論土質(zhì)壩坡穩(wěn)定性分析方法

陳忠潤(rùn)　王邦林

摘 要：對(duì)于土質(zhì)壩坡穩(wěn)定性分析計(jì)算，多數(shù)采取瑞典圓弧法，因?yàn)樵摲椒ú豢紤]土條間相互作用力，該方法是假定壩坡滑動(dòng)面為一圓弧滑動(dòng)面，常用于厚心墻壩、均質(zhì)壩和厚斜墻壩，取圓弧面以上土體作為分析對(duì)象。瑞典圓弧法有時(shí)有較大的計(jì)算誤差，因?yàn)橛?jì)算方法過(guò)于保守，因此對(duì)比較重要的工程除了采用瑞典圓弧法，同時(shí)用簡(jiǎn)化畢肖普法進(jìn)行計(jì)算。

關(guān)鍵詞：土質(zhì)壩坡 瑞典圓弧法 畢肖普法 浸潤(rùn)線 地震慣性力

中圖分類號(hào)：TU43 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2019）03（b）-0058-03

1 土質(zhì)壩坡穩(wěn)定計(jì)算的方法

壩坡穩(wěn)定計(jì)算廣泛采用剛體極限平衡法。極限平衡穩(wěn)定性計(jì)算分析時(shí)，按滑動(dòng)面形狀分為滑楔法和圓弧法。圓弧法包括瑞典圓弧法和畢肖普法；滑楔法包括保護(hù)層與斜墻一起滑動(dòng)的穩(wěn)定計(jì)算、無(wú)粘性土壩坡穩(wěn)定計(jì)算、復(fù)合滑動(dòng)面的壩坡穩(wěn)定計(jì)算[1]。

2 瑞典圓弧法

由瑞典人彼得森提出的圓弧法，故稱瑞典圓弧法。瑞典圓弧法是把滑動(dòng)體分成很多土條，土條間的作用力不用考慮，滑動(dòng)破壞面要采取不同的土層進(jìn)行分析比較，最終求出最小穩(wěn)定安全系數(shù)[2]。壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算時(shí)，是求出滑動(dòng)土體相對(duì)圓弧圓心的總滑動(dòng)力矩和，將總阻滑力矩除以總滑動(dòng)力矩定義為壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)。非均質(zhì)壩體和壩基穩(wěn)定安全系數(shù)的計(jì)算應(yīng)考慮安全系數(shù)的多極值特性。

坍塌土體中任一土條上的作用力有：土條頂部的外荷載Qn（不包括土條沒(méi)于坡外水面以下時(shí)，土條頂部的水柱壓力），土條自重gn，土條的兩側(cè)在浸潤(rùn)線以下部分作用有滲透水壓力fna和fnb，土條底面作用有水壓力un。各作用力的計(jì)算方法如下。

2.1 土條自重gn

h2，2—分別為土條中心線在浸潤(rùn)線以下和坡外水面以上部分的高度和該部分填土的重度（按飽和重度計(jì)算）；

h3，3—分別為土條中心線在坡外水面以下和壩基以上部分的高度和該部分填土的重度（按有效重度計(jì)算）；

h4，4——分別為土條中心線在壩基以下和滑動(dòng)面以上部分的高度和該部分壩基的重度（按有效重度計(jì)算）；

b—土條的寬度。

2.2 作用在土條兩側(cè)面上的滲透水壓力fna和fnb

2.3 土條底面水壓力的計(jì)算

作用在土條底面的水壓力un包括三個(gè)部分：由上游水頭與下游水頭差H所造成的滲透壓力；坡外水面高于土條底面時(shí)在土條底面產(chǎn)生的浮托力unb；穩(wěn)定滲流時(shí)壩體未完全固結(jié)的情況下所產(chǎn)生的固結(jié)孔隙壓力unk。

—由上下游水頭差所造成的滲透壓力；

unb—坡外水面高于土條底面時(shí)在土條底面產(chǎn)生的浮托力；

unk—穩(wěn)定滲流時(shí)壩體未完全固結(jié)的情況下所產(chǎn)生的固結(jié)孔隙壓力。

2.4 力的分解

當(dāng)土條的重力與土條底面法線間的夾角為an時(shí)，土條重力和荷載在滑動(dòng)面上所分解得的切力，法向力。法向力在滑動(dòng)面上所產(chǎn)生的摩擦力Fn=Nntan=（gn+Qn）cosantan，為滑動(dòng)面上土的內(nèi)摩擦角（有效強(qiáng)度指標(biāo)）。

3 畢肖普計(jì)算法

3.1 計(jì)算方法及計(jì)算結(jié)果

從坍塌的壩坡土體中任意取出一土條，作用于土條上的力有：水平力pn（例如：水平地震力），土條自身重力gn，土條兩側(cè)面上還作用有水平向推力En和En+1，垂直向切力Tn 和Tn+1，在土條底面作用有切力RT和法向反力RN，如圖1。

穩(wěn)定滲流期計(jì)算：穩(wěn)定滲流期應(yīng)采用有效應(yīng)力法計(jì)算。式中的土條容重為浸潤(rùn)線至下游水位之間用飽和容重。

施工期計(jì)算：施工期的土條重為實(shí)重（設(shè)計(jì)干容重加含水率）。如壩基有地

下水時(shí)土條重為濕容重加浮容重，地下水位以上為濕容重，以下為浮容重。

庫(kù)水位降落期計(jì)算：粘性土在庫(kù)水位降落期可用總應(yīng)力法按降落后水位計(jì)算。

4 結(jié)語(yǔ)

土質(zhì)壩坡穩(wěn)定計(jì)算的方法很多，目前多采用分條發(fā)（即將滑動(dòng)土體劃分為一系列豎向土柱來(lái)計(jì)算），在計(jì)算中又分為：不考慮土條間相互作用力和考慮土條（土柱）間的相互作用力兩大類。通常對(duì)于均質(zhì)壩、后斜墻壩、厚心墻壩宜采用簡(jiǎn)化畢肖普法進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算，對(duì)于有軟弱夾層、薄心墻壩，薄斜墻、可采用摩根斯頓—普耐斯法進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算[3]。

參考文獻(xiàn)

[1] 張明，劉金勇.土石壩邊坡穩(wěn)定可靠度分析與設(shè)計(jì)[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2006（2）：103-107.

[2] 顧慰慈.土石（堤）壩的設(shè)計(jì)與計(jì)算[M].北京：中國(guó)建材工業(yè)出版社，2006.

[3] 方玉樹.邊坡穩(wěn)定性分析條分法最小解研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2008，30（3）：331-335.

[4] 陳祖煜.質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析原理方法及程序[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2003.