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1、4.4 4.4 土石坝的稳定分析土石坝的稳定分析n主要是局部稳定问题；主要是局部稳定问题；n土体的破坏，主要是剪切破坏土体的破坏，主要是剪切破坏 。n分析目的：核算土石坝在自重及各种情况的孔隙压力和外荷载作用下，坝坡是否具有足够的稳定性。坝坡滑动失稳的型式坝坡滑动失稳的型式（1 1）曲线滑动）曲线滑动n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。计算分析时通常简化为一个圆弧面。（2 2）直线和折线滑动面）直线和折线滑动面n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。n在不同土料的分界面，也可能发生直线或折线滑动。（3 3）复式滑动面）复式滑动
2、面 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。荷载荷载n自重自重n渗透动水压力渗透动水压力n孔隙水压力孔隙水压力n地震地震土料抗剪强度指标的选取土料抗剪强度指标的选取n有效应力法有效应力法n总应力法总应力法nP139 P139 表表4-84-8稳定计算情况稳定计算情况1正常运用情况n(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。n(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， 2非常运用情况In(1)施工期，考虑孔隙压力时的上下游坝坡稳定验算。n(2)水库水位非常降落，如自校核洪水降落至死
3、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。 n(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。 3非常运用情况 正常运用情况遇到地震时上下游坝坡稳定验算。 抗滑稳定安全系数的采用抗滑稳定安全系数的采用 碾压式土石坝设计规范碾压式土石坝设计规范SL274SL2742001 2001 8.3.118.3.11条条 当当用计及条块间作用力用计及条块间作用力的计算方法时，坝坡稳定安全的计算方法时，坝坡稳定安全系数应不小于下表规定的数值系数应不小于下表规定的数值n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
4、于1.30，对其他情况应比上表规定值减小8。n第8.3.12条规定 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。坝坡稳定分析方法坝坡稳定分析方法 刚体极限平衡法刚体极限平衡法 分圆弧法和滑分圆弧法和滑楔楔法法一、一、圆弧法圆弧法 假定坝坡滑动面为一圆弧，取圆弧面以上土体作假定坝坡滑动面为一圆弧，取圆弧面以上土体作为分析对象，常用于均质坝、厚心墙坝和厚斜墙坝。为分析对象，常用于均质坝、厚心墙坝和厚斜墙坝。 假设滑动面为一个圆柱面，在剖面上表现为圆弧假设滑动面为一
5、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若干铅直土面。将可能的滑动面以上的土体划分成若干铅直土条，分别计算抗滑力矩与滑动力矩。条，分别计算抗滑力矩与滑动力矩。srMMk=滑动力矩总和抗滑力矩总和1 1、瑞典圆弧法、瑞典圆弧法 目前土石坝设计中坝坡稳定分析的主要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，基本能满方法之一。该方法简单、实用，基本能满足工程精度要求，特别是在中小型土石坝足工程精度要求，特别是在中小型土石坝设计中应用更为广泛。设计中应用更为广泛。不考虑土条之间作用力的影响不考虑土条之间作用力的影响计算步骤计算步骤(1)(1)确定圆心、半径，绘制
6、滑弧。确定圆心、半径，绘制滑弧。(2)(2)将土体分条编号。为便于计算，土条宽取将土体分条编号。为便于计算，土条宽取b b0.1R0.1R( (圆弧半径圆弧半径) )，圆心以下的为，圆心以下的为0 0号土条：向上游为号土条：向上游为1 1，2 2，3 3，向下游为一向下游为一1 1，一，一2 2，一，一3 3，。 若采用若采用b = 0.1R，则，则sin1=0.1, cos1=(1-0.1)在每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，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可将该土条的实际高度换算为等效高度h（h= b
7、h/b）进行计算。）进行计算。(3)计算土条重量 计算抗滑力时，浸润线以上部分用湿容重，浸润线以下部分用浮容重； 计算滑动力时，下游水面与浸润线间用饱和容重。(4)计算安全系数1）有效应力法，且计入地震荷载时R/Msin)Vw(bsecctanQsinubseccos)Vw(kciiiiiiiii2）有效应力法，不计地震荷载时 3）按总应力法计算时iiiiiiiisinwbsecctan)ubseccosw(kiiiiisinwtancoswkiilc2 2、简化的毕肖普法、简化的毕肖普法n基本原理是：考虑了土条水平方向的作用力（即EiEi+10），忽略了竖直方向的作用力（即令Xi=Xi+1=
8、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。n毕肖普法是目前土坝坝坡稳定分析中使用得较多的一种方法。 上式中，两端均含有K，必须用试算法或迭代法求解。n国内外广泛应用的简化毕肖普公式国内外广泛应用的简化毕肖普公式: : n式中：式中：iiiiiiiiaiWbCtgbuWmKsin1Ktgmiiiaisincos一般可先假设一般可先假设K=1K=1代入（代入（2 2）式，试算到相等。）式，试算到相等。，3 3、最危险滑裂面的确定、最危险滑裂面的确定nB.B方捷耶夫法n费兰钮斯法n例题4-1二、折线滑动面法二、折线滑动面法1 1折线滑动部位折线滑动部位 可能发生直线、或折线、或复合面
9、滑动的部位包括： 发生在非粘性土的坝坡中。例如：心墙坝的上、下游坝坡，斜墙坝的下游坝坡等； 发生在两种不同材料的接触面。例如：斜墙坝的上游保护层滑动，斜墙坝的上游保护层连同斜墙一起滑动等。2 2稳定计算方法稳定计算方法 采用滑楔法分析计算。ADC为滑动面（对上游坝坡，折点一般在上游水位对应处），从折点铅直向DE将滑动土体分为两部分：BCDE楔形体和ADE楔形体。 对BCDE楔形体 其作用力主要有：楔形体自重W1、平行于DC的两土块之间的作用力P（ADC楔形体对BCDE楔形体的抗滑力）、土体自重在滑动面DC上产生的摩擦力。则BCDE楔形体沿DC滑动方向的极限平衡方程为0cos1sin111111
10、tgWKWP 对ADE楔形体 其作用力主要有：楔形体自重W2、平行于DC的两土块之间的作用力P（BCDE楔形体作用在ADC楔形体上的滑动力）、土体自重在滑动面AD上产生的摩擦力。 则ADE楔形体沿AD滑动方向的极限平衡方程为：0)cos(sin)sin(1cos1212221222PWtgPKtgWK 联立两式，可求得滑动体的安全系数K和土块间的作用力P1。稳定安全系数确定：稳定安全系数确定： 水位水位 123 3、复合滑动面的稳定分析、复合滑动面的稳定分析n当滑动面通过不同土料时，常有直线与圆弧组合的型式。n当坝基下不深处存在软弱夹层时，滑动面可能通过软弱夹层而形成复合滑动面等。Wn计算时将
11、滑动土体划分为abf、bcef、cde三个区。n取bcef为脱离体，土体abf作用于土体bcef的推力为Pa，土体cde作用于土体bcef的推力为Pn，土体bcef产生的抗滑力为Gtg+cl，则滑动面的稳定安全系数为naPPclWtgK滑动力抗滑力 采用试算法求采用试算法求P Pa a和和P Pn n（1）将土体abf和土体cde分别分成若干条块，假设各条块间的推力近似为水平。（2）先拟定一个安全系数K，推求各条块对下一条块的推力。n对Pa，从左边开始推求，因为最左边的条块的Pa=0；n对Pn；从右边开始推求，因为最右边的条块的Pn =0。（3）将Pa和Pn代入式中，求出滑动面的安全系数K。如果求得的安全系数K与假设的安全系数K不同，则重新假设K，重复计算，直至两者相等为止。（4）为了得出最危险滑动面上的最小安全系数，一般要多假设几个ab弧和cd弧的位置，进行多次试算。提高土石坝坝坡稳定的工程措施提高土石坝坝坡稳定的工程措施n放缓坝坡n提高土石料的填筑标准n坝脚加压重n加强防渗、导渗措施n加固地基