土石坝的稳定分析.
土石坝的稳定分析
本节主要介绍土石坝构造稳定中最为重要的、也是最 为常见的失稳型式：坝坡滑动稳定问题。
〔二〕土石坝坝坡滑动失稳的型式 土石坝坝坡滑动失稳，简称滑坡，其型式与坝体构造、
复式滑动面示意图
4.5.2土料抗剪强度指标的选取
土的抗剪强度指标主要指总抗剪强度指标〔凝聚力c和 内摩擦角〕和有效抗剪强度指标〔〔凝聚力和内摩擦 角〕。通常可以采用室外原位测试方法测定，或室内 剪切试验方法确定。
室内抗剪强度指标测定方法有3种：不排水剪、固结不 排水剪和排水剪。
?SL274－2001 碾压式土石坝设计标准?第8.3.5条中规 定：土的抗剪强度指标应采用三轴仪测定。对3级以下 的中坝，可用直接慢剪试验测定土的有效强度指标； 对 渗 透 系 数 很 小 〔 小 于 10 － 7cm/s〕 或 压 缩 系 数 很 小 〔小于0.2MPa-1〕的土，也可采用直接快剪试验或固 结快剪试验测定其总强度指标。
4.5.4坝坡稳定分析方法
一、圆弧滑动面稳定计算
1. 瑞典圆弧法
瑞典圆弧法是目前土石坝设计中
坝坡稳定分析的主要方法之一。该方法
简单、实用，根本能满足工程精度要求，
特别是在中小型土石坝设计中应用更为
广泛。
瑞典圆弧法
1．根本思路 假设滑动面为一个圆柱面，在剖面上表现为圆弧面。
将可能的滑动面以上的土体划分成假设干铅直土条， 不考虑土条之间作用力的影响，作用在土条上的力主 要包括：土条自重、土条底面的凝聚力和摩擦力。 瑞典圆弧法平安系数定义为：土条在滑动面上所提供 的抗滑力矩与滑动力矩之比。
例如：厚心墙坝的滑动面，通过砂性土的局部 为直线，通过粘性土的局部为圆弧；
基于ABAQUS的某土石坝坝坡稳定性分析
1引言土石坝稳定性分析常用的方法主要是极限平衡法和有限元法。
极限平衡法以毕肖普法、摩根斯顿-普赖斯法、Spencer法、Sarma法、楔形体法等[1-4]为代表，有限元法以强度折减法[5]为代表。
随着土地本构模型（摩尔库仑模型、邓肯张模型、Drucker-Prager模型等）理论应用成熟和有限元软件开发应用，强度折减法越来越多地应用到工程实际，为工程设计提供印证，如边坡、坝坡、隧道、基坑等有限元分析，并趋于成熟。
近年来，国内学者对强度折减法的应用开展了大量工作：李小春[6]采用强度折减法对边坡的多滑面进行了模拟，认为该方法得到的多级滑动面与现场监测数据吻合较好。
王曼等[7]采用ABAQUS软件的强度折减法分析了边坡的稳定性，确认其计算结果的合理性。
王作伟等人[8]采用强度折减方法计算了边坡的极限上限，对比验证强度折减法与传统极限平衡法具有良好的适应性。
雷艳等[9]采用强度折减法对土石坝坝坡进行稳定分析，得出的安全系数与塑型区域可为工程提供借鉴。
以上研究均取得了较好的研究成果，表明强度折减法用于工程实际分析边坡、坝坡稳定性是可行合理的。
故本文基于以上研究，采用ABAQUS软件结合强度折减法对某均质土石坝进行稳定性分析计算，并从水利工程建设管理的角度，浅析建设管理对工程质量的控制。
2强度折减法所谓强度折减法是指给一强度折减系数F r[10]，采用公式（1）和（2）将土体抗剪强度指标进行降低，导致土体逐渐失稳，土体单元发生塑性变形，当临界失稳时，折减系数就是边坡对应的安全系数。
具体公式如下所示：c m=c/F r（1）φm=arctan（tanφ/F r）（2）式中，c和φ为土体的抗剪强度指标（粘聚力和内摩擦角）；c m和φm是折减后的抗剪强度；F r是强度折减系数。
强度折减法精髓在于降低土地的抗剪强度指标，使土地单元应力不能配套而失稳。
3土石坝稳定性分析某均质土石坝，最大坝高100m，正常蓄水位在坝高90m处，坝顶宽8m，上下游坡比为1∶3√，坝体材料密度为2200kg/m3，强度参数如表1所示。
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。
14
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。
7
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
12
最危险圆弧位置的确定
13
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
15
斜墙坝上游坝坡的稳定计算
最危险滑动面位置的确定
16
3、复合滑动面法
k
第四节土石坝的稳定分析
第五节 土料选择与填土标准确定
一、筑坝材料选择
▪ 坝址附近各种天然土石料和枢纽建筑物开挖 料的性质、种类、储量、运距等因素。
1．筑坝土石料选择的原则
选择筑坝土石料应遵循下列原则： （1）具有（或经加工后具有）与其使用目的相
适应的工程特性和长期稳定性； （2）就地、就近取材，减少弃料，少占或农田，
第四节 土石坝的稳定分析
3．复合滑动面的坝坡稳定计算
▪ 如图5-24所示，坝坡的任一滑动面abcd，其中ab、 cd为圆弧滑动面。分析的思路是将滑动体分为三个 区域，土块abf的推动力为，cde的阻滑力为，分别 作用在fb和ec面上，土块bcef产生的阻滑力为，作 用在bc面上，建立稳定极限平衡方程式为:
P1
W1 sin1
W1 cos1
tg1
K
0
P1 cos(1
2 ) W1 sin 2
P1 sin(1
2
)
tg
K
2
W2 cos 2
tg 2
K
0
联解两式可求出安全系数 K
第四节 土石坝的稳定分析
▪ 解：首先固定水位在12.0m，取滑动面折点D设在与 上游水位附近，假设α1=40 度，α2=14度，作出滑 动面ADE。取D点垂线将滑动土体分为DCE和ADC两 条块，条块间相互作用力按平行ED面方向假定，并计 算两条块土重分别为W1=5552.3KN； W2=16836.1KN(水上部分取湿重，水下部分取浮 重)。把α1、α2、tgφ1、tgφ2代入式（5-34）和 （5-P31 5）35可68得.9 ：30K90.2 0
Wi sini
第四节 土石坝的稳定分析
α α
xi
O
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。
3.4土石坝的稳定分析.
2）有效应力法，不计地震荷载时
k [(wicosi ubseci )tani' ci' bseci ] wisini
3）按总应力法计算时
k wicositani cili
w is ini
2、简化的毕肖普法
基本原理是：考虑了土条水平方向的作用力 （即Ei≠Ei+1≠0），忽略了竖直方向的作用 力（即令Xi=Xi+1=0）。由于忽略了竖直方向 的作用力，因此称为简化的毕肖普法。
当用计及条块间作用力的计算方法时，坝坡稳定安全系 数应不小于下表规定的数值
坝坡抗滑稳定最小安全系数
运用条件
工程
1
2
正常运用条件
1.5
1.35
非常运用条件Ⅰ 1.3
1.25
非常运用条件Ⅱ 1.2
1.15
等级 3
1.3 1.2 1.15
4、5 1.25 1.15 1.1
第8.3.11条规定
采用不计条间作用力的瑞典圆弧法计算坝 坡抗滑稳定安全系数时，对1级坝正常运用条 间最小安全系数应不小于1.30，对其他情况应 比上表规定值减小8％。
不考虑土条之间作用力的影响
计算步骤
(1)确定圆心、半径，绘制滑弧。 (2)将土体分条编号。为便于计算，土条宽取b＝0.1R (圆弧半径)，圆心以下的为0号土条：向上游为1，2，
3，…向下游为一1，一2，一3，…。
若采用b = 0.1R，则sinα1=0.1, cosα1=(1-0.1)……在每 个滑弧计算时均为固定值，可使计算工作简化。当端土条宽度时， 可将该土条的实际高度换算为等效高度h（h= b’h’/b）进行计算。
（2）直线和折线滑动面
非粘性土边坡中，滑动面一般为直线；当坝体 的一部分淹没在水中时，滑动面可能为折线。
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特殊 组合
校核洪水
正常运用+地震
1.2
1.1
1.15
1.05
1.1
1.05
1.05
1.0
上表中的安全系数适用于采用不计条间作用力的瑞典圆弧法 计算的情况。
对于1、2级高坝以及复杂条件情况，可采用计入条间 作用力的毕肖普法或其他较为严格的方法。此时，表 中的安全系数应提高5％～10％，且对1级大坝，在正 常运用条件下的安全系数不应小于1.5。
曲线滑动示意图
（2）直线和折线滑动面（如图所示） 在均质的非粘性土边坡中，滑动面一般为直线；当坝 体的一部分淹没在水中时，滑动面可能为折线。 在不同土料的分界面，也可能发生直线或折线滑动。
直线和折线滑动面示意图
（3）复式滑动面（如图所示） 复式滑动面是同时具有粘性土和非粘性土的 土坝中常出现的滑动面型式。复式滑动面比较 复杂，穿过粘性土的局部地段可能为曲线面， 穿过非粘性土的局部地段则可能为平面或折线 面。在计算分析时，通常根据实际情况对滑动 面的形状和位置进行适当的简化。
复式滑动面示意图
4.5.2土料抗剪强度指标的选取
土的抗剪强度指标主要指总抗剪强度指标（凝聚力c和 内摩擦角）和有效抗剪强度指标（（凝聚力和内摩擦 角）。通常可以采用室外原位测试方法测定，或室内 剪切试验方法确定。 室内抗剪强度指标测定方法有3种：不排水剪、固结不 排水剪和排水剪。 《SL274－2001 碾压式土石坝设计规范》第8.3.5条中 规定：土的抗剪强度指标应采用三轴仪测定。对3级以 下的中坝，可用直接慢剪试验测定土的有效强度指标； 对渗透系数很小（小于 10 － 7cm/s ）或压缩系数很小 （小于0.2MPa-1）的土，也可采用直接快剪试验或固结 快剪试验测定其总强度指标。 《SL274 － 2001 碾压式土石坝设计规范》附录四中第 D.1.1条规定了不同时期（施工期、稳定渗流期和水库 水位降落期）、不同土类的抗剪强度指标的测定方法 和计算方法。
（二）土石坝坝坡滑动失稳的型式 土石坝坝坡滑动失稳，简称滑坡，其型式与坝体结构、 土料和地基的性质、坝的工作条件等密切相关。坝坡 可能的滑动型式大体上可以归纳为以下3种： （1）曲线滑动（如图所示） 曲线滑动的滑动面是一个顶部稍陡而底部渐缓的曲面， 多发生在粘性土坝坡中。在计算分析时，通常简化为 一个圆弧面。
规范二：《SL274－2001 碾压式土石坝 设计规范》 《SL274－2001 碾压式土石坝设计规范》 第8.3.9条规定：对于均质坝、厚斜墙坝 和厚心墙坝，宜采用计及条间作用的简 化毕肖普法；对于有软弱夹层、薄斜墙 坝的坝坡稳定分析及其他任何坝型，可 采用满足力和力矩平衡的摩根斯顿－普 赖斯等滑楔法。 按简化毕肖普法计算时的容许最小抗滑 稳定安全系数见课本P119 表4-9
土石坝的局部失稳一般表现为三种型式： 滑坡、 塑性流动、 液化
塑性流动是指由于坝体或坝基内局部地区的剪应力超 过土料的抗剪强度，变形超过弹性限值，使坝坡或坝 基发生过大的局部变形，从而引起裂缝或沉陷。塑性 流动可能发生在设计不良的软粘性土的坝体或坝基中。 液化是指饱和无粘性土体（特别是砂质土体）在动荷 载（如地震荷载）等因素的作用下，孔隙水压力突然 升高，土粒间的有效压力则随之减小，甚至趋近于零， 土体完全丧失抗剪强度和承载能力，成为如粘滞的液 体一样的现象。液化失稳一般发生在均匀细砂土的坝 体或坝基中。 关于塑性流动和液化失稳的进一步知识，请同学们参 考有关文献，如：天津大学祁庆和教授主编的《水工 建筑物》教材，以及有关《土力学》书籍。 本节主要介绍土石坝结构稳定中最为重要的、也是最 为常见的失稳型式：坝坡滑动稳定问题。
4.5.3稳定计算情况和安全系数的采用
一、稳定计算情况 1．正常运用情况
(1)上游为正常蓄水位，下游为最低水位，或上游为设计洪水 位，下游为相应最高水位，坝内形成稳定渗流时，上下游坝 坡稳定验算。 (2)水库水位处于正常和设计水位之间范围内的正常性降落， (1)施工期，考虑孔隙压力时的上下游坝坡稳定验算。 (2)水库水位非常降落，如自校核洪水降落至死水位以下，以 及大流量快速泄空等情况下的上游坝坡稳定验算。 ’ (3)校核洪水位下有可能形成稳定渗流时的下游坝坡稳定验算。
《SL274－2001 碾压式土石坝设计规范》第 8.3.11条还规定：采用不计条间作用力的瑞典 圆弧法计算坝坡抗滑稳定安全系数时，对1级 坝正常运用条间最小安全系数应不小于1.30， 对其他情况应比上表规定值减小8％。 《SL274－2001 碾压式土石坝设计规范》第 8.3.12条还规定：采用滑楔法进行稳定计算时， 如假设滑楔之间作用力平行于坡面和滑底斜面 的平均坡度，安全系数应满足上表中的规定； 若假设滑楔之间作用力为水平方向，安全系数 应满足上述第8.3.11条的规定。
4.5.4坝坡稳定分析方法
一、圆弧滑动面稳定计算
1. 瑞典圆弧法 瑞典圆弧法是目前土石坝设计中坝坡稳定 分析的主要方法之一。该方法简单、实用， 4.5土石坝的稳定分析
4.5.1、概述
（一）土石坝的失稳型式 分析：
土石坝依靠土体颗粒之间的摩擦力来维持稳定。摩尔认为： 土体的破坏，主要是剪切破坏，即：一旦土体内任一平面上 的剪应力达到或超过了土体的抗剪强度时，土体就发生破坏。 土石坝体积肥大，如果土石坝的局部稳定性能能得到保证， 则其整体稳定性也就能得到保证。因此，土石坝的稳定性问 题主要是局部稳定问题。如果局部稳定得不到保证，或者局 部失稳现象得不到控制，任其逐渐发展，也可能导致整体失 稳破坏。
2．非常运用情况I
3．非常运用情况Ⅱ 正常运用情况遇到地震时上下游坝坡稳定验算。
二、抗滑稳定安全系数的采用 规范一：《DL5180-2003 水电枢纽工程等级划分及设 计安全标准》 按瑞典圆弧法计算时的容许最小抗滑稳定安全系数
运行条件 1 基本组合 1.3 拦河坝的级别 2 1.25 3 1.2 4、5 1.15