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(rèn)為：土體的破壞，主要是剪切破壞，即：一旦土體內(nèi)任一平面上的剪應(yīng)力達(dá)到或超過了土體的抗剪強(qiáng)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(xiàn)象得不到控制，任其逐漸發(fā)展，也可能導(dǎo)致整體失穩(wěn)破壞。 土石壩的局部失穩(wěn)一般表現(xiàn)為三種型式： 滑坡、 塑性流動、 液化,1,塑性流動是指由于壩體或壩基內(nèi)局部地區(qū)的剪應(yīng)力超過土料的抗剪強(qiáng)度，變形超過彈性限值

2、，使壩坡或壩基發(fā)生過大的局部變形，從而引起裂縫或沉陷。塑性流動可能發(fā)生在設(shè)計(jì)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(zhì)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(qiáng)度和承載能力，成為如粘滯的液體一樣的現(xiàn)象。液化失穩(wěn)一般發(fā)生在均勻細(xì)砂土的壩體或壩基中。 關(guān)于塑性流動和液化失穩(wěn)的進(jìn)一步知識，請同學(xué)們參考有關(guān)文獻(xiàn)，如：天津大學(xué)祁慶和教授主編的水工建筑物教材，以及有關(guān)土力學(xué)書籍。 本節(jié)主要介紹土石壩結(jié)構(gòu)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。,2,（二）土石壩壩坡滑動失穩(wěn)的型式 土

3、石壩壩坡滑動失穩(wěn)，簡稱滑坡，其型式與壩體結(jié)構(gòu)、土料和地基的性質(zhì)、壩的工作條件等密切相關(guān)。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(jì)算分析時，通常簡化為一個圓弧面。,曲線滑動示意圖,3,（2）直線和折線滑動面（如圖所示） 在均質(zhì)的非粘性土邊坡中，滑動面一般為直線；當(dāng)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,4,（3）復(fù)式滑動面（如圖所示） 復(fù)式滑動面是同時具有粘性土和非粘性土的土壩中常出現(xiàn)的滑動面型式。復(fù)式滑動面比較

4、復(fù)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則可能為平面或折線面。在計(jì)算分析時，通常根據(jù)實(shí)際情況對滑動面的形狀和位置進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕?復(fù)式滑動面示意圖,5,4.5.2土料抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的選取,土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)主要指總抗剪強(qiáng)度指標(biāo)（凝聚力c和內(nèi)摩擦角）和有效抗剪強(qiáng)度指標(biāo)（凝聚力和內(nèi)摩擦角）。通?？梢圆捎檬彝庠粶y試方法測定，或室內(nèi)剪切試驗(yàn)方法確定。 室內(nèi)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)測定方法有3種：不排水剪、固結(jié)不排水剪和排水剪。 SL2742001 碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范第8.3.5條中規(guī)定：土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)應(yīng)采用三軸儀測定。對3級以下的中壩，可用直接慢剪試驗(yàn)測定土的有效強(qiáng)度指標(biāo)；對滲透系數(shù)很?。?/p>

5、小于107cm/s）或壓縮系數(shù)很?。ㄐ∮?.2MPa-1）的土，也可采用直接快剪試驗(yàn)或固結(jié)快剪試驗(yàn)測定其總強(qiáng)度指標(biāo)。 SL2742001 碾壓式土石壩設(shè)計(jì)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(qiáng)度指標(biāo)的測定方法和計(jì)算方法。,6,4.5.3穩(wěn)定計(jì)算情況和安全系數(shù)的采用,一、穩(wěn)定計(jì)算情況 1正常運(yùn)用情況 (1)上游為正常蓄水位，下游為最低水位，或上游為設(shè)計(jì)洪水位，下游為相應(yīng)最高水位，壩內(nèi)形成穩(wěn)定滲流時，上下游壩坡穩(wěn)定驗(yàn)算。 (2)水庫水位處于正常和設(shè)計(jì)水位之間范圍內(nèi)的正常性降落， 2非常運(yùn)用情況I (1)施工期，考慮孔隙壓力時的上下游壩坡穩(wěn)定

6、驗(yàn)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穩(wěn)定驗(yàn)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(yàn)算。 3非常運(yùn)用情況 正常運(yùn)用情況遇到地震時上下游壩坡穩(wěn)定驗(yàn)算。,7,二、抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的采用 規(guī)范一：DL5180-2003 水電樞紐工程等級劃分及設(shè)計(jì)安全標(biāo)準(zhǔn) 按瑞典圓弧法計(jì)算時的容許最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù) 上表中的安全系數(shù)適用于采用不計(jì)條間作用力的瑞典圓弧法計(jì)算的情況。 對于1、2級高壩以及復(fù)雜條件情況，可采用計(jì)入條間作用力的畢肖普法或其他較為嚴(yán)格的方法。此時，表中的安全系數(shù)應(yīng)提高510，且對1級大壩，在正常運(yùn)用條件下的安全系

7、數(shù)不應(yīng)小于1.5。,8,規(guī)范二：SL2742001 碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范 SL2742001 碾壓式土石壩設(shè)計(jì)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，宜采用計(jì)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(jì)算時的容許最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)見課本P119 表4-9,9,SL2742001 碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范第8.3.11條還規(guī)定：采用不計(jì)條間作用力的瑞典圓弧法計(jì)算壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)時，對1級壩正常運(yùn)用條間最小安全系數(shù)應(yīng)不小于1.30，對其他情況應(yīng)比上表規(guī)定值減小8。 SL27420

8、01 碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范第8.3.12條還規(guī)定：采用滑楔法進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算時，如假設(shè)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(shù)應(yīng)滿足上表中的規(guī)定；若假設(shè)滑楔之間作用力為水平方向，安全系數(shù)應(yīng)滿足上述第8.3.11條的規(guī)定。,10,4.5.4壩坡穩(wěn)定分析方法,一、圓弧滑動面穩(wěn)定計(jì)算 1. 瑞典圓弧法 瑞典圓弧法是目前土石壩設(shè)計(jì)中壩坡穩(wěn)定分析的主要方法之一。該方法簡單、實(shí)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(jì)中應(yīng)用更為廣泛。,11,瑞典圓弧法,1基本思路 假設(shè)滑動面為一個圓柱面，在剖面上表現(xiàn)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的影響，作用

9、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(shù)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(jì)算示意圖（1）,12,2.計(jì)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(jì)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(jì)算土條重量。計(jì)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(jì)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(jì)算安全系數(shù)。,13,3.穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算公

10、式 1）有效應(yīng)力法計(jì)算，且計(jì)入地震荷載時,（4-41）,14,2）有效應(yīng)力法，不計(jì)地震荷載時， 瑞典圓弧法安全系數(shù)K的計(jì)算公式為： 3）按總應(yīng)力法計(jì)算時，瑞典圓弧法安全系數(shù)K為：,SL2742001 碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范第8.3.2條規(guī)定：土石壩各種工況，土體的抗剪強(qiáng)度均應(yīng)采用有效應(yīng)力法；粘性土施工期和粘性土庫水位降落期，應(yīng)同時采用總應(yīng)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(yīng)考慮其非線性抗剪強(qiáng)度指標(biāo)問題。,15,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(diǎn)是沒有考慮土條間的作用力，因而不滿足力和力矩的

11、平衡條件，所計(jì)算出的安全系數(shù)一般偏低。 畢肖普法是對瑞典圓弧法的改進(jìn)。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。,16,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(jù)摩爾庫侖準(zhǔn)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(dǎo)出簡化的畢肖普法的安全系數(shù)計(jì)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。,17,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(fù)合面滑動的部位包括： 發(fā)生在非粘性土的壩坡中。

12、例如：心墻壩的上、下游壩坡，斜墻壩的下游壩坡，等； 發(fā)生在兩種不同材料的接觸面。例如：斜墻壩的上游保護(hù)層滑動，斜墻壩的上游保護(hù)層連同斜墻一起滑動，等。,18,2穩(wěn)定計(jì)算方法 采用滑楔法分析計(jì)算。如圖，ADC為滑動面（對上游壩坡，折點(diǎn)一般在上游水位對應(yīng)處），從折點(diǎn)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(chǎn)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）,19, 對ADE楔形體 其作用力主要有：楔形體自重

13、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）、土體自重在滑動面AD上產(chǎn)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(lián)立式（4-43）和式（4-44），可求得滑動體的安全系數(shù)K和土塊間的作用力P。,（4-44）,20,3幾點(diǎn)說明 （1）上述示例中，只將滑動體分割為兩塊楔形體。實(shí)際上，為更精確計(jì)算，可以將滑動塊分割為N個楔形體滑塊。此時計(jì)算相對要復(fù)雜一些，需要采用試算法或迭代法求解安全系數(shù)。具體計(jì)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(jì)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

14、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(shù)的取值標(biāo)準(zhǔn)野不同。SL2742001 碾壓式土石壩設(shè)計(jì)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(shù)取值標(biāo)準(zhǔn)。 （4）最危險滑動面的確定 根據(jù)理論分析和工程經(jīng)驗(yàn)，選擇多個可能的滑動面進(jìn)行試算。,21,復(fù)合滑動面的穩(wěn)定分析,當(dāng)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?。?當(dāng)壩基下不深處存在軟弱夾層時，滑動面

15、可能通過軟弱夾層而形成復(fù)合滑動面，等。,22,計(jì)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(chǎn)生的抗滑力為Gtg+cl，則滑動面的穩(wěn)定安全系數(shù)為,23,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(shè)各條塊間的推力近似為水平。 （2）先擬定一個安全系數(shù)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?yàn)樽钭筮叺臈l塊的Pa=0； 對Pn；從右邊開始推求，因?yàn)樽钣疫叺臈l塊的Pn =0。 （3）將Pa和Pn代入式中，求出滑動面的安全系數(shù)K。如果求得的安全系數(shù)K與假設(shè)的安全系數(shù)K不同，則重新假設(shè)K，重復(fù)計(jì)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(shù)，一般要多假設(shè)幾個ab弧和cd弧的位置，進(jìn)行多次試算。,2