54土石坝的稳定分析解析

河北工程大学水电学院水利系.

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高等学校水利水电工程专业

§5.4土石坝的稳定分析一、概述（一）分析目的：分析坝体及坝基在各种不同条件下可能产生的失稳形式，校验其稳定性，确定坝体经济剖面。（二）失稳特点：坝体由散粒材料组成，不会出现整体滑动或倾覆失稳，只可能发生局部失稳破坏。一、概述（三）稳定破坏形式滑动：坝或坝基材料的抗剪强度不够，沿某一滑动面向下坍滑。液化：细砂或均匀砂料，地震、打桩振动、爆炸的作用下饱和的松砂受振动或剪切而发生体积收缩，孔隙水不能立即排出，有效应力转化为孔隙应力，砂土抗剪强度降低，砂料随水的流动而流散。影响因素：有效粒径小，孔隙比大，砂料均匀，受力体大，受力猛，透水性小，易液化。美国福特派克坝380万立方米的砂体在10分钟内流失；铁路桥因火车振动而液化。塑性流动：坝体或坝基剪应力超过了土料抗剪强度，变形超过弹性极限值，坝坡或坝脚地基土被压出或隆起，坝体产生裂缝或沉陷。软粘土坝体容易发生。一、概述（四）滑动面形状1、曲面滑动面：滑动面顶部陡而底部渐缓，曲面近似圆弧，多发生于粘性土中。2、折线滑动面：多发生于非粘性土坡，如薄心墙坝、斜墙坝；折点一般在水面附近。3、复式滑动面：厚心墙或粘土及非粘土构成的多种土质坝形成复式滑动面。当坝基内有软弱夹层时，滑动面不再向下深切，而沿夹层形成曲、直组合的复式滑动。二、荷载及荷载组合（一）荷载:1、坝体自重坝体内浸润线以上部分按湿容重计算，下游水位以上按饱和容重，下游水位以下部分按浮容重计算。2、渗透压力：动水压力方向与渗流方向相同，作用于单位土体上的渗流力可按下式计算：w=γj二、荷载及荷载组合（一）荷载:3、孔隙水压力土体可压缩，水是不可压缩的，且不能传递剪力。当土体孔隙饱和时，荷载由水来承担，孔隙受压排水后，土粒骨架开始承担（有效应力），孔隙水所承担的应力为孔隙应力（孔隙水应力），两者之和为总应力。土体中有孔隙水压力后，有效应力降低，对稳定不利。孔隙水压力随土料性质、填土含水量、填筑速度、坝内各点荷载和排水条件不同，随时间变化，随排水而变化。二、荷载及荷载组合（二）荷载组合计算工况：土石坝施工、蓄水和库水位降落的各个时期不同荷载下，应分别计算其稳定性。控制稳定的有施工期（包括竣工时）、稳定渗流期、库水位降落期和正常运用遇地震四种工况，应计算的内容：正常运用包括：(1)上游正常蓄水位，下游相应最低水位或上游设计洪水位，下游为相应最高水位形成稳定渗流时的下游坝坡；(2)上游库水位不利时的上游坝坡，这种不利水位大致在坝底以上1/3坝高处，对复杂的坝剖面，应进行试算；(3)库水位正常降落时的上游。二、荷载及荷载组合（二）荷载组合非常运用情况包括：(1)施工期或竣工期的下下游坝坡；(2)库水位骤降（k<10-3cm/s,v>3.0m/d）时的上游坝坡；(3)校核水位下有可能形成稳定渗流时的下游坝坡；(4)正常情况加地震影响的上、下游坝坡；(5)有时还要验算水库蓄满、排水设备失效进下游坝坡的稳定。二、荷载及荷载组合（三）安全系数按《碾压式土石坝设计规范》(274-2001)，坝坡抗滑稳定的安全系数，应不小于规范规定的数值：坝的级别ⅠⅡⅢⅣ、Ⅴ正常运用条件1.50(1.30)1.35(1.25)1.30(1.20)1.25(1.15)非常运用条件Ⅰ1.30(1.20)1.25(1.15)1.20(1.10)1.15(1.05)非常运用条件Ⅱ1.20(1.10)1.15(1.05)1.15(1.05)1.10(1.10)三、土的抗剪强度及抗剪强度指标选取土石坝各种计算工况，土体的抗剪强度均应采用有效应力法计算：粘性土施工期同时采用总应力法计算：粘性土库水位降落期同时采用总应力计算：四、稳定分析方法边坡稳定分析属于刚体极限平衡法，根据滑裂面形式的不同分为：圆弧法、直线或折线滑动面法和复式滑动面法。（一）圆弧法1、简单条分法——瑞典圆弧法（1）基本原理1）假定不同的半径及圆心位置，画出一系列的假定圆弧裂面。2）对所假定的每一圆弧上的土体进行受力分析，求出土体上的力对圆心的抗滑力矩ΣMr和滑动力矩ΣMs。圆弧滑裂面上的抗滑安全系数为阻滑力矩与滑动力矩的比值K=ΣMr／ΣMs。3）比较一系列圆弧滑裂面上的Kc，其中Kmin所对应的圆弧面为最危险滑弧，要求Kmin≥[Kc]。四、稳定分析方法（一）圆弧法1、简单条分法——瑞典圆弧法（2）具体计算步骤1）假定圆心和半径画弧。2）将滑面上的土体分条编号。为简化计算，土条宽取b=0.1R；圆心以下的为0号土条：向上游依次为1、2、3...，向下游依次为-1、-2、-3...3）分别求出各土条上的作用力，及各力对圆心的力矩（不计土条间作用力），求和得抗滑力矩ΣMr和滑动力矩ΣMs；4）求安全系数K=ΣMr／ΣMs四、稳定分析方法（一）圆弧法四、稳定分析方法（一）圆弧法四、稳定分析方法（一）圆弧法—瑞典圆弧法计算公式总应力法：有效应力法：四、稳定分析方法（一）圆弧法2、简化的毕肖普法瑞典圆弧法不考虑条块间的作用力，不满足每一土条力的平衡条件，使计算出的安全系数偏低，简化毕肖普法在这方面做了改进，考虑土条间水平作用力而忽略竖向作用力，近似考虑土条间相互作用力的影响。该法仍假定滑动面形状为一滑弧面。四、稳定分析方法2、简化的毕肖普法四、稳定分析方法（一）圆弧法3、最危险圆弧位置的确定上述滑动圆弧的圆心和半径都是任意选定的，求得的安全系数一般不是最小的，需经多次试算才能找到最小安全系数，如何能用较少的试算次数找到最小的安全系数。（1）B.B方捷耶夫法首先由坝坡中点a引出的两条射线，一条为铅直线；另一条与坝坡成85º角。然后以a为圆心所做的两个圆弧，内外圆弧的半径R可查相应表格。两个圆弧与两条射线分别相交于b、c、d、f。方捷耶夫法认为最小安全系数的滑弧圆心在扇形bcdf范围内。四、稳定分析方法（一）圆弧法3、最危险圆弧位置的确定（2）费兰钮斯法坝高为H，首先定出距坝顶为2H，距下游坝趾为4.5H的M1点；再从坝趾B1引出射线B1M2与下游坡成β1角，从坝顶A引出射线AM2，与坝顶成β2角（β1、β2的取值见有关表格），两条射线相交于M2点，连接M1M2线。费兰钮斯法认为最危险滑弧的圆心位于M1M2的延长线附近。以上两种方法，适用于均质坝，其它坝型也可参考。实际运用时，常将二者结合应用，即认为最危险的滑弧圆心在扇形面积中eg线附近。四、稳定分析方法（二）折线法1、部分浸水的无粘性土坝坡稳定分析，例如心墙坝的上、下游坝坡和斜墙坝的下游坝坡，以及斜墙坝的上游保护层和保护层连同斜墙一起滑动时，常形成折线滑动面。折线法常采用两种假定：①滑楔间作用力为水平向，采用与瑞典圆弧法相同的安全系数；②滑楔间作用力平行滑动面，采用与毕肖普法相同的安全系数。四、稳定分析方法（二）折线法以心墙坝的上游坝坡为例：ADC为任一滑裂面，DE将土体分为两块，设两土块间的作用力为P，方向与DC平行。则DEBC土块的平衡式为：ADE的极限平衡方程式：四、稳定分析方法（三）复式滑动面法当滑动面通过不同土料时，常由直线与圆弧组合的形式。图复合滑动面稳定计算