1、4.5土石壩穩(wěn)定性分析，4.5.1。概述(1)土石壩失穩(wěn)類型分析：土石壩依靠土顆粒之間的摩擦來保持穩(wěn)定。摩爾認為，土的破壞主要是剪切破壞，也就是說，一旦土中任意平面上的剪應力達到或超過土的抗剪強度，土就會被破壞。土石壩體積龐大，如果能保證土石壩的局部穩(wěn)定性，也就能保證其整體穩(wěn)定性。因此。如果局部穩(wěn)定性得不到保證，或者如果局部不穩(wěn)定性得不到控制，就可能導致整體不穩(wěn)定性和故障。土石壩的局部失穩(wěn)一般表現(xiàn)為三種類型：塑性流動和液化。1.學會交換PPT。塑性流動是指由于剪應力超過土的抗剪強度，變形超過彈性極限，導致壩坡或壩基局部變形過大，導致裂縫或沉陷。設(shè)計不良的軟粘土壩或壩基可能出現(xiàn)塑性流動。液化是指

2、飽和無粘性土(尤其是砂土)的孔隙水壓力在動荷載(如地震荷載)作用下突然上升，土顆粒間的有效壓力降低，甚至接近于零，土體完全失去抗剪強度和承載力，成為一種類似粘性液體的現(xiàn)象。液化失穩(wěn)通常發(fā)生在均勻細砂的大壩或壩基中。關(guān)于塑性流動和液化失穩(wěn)的進一步知識，請參閱相關(guān)文獻，如天津大學齊清河教授主編的水工結(jié)構(gòu)教材和土力學書籍。本節(jié)主要介紹土石壩結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性中最重要和最常見的失穩(wěn)類型：壩坡滑動穩(wěn)定性。2.學會交換PPT。(2)土石壩邊坡的滑動失穩(wěn)(簡稱滑坡)與大壩結(jié)構(gòu)、土壤和地基的性質(zhì)以及大壩的工作條件密切相關(guān)。一般來說，壩坡可能的滑動類型可歸納為以下三種：(1)曲線滑動(如圖所示)曲線滑動的滑動面是一個頂

3、部略陡、底部平緩的曲面，多發(fā)生在粘性土壩坡中。在計算和分析中，通常將其簡化為圓弧面。曲線滑動示意圖，3，學習交流PPT，(2)直線和折線滑動面(如圖所示)在均質(zhì)非粘性土邊坡中，滑動面一般為直線；當壩體的一部分浸沒在水中時，滑動面可能是一條虛線。在不同土壤材料的界面上，也可能發(fā)生直線或折線滑動。直線和折線滑動面示意圖，4，學習PPT，(3)復合滑動面(如圖所示)復合滑動面是土壩中常見的有粘性土和無粘性土的滑動面類型。復合滑動面復雜，穿過粘性土的局部截面可能是曲線，穿過非粘性土的局部截面可能是平面或折線。在計算和分析中，通常根據(jù)實際情況簡化滑動面的形狀和位置。復合滑動面示意圖，5，研究與交流PPT

4、，4.5.2土壤抗剪強度指標的選擇，主要指總抗剪強度指標(內(nèi)聚力C和內(nèi)摩擦角)和有效抗剪強度指標(內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角)。一般可通過室外原位試驗或室內(nèi)剪切試驗來確定。測量室內(nèi)抗剪強度指標有三種方法：不排水剪切、固結(jié)不排水剪切和排水剪切。根據(jù)SL2742001碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范第8.3.5條，土的抗剪強度指標應采用三軸儀測定。對于3級以下的中壩，土的有效強度指標可通過直接慢剪試驗測定；對于滲透系數(shù)小(小于107厘米/秒)或壓縮系數(shù)小(小于0.2兆帕-1)的土壤，也可采用直接快速剪切試驗或固結(jié)快速剪切試驗來確定總強度指標。SL2742001碾壓混凝土土石壩設(shè)計規(guī)范附錄D.1.1條規(guī)定了不同時期(施工

5、期、穩(wěn)定滲流期和庫水位下降期)不同土體抗剪強度指標的確定方法和計算方法。6、學會交換PPT，4.5.3穩(wěn)定性計算和安全系數(shù)的采用，1。穩(wěn)定性計算1。正常運行(1)上游正常水位和下游最低水位，或上游設(shè)計洪水水位和下游相應最高水位，當大壩形成穩(wěn)定滲流時，檢查上游和下游壩坡的穩(wěn)定性。(2)水庫水位通常在正常水位和設(shè)計水位之間的范圍內(nèi)。異常作業(yè)一(1)施工期考慮孔隙水壓力的上下游壩坡穩(wěn)定性驗算。(2)水庫水位下降很大，如自檢洪水降至死水位以下，大流量、快速放空條件下的上游壩坡穩(wěn)定性檢查。(3)當洪水位下可能形成穩(wěn)定滲流時，檢查下游壩坡的穩(wěn)定性。3.非常規(guī)操作和正常操作。地震時上下游壩坡穩(wěn)定性驗算。7。

6、學會交換PPT2.采用抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)規(guī)范一：DL5180-2003水電工程分類抗滑穩(wěn)定允許最小安全系數(shù)和瑞典圓弧法計算設(shè)計安全標準上表中的安全系數(shù)適用于瑞典圓弧法計算，不考慮桿間力。對于一級和二級高壩及復雜條件，可采用畢肖普法或其他嚴格方法。此時，表中的安全系數(shù)應增加510，正常運行條件下一級大壩的安全系數(shù)不應小于1.5。8。學習和交流PPT。代碼2: SL2742001碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范。碾壓混凝土土石壩設(shè)計規(guī)范第8.3.9條規(guī)定，對于均質(zhì)壩、厚斜墻壩和厚心墻壩，應采用考慮桿間作用的簡化畢肖普法；對于具有軟弱夾層和薄斜墻的壩坡及其他壩型的穩(wěn)定性分析，可采用滿足力和力矩平衡的摩根斯坦-普萊

7、斯滑動楔法。根據(jù)簡化畢肖普法計算的允許最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)見教科書P119表4-9和表9。碾壓混凝土土石壩設(shè)計規(guī)范(SL2742001第8.3.11條還規(guī)定，當采用瑞典圓弧法計算壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)時，一級壩在正常運行時，條間最小安全系數(shù)不應小于1.30，其他情況下，條間最小安全系數(shù)應比上表規(guī)定的值降低8。碾壓混凝土土石壩設(shè)計規(guī)范第8.3.12條也規(guī)定：當采用滑楔法進行穩(wěn)定性計算時，如果假定滑楔之間的作用力平行于邊坡和滑底坡的平均坡度，安全系數(shù)應滿足上表的規(guī)定；如果假定滑動楔之間的力是水平的，安全系數(shù)應滿足上述第8.3.11條的規(guī)定。10。4.5.4大壩邊坡穩(wěn)定性分析方法，1。圓形滑動面穩(wěn)定性

8、的計算1。瑞典圓弧法瑞典圓弧法是目前土石壩設(shè)計中壩坡穩(wěn)定性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(shè)計中。11，學習PPT和瑞典圓弧交替法，1?；舅枷胧羌僭O(shè)滑動面是一個圓柱面，它在截面上顯示一個圓弧面?？赡芑瑒用嫔戏降耐寥婪譃閹讉€垂直的土條，作用在土條上的力主要包括土條的自重、土條底面的內(nèi)聚力和摩擦力。瑞典圓弧法的安全系數(shù)定義為抗滑力矩與滑動面上土條提供的滑動力矩之比。土壩邊坡穩(wěn)定計算示意圖(1)、(12)采用圓弧滑動法，不考慮桿間力，學會交換PPT，(2)計算步驟(1)確定中心和半徑，畫出滑動圓弧。(2)按條對土壤進行編號。為便于計算，土條的寬度為b

9、0.1R(圓弧半徑)，圓心以下的土條數(shù)量為上游1、2、3和下游1、1、2、1 3，如圖438所示。(3)計算土條的重量。當計算，13，學習交流PPT，3。穩(wěn)定安全系數(shù)的計算公式1)當采用有效應力法并包含地震荷載時、(4-41)、14)學習交流PPT、2)有效應力法，當不包含地震荷載時，瑞典圓弧法的安全系數(shù)k的計算公式為：3)當采用總應力法計算時，瑞典圓弧法的安全系數(shù)k為：在粘性土施工期和粘性土水庫水位下降期應同時采用總應力法。(這主要是由于粘性土的孔隙較小)。第8.3.3條還規(guī)定，填充粗骨料的高壩，特別是高面板堆石壩的非線性抗剪強度指標也應予以考慮。15，研究PPT，簡化Bishop法，土壩邊

10、坡穩(wěn)定性分析的第二種方法，瑞典圓弧法的主要缺點是它沒有考慮土條之間的力，因此它不滿足力和力矩的平衡條件，而且計算的安全系數(shù)一般較低。畢肖普法是瑞典圓弧法的改進?；驹硎强紤]土條的水平力(EiEi 10)，忽略垂直力(即Xi=Xi 1=0)。數(shù)字。由于忽略了垂向力，所以稱之為簡化畢肖普法。16，研究和交換PPT，簡化的Bishop法，Bishop法是土壩邊坡穩(wěn)定性分析中應用最廣泛的方法之一。根據(jù)莫爾-庫侖準則、土條的豎向力平衡條件和滑動體到圓心的力矩平衡條件，可以推導出畢肖普法安全系數(shù)的簡化計算公式：在上述公式中，兩端都含有K，必須用試算法或迭代法求解。17、學會交換PPT，并分析折線滑動面的

11、穩(wěn)定性。1.直線、折線或復合面可能滑動的折線滑動部分包括：非粘性土壩坡。例如，心墻壩的上游和下游斜坡，斜墻壩的下游斜坡等。它發(fā)生在兩種不同材料的界面上。例如，斜墻壩的上游保護層滑動，斜墻壩的上游保護層與斜墻一起滑動等。18，學會交流PPT，2用滑楔法分析計算穩(wěn)定性計算方法。如圖所示，模數(shù)轉(zhuǎn)換器為滑動面(對于上游壩坡，折點一般在對應上游水位的位置)，滑動土從垂直折點到坡腳分為兩部分：BCDE楔和坡腳楔。作用在BCDE楔形體上的主要力有：楔形體重量W1、平行于DC的兩個土塊之間的力P(P的抗滑力(ADC楔形體對抗BCDE楔形體)，以及土重量在DC滑動面上引起的摩擦力。BCDE楔沿DC滑動的極限平衡

12、方程是，(4-43)，19。學習AC PPT，作用在ADE楔形體上的主要力是楔形體重量W2，平行于DC的兩個土塊之間的力bcde楔形體作用在ADC楔形體上的滑動力)，以及土重量在滑動面AD上產(chǎn)生的摩擦力。然后，ADE楔形體沿AD滑動方向的極限平衡方程為：(4-43)和公式(4-44)，可以得到滑動體的安全系數(shù)k和土塊間的作用力p。(4-44)，20，學習交流PPT，3幾個注意事項(1)在上面的示例中，只有滑動體被分成兩個楔形體。事實上，為了更精確的計算，滑塊可以分為N個楔形滑塊。此時，計算比較復雜，需要用試算法或迭代法求解安全系數(shù)。具體計算方法見王教授主編的水工建筑物。俗稱老水工建筑物。(2)

13、為了簡化計算，楔形體按垂直方向劃分；(3)在上面的例子中，楔形之間的力的方向是DC。作用力有四種方向：作用力是水平的；力平行于斜坡；作用力平行于滑動楔的底坡；作用力平行于壩坡和滑楔底坡的平均坡度。當作用力方向不同時，最小安全系數(shù)的標準范圍也不同。碾壓混凝土土石壩設(shè)計規(guī)范第8.3.12條規(guī)定了第一、二種情況下的最小安全系數(shù)標準。(4)根據(jù)理論分析確定最危險滑動面，21，學會溝通PPT，并分析復合滑動面的穩(wěn)定性。當滑動面穿過不同的土壤材料時，通常會出現(xiàn)直線和圓弧的組合。例如，厚心墻壩的滑動面是穿過砂土的直線和穿過粘性土的圓?。划攭位虏簧钣熊浫鯅A層時，滑動面可能通過軟弱夾層形成復合滑動面等。22，

14、學習交換PPT，并將滑動土壤分為三個區(qū)域：abf、bcef和cde。以bcef為分離體，土體abf對土體bcef的推力為Pa，土體cde對土體bcef的推力為Pn，土體bcef產(chǎn)生的抗滑力為Gtg cl，則滑動面的穩(wěn)定安全系數(shù)為，23。學習交換PPT，找到Pa和Pn?？梢圆捎迷囼炈惴ā?1)將土壤abf和土壤cde分成幾個區(qū)塊(圖中為三個區(qū)塊)，并假設(shè)每個區(qū)塊之間的推力大致水平。(2)首先擬定一個安全系數(shù)k，并推導出每個塊體對下一個塊體的推力。土壤abf對土壤bcef的推力為pa；土壤cde作用于土壤bcef的推力為Pn。對于pa，從左邊開始，因為最左邊的條的Pa是0；到pn；從右邊開始，因為最右邊的條的pn是0。(3)將Pa和Pn代入公式，得到滑動面的安全系數(shù)k。如果計算的安全系數(shù)k不同于假設(shè)的安全系數(shù)k，再次假設(shè)k，并重復計算，直到它們相等。(4)為了在最危險的滑動面上獲得最小的安全系數(shù)，通常需要假定幾個ab弧和cd弧的位置，并進行多次試算。24，學會交流PPT4、確定最危險的滑動裂紋面，滑動弧的中心和半徑是任意