壓力等力系的水平分力的作用下，基底或某一截面的摩 阻力可能不足以抵抗外力作用而發(fā)生水平滑移破壞吼 ( 6 ) 地震情況下，壩體內(nèi)產(chǎn)生慣性力，從而改變了壩體原來的受力狀態(tài) 而發(fā)生破壞，歷史上，由于地震而導(dǎo)致土石壩垮壩或損壞的實(shí)例很多。地震 對(duì)土石壩的破壞按照其嚴(yán)重性依次為：潰決、裂縫、滑坡、不均勻沉降和附 屬物的損害等。 水利工程中的大壩，其破壞形式主要是壩坡失穩(wěn)、滲透破壞、壩體的變 形破壞以及漫壩，因擋水壩的功能主要是擋水，一旦發(fā)生漫壩，則認(rèn)為其已 經(jīng)破壞；對(duì)于棄渣壩、垃圾壩、尾礦壩等以攔擋固體廢物為主的土石壩，其 破壞形式主要是壩坡失穩(wěn)、滲透破壞、以及壩體的變形破壞；對(duì)于尺寸較小 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第9 頁 的壩體，其發(fā)生水平滑動(dòng)破壞的可能性也較大；而對(duì)于地震區(qū)的土石壩必須 考慮地震力的影響。 2 2 壩坡穩(wěn)定性分析 鑒于大多數(shù)土石壩的剖面尺寸比較龐大，土石壩的穩(wěn)定主要就是局部壩 坡的滑動(dòng)穩(wěn)定問題。如果對(duì)此問題不加以控制，任其發(fā)展下去，有可能導(dǎo)致 壩體的整體破壞。 局部壩坡失穩(wěn)，是由于土體內(nèi)部發(fā)生剪切作用并形成了貫通的滑動(dòng)面， 當(dāng)作用在該面上的剪切力達(dá)到并超過了該面上由抗剪強(qiáng)度而形成的抵抗土 體滑移的能力時(shí)，土體將沿此面滑動(dòng)而發(fā)生破壞。壩坡的安全系數(shù)通常用安 全系數(shù)只表示，定義為：可能出現(xiàn)的破裂面上，阻抗土體滑動(dòng)的力系與使土 體沿該面滑動(dòng)的力系之比。 2 2 1 無黏性土石壩坡的穩(wěn)定性分析 大量觀察及量測(cè)證明：砂性土構(gòu)成的土坡、大壩，包括黏聚力較小的砂 黏土、砂土、礫石、碎石等邊坡，邊坡破壞時(shí)其破裂面近似平面，在橫斷面 上近似直線f 6 】，如圖2 2 所示。 圖r - 2 砂性壩坡穩(wěn)定性分析 對(duì)于一般的砂性壩坡，作用在a c 面上的下滑力為： s = w s i n a ( 2 一1 ) 式中：礦一滑體重量。 在a c 面上由土的抗剪強(qiáng)度產(chǎn)生的抵抗滑體a b c 下滑的抗滑力為： 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第1 0 頁 r = w c o s 留妒+ c a c( 2 - 2 ) 用抗滑力r 與下滑力s 之比表示壩坡沿土體內(nèi)a c 平面破壞的安全系數(shù) 只為： 只：= r ：w c o s a t g o + c a c( 2 - 3 )，o = 忙 i z j l 4 sw s i n 口 、7 當(dāng)壩坡破壞的滑動(dòng)面確定后，用公式( 2 - 3 ) e p 可求得相應(yīng)的安全系數(shù)只， 并參照相應(yīng)的土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范，從而判別壩坡的穩(wěn)定性。 對(duì)于c = 0 的砂性壩坡或石質(zhì)壩坡，其安全系數(shù)表達(dá)式由式( 2 3 ) 變?yōu)椋?只：= r ：w c o s a t g o ：盟 ( 2 4 ) 2 i 2 面i 五i 一2 荔 u 。哪 2 2 2 粘性土石壩坡的穩(wěn)定性分析 大量的觀察證明：粘性土邊坡破壞時(shí)，破裂面的形狀在斷面上近似為圓 弧形，因而粘性土坡的穩(wěn)定分析多采用圓弧面分析法f 6 】。這種方法大體上可 分成條分法和摩擦圓法。當(dāng)邊坡單一、土質(zhì)相同的情況下，宜采用摩擦圓法； 而邊坡形狀不規(guī)則且土質(zhì)不一樣時(shí)，則條分法更為恰當(dāng)。 2 2 2 1 瑞典條分法 此方法由瑞典學(xué)者f c l l e n i u s 提出并得到了廣泛的應(yīng)用。其基本原理如 下： 如圖2 3 所示滑體a b c d ，將它分割成許多小直條，直條的寬度越小， 計(jì)算精度越高。但為了避免計(jì)算過于繁瑣，在滿足精度要求的條件下，一般 取直條寬度2 - 6 m ，并應(yīng)選擇滑體外形變化和土層分界點(diǎn)作為分條的界限。 在任意第i 條上的作用力如下： ( 1 ) 土條的自重形= ，q ，其中y 為土的容重，q 為土條的斷面面積。 將彬沿其斷面積的形心作用至圓弧滑面上并分解成垂直滑面的法向力m 和 與滑面相切的切向力墨。由圖2 - 3 右側(cè)受力圖可知： 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第1 1 頁 o b x i y c ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) 圖2 3 瑞典條分法 很顯然，是推動(dòng)土體下滑的力。但如果第i 條位于滑弧圓心鉛垂線的 靠近坡腳的一側(cè)，則墨起抗滑作用，對(duì)起抗滑作用的切向力用s 表示。m 的 作用線通過滑弧的圓心，對(duì)土坡不起滑動(dòng)作用，但它卻決定著滑面抗剪強(qiáng)度 的大小。 ( 2 ) 根據(jù)庫侖公式，滑面上與土體的滑動(dòng)方向相反的抗滑力為： r = n , t g , + 以 ( 2 - 7 ) 式中，；為第f 條的滑弧長(zhǎng)。 ( 3 ) 條間力而、y ，、x i + 。、y 。根據(jù)整體滑動(dòng)的假定，條間力屬于內(nèi)力， 而對(duì)每單個(gè)土條，條間力為外力，f e l l e n n i u s 將單個(gè)土條兩側(cè)的條間力近似 地看作大小相等、方向相反、作用在同一條直線上。經(jīng)驗(yàn)表明：土條寬度不 大時(shí)，對(duì)土坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，忽略條間力的影響，對(duì)計(jì)算結(jié)果影響不明顯。 將作用在各段滑弧上的力對(duì)滑動(dòng)圓心取矩，并得出作用在整個(gè)滑弧上的 滑動(dòng)力矩和抗滑力矩分別為： 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第1 2 頁 m ，= ，s m ，- - r ( c + j t g q 口+ s ) ( 2 9 ) 將抗滑力矩與下滑力矩之比定義為土坡的安全系數(shù)，這樣就可求土坡的 安全系數(shù)，即： e ：焦萼鏟z d 礦, + z n , t g 妒+ z s 式但1 0 ) 就是用瑞典條分法對(duì)土坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析的計(jì)算公式。上式并 沒有考慮孔隙水壓力的影響，當(dāng)孔隙水存在時(shí)，應(yīng)采用有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)， 相應(yīng)的安全系數(shù)計(jì)算公式即為有效應(yīng)力表達(dá)式。 瑞典條分法由于忽略了土條側(cè)面的作用力，并不能滿足所有的平衡條 件，由此算出的安全系數(shù)要小，這種誤差隨著滑弧圓心角和孔隙水應(yīng)力的增 大而增大，嚴(yán)重時(shí)可使算出的安全系數(shù)比實(shí)際值小一半。 2 2 2 2 簡(jiǎn)化畢肖普法 為了提高粘性土坡穩(wěn)定分析的精度，4 0 年代以后，隨著土力學(xué)理論的發(fā) 展，很多學(xué)者對(duì)瑞典條分法的基本假定作了修改和補(bǔ)充，其中畢肖普 ( a w b i s h o p ) 提出的簡(jiǎn)化畢肖普法應(yīng)用最為廣泛。 畢肖普把土坡的安全系數(shù)定義為：沿土體內(nèi)部，滑動(dòng)面上的抗剪強(qiáng)度f ， 與實(shí)際產(chǎn)生的剪應(yīng)力r 之比，即只= 魯。 仍以圖2 3 中的土坡為例，在土條i 上作用力的情況如下： ( 1 ) 土條重引起的切向反力墨和法向反力m ，均作用在該分條滑弧的中 心處。 ( 2 ) 土條側(cè)面的作用力小乃、h 。、y 。，其方向與圖2 - 3 中所示相同。 由土條的豎向靜力平衡條件有： 形+ y 一y f s is i n a f m 0 0 5 0 1 j = 0 ( 2 1 1 ) 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第1 3 頁 土坡處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，滑弧上土的抗剪強(qiáng)度僅發(fā)揮了一部分，畢肖普假 定其值與滑面上的切向反力墨相平衡，即： 墨2 2 寺( m 留妒+ 以) ( 2 _ 1 2 ) 將( 2 1 2 ) 代入( 2 1 1 ) 得到m 的表達(dá)式： m = 卜帆吧廣礦c l t 劬性i ， 上式中m 。= o o s a i + 竽( 2 - 1 3 a ) 在極限平衡時(shí)，各土條對(duì)圓心的力矩之和應(yīng)為零，此時(shí)，條間力的作用 將相互抵消，得到： 形d i z s , r = o ( 2 1 4 ) 式中d ；表示分條i 的滑弧的中心到圓心的水平距離，d i = ，s i n a ，。 將式( 2 - 1 2 ) 、( 2 1 3 ) 代入式( 2 1 4 ) ，整理后得到畢肖普土坡穩(wěn)定安全系數(shù) 的普遍公式為： c ：至n 五11 = ! 蘭= = 掣蘭：! 竺竺 彬s i n a 當(dāng)土條寬度不大時(shí)，厶o o s t z ，近似等于土條的寬度b i ，這時(shí)可將式( 2 1 5 ) 改寫成下式，對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響不大。 只：至墊竺：! 竺： 彬s i n a 孔隙壓力的大小對(duì)土石壩的壩坡穩(wěn)定性有很大影響，當(dāng)壩高4 0 m 以上， 壩體土料的飽和度母0 8 5 ，滲透系數(shù)j = ( 5 一l o ) x 1 0 - 6 c r a s 時(shí)，應(yīng)考慮孔 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第1 4 頁 隙壓力的影響，即采用有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)，畢肖普的有效應(yīng)力表達(dá)式為： 只：莖圭型竺蘭二! 竺：! 乃 s i n a t 式( 2 1 5 ) 、( 2 1 6 ) 、( 2 1 7 ) 中的y m 、y ，均未知，計(jì)算時(shí)必須預(yù)先估計(jì)它 t f j 值。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，畢肖普略_ 去- j - y t + 。、y ，這對(duì)豎向條間力，式( 2 - 1 6 ) 簡(jiǎn)化為： e ：至n 摯1 竺竺 w , s i n a 式( 2 1 7 ) 簡(jiǎn)化為： e ：至n 墜1 ：j , ：二竺t 形s i n a j f 經(jīng)驗(yàn)表明：式( 2 1 8 ) 、( 2 1 9 ) 具有足夠的精度，與精確解的誤差僅為 2 7 ，此兩式就是國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用的畢肖普簡(jiǎn)化土坡穩(wěn)定檢算公式。 由簡(jiǎn)化畢肖普法公式中可發(fā)現(xiàn)，等式右邊的m 。中含有e ，所以求解安 全系數(shù)c 應(yīng)用迭代法。此外須指出，簡(jiǎn)化畢肖普法并不能滿足所有的平衡條 件，不是一個(gè)嚴(yán)格的方法。一些學(xué)者提出，當(dāng)任一分條的m 。0 2 時(shí)，求出 的安全系數(shù)會(huì)存在較大的誤差，應(yīng)選用其它方法或畢肖普普遍公式。 2 2 3 浸水條件下壩坡的穩(wěn)定性分析 當(dāng)壩內(nèi)蓄水時(shí)，水由壩體內(nèi)側(cè)向外側(cè)滲流形成一條浸潤(rùn)曲線，浸潤(rùn)線以 下的壩體受到水的浸泡和拖拽。這種情況下，計(jì)算壩坡的安全系數(shù)時(shí)，必須 做出相應(yīng)的改變。 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第1 5 頁 在應(yīng)用式( 2 1 0 ) 、( 2 1 9 ) 時(shí)，式中的土條重w = 彤+ 暖。其中形為坡外 水位以上的土條重，浸潤(rùn)線以上土條取濕重，浸潤(rùn)線與坡外水位之間的土條 取飽和重；為坡外水位以下土條的浮重。此外，公式( 2 - 1 9 ) q b 的u ，應(yīng)由 ”一y = z 代替，z 為土條底部中心至坡外水位的垂直距離，h 為穩(wěn)定滲流期土 條底部中點(diǎn)的孔隙壓力。 當(dāng)壩坡坡外水位有陡漲、陡落現(xiàn)象或外側(cè)壩坡有水滲出時(shí)，通常還要考 慮滲流產(chǎn)生的滲透力，通常把滲透力作為滑動(dòng)力來考慮，添加到安全系數(shù)的 計(jì)算式中。常見的計(jì)算滲透力的方法有：流網(wǎng)法、代替法、工程簡(jiǎn)化法等。 前兩種方法由于其自身的局限性，尚未得到廣泛的應(yīng)用。本文重點(diǎn)介紹一下 工程簡(jiǎn)化計(jì)算法如下： 考慮滲透力對(duì)壩坡穩(wěn)定性不利的情況下，在壩坡的穩(wěn)定性檢算中，把滲 透力作為滑動(dòng)力，具體是將滲透力簡(jiǎn)化為一集中力，作用線通過滑體浸水部 分的形心，方向與浸潤(rùn)線方向平行。浸潤(rùn)曲線簡(jiǎn)化為直線，其坡度采用平均 坡度i ，實(shí)際上就近似為滲水的水力梯度。水在各種土質(zhì)中的最大i 值可通過 試驗(yàn)得到，如無試驗(yàn)資料，可參考表2 1 或用下式計(jì)算： f = 而1 麗 ( z - 2 。) l = ziz u ， 3 0 0 0 后 式中k 為滲透系數(shù)，可由滲透試驗(yàn)或野外抽水試驗(yàn)求得。 表2 - 1 土層中滲流降落曲線平均坡度表 土層類別滲流降落曲線平均坡度i 卵石或粗砂 0 0 0 2 5 0 0 0 5 中砂 0 0 0 5 o 0 1 5 細(xì)砂 o 0 1 5 0 0 2 0 粉砂 0 0 1 5 0 o 粘砂土 0 0 2 0 o 0 5 0 砂粘土 o 0 5 0 0 1 2 0 粘 土 o 1 2 0 0 1 5 0 重粘土 0 1 5 0 0 2 泥炭 0 0 2 0 o 1 2 0 壩體斷面滲透力的大小為單位體積滲透力，與產(chǎn)生動(dòng)水壓力的浸水面積 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第1 6 頁 q 的乘積，即：j = 皿= 兒i - q 。j 即為用工程簡(jiǎn)化法求得的滲透力。 須指出，浸潤(rùn)線以下部分土為非滲水土?xí)r，y 、c 和艫一般采用飽和狀 態(tài)的值，而坡外水位以下的容重y 一般采用浮容重及相應(yīng)的c 、礦值。若浸 水部分土體為滲水土?xí)r，由于土的強(qiáng)度幾乎不受浸水的影響，且水位驟然下 降時(shí)，土中的滲透力又近似為零，故一般可不作浸水穩(wěn)定性檢算。 2 3 滲透穩(wěn)定性分析 2 3 1 滲透穩(wěn)定性概念及滲透破壞型式 滲透穩(wěn)定性是指在滲流作用下，土體結(jié)構(gòu)是否發(fā)生變化的特性，通常通 過是否發(fā)生滲透破壞來判斷，若土體發(fā)生了滲透破壞即土體滲透失穩(wěn)。 土體滲透破壞的型式及其發(fā)展過程，主要與土料的性質(zhì)、級(jí)配、滲流條 件以及防滲、排水措施等因素有關(guān)，通常可歸納為管涌、流土、過渡型、接 觸沖刷和接觸流失等五種類型p j 。 ( 1 ) 管涌。管涌是在滲流作用下，無粘性土中的細(xì)小顆粒從骨架孔隙中 連續(xù)移動(dòng)和流失的現(xiàn)象。當(dāng)土體內(nèi)的流速和水力比降達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，土體 中的細(xì)小顆粒開始懸浮移動(dòng)，并被滲透水流夾帶流出壩體外或地基外。隨著 細(xì)小顆粒的連續(xù)流失，土體的孔隙逐漸加大，滲透流速也隨之增大，繼而帶 走較大的顆粒，從而形成集中的滲流通道。使個(gè)別小顆粒在滲流作用下開始 在土體孔隙內(nèi)移動(dòng)的水力比降稱為臨界比降，使土體產(chǎn)生滲流通道和較大范 圍破壞的水力比降稱為破壞比降。 工程實(shí)踐表明：管涌一般發(fā)生在無粘性砂土、砂礫土的下游坡面和地基 面滲流逸出處。對(duì)于粘性土料，由于土料顆粒之間存在有粘聚力，滲流難以 把土粒夾帶流失，因此一般不會(huì)發(fā)生管涌。 ( 2 ) 流土。流土是在滲流作用下，土體從壩身或壩基表面隆起、頂穿、 或粗細(xì)顆粒同時(shí)浮起而流失的現(xiàn)象。這種滲透變形從流土的發(fā)生到破壞整個(gè) 過程比較迅速，一旦滲流的水力比降超過某一范圍，滲透壓力超過土體的浮 容重時(shí)，土體將被掀起浮動(dòng)。流土主要發(fā)生在粘性土及均勻的非粘性土無保 護(hù)措施的滲流出口處。 ( 3 ) 過渡型。在較小的水力比降下有管涌但未發(fā)展，或者是有流土但只 限于局部土體的表面。 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第1 7 頁 ( 4 ) 接觸沖刷。接觸沖刷是當(dāng)滲流沿兩種不同的土層接觸面流動(dòng)時(shí)，沿 土層夾帶細(xì)小顆粒流失的現(xiàn)象，一般發(fā)生在兩層級(jí)配不同的非粘性土中。這 里指的接觸面，其方向是任意的。 ( 5 ) 接觸流失。滲流垂直于層次分明、滲流系數(shù)相差懸殊的相鄰?fù)翆拥?兩接觸面流動(dòng)時(shí)，將滲透系數(shù)較小土層中的細(xì)小顆粒帶入滲透系數(shù)較大土層 中的現(xiàn)象。 接觸沖刷本質(zhì)上屬于管涌，而接觸流失可歸入流土一類，亦可稱為接觸 流土，所以以上五種滲透破壞型式其實(shí)可歸為管涌和流土兩類。管涌和流土 發(fā)生的原因都是滲透壓力，廣義上講都屬管涌現(xiàn)象，但破壞的情形不同。前 者的破壞隨時(shí)間發(fā)展，伴隨產(chǎn)生的有流砂、液化、涌砂等現(xiàn)象；后者一般是 突發(fā)性的，伴隨有地基隆起的現(xiàn)象。 2 3 2 滲透破壞的計(jì)算 ( 1 ) 管涌的臨界水力比降計(jì)算 管涌的臨界水力比降的理論尚不成熟，對(duì)于中小型工程，發(fā)生管涌的l 晦 界水力比降可參照下式計(jì)算： 厶= 2 2 ( g l x l 一擰) 2 ( 2 2 1 ) 4 2 0 式中厶一土的臨界水力比降； g 。一土的顆粒密度與水的密度之比； n 一土的孔隙率，； 以、攻。一分別為占總土重的5 和2 0 的土粒粒徑，衄。 此外，也可以采用南京水利科學(xué)研究院建議的公式： 厶= 等 、f 行3 式中髟一土的滲透系數(shù)，c m s ； d ，一占總土重3 的土粒粒徑，c l n 。 ( 2 ) 流的臨界水力比降計(jì)算 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第1 8 頁 流土的臨界水力比降的研究公式較多，也較成熟。計(jì)算流土的臨界水力 比降的太沙基公式為： 厶= 幟一l x l 一雄) ( 2 - 2 3 ) 管涌和流土的允許水力比降p 】可由臨界水力比降除以一個(gè)安全系數(shù)確 定。對(duì)無粘性土，安全系數(shù)可取1 5 2 0 ，發(fā)生破壞對(duì)建筑物危害較大時(shí)取 2 0 ，特別重要的工程也可取2 5 。 當(dāng)無實(shí)驗(yàn)資料時(shí)，無粘性土的允許水力比降可按表2 3 查用。 表2 - 2 無粘性土p 】值 滲透破壞型式 允許水力流土型管涌型 比降過渡型 e 33 e 5巴5級(jí)配連續(xù) 級(jí)配不連續(xù) p 】 o 2 5 o 3 50 ，3 5 0 50 5