第7章土石坝各运用期的稳定分析 71前言 土石坝作为人工构筑的挡水建筑物,其边坡稳定问题比较典型。坝体和地基在施工期 正常蓄水期、库水位降落期和地震期均存在抗滑稳定问题。在第5、6两章中,分别介绍了 各种工况下抗剪强度和孔隙水压力的确定方法。在正确地确定这些参数的基础上,根据实际 情况采用总应力法或有效应力法进行边坡稳定分析,所得到边坡稳定安全系数,可用于评价 边坡在这些运用条件下的稳定性。本章拟利用实际工程的算例来介绍进行稳定分析的步骤 7.2施工期 7.2.1概述 土石坝施工期的边坡稳定问题,包括坝体和地基两个方面: Ⅰ)斜墙坝的上游坡,水力冲填坝和均质坝的上、下游坝坡,由于施工期坝体内孔隙水 压力未获得充分消散,可能发生滑坡 2)在饱和的软弱粘性土上修堤或坝,地基在承受荷载时,孔隙水压力增加,因而发生 滑坡。 总应力法和有效应力法都是施工期稳定分析的常用方法 7.2.2总应力法 用总应力法分析时,坝体防渗土的抗剪总强度按规范规定由下式确定 用“Q剪”确定cm和φm。试验时采用的试样应与现场的土具有相同的压实功能、干容 重和含水量 如532节所述,当应力较小时,不固结不排水强度指标比排水试验强度还高的问题 这部分区域示于坝体中如图58中阴影所示区域。为保守计,宜采用组合强度包线,如图59b) 所示。 对充分饱和的地基进行总应力法分析,应采用固结不排水强度指标。在第5章中已讨论 过,此时更宜采用地基土原位试验成果,用现场的十字板试验来确定其抗剪总强度qa。此 寸φ=0°,c按下式确定: 在使用STAB程序进行施工期边坡稳定分析时,如果使用式(7.1)进行总应力法计算,则
第7章 土石坝各运用期的稳定分析 7. 1 前言 土石坝作为人工构筑的挡水建筑物 其边坡稳定问题比较典型 坝体和地基在施工期 正常蓄水期 库水位降落期和地震期均存在抗滑稳定问题 在第 5 6 两章中 分别介绍了 各种工况下抗剪强度和孔隙水压力的确定方法 在正确地确定这些参数的基础上 根据实际 情况采用总应力法或有效应力法进行边坡稳定分析 所得到边坡稳定安全系数 可用于评价 边坡在这些运用条件下的稳定性 本章拟利用实际工程的算例来介绍进行稳定分析的步骤 7. 2 施工期 7. 2. 1 概述 土石坝施工期的边坡稳定问题 包括坝体和地基两个方面 1) 斜墙坝的上游坡 水力冲填坝和均质坝的上 下游坝坡 由于施工期坝体内孔隙水 压力未获得充分消散 可能发生滑坡 2) 在饱和的软弱粘性土上修堤或坝 地基在承受荷载时 孔隙水压力增加 因而发生 滑坡 总应力法和有效应力法都是施工期稳定分析的常用方法 7. 2. 2 总应力法 用总应力法分析时 坝体防渗土的抗剪总强度按规范规定由下式确定 (7.1) uu uu τ = c +σ tanφ 用 Q 剪 确定 cuu和φuu 试验时采用的试样应与现场的土具有相同的压实功能 干容 重和含水量 如 5.3.2 节所述 当应力较小时 不固结不排水强度指标比排水试验强度还高的问题 这部分区域示于坝体中如图5.8中阴影所示区域 为保守计 宜采用组合强度包线 如图5.9(b) 所示 对充分饱和的地基进行总应力法分析 应采用固结不排水强度指标 在第 5 章中已讨论 过 此时更宜采用地基土原位试验成果 用现场的十字板试验来确定其抗剪总强度 qcu 此 时φ =0° c 按下式确定 2 cu q c = τ = (7.2) 在使用 STAB 程序进行施工期边坡稳定分析时 如果使用式(7.1)进行总应力法计算 则
182土质边坡稳定分析—原理·方法·程序 只需将孔隙水压设为零,使用cm和φm进行常规的计算即可。如果使用式(72)进行总应力 法计算,则qa是一个在地基内随深度变化的数值。考虑到地基土在不同位置的变异特性, qan实际上是xy两个坐标值的函数,因此,STAB程序专门提供了对qa进行内插的功能 7.23有效应力法 用有效应力法进行计算时,抗剪强度由下式确定: T=c'+(o-u)tanφ" 其中c'和φ原则上应通过“Q剪”来确定。但因不饱和土的孔隙水压力测量精度不高,故 一般情况下,可用“S剪”的指标 用有效应力法计算时关键问题是确定孔隙水压力,确定方法已在第6章中讨论。一旦孔 压确定后,应将其用网格的形式输入计算机。计算中,再通过内插来确定滑面上各点的孔压。 STAB程序用于内插孔压和内插qa的子程序实际上是一个。此外,还可以通过施工期实测 孔隙水压力进行稳定分析。 [例71]小浪底大坝施工期的稳定分析 1.基本情况 小浪底水利枢纽工程位于洛阳市以北黄河干流最后一个峡谷出口,为一防洪、减淤、灌 溉、发电等综合利用的大型水利枢纽。最大坝高167m,覆盖层最深达70m,为斜墙堆石坝。 大坝典型剖面见第六章图6.5。工程位于7度地震区,按8度设防。小浪底大坝的这些特点 决定了在其各设计阶段均需复核施工期、正常运用期、库水位骤降期和地震期的稳定性。因 而这是一个典型的稳定分析问题的实例,将在本章重点介绍 作为防渗体的斜墙称1区,对其物理力学特性曾分阶段作过系统的试验研究 2.土料指标 各种材料物理力学参数采用值见表7.1。由于上游侧坝体具有较复杂的分区剖面,因此 沿坝体内的滑裂面采用了任意形状但体形光滑。同时,由于坝基存在倾向下游的缓倾角软弱 夹层,故也进行了沿该夹层的折线形滑裂面的稳定分析。 表7.1小浪底筑坝材料及坝基材料抗剪强度采用值 筑坝材料 容重kNm3) 抗剪强度 湿容重 饱和容重摩擦角φ(°)凝聚力(kPa) 1区CD有效强度 194 1B区CU总强度 20.3 总强度 74 2A、2B、2C、3、4A、4B区21.1 21.7 河床砂卵石 222 22.2 33 0 淤积物 砂岩 T1岩层顶面夹泥 20.7 14.04 3.施工期总应力法稳定分析
182 土质边坡稳定分析 原理 ⋅ 方法 ⋅ 程序 只需将孔隙水压设为零 使用 cuu 和φuu 进行常规的计算即可 如果使用式(7.2) 进行总应力 法计算 则 qcu是一个在地基内随深度变化的数值 考虑到地基土在不同位置的变异特性 qcu实际上是 x,y 两个坐标值的函数 因此 STAB 程序专门提供了对 qcu进行内插的功能 7. 2. 3 有效应力法 用有效应力法进行计算时 抗剪强度由下式确定 τ = c′ + (σ − u) tanφ ′ (7.3) 其中 c′ 和φ′ 原则上应通过 Q′剪 来确定 但因不饱和土的孔隙水压力测量精度不高 故 一般情况下 可用 S 剪 的指标 用有效应力法计算时关键问题是确定孔隙水压力 确定方法已在第 6 章中讨论 一旦孔 压确定后 应将其用网格的形式输入计算机 计算中 再通过内插来确定滑面上各点的孔压 STAB 程序用于内插孔压和内插 qcu 的子程序实际上是一个 此外 还可以通过施工期实测 孔隙水压力进行稳定分析 [例 7.1] 小浪底大坝施工期的稳定分析 1. 基本情况 小浪底水利枢纽工程位于洛阳市以北黄河干流最后一个峡谷出口 为一防洪 减淤 灌 溉 发电等综合利用的大型水利枢纽 最大坝高 167m 覆盖层最深达 70m 为斜墙堆石坝 大坝典型剖面见第六章图 6.5 工程位于 7 度地震区 按 8 度设防 小浪底大坝的这些特点 决定了在其各设计阶段均需复核施工期 正常运用期 库水位骤降期和地震期的稳定性 因 而这是一个典型的稳定分析问题的实例 将在本章重点介绍 作为防渗体的斜墙称 1 区 对其物理力学特性曾分阶段作过系统的试验研究 2. 土料指标 各种材料物理力学参数采用值见表 7.1 由于上游侧坝体具有较复杂的分区剖面 因此 沿坝体内的滑裂面采用了任意形状但体形光滑 同时 由于坝基存在倾向下游的缓倾角软弱 夹层 故也进行了沿该夹层的折线形滑裂面的稳定分析 表 7. 1 小浪底筑坝材料及坝基材料抗剪强度采用值 筑坝材料 容重(kN/m3 ) 抗剪强度 湿容重 饱和容重 摩擦角φ (°) 凝聚力(kPa) 1区 1B区 CD有效强度 CU总强度 UU总强度 19.6 20.3 19.4 14 7.4 20 25 73 2A 2B 2C 3 4A 4B区 21.1 23 40 0 5区 20.8 21.7 28 30 河床砂卵石 22.2 22.2 33 0 淤积物 17.6 17.6 0 0 砂岩 26 26 35 0 T1 1 岩层顶面夹泥 20.1 20.7 14.04 5 3. 施工期总应力法稳定分析
第7章土石坝各运用期的稳定分析183 在进行施工期稳定分析时考虑库水位随坝体一起升高,采用表7.1中UU指标。沿坝体 内滑动复核了相应库水位230m,250m,265m的工况,安全系数分别为1.707、1.963和2190。 这三个工况的临界滑裂面在图71(a中分别用11、12、13代表。沿软弱夹层滑动相应库水位 为230m和250m,安全系数分别为1424和1436,这两个工况的临界滑裂面在图7.l(b)中 分别用y4和y5代表 1小浪底大坝施工期总应力边坡稳定分析 (a)沿坝体内部;(b)沿软弱夹层 4.施工期有效应力法稳定分析 在第63.3节中,介绍了小浪底大坝在施工期采用比奧理论进行孔隙水压力消散分析计 算的成果,利用此成果进行施工期的稳定分析时,需采用线性和非线性强度指标,其安全系 数分别为2430和2617。相应的数据文件为X250-1和X250-2。 从上述分析中可知,小浪底大坝上游坝坡的稳定安全具有较大的储备。 例72]斯里兰卡金河防洪堤施工期的稳定分析。 该工程BR-8段典型剖面如第三章图36所示。地基为充分饱和的泥炭和软粘土,压缩 性极大,施工时曾多次发生滑坡。在施工过程中,进行了孔隙水压力现场观测,然后根据这 些资料画出孔隙水压力等值线图,同时也采用差分法进行太沙基固结理论的孔隙水压力消散 计算,与实测资料很接近。表72为金河土堤BR-8段滑坡的安全系数核算结果 由于软基受荷后沉陷量大,核算稳定时宜采用变形后的断面(见第三章图36),这样, 可以得到较合理的结果。 土堤滑动时堤顶出现裂缝,计算时计及这个裂缝,并考虑缝中水平的水压力,结果较合 理。 本实例地基为泥炭土,渗透系数较大,故孔压消散、有效应力增加后总强度有所提高 天然状态和破坏前夕十字板强度差别较大。采用总应力法进行稳定分析宜考虑这个因素 从计算结果看,采用毕肖普法,用实测孔隙水压力进行有效应力法分析,安全系数接近 于1
第 7 章 土石坝各运用期的稳定分析 183 在进行施工期稳定分析时考虑库水位随坝体一起升高 采用表 7.1 中 UU 指标 沿坝体 内滑动复核了相应库水位 230m, 250m, 265m 的工况 安全系数分别为 1.707 1.963 和 2.190 这三个工况的临界滑裂面在图 7.1(a)中分别用 11 12 13 代表 沿软弱夹层滑动相应库水位 为 230m 和 250m 安全系数分别为 1.424 和 1.436 这两个工况的临界滑裂面在图 7.1(b)中 分别用 y4 和 y5 代表 图 7. 1 小浪底大坝施工期总应力边坡稳定分析 (a) 沿坝体内部 (b) 沿软弱夹层 4. 施工期有效应力法稳定分析 在第 6.3.3 节中 介绍了小浪底大坝在施工期采用比奥理论进行孔隙水压力消散分析计 算的成果 利用此成果进行施工期的稳定分析时 需采用线性和非线性强度指标 其安全系 数分别为 2.430 和 2.617 相应的数据文件为 X250−1和 X250−2 从上述分析中可知 小浪底大坝上游坝坡的稳定安全具有较大的储备 [例 7.2] 斯里兰卡金河防洪堤施工期的稳定分析 该工程 BR−8 段典型剖面如第三章图 3.6 所示 地基为充分饱和的泥炭和软粘土 压缩 性极大 施工时曾多次发生滑坡 在施工过程中 进行了孔隙水压力现场观测 然后根据这 些资料画出孔隙水压力等值线图 同时也采用差分法进行太沙基固结理论的孔隙水压力消散 计算 与实测资料很接近 表 7.2 为金河土堤 BR−8 段滑坡的安全系数核算结果 由于软基受荷后沉陷量大 核算稳定时宜采用变形后的断面 见第三章图 3.6 这样 可以得到较合理的结果 土堤滑动时堤顶出现裂缝 计算时计及这个裂缝 并考虑缝中水平的水压力 结果较合 理 本实例地基为泥炭土 渗透系数较大 故孔压消散 有效应力增加后总强度有所提高 天然状态和破坏前夕十字板强度差别较大 采用总应力法进行稳定分析宜考虑这个因素 从计算结果看 采用毕肖普法 用实测孔隙水压力进行有效应力法分析 安全系数接近 于 1
184土质边坡穗定分析一原理·方法·程序 表72斯里兰卡金河土堤BR8段实际滑坡的安全系数核算结果 计算方法 强度指标 计算条件 安全系数 身无裂缝 填土前,实测天然地基十字堤中心有裂缝 1.21 板强度平均值 堤中心有裂缝,缝内有水压力1.15 堤身无裂缝 总应力法 破坏前夕,实测地基十字板堤中心有裂缝 1.36 强度平均值 堤中心有裂缝,缝内有水压力1.30 堤身无裂缝 破坏前夕,实测地基十字板堤中心有裂缝 1.18 强度小值平均值 堤中心有裂缝,缝内有水压力1.0 瑞典法c=0 堤身无裂缝 堤中心有裂缝 有效应 堤中心有裂缝,缝内有水压力0.56 力法毕肖普法c=0 堤身无裂缝 19 是中心有裂缝 堤中心有裂缝,缝内有水压力0.98 [例73]蒲城电厂张家沟灰坝施工期的稳定分析。 蒲城电厂张家沟灰坝建于黄土塬侵蚀沟谷中,初期拟修一个高20m的均质坝,中期坝 高为40m,最终增高到90m。典型断面如图72示。 5470 块石护坡厚500 碾压灰渣 无纺布反滤 块石护坡厚500 无纺布反滤层 碎石垫层 碎石斜墙 砂井 了366 图72蒲城电厂张家沟灰坝剖面(长度单位:mm:高程单位:m) 坝基为饱和淤泥质亚粘土。这是一个采用比奥固结理论进行孔隙水压力消散计算,然后 采用有效应力强度指标进行土石坝施工期稳定分析的例子。在初设阶段曾计算了4个方案, 以比较各方案对灰坝稳定性的影响。这4个方案是 1)地基不作任何处理 2)坝下设5m碎石垫层 3)设2.5m碎石垫层 4)垫层加排水砂井 图7.3示采用比奥理论计算终期坝(坝高90m)孔压分布值
184 土质边坡稳定分析 原理 ⋅ 方法 ⋅ 程序 表 7. 2 斯里兰卡金河土堤 BR-8 段实际滑坡的安全系数核算结果 计算方法 强度指标 计算条件 安全系数 堤身无裂缝 1.33 填土前 实测天然地基十字 堤中心有裂缝 1.21 板强度平均值 堤中心有裂缝 缝内有水压力 1.15 堤身无裂缝 1.33 破坏前夕 实测地基十字板 堤中心有裂缝 1.36 强度平均值 堤中心有裂缝 缝内有水压力 1.30 堤身无裂缝 1.23 破坏前夕 实测地基十字板 堤中心有裂缝 1.18 总应力法 强度小值平均值 堤中心有裂缝 缝内有水压力 1.02 c′ 0 堤身无裂缝 0.81 堤中心有裂缝 0.59 瑞典法 φ′ 35° 堤中心有裂缝 缝内有水压力 0.56 c′ 0 堤身无裂缝 1.19 堤中心有裂缝 1.03 有效应 力法 毕肖普法 φ′ 35° 堤中心有裂缝 缝内有水压力 0.98 [例 7.3] 蒲城电厂张家沟灰坝施工期的稳定分析 蒲城电厂张家沟灰坝建于黄土塬侵蚀沟谷中 初期拟修一个高 20m 的均质坝 中期坝 高为 40m, 最终增高到 90m 典型断面如图 7.2 示 图 7. 2 蒲城电厂张家沟灰坝剖面 长度单位 mm 高程单位 m 坝基为饱和淤泥质亚粘土 这是一个采用比奥固结理论进行孔隙水压力消散计算 然后 采用有效应力强度指标进行土石坝施工期稳定分析的例子 在初设阶段曾计算了 4 个方案 以比较各方案对灰坝稳定性的影响 这 4 个方案是 1) 地基不作任何处理 2) 坝下设 5m 碎石垫层 3) 设 2.5m 碎石垫层 4) 垫层加排水砂井 图 7.3 示采用比奥理论计算终期坝 坝高 90m 孔压分布值
第7章土石坝各运用期的稳定分析185 终期坝 孔压(方案1,第11步) 图73蒲城电厂张家沟灰坝坝基孔压分析成果(单位:kPa) 采用了表73,74所示强度参数,相应地基不作任何处理的工况,对初期坝、中期坝、 终期坝用 Bishop法获得的临界圆弧滑裂面分别如图74a,(b)和c所示,相应安全系数分别 为0.954,0805和0.741。其它工况计算成果参见第131节。 袤73十字板强度如下(单位:kPa) 情况表层粘性土 泥炭质软粘土 ② 196 24.8 178(上部),13.8(下部) 14l(上部),114(下部 表7.4蒲城电厂张家沟灰坝基本材料特性指标 干容重含水量饱和容重饱和度有效强度指标总强度指标 Ya(kN/m) w(%) Sar(kN/m)S(%) c(kPa)o() Ca(kPa)eoo) 地I 30.05 20.9 30.05 初期坝170 172 199 8 17.6 .7 30.0 分析表明采用水平垫层和竖直砂井均可有 效地降低孔隙水压力,因而使稳定安全系数提 高到1.1以上,最终采用了水平垫层方案,该 工程运行情况良好 7.3稳定渗流期 稳定渗流期下游坝坡的稳定往往是复核的 重点;上游坝坡滑动的情况比较少见,但在地 震情况下,也需仔细校核其稳定性。稳定渗流 114(m 期属于“长期”边坡稳定问题。坝体内孔隙水 压力通过稳定渗流方法即可较为准确地确定, 其抗剪强度通常使用固结排水的试验指标。由 于孔压和强度的确定都比较明确,一般不使用 图7.4蒲城电厂张家沟灰坝稳定分析成果之一 (地基不作处理工况) 总应力法。本节仅对采用非线性强度指标稳定 (a)初期坝:(b)中期坝;(c)终期坝 采用非线性强度指标进行稳定分析时,遇到一个问题,就是滑裂面上的应力状态在安全
第 7 章 土石坝各运用期的稳定分析 185 图 7. 3 蒲城电厂张家沟灰坝坝基孔压分析成果 单位 kPa 采用了表 7.3 7.4 所示强度参数 相应地基不作任何处理的工况 对初期坝 中期坝 终期坝用 Bishop 法获得的临界圆弧滑裂面分别如图 7.4(a), (b)和(c)所示 相应安全系数分别 为 0.954, 0.805 和 0.741 其它工况计算成果参见第 13.1 节 表 7. 3 十字板强度如下(单位 kPa) 情 况 表层粘性土 泥 炭 泥炭质软粘土 12.2 13.3 11.9 19.6 24.8 17.8(上部) 13.8(下部) 14.0 17.7 14.1(上部) 11.4(下部) 表 7. 4 蒲城电厂张家沟灰坝基本材料特性指标 干容重 含水量 饱和容重 饱和度 有效强度指标 总强度指标 γd (kN/m3 ) w (%) γsat (kN/m3 ) Sr (%) c′ (kPa) φ′(°) Ccu (kPa) φcu (°) 地 I 15.9 24.5 19.8 100 15 30.0 5 18 基 II 17.0 20.9 20.6 100 40 30.0 5 18 初期坝 17.0 17.2 19.9 82 30 28 8 21 垫层 17.6 5.0 18.5 26.7 0 30.0 0 30 灰体 9.0 30 11.7 47.2 20 31.0 7 23 分析表明采用水平垫层和竖直砂井均可有 效地降低孔隙水压力 因而使稳定安全系数提 高到 1.1 以上 最终采用了水平垫层方案 该 工程运行情况良好 7. 3 稳定渗流期 稳定渗流期下游坝坡的稳定往往是复核的 重点 上游坝坡滑动的情况比较少见 但在地 震情况下 也需仔细校核其稳定性 稳定渗流 期属于 长期 边坡稳定问题 坝体内孔隙水 压力通过稳定渗流方法即可较为准确地确定 其抗剪强度通常使用固结排水的试验指标 由 于孔压和强度的确定都比较明确 一般不使用 总应力法 本节仅对采用非线性强度指标稳定 分析 图 7. 4 蒲城电厂张家沟灰坝稳定分析成果之一 地基不作处理工况 (a) 初期坝 (b) 中期坝 (c) 终期坝 的采具用非线体步骤性强作度指标介绍进行陈祖煜稳定分1990 析时 遇到一个问题 就是滑裂面上的应力状态在安全