水工建筑物專題主講：康飛大連理工大學建設工程學部水利工程學院水利水電研究所1/16/2023第三章邊坡穩(wěn)定分析與程序實現(xiàn)第3章邊坡穩(wěn)定分析與程序實現(xiàn)本章要點：1.掌握土石壩邊坡穩(wěn)定分析的要求和主要方法。2.掌握邊坡穩(wěn)定分析的常用程序或軟件。3.1概述一、問題的引入

滑坡是一種重要的地質災害，對人們的生命財產(chǎn)帶來重大威脅。我國目前正處于經(jīng)濟建設高速發(fā)展的時期，滑坡給水利、鐵路、公路、礦山建設帶來巨大損失。穩(wěn)定分析是土石壩坡面設計和評價壩體安全的主要依據(jù)。穩(wěn)定分析的可靠程度對壩的經(jīng)濟性和安全性具有重要影響。世界重大滑坡舉例滑坡發(fā)生于2003年7月13日，地處長江三峽支流青干河左岸，距三峽工程壩址約56km?；麦w積約2400萬m3?；麦w頂高450m，剪出口高程102m，前緣沒入青干河。產(chǎn)生的涌浪高達30m。堵江形成堰塞湖，形成堆石壩高程達149～178m。14人死，10人失蹤，1100多座房屋被毀。三峽工程湖北庫區(qū)秭歸千將坪滑坡地震液化引起圣費爾南多大壩上游坡滑坡（1971）土壩滑坡實例看以看出：1.滑坡具有巨大的危害，因而我們要研究邊坡的穩(wěn)定性問題；2.在設計土石壩邊坡時，需要采用合理的方法評價其安全性和經(jīng)濟性。土坡及滑坡體組成要素：(a)土坡；(b)滑坡體

二、滑坡及其組成要素邊坡指具有傾斜坡面的巖土體，邊坡及滑坡體得組成要素如圖所示。引起滑坡的根本原因在于土體內(nèi)部某個面上的剪應力達到了抗剪強度，穩(wěn)定平衡遭到破壞。三、邊坡穩(wěn)定分析方法定性分析方法：工程地質類比法、圖解法、專家系統(tǒng)方法。定量分析方法：實質是一種半定量的方法，評價結果為確定的數(shù)值，但最終判定仍依賴人為的判斷。主要包括有極限平衡法、數(shù)值分析方法等。3.2摩爾-庫倫強度理論極限平衡法在工程中應用最為廣泛，它以摩爾-庫倫強度理論為基礎，假設達到極限平衡狀態(tài)時，土體將沿某一滑裂面產(chǎn)生剪切破壞而失穩(wěn)。為抗剪強度為法向應力分別為土的內(nèi)摩擦角和粘聚力摩爾-庫倫強度理論：為土的有效強度參數(shù)土體在承受外力作用時，控制土的強度和變形的是土骨架所承受的那部分應力，稱為有效應力。有效應力法表達式：為孔隙水壓力3.3無粘性土坡穩(wěn)定分析一、一般情況下的無粘性土土坡由于無粘性土土粒之間無粘聚力，因此，只要位于坡面上的土單元體能夠保持穩(wěn)定，則整個土坡就是穩(wěn)定的。一、一般情況下的無粘性土土坡

對于均質無粘性土坡，理論上只要坡角小于土的內(nèi)摩擦角，土體就是穩(wěn)定的。FS=1時，土體處于極限平衡狀態(tài)，此時土坡的坡角就等于無粘性土的內(nèi)摩擦角，也稱休止角。3.4粘性土土坡條分法粘性土由于土粒間存在粘聚力，發(fā)生滑坡時是整塊土體向下滑動。假定滑坡體和滑面以下土體均為不變形的剛體，滑面為不連續(xù)面，滑面上各點的法向應力采用條分法獲得，分析每一土條受力，假定整個滑面上各點的安全系數(shù)相等，根據(jù)滑塊剛體極限平衡條件，確定安全系數(shù)。平均抗剪強度平均剪應力條分法示意圖條分法受力分析將土坡作為平面問題，對每個土條可分別列兩個正交方向的靜力平衡方程和一個力矩平衡方程，n個土條共3n個方程，未知數(shù)多n-2個，為超靜定問題，需增加方程個數(shù)或減少未知數(shù)。條分法未知數(shù)統(tǒng)計瑞典條分法：假設滑動面為圓弧面，不考慮條間力，即Ei=Xi=0，減少3n-3個未知數(shù)；簡化的Bishop條分法：假設滑動面為圓弧面，切向條間力Xi=0，減少n-1個未知數(shù)；楊布條分法：假設滑動面為任意面，條間法向作用力的作用點在滑面以上1/3土條高度處，減少n-1個未知數(shù)；其他條分法：假設滑面為任意面，法向條間力和切向條間力之間為某種函數(shù)關系，減少n-1個未知數(shù)。3.5瑞典圓弧法起源：1916年首先由瑞典彼得森提出，后經(jīng)費倫紐斯(Fellenious)等改進，故簡稱為瑞典法或費倫紐斯法。一、基本假設和基本公式1.基本假設⑴滑動面為圓弧面⑵滑動土體為剛體⑶不考慮土條間的作用力，即認為左右兩端作用力的合力為一對平衡力，作用相互抵消。瑞典條分法受力分析根據(jù)靜力平衡條件根據(jù)摩爾-庫倫強度理論整個滑動土體對圓心O取力矩平衡得安全系數(shù)當已知土條i在滑動面上的孔隙水應力ui時，上式可改寫為如下有效應力進行分析的公式：瑞典圓弧法忽略了條間力的作用，不能滿足所有靜力平衡條件，計算安全系數(shù)一般比其他較嚴格的方法偏低10%-20%，在滑弧圓心角較大，且孔隙水壓力較大時，計算安全系數(shù)可能比其他較嚴格的方法小一半。二、成層土和坡頂有超載時安全系數(shù)計算成層土計算圖示有超載計算圖示有超載時，只要將超載分別加到有關土條的重量中去即可。三、有地下水和穩(wěn)定滲流時安全系數(shù)計算部分浸水土坡的安全系數(shù)，其計算公式與成層土坡完全一樣，只要將坡外水位以下土的重度用浮重度γ′代替即可。P1、P2的合力與Gw1大小相等，方向相反，這相當于水下土條按浮重度計算。當水庫蓄水或庫水降落，或碼頭岸坡處于低潮位而地下水位又比較高，或基坑排水時，都要產(chǎn)生滲流而經(jīng)受滲流力的作用，在進行土坡穩(wěn)定分析時必須考慮它的影響。四、考慮地震作用時安全系數(shù)計算在地震區(qū)，由于地殼的振動而引起動力作用，將影響到邊坡的穩(wěn)定性，在分析時必須予以考慮。根據(jù)規(guī)范推薦的方法，采用擬靜力法。假定在地震時每一土條重心處作用著一個水平向的地震慣性力，對于設計烈度為8，9度的建筑物，則同時還要加上一個豎向的地震慣性力。由于這兩個慣性力的影響，邊坡的安全系數(shù)將減小。3.5邊坡穩(wěn)定分析程序實現(xiàn)-SLOPE/W一、GeoStudio軟件簡介該軟件是全球著名的加拿大巖土軟件開發(fā)商GEO-SLOPE公司在七十年代開發(fā)的面向巖土、采礦、交通、水利等領域的一套仿真分析軟件。是全球最知名的巖土工程分析軟件之一。共有8個模塊，常用的有下面四個。SLOPE/W-邊坡穩(wěn)定分析SEEP/W-滲流分析SIGMA/W-應力變形分析QUAKE/W-地震反應分析GeoStudio軟件主界面，輔助工具“有道桌面詞典”有道桌面詞典主窗口SLOPE/W主界面二、瑞典圓弧法邊坡穩(wěn)定分析例1邊坡分為兩層，坡面長高比為2:1（水平：豎向）。上層土厚度5m，坡面總高度10m?？紫端畨毫l件由圖中虛線表示。土層的強度參數(shù)如圖所示。目標：采用瑞典圓弧法計算邊坡安全系數(shù)并確定滑動面位置。瑞典圓弧法例11.創(chuàng)建一個新的項目2.分析設定3.設置工作區(qū)域尺寸選擇Set下拉菜單中的Page選項，彈出如下對話框4.設置比例選擇Set下拉菜單中的SetUnitsandScale選項，彈出如下對話框5.設置繪圖網(wǎng)格選擇Set下拉菜單中的Grid選項，彈出如下對話框對齊到網(wǎng)格選上這兩個復選框設置完以后的窗口6.繪制坐標軸選擇Sketch下拉菜單中的Axes選項，或點擊菜單欄SketchAxes按鈕，彈出如下對話框選擇OK,鼠標變?yōu)槭中?，窗口狀態(tài)中顯示出SketchAxes，表明目前正在進行的操作為繪制坐標軸。改變坐標軸字體大小選擇View下拉菜單中的Preferences選項，彈出如下對話框改變字體7.繪制模型繪制第一個材料區(qū)繪制第二個材料區(qū)單擊右鍵，結束操作，并點擊ZoomObjective按鈕8.定義材料屬性在Keyin下拉菜單中選擇Materials選項，在彈出的對話框中點擊Add，添加材料。9.給材料區(qū)域賦值在Draw下拉菜單中選擇Materials選項。同樣將Lower賦值給第二個材料區(qū)域，單擊右鍵結束操作。10.繪制孔隙水壓力線在Draw下拉菜單中選擇Porewaterpressure選項。11.繪制滑動面入口和出口范圍為了控制滑動面的位置，在滑動面設置中有很多選項可以選擇，其中一個方便的選項就是定義滑動面的入口和出口范圍。在入口和出口間可以產(chǎn)生無數(shù)的滑動面，SLOPE/W能夠根據(jù)入口和出口范圍自動搜索最危險滑動面。手工計算只能計算某一個或幾個滑動面的安全系數(shù)，這也是我們用計算機進行邊坡穩(wěn)定分析的原因之一。選擇Draw下拉菜單中的SlipSurface，在彈出的子菜單中選擇EntryandExit。12.模型檢驗所有的模型參數(shù)定義完之后，要檢查模型是否定義正確，確保以后的計算正常進行。13.保存模型現(xiàn)在已經(jīng)完成了模型的繪制和參數(shù)的設置，選擇File菜單下的Save來保存文件，或者Saveas另存為一個文件。14.計算求解用SLOPE/W的求解函數(shù)，計算邊坡的安全系數(shù)。選擇Tools下拉菜單中的Solveanalyses，彈出如下對話框點擊Start開始求