54土石坝的稳定分析解析
4(3).土石坝(第四节：稳定分析)
常采用滑楔间作用 力平行滑动面假定
1
1 P1 W1 cos1tg1 W1 sin1 K
tg 2 tg 2 W2 cos 2 P1 sin( 1 2 ) W2 sin 2 P1 cos(1 2 ) K K
P1 W1 sin1 W1 cos1tg1
1i
mh 2i ) sin i
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最危险圆弧位置的确定
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2、折线滑动法 直线滑动面：非粘性土坝完全浸水或者不浸水 时滑动面常常是平面。
K ntg
β
折线滑动面：非粘性土坝部分浸水时滑动面常 常是折线滑动面。 非粘性土石坝的坝坡-心墙坝的上、下游坝坡， 斜墙坝的下游坝坡以及上游保护层连同斜墙的 滑动常形成折线滑动面。 14
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四、坝坡稳定分析
1、圆弧滑动面法
w cos tg c l K w sin
i i i i i
i i
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考虑渗透动水压力时的坝坡稳定计算 当坝体内有渗流作用时，还应考虑渗流对坝坡 稳定的影响。
K b i ( h1i m h 2i 0h wi / cos 2 i ) cos i tg 'i c i 'l i
土石坝发生局部滑动后，形成滑裂面。土石坝坝 坡稳定计算首先要确定滑裂面的形状，滑裂面的 形状和坝体结构、土料及、地基性质及坝的工作 条件有关。 常见的滑裂面的形状可归纳为三种：
2
（1）曲线滑动面：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）直线或折线滑动面 ：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。
2、渗透压力 作用于单位土体上的渗流力。 动水压力方向与渗流方向相同，按下式计算： F=γwJ 渗透压力对边坡稳定不利。
土石坝(第四节：稳定分析)
折线滑动面：非粘性土坝部分浸水时滑动面常 常是折线滑动面。 非粘性土石坝的坝坡-心墙坝的上、下游坝坡， 斜墙坝的下游坝坡以及上游保护层连同斜墙的 滑动常形成折线滑动面。
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常采用滑楔间作用 力平行滑动面假定
1
1
P1 K W1 cos 1tg1 W1 sin1
tg2 K
W2
cos 2
有效应力法:把孔隙压力作为外荷载计算，土的抗 剪强度指标采用有效强度指标 φ’,c’。
τ c (σ u)tg
4、地震荷载：同重力坝。
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荷载组合（计算工况） 正常运用情况：
1.水库蓄满水时（正常蓄水位或设计洪水位） 下游坝坡的计算。 2.上游库水位最不利时上游坝坡稳定计算。
3.库水位正常降落，上游坝坡的稳定计算。
渗透动水压力可用流网法求得，但总的渗透动水压 力需将各网格的渗透动水压力按向量求和，比较繁 琐，在工程中常采用替代法。
K bi (h1i 'h2i cositg'i ci 'li bi (h1i mh2i )sini
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最危险圆弧位置的确定
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2、折线滑动法 直线滑动面：非粘性土坝完全浸水或者不浸水 时滑动面常常是平面。
tg2 K
P1
sin(1
2 )
W2
sin2
P1
cos(1
2 )
P1 W1 sin1 W1 cos 1tg1
2
K P1 sin(1 2 )tg2 W2 cos2tg2
P1 cos(1 2 ) W2 sin 2
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斜墙坝上游坝坡的稳定计算
最危险滑动面位置的确定
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3、复合滑动面法
k
土石坝渗透及稳定性分析探讨
土石坝渗透及稳定性分析探讨摘要:渗流问题是土石坝安全的关键,渗流控制是土石坝建设的重中之重。
在渗流控制措施上,随着渗流控制理论的发展,由原来的以防为主逐渐向防渗、排渗和反滤层三者相结合。
本文从土石坝渗漏问题、防渗措施、有限元渗流场计算的基本数学模型三个方面进行介绍。
关键词:土石坝渗透稳定性随着我国水利水电建设的快速发展和“西电东输”水电项目的实施,众多高土石坝的建设被提上了日程,特别在深厚覆盖层河谷,地质条件差,地震烈度高,多数坝高较大(尤其200m以上)的大坝选择或拟选择建土石坝。
渗流和渗透控制是土石坝工程中的一项极其重要的课题,直接关系到工程的安全和投资。
土石坝施工简便,地质条件要求低,造价便宜,并可就地取材且料源丰富,是水利水电工程中极为重要的一种坝型。
土石坝坝体用散粒材料填筑,挡水后上下游的水头差引起了水流渗过坝体、坝基及两岸坡向下游排出。
由于勘测设计缺陷、施工不良、管理运行不当以及渗流、地震等,都会使土石坝体及其坝基发生缺陷病害,甚至垮坝失事。
在土石坝中,坝体和坝基的渗漏较为频繁,许多中、小型病库,就是因为坝身、坝基等产生渗漏造成险情。
一、土石坝渗漏问题(一)坝基渗漏。
坝基渗漏主要有以下两种渗漏方式:一是铺盖裂缝产生的渗漏。
铺盖裂缝一般是由于施工时防渗土料碾压不严,达不到所要求的容重或铺土时含水量过大, 固结时干缩而产生裂缝;或基础不均匀沉陷时铺盖被拉裂;或铺盖下没有做好反滤层,水库蓄水后在高扬压力下被顶穿破坏;也有施工时就近取土,破坏了覆盖层作为天然铺盖的防渗作用。
二是心墙下截水墙与基础接触冲刷破坏。
截水墙与基础的接触边界是最容易形成渗流通道的薄弱环节。
在截水墙下游与基础接触边界处设置反滤层失效,导致接触冲刷,坝体和基础土料被带走,就会造成坝体严重破坏。
(二)坝身渗漏。
土石坝常因斜墙、心墙等防渗体裂缝形成渗流的集中通道,导致管涌的发生,甚至引起坝体的失事破坏。
具体地讲有以下几种情况:一是心、斜墙裂缝漏水。
土石坝的应变分析及稳定分析
土石坝的应变分析及稳定分析关键词：土石坝、应变、蓄水期、稳定性、荷载摘要：我们认为，土石坝应力应变分析中有待解决的问题主要有下列几个方面。
第一是多数的研究限于施工期, 而回避了蓄水期的计算。
但是土石坝是挡水建筑物, 因此可以说, 不解决水对坝体的作用问题就是根本上没有解决问题。
实际上现代设计的高土石坝也多是在初蓄水期发生严重变形甚致破坏的。
此外, 现有计算方法本身也存在许多问题, 例如对于由刚度相差悬殊的几种材料组合的坝型就不能很好适应, 特别当土体中存在混凝土结沟的时候。
但是我们相信, 随着试验和原观测资料的积累及计算技术的发展, 这些问题将会逐步得到决,应力应变分析也一定会在土石坝设计中占据越来越重要的位置, 总有一天设计工作者将能摆脱目前滑坡稳定分析加经验的设计方法, 走上按极限变形和抗裂设计的轨道。
一、蓄水期土石坝工作状态的特点现有的原体观测资料表明, 施工期坝体内的应力主轴的方向变化不大, 坝坡局部偏转较大的地方也不超过15度, 而且大部分区域大小主应力比都在一之间, 也就是说接近于单向压缩状态。
这就意味着, 施工期坝体内的应力状态比较简单, 而月坝体的变形以垂直压缩变形为主。
可是, 一旦受到水的作用, 问题就大大复杂化了。
水对坝体的工作状态的影响表现在三个方面：（1）水平荷载引起的主应力轴偏转；（2）浮托力引起的卸荷作用；（3）土骨架浸水软化引起的附加变形（以下简称浸水变形）。
根据高米的堆石坝模型试验的结果,水平压力与浮托力的共同作用使大范围内应力主轴偏转十几度,并使上游坝壳应力减小,下游坝壳应力加大。
但从应力水平看则是下游降低,上游增高,并在上游坝壳靠心墙处达到破坏状态，形成个相当于主动土压力状态。
同时,国内外大量的观测资料表明,由于水压力及软化变形的共同作用,坝顶既可能向上游位移,也可能向下游位移,而且往往是先向上游,后向下游,同时中心线发生明显的挠曲图。
软化作用还会引起显著的沉降如果仅从浮托力考虑，蓄水时坝顶应当上抬。
土石坝边坡稳定分析与计算方法
土石坝边坡稳定分析与计算方法土石坝作为常见的水利工程构筑物，在防洪、供水、发电等方面发挥着重要的作用。
土石坝边坡稳定性是影响其安全运行的关键因素之一，因此边坡稳定性分析与计算方法十分重要。
本文将介绍土石坝边坡稳定性分析与计算方法的基本理论和应用技术。
一、土石坝边坡稳定性基本理论土石坝边坡稳定性分析的基本理论包括弹性地基理论、破坏力学理论、岩土力学和数值计算方法等。
1.弹性地基理论弹性地基理论是建立在弹性力学基础上的一种土体稳定性分析方法。
其核心思想是将土体与石坝看成一体，在一定的约束条件下，求解土坝体系和地基的弹性应力和应变分布，评估土石坝边坡的稳定性。
这种方法适用于土石坝边坡倾角较小、地基水平变形和竖向应力分布较均匀的情况。
2.破坏力学理论破坏力学理论是通过破裂力学和变形理论相结合的方法，对土石坝边坡的稳定性进行分析。
其核心思想是土体在受力作用下，随着剪切应力和水平应力的增加，会发生变形和破裂，并使边坡处于不稳定状态。
通过破坏力学理论，可以预测土石坝边坡的破坏形式，如滑坡、倾斜、涌浅等。
3.岩土力学岩土力学是土石坝边坡稳定性分析的重要理论基础，它研究土、岩体在地下工程中受力、应力、变形、破坏和稳定性等问题。
其核心思想是通过分析土石坝边坡的岩土力学性质，如强度、压缩模量、剪切模量、抗裂性、渗透性等，预测边坡在不同条件下的稳定性。
4.数值计算方法数值计算方法是通过数学和计算机技术，对复杂的土石坝边坡稳定性问题进行求解的方法。
其核心思想是将边坡分割成若干个小单元，通过模拟不同荷载条件下的应力和变形情况，预测边坡在不同条件下的稳定性。
常用的数值计算方法包括有限元法、有限差分法和边界元法等。
二、土石坝边坡稳定性计算方法1.经验法经验法是一种基于工程经验、检验和修改的方法。
这种方法一般适用于经验较丰富、边坡较小且地质条件比较安全的情况。
其中常用的经验法有刘安钦法、耐均匀法等。
2.解析方法解析方法是通过对已知物理或参考问题进行分析，求解所需要的未知物理的方法。
土石坝稳定分析.ppt
荷载组合 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： •施工期的上、下游坝坡； •稳定渗流期的上、下游坝坡； •水库水位降落期的上游坝坡； •正常运用遇地震的上、下游坝坡。
20.03.2019 2
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 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。
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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。 粘性土在以下情况会产生孔隙水压力：①施工期； ②库水位降落；③地震时附加孔隙水压力。 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。
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二、荷载及荷载组合 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。 湿容重：单位体积中土、水、空气的重量。 饱和容重：水占满了土中的空隙，单位体积内水和土的 重量。 浮容重：土的有效重量，等于饱和容重-1 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：f=γ j 式中γ 为水的容重，j为渗透坡降 渗透压力对边坡稳定不利
土石坝稳定性分析与监测技术研究
土石坝稳定性分析与监测技术研究土石坝作为一种常见的人工坝工程，被广泛应用于水利、环保、能源和交通等领域。
然而，土石坝在长期使用中可能会出现稳定性问题，如滑坡、渗漏和裂缝等，对人们的生命财产安全和环境造成潜在威胁。
因此，对土石坝稳定性进行分析与监测技术的研究具有重要意义。
土石坝稳定性分析是研究土石坝结构是否具有足够的抗滑、抗倾覆和抗压能力的过程。
这一过程通常包括以下几个方面：土石坝的力学特性分析、坝体稳定性分析、滑坡分析以及抗震分析与设计。
首先，土石坝的力学特性分析是对土石材料的力学性质进行研究，包括孔隙比、饱和度、黏聚力和内摩擦角等参数的测定。
这些参数对于土石坝的稳定性具有重要影响。
其次，坝体稳定性分析是通过计算土石坝的滑动力和倾覆力，来评估坝体的稳定性。
滑坡分析是为了识别和预测土石坝可能发生的滑坡形式和程度，从而采取相应的防治措施。
最后，抗震分析与设计是为了保证土石坝在地震作用下能够充分发挥其抵御震害的能力。
土石坝稳定性监测技术是对土石坝运行过程中各种物理量（如温度、应变、压力和位移等）进行实时监测和分析，以判断土石坝是否存在异常情况。
稳定性监测技术广泛应用于土石坝的建设和运维过程中，能够及时发现和处理土石坝的安全问题。
常见的土石坝稳定性监测技术包括激光位移计监测、水平位移测量、孔隙水压力测量和应力监测等。
激光位移计监测技术通过激光束的测量和分析，可实时监测土石坝的位移变化。
水平位移测量技术可以通过测量土石坝结构的水平位置和变形来评估坝体的稳定性。
孔隙水压力测量技术通过在土石坝内部埋设压力传感器，实时监测土石坝内部的水压力变化。
应力监测技术可以通过测量土石坝结构的应变来评估坝体的稳定性。
土石坝稳定性分析与监测技术的研究对于确保土石坝的安全运行具有重要意义。
通过分析土石坝的力学特性和稳定性，可以预先识别潜在的稳定性问题，并采取相应的措施来加固坝体结构。
同时，通过实时监测土石坝的物理量变化，可以及时发现坝体的异常情况，并采取措施进行修复和调整。
土石坝的稳定性评估与加固方案
土石坝的稳定性评估与加固方案土石坝是一种常见的水利工程结构，其主要功能是用于水库的蓄水和控制水流。
然而，在使用过程中，土石坝的稳定性问题一直备受关注。
本文将从土石坝的稳定性评估和加固方案两个方面进行讨论。
首先，土石坝的稳定性评估是确定其是否具备抵御各种外部力的能力。
评估土石坝的稳定性需要考虑多个因素，如坝体材料的力学性质、坝体的几何形状、坝基土的稳定性等。
其中，最重要的因素之一是坝体的材料力学性质。
土石坝的材料力学性质包括坝体内部土石体的强度和变形特性。
强度主要指土石体的抗剪强度和抗压强度，而变形特性则反映了土石体在受力过程中的变形行为。
一般来说，土石坝的抗剪强度越大，抗压强度越高，其稳定性就越好。
此外，土石坝的变形特性也需要被考虑进来。
因为当坝体受到外力作用时，土石体会发生变形，如果变形过大，就会导致坝体的破坏。
除了材料力学性质之外，土石坝的几何形状也会对其稳定性产生影响。
坝体的几何形状决定了坝体内外的应力分布情况。
一般来说，坝体的高宽比越小，坝体的稳定性就越好。
此外，坝体的坡面倾斜度也会影响土石体的稳定性。
如果坡面太陡，就容易发生滑坡等不稳定现象。
此外，坝基土的稳定性也是评估土石坝稳定性的重要因素之一。
坝基土是指土石坝的基础部分，承受着坝体的重力，并将其传递给下方的地基。
如果坝基土的稳定性不好，就会导致土石坝整体的稳定性问题。
因此，在评估土石坝的稳定性时，必须对坝基土的稳定性进行充分考虑。
了解土石坝的稳定性后，接下来就需要制定相应的加固方案。
加固方案的制定需要结合具体的工程实际情况，选择合适的措施进行加固。
常见的土石坝加固方式有以下几种：一种方法是提高土石坝的抗剪强度。
这可以通过在土石体中添加增强材料，如纤维素、聚合物等，来增加坝体的强度。
此外，可以采用加固材料，如钢筋、钢板等，在土石体表面进行包裹或加固，进一步提高土石坝的抗剪强度。
另一种方法是改变土石坝的几何形状。
通过调整坝体的高度、宽度和坡面的倾斜度，可以使土石坝的几何形状更加合理，从而提高其稳定性。
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非常运用条件Ⅱ 1.20(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：
τ c (σ u)tan
粘性土施工期同时采用总应
力法计算：
τ cu σtanu
坡的稳定。
◎二、荷载及荷载组合
• （三）安全系数
按《碾压式土
坝的级别
石坝设计规范》
(274-2001)，坝 正常运用条件
坡抗滑稳定的
安全系数，应
不小于规范规 非常运用条件Ⅰ
定的数值：
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ、Ⅴ
1.50(1.30) 1.35(1.25) 1.30(1.20) 1.25(1.15)
1.30(1.20) 1.25(1.15) 1.20(1.10) 1.15(1.05)
◎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。
◎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。
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
◎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。
◎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
◎ 高等学校 水利水电工程 专业 河北工程大学 水电学院 水利系.
§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
• （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。
粘性土库水位降落期同时采
用总应力计算：
ccu c tan cu
◎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
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。
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。
◎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。
◎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：
Kc
Mr Ms
Wi cositgi Wi sin i
cili
• 有效应力法：
Kc
(Wi cosi uili )tgi Wi sini
cili