滲流作用對土石壩邊坡穩(wěn)定的影響分析

宋國濤

（黑龍江省水利水電勘測設(shè)計研究院，哈爾濱 150080）

技術(shù)論壇

滲流作用對土石壩邊坡穩(wěn)定的影響分析

宋國濤

（黑龍江省水利水電勘測設(shè)計研究院，哈爾濱 150080）

針對土石壩滲流穩(wěn)定計算的幾種工況進(jìn)行了理論分析，得出了各種工況下影響邊坡穩(wěn)定的因素及滲透水流對邊坡穩(wěn)定的影響。通過工程實例的邊坡穩(wěn)定計算對理論分析結(jié)果進(jìn)行了驗證，得出了一些實用性的結(jié)論，對類似工程的設(shè)計可提供一些借鑒。

滲流；壩坡穩(wěn)定；無黏性土；黏性土；水位驟降

1 土石壩邊坡穩(wěn)定分析簡介

土石壩是指由土、石料等當(dāng)?shù)夭牧辖ǔ傻膲?，是歷史最為悠久的一種壩型。土石壩分為均質(zhì)壩、土質(zhì)防滲體分區(qū)壩、非土質(zhì)防滲體分區(qū)壩等基本壩型。

邊坡穩(wěn)定分析是確定壩的設(shè)計剖面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(jì)性和安全性具有重要影響。影響邊坡穩(wěn)定性的因素很多，例如筑壩土料的工程性質(zhì)、滲透水流、地震作用等，本文主要介紹滲透水流對邊坡穩(wěn)定性的影響。

2 無水工況下邊坡穩(wěn)定分析

2.1 無黏性土邊坡

對于均質(zhì)的無黏性土土坡，無論是干坡還是在完全浸水條件下，由于無黏性土土粒間無黏結(jié)力，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。無黏性土土坡穩(wěn)定安全系數(shù)計算公式為：

式中：Tf為土單元體的抗剪力；T為土單元體所受的下滑剪切力；W為土單元體的自重；α為土坡坡角；φ為土的內(nèi)摩擦角。

由此可見，對于均質(zhì)無黏性土土坡，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黏性土的內(nèi)摩擦角，也稱休止角［1］。

2.2 黏性土邊坡

對于均質(zhì)的黏性土土坡，黏性土土粒間有黏結(jié)力，某一滑動面的抗滑穩(wěn)定性需考慮土粒間的黏結(jié)作用對邊坡穩(wěn)定的有利影響。黏性土土坡某一滑動面的穩(wěn)定安全系數(shù)計算公式為：

式中：Tf為土單元體的抗剪力；T為土單元體所受的下滑剪切力；W為土單元體的自重；α為土坡坡角；φ為土的內(nèi)摩擦角；c為土的凝聚力；l為計算滑動面的滑弧長度。

3 穩(wěn)定滲流工況下邊坡穩(wěn)定分析

水庫蓄水或庫水位突然下降，都會使壩體邊坡受到一定的滲流力作用。當(dāng)滲流力為抗滑力時對邊坡穩(wěn)定有利，當(dāng)滲流力為滑動力時對邊坡穩(wěn)定不利。穩(wěn)定滲流時，滲流力對上游壩坡來說是抗滑力，對邊坡穩(wěn)定有利；滲流力對下游壩坡來說是滑動力，對邊坡穩(wěn)定不利。

3.1 無黏性土邊坡

3.1.1 上游邊坡

有穩(wěn)定滲流作用時，滲流力垂直作用于上游壩坡，增加了壩坡土體的抗滑力，有利于壩坡穩(wěn)定。有穩(wěn)定滲流作用時無黏性土壩體上游邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)計算公式為：

式中：Tf為土單元體的抗剪力；T為土單元體所受的下滑剪切力；W為土單元體的自重；α為土坡坡角；φ為土的內(nèi)摩擦角；j為單位體積的滲流力。

3.1.2 下游邊坡

有順坡滲流情況時，無黏性土壩體下游坡的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為：

式中：r′為壩坡土體的浮重度；rsat為壩坡土體的飽和重度；α為土坡坡角；φ為土的內(nèi)摩擦角。

上式和沒有滲流作用的無黏性土邊坡穩(wěn)定計算公式相比，安全系數(shù)相差r′／rsat倍，此值接近于 1／2。因此，當(dāng)坡面有順坡滲流作用時，無黏性土土坡的穩(wěn)定安全系數(shù)將近降低一半。

3.2 黏性土邊坡

3.2.1 上游邊坡

有穩(wěn)定滲流作用時黏性土壩體上游邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)計算公式為：

式中：Tf為土單元體的抗剪力；T為土單元體所受的下滑剪切力；W為土單元體的自重；α為土坡坡角；φ為土的內(nèi)摩擦角；c為土的凝聚力；l為計算滑動面的滑弧長度；j為單位體積的滲流力。

3.2.2 下游邊坡

有順坡滲流情況時，黏性土壩體下游坡的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為：

式中：r′為壩坡土體的浮重度；rsat為壩坡土體的飽和重度；α為土坡坡角；φ為土的內(nèi)摩擦角；c為土的凝聚力；l為計算滑動面的滑弧長度。

上式和沒有滲流作用的黏性土邊坡穩(wěn)定計算公式相比，安全系數(shù)降低了。

4 工程實例

某均質(zhì)土壩壩高5.5 m，上下游坡比均為1∶2.5，壩體土料滲透系數(shù)為2.5×10-5cm／s，壩體土天然容重為19.3KN／m3，飽和容重為20.3 kN／m3，凝聚力為11 kPa，內(nèi)摩擦角為18度。采用“理正巖土計算5.3版”進(jìn)行計算，各工況下穩(wěn)定計算結(jié)果見表1：

表4 壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)計算結(jié)果表

計算的穩(wěn)定安全系數(shù)大小規(guī)律與理論分析結(jié)果一致。

5 結(jié) 論

無滲透水流作用時，對于均質(zhì)無黏性土土坡，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)取決于坡角與坡上土體內(nèi)摩擦角的相對大小關(guān)系，理論上只要坡角小于土的內(nèi)摩擦角，土體就是穩(wěn)定的；對于均質(zhì)黏性土土坡，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)不但與土體內(nèi)摩擦角有關(guān)，同時與土體的凝聚力和計算滑弧的弧長有關(guān)。有穩(wěn)定滲透水流作用時，上游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)較無滲流時有所增大；下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)較無滲流時有所減小，對無黏性土邊坡約減小1／2。

［1］盧延浩 .土力學(xué)［M］.南京：河海大學(xué)出版社，2005：8-10.

Analysis of Seepage Effect on Earth Rock fill Dam Slope Stability

SONG Guo-tao

（Heilongjiang ProvinceWater Conservancy＆Hydropower Investigation，Design and Research Institute，Harbin 150080，China）

Several conditions for the calculation of the stability of earth rock dam seepage is analyzed in theory.The slope stability influence factors and seepage influence on slope stability are obtained under various operating conditions.Through obtained engineering example calculation results of the slope stability the theoretical analysis is validated，drawing some useful conclusions，which can provide some reference for similar engineering design.

seepage；slope stability；cohesionless soil；clay；rapid drawdown

TV223.4

B

1007-7596（2015）02-0027-02

2014-12-07

宋國濤（1983-），男，黑龍江拜泉人，工程師。