折线滑动面法计算稳定时最小稳定性kc值

折线滑动面法计算稳定时最小稳定性kc值

0坝体或坝体连续工地在外部负荷和重量的作用下，土石坝可能发生局部滑动。进行土石坝稳定分析的目地是保证坝体在自重、孔隙压力和外荷载的作用下,具有足够的稳定性,不致发生通过坝体或坝体连同地基的剪切破坏。对于非黏性土的坝坡,如心墙坝坝坡、斜墙坝的下游坝坡以及斜墙上游保护层连同斜墙一起滑动时,常形成折线滑动面。本文以粘土心墙土石坝为算例,用折线滑动面法求出上、下游坝坡,在某一危险工况下的最小稳定安全系数或接近最小稳定安全系数Kc值,以论证选用坝坡的合理性,并归纳出相关结论。1滑动面为切到心墙的滑动土体,主要有以下几种假设滑动面只在坝壳中,而防渗体不连同坝壳一起滑动,属于非粘性土体滑动。对于部分浸水的非粘性土坝坡,水上和水下的物理性质不同,滑裂面近似折线面,所以采用折线滑动法,认为折点在水位附近。如图1所示。滑动面上的抗剪强度利用充分程度应该是一样的,其安全系数为:Kc=抗滑力/滑动力图中B点为坐标原点,X轴水平指向上游,Y轴垂直指向地基,建立直角坐标系统。假设滑动面的三点A、D、C(按一定步长确定这三点的坐标),且滑动面不会切到心墙。其中A点在坝脚斜坡面上移动,但不会到达坝顶,D点为折坡点,C点实际是在防浪墙上游面坝体内部分移动,可以到达坝顶。计算中把滑动土体ADC(构成的滑动面)分成两个滑块,H点在上游水位延长线上,P1为相邻两土体滑面上的作用力,假定其方向平行于DC。将滑动土体分为DEBC及ADE两部分,各块重量分别为W1、W2,两块土体底面的抗剪强度指标分别为φ1、φ2,采用拟静力计算法,计算中所有力都可以简化到形心处,只考虑力的平衡,不考虑力矩的平衡。DEBC块体的平衡式为:P1−W1sinα1+1KcW1cosα1tanφ1=0Ρ1-W1sinα1+1ΚcW1cosα1tanφ1=0(1)ADE块体的平衡式为:1KcW2cosα1tanφ2+1KcP1sin(α1−α2)tanφ2−W2sinα2−P1cos(α1−α2)=0(2)1ΚcW2cosα1tanφ2+1ΚcΡ1sin(α1-α2)tanφ2-W2sinα2-Ρ1cos(α1-α2)=0(2)式中各符号的含义如图1所示。考虑滑动面上抗剪强度发挥程度一样,两式中安全系数Kc应相等,故可联立方程求解Kc。根据工程等级,坝坡抗滑稳定的最小安全系数由规范查到。α1、α2可根据假定的A点,C点,D点坐标求得,且要求α1>α2;每假定A、C、D点均有可能获得一个相应的Kc值,取其中最小值作为最终结果。采用VB程序编程进行计算,可视化效果较好,操作简便。2分析当前条件的选择和稳定2.1坝坡渗流期验算稳定计算中需选取不利工况和不利部位进行稳定计算,本算例中对上下游坝坡分别计算以下几种工况的安全系数:(1)水位在1/3坝高处;(2)稳定渗流期设计洪水位;(3)正常蓄水位+地震。2.2设洪水位和下游水位以情况面为上,坝高以下高,下游坝坡率较本算例工程拦河坝为粘土心墙土石坝,工程等级为Ⅱ级。库区正常蓄水位及下游水位分别为2821.2m和2752.8m,设计洪水位及下游水位分别为2822.4m和2755.4m,校核洪水位及下游水位分别为2823.4m和2755.6m,坝顶高程2827.5m,坝高77.5m,上游坝坡坡率m1=2.5,下游坝坡坡率m2=2.0。上、下游坝坡土料参数见表1。2.3稳定计算成果计算以上几种工况下的上、下游坝坡的最小稳定安全系数,计算成果见表2。3稳定计算与成果分析3.1正常运用条件该工程主要建筑物土坝的等级为Ⅱ级,查规范可知其坝坡抗滑稳定的安全系数应满足以下条件:正常运用条件下不低于1.35,非常运用条件Ⅰ时不低于1.25,非常运用条件Ⅱ时不低于1.15。由表2计算结果可见:在设计洪水位、1/3坝高水位及正常蓄水位加地震作用三种工况下,坝坡稳定性均能满足应用要求。其中正常蓄水位加地震作用工况对应稳定安全系数最小。3.2不同上游水位下坝体稳定性分析当上游水位由正常蓄水位2821.2m降至死水位2796m的过程中,坝坡的稳定性也随之变化。由于计算中不考虑渗流力的作用,因此所得计算结果不准确,但可以反映坝坡稳定性的变化趋势。现取不同上游水位,进行稳定安全系数的计算。计算结果见表3。由表3可看出,随上游水位减小,上游坝坡的稳定安全系数Kc逐渐增大。反之,在蓄水期,随着上游水位的不断升高,坝体的稳定性逐渐减小。所以蓄水期是考验坝坡稳定性的关键时期。3.3坝内最小kmin值的数值计算对于坝坡稳定安全系数的计算,利用所编制的程序,绘出折面,通过控制变量法,固定D点纵坐标,改变D点的横坐标,分别计算稳定安全系数Kc值。本次计算以上游坝坡,设计洪水位工况为例,在设计洪水位2822.4m时,由程序可计算得滑动块体最低角点坐标为A(70.25,28.1),折点处坐标为D(8.1,5)上折坡水平角α1为31.69°,下折坡水平角α2为20.39°,最小稳定安全系数为1.700。现控制A点坐标为(70.25,28.1),C点与B点重合,改变D点坐标分别计算稳定安全系数,计算结果见表4。根据表4中计算所得结果,以Dx为横坐标,Kc为纵坐标绘制图2,可更直观的看出Kc值随折坡点位置变化的规律,并根据曲线形状得出结论。随着Dx的增大,稳定安全系数变化趋势为先逐步减小,当Dx为8.1m时达到最小值为1.700,随后又逐步增大,下折线越来越缓,上折线越来越陡,在整个折坡中曲线成抛物线分布,稳定安全系数均在允许范围内。文献中得出的结论:坝内最小Kmin值的折面不会通过坝顶平面,只限于坝坡范围内。与本文中计算得出的结论是一致的,并且本文通过计算得出了最小安全系数Kc随折点在坝体深入程度的变化规律,在具体工程中通过控制滑坡面增大安全系数具有实践意义。4坝面滑动面的地震安全性分析(1)坝坡稳定性计算是大坝设计的重要环节,可以采用的方法很多,比如滑动面法,应力应变分析法或实验分析法等。本文采用折线滑动面法。无粘性土土坡的失稳滑动往往呈坡面表层滑动,上游坝坡部分浸水,危险滑动面可能会向坝体内深入。(2)将滑动面限制在坝坡中,采用折线滑动法进行计算,考虑的荷载主要有:自重,地震荷载。计算中假定坝壳料均匀,各部分物理力学性质相同,采