土石壩滲流與穩(wěn)定

1、 第四節(jié)第四節(jié) 土石壩的滲流分析土石壩的滲流分析 散粒體的滲流散粒體的滲流：水庫(kù)蓄水后，由于上下游水位差的關(guān)系，水流會(huì)通過(guò)壩體土：水庫(kù)蓄水后，由于上下游水位差的關(guān)系，水流會(huì)通過(guò)壩體土粒之間的空隙從上游向下游流動(dòng)粒之間的空隙從上游向下游流動(dòng)。 圖圖6-13 滲流示意圖滲流示意圖 第四節(jié)第四節(jié) 土石壩的滲流分析土石壩的滲流分析滲流計(jì)算目的滲流計(jì)算目的：為確定經(jīng)濟(jì)可靠的壩型和合理的結(jié)構(gòu)尺寸提供重要依據(jù)：為確定經(jīng)濟(jì)可靠的壩型和合理的結(jié)構(gòu)尺寸提供重要依據(jù)滲流計(jì)算任務(wù)滲流計(jì)算任務(wù)：l確定壩體確定壩體浸潤(rùn)線浸潤(rùn)線及其下游逸出點(diǎn)的位置，繪制壩體積地基內(nèi)的等勢(shì)線分布或及其下游逸出點(diǎn)的位置，繪制壩體積地基內(nèi)的等勢(shì)

2、線分布或流網(wǎng)流網(wǎng)圖，提供壩體穩(wěn)定分析、應(yīng)力計(jì)算和排水設(shè)備選擇之用圖，提供壩體穩(wěn)定分析、應(yīng)力計(jì)算和排水設(shè)備選擇之用l確定壩體與地基確定壩體與地基滲流量滲流量，以便估計(jì)水庫(kù)滲漏損失和確定壩體排水的尺寸，以便估計(jì)水庫(kù)滲漏損失和確定壩體排水的尺寸l確定壩坡出逸段與下游地基表面的出逸比降，以及不同土層之間的滲透坡降，確定壩坡出逸段與下游地基表面的出逸比降，以及不同土層之間的滲透坡降，以判斷該處的以判斷該處的滲透穩(wěn)定性滲透穩(wěn)定性l確定庫(kù)水位降落時(shí)上游壩殼內(nèi)自由水面的位置，估算由此產(chǎn)生的孔隙壓力，確定庫(kù)水位降落時(shí)上游壩殼內(nèi)自由水面的位置，估算由此產(chǎn)生的孔隙壓力，供上游壩坡穩(wěn)定分析之用供上游壩坡穩(wěn)定分析之用常

3、用的滲流分析方法常用的滲流分析方法：流體力學(xué)方法、水力學(xué)方法、流網(wǎng)法和試驗(yàn)法。流體力學(xué)方法、水力學(xué)方法、流網(wǎng)法和試驗(yàn)法。 一一 土石壩滲流的基本方程及其解法土石壩滲流的基本方程及其解法（一）滲流的基本方程（一）滲流的基本方程 土壩滲流為層流，滲流區(qū)內(nèi)任一點(diǎn)滿足拉普拉斯方程：土壩滲流為層流，滲流區(qū)內(nèi)任一點(diǎn)滿足拉普拉斯方程： 式中：式中： 、 為為 x、y 方向的滲透系數(shù)方向的滲透系數(shù)（二）（二） 滲流問(wèn)題的水力求解滲流問(wèn)題的水力求解 假設(shè)假設(shè): 均質(zhì)均質(zhì), 層流層流, 穩(wěn)定漸變流穩(wěn)定漸變流. 應(yīng)用達(dá)西定律應(yīng)用達(dá)西定律(Darcys Law)，假定任一鉛直過(guò)水?dāng)?，假定任一鉛直過(guò)水?dāng)嗝鎯?nèi)各點(diǎn)的滲透坡

4、降相等。如圖示為一不透水地基上的矩形土體，此時(shí)過(guò)流斷面上的平面內(nèi)各點(diǎn)的滲透坡降相等。如圖示為一不透水地基上的矩形土體，此時(shí)過(guò)流斷面上的平均流速為：均流速為： 02222yHkxHkyxxkykdxdykv設(shè)單寬流量為設(shè)單寬流量為q，則，則 (*)將上式自上游面（將上式自上游面（x=0,y=H1)至下游至下游面（面（x=L, y=H2)積分，得：積分，得：對(duì)（對(duì)（*)積分，可得浸潤(rùn)線方程：積分，可得浸潤(rùn)線方程：dxdyykyvqLHHkqLkqHH2222212221xkqyH2221不透水地基上矩形土體的滲流計(jì)算圖不透水地基上矩形土體的滲流計(jì)算圖圖圖6-15 土壩浸潤(rùn)線示意圖土壩浸潤(rùn)線示意圖

5、二二 計(jì)算土石壩滲流的水力學(xué)方法計(jì)算土石壩滲流的水力學(xué)方法 （一）不透水地基上土石壩的滲流計(jì)算（一）不透水地基上土石壩的滲流計(jì)算 1. 均質(zhì)壩的滲流計(jì)算均質(zhì)壩的滲流計(jì)算 下游無(wú)排水：下游無(wú)排水：計(jì)算時(shí)把土石壩斷面分為上游三角形、中間段和下游三角形三段計(jì)算時(shí)把土石壩斷面分為上游三角形、中間段和下游三角形三段 上游三角形滲流區(qū)域的等效寬度為：上游三角形滲流區(qū)域的等效寬度為： 將上游三角形和中間段合成一段將上游三角形和中間段合成一段通過(guò)通過(guò) 這段滲流區(qū)域的滲流這段滲流區(qū)域的滲流量為量為： 11121HmmLBBEO LtaHkq220211均質(zhì)壩計(jì)算簡(jiǎn)圖均質(zhì)壩計(jì)算簡(jiǎn)圖 下游三角形下游三角形 段，以下

6、游段，以下游水面為界，分為水上部分水面為界，分為水上部分 和和水下部分水下部分 。 和和 為等勢(shì)線，為等勢(shì)線， 非等勢(shì)線也非流線。非等勢(shì)線也非流線。應(yīng)用達(dá)西定律可得其滲流量：應(yīng)用達(dá)西定律可得其滲流量：根據(jù)水流連續(xù)條件根據(jù)水流連續(xù)條件聯(lián)立求解即可得浸潤(rùn)線方程和逸出高度。聯(lián)立求解即可得浸潤(rùn)線方程和逸出高度。NBB 00202ln1atamkaqBCBBNBC BB BBBN21qqq 下游有褥墊排水：下游有褥墊排水： 根據(jù)流體力學(xué)分析表明，浸潤(rùn)線可由一通過(guò)根據(jù)流體力學(xué)分析表明，浸潤(rùn)線可由一通過(guò)E并以排水起點(diǎn)并以排水起點(diǎn)為焦點(diǎn)的拋物線來(lái)表為焦點(diǎn)的拋物線來(lái)表 示。示。 B點(diǎn)高度為點(diǎn)高度為 ，則，則C點(diǎn)

7、位置點(diǎn)位置 。由于浸潤(rùn)。由于浸潤(rùn)線過(guò)線過(guò) 和和 ， 浸潤(rùn)線方程為：浸潤(rùn)線方程為： 浸潤(rùn)線通過(guò)浸潤(rùn)線通過(guò) 點(diǎn)點(diǎn): 有褥墊排水的滲流計(jì)算圖有褥墊排水的滲流計(jì)算圖eh2/1ehl ),(ehyLxB)0, 2/(yhLxCexhhyLee222), 0(1HyxEeehhHL2221LHLhe212由此可得由此可得EODBA段的單寬流量：段的單寬流量：下游棱體排水：下游棱體排水：當(dāng)下游無(wú)水時(shí)和褥墊式相同；當(dāng)下游有水時(shí)，如下圖所示，可將下游水位當(dāng)下游無(wú)水時(shí)和褥墊式相同；當(dāng)下游有水時(shí)，如下圖所示，可將下游水位以上部分按照無(wú)水情況處理。以上部分按照無(wú)水情況處理。 單寬流量為：?jiǎn)螌捔髁繛椋篖hHkqe222

8、1有棱體排水時(shí)滲流計(jì)算圖有棱體排水時(shí)滲流計(jì)算圖LtHLhe2122212thHLkqe2.2. 心墻壩的滲流計(jì)算心墻壩的滲流計(jì)算 心墻土料的滲透系數(shù)一般很小，比壩殼小心墻土料的滲透系數(shù)一般很小，比壩殼小 倍以上，計(jì)算時(shí)可不考慮上游楔體降倍以上，計(jì)算時(shí)可不考慮上游楔體降落水頭的作用。下游壩殼的浸潤(rùn)線比較平緩，水頭主要集中在心墻部位損失。當(dāng)下落水頭的作用。下游壩殼的浸潤(rùn)線比較平緩，水頭主要集中在心墻部位損失。當(dāng)下游有排水時(shí)，近似的假定浸潤(rùn)線的逸出點(diǎn)為下游水位和堆石內(nèi)坡的交點(diǎn)游有排水時(shí)，近似的假定浸潤(rùn)線的逸出點(diǎn)為下游水位和堆石內(nèi)坡的交點(diǎn)A，如下圖，如下圖所示。所示。410212122211hHkqc

9、心墻壩的滲流計(jì)算心墻壩的滲流計(jì)算 將心墻簡(jiǎn)化成等將心墻簡(jiǎn)化成等厚的矩形斷面厚的矩形斷面:則通過(guò)心墻段的單寬則通過(guò)心墻段的單寬流量為：流量為：心墻下游壩殼的單寬流量為：心墻下游壩殼的單寬流量為：根據(jù)根據(jù) 聯(lián)立求解，可求得心墻后浸潤(rùn)線高度聯(lián)立求解，可求得心墻后浸潤(rùn)線高度 和滲流量和滲流量 。下游壩殼的浸潤(rùn)線。下游壩殼的浸潤(rùn)線仍按仍按 計(jì)算計(jì)算 。3. 3. 斜墻壩的滲流計(jì)算斜墻壩的滲流計(jì)算Lthkq222221qqqhqxkqyH2221斜墻壩滲流計(jì)算 將變厚度的斜墻簡(jiǎn)化成為厚度為將變厚度的斜墻簡(jiǎn)化成為厚度為 的等厚斜墻，的等厚斜墻， 這樣這樣通過(guò)斜墻的滲流量為：通過(guò)斜墻的滲流量為： 斜墻后壩殼的

10、滲流量為：斜墻后壩殼的滲流量為： 由由 聯(lián)立求解可得聯(lián)立求解可得q和和h。壩體的浸潤(rùn)線方程仍為：。壩體的浸潤(rùn)線方程仍為：2121sin22211hHkqcLthkq222221qqq222yhqkx 三三 流網(wǎng)法流網(wǎng)法適用：適用：剖面、邊界條件復(fù)雜，用計(jì)算方法比較困難時(shí)剖面、邊界條件復(fù)雜，用計(jì)算方法比較困難時(shí)流網(wǎng)繪法：流網(wǎng)繪法：l根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定浸潤(rùn)線位置及逸出點(diǎn)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定浸潤(rùn)線位置及逸出點(diǎn)l將上、下游水位差分為將上、下游水位差分為n等分，等分水平線與浸潤(rùn)線交點(diǎn)即等勢(shì)線與浸潤(rùn)線的等分，等分水平線與浸潤(rùn)線交點(diǎn)即等勢(shì)線與浸潤(rùn)線的交點(diǎn)，由這些交點(diǎn)繪制等勢(shì)線交點(diǎn)，由這些交點(diǎn)繪制等勢(shì)線l繪制與等勢(shì)線正交的

11、流線。反復(fù)修正為相互正交、長(zhǎng)寬相等網(wǎng)格，即流網(wǎng)繪制與等勢(shì)線正交的流線。反復(fù)修正為相互正交、長(zhǎng)寬相等網(wǎng)格，即流網(wǎng)l由流網(wǎng)求滲流要素由流網(wǎng)求滲流要素流網(wǎng)的繪制流網(wǎng)的繪制（一）（一） 滲流要素計(jì)算滲流要素計(jì)算 滲流場(chǎng)內(nèi)任一點(diǎn)滲流場(chǎng)內(nèi)任一點(diǎn)i的流速，可用的流速，可用i點(diǎn)所在網(wǎng)格的平均流速來(lái)代表：點(diǎn)所在網(wǎng)格的平均流速來(lái)代表：其中，其中，k為土壤滲透系數(shù)；為土壤滲透系數(shù)； 為為i點(diǎn)所在網(wǎng)格相鄰兩根等勢(shì)線之間的平點(diǎn)所在網(wǎng)格相鄰兩根等勢(shì)線之間的平均流線長(zhǎng)度；均流線長(zhǎng)度； 為兩根等勢(shì)線之間的水頭差為兩根等勢(shì)線之間的水頭差 ，H1、H2為上下為上下游水頭；游水頭；n為等勢(shì)線的為等勢(shì)線的 數(shù)目。因而：數(shù)目。因而：流

12、管的流量為：流管的流量為： 式中式中 為為i點(diǎn)所在的網(wǎng)點(diǎn)所在的網(wǎng)格相鄰流線之間的距離，即格相鄰流線之間的距離，即i網(wǎng)格的高度，如為正方形網(wǎng)格的高度，如為正方形 ,此時(shí)：此時(shí)：根據(jù)流網(wǎng)性質(zhì)，在正交曲線簇組成的流網(wǎng)中，個(gè)流管的滲流量應(yīng)該相根據(jù)流網(wǎng)性質(zhì)，在正交曲線簇組成的流網(wǎng)中，個(gè)流管的滲流量應(yīng)該相同：同： ， 于是單寬流量為：于是單寬流量為：iilhkJkvilhnHH21iilnHHkv121iiiilcnHHkcvq21iciiclnHHkq21 單寬流量為：?jiǎn)螌捔髁繛椋?作用在作用在I 處單位土體的滲透力為：處單位土體的滲透力為：mnHHkqmq21Jfi 式中：式中：m為流管數(shù)，其值為流線

13、總數(shù)減去為流管數(shù)，其值為流線總數(shù)減去1。 ( (二）二） 不同土層分界處的流網(wǎng)不同土層分界處的流網(wǎng) 滲流通過(guò)兩種不同土壤的交界面，其流線和等勢(shì)線將發(fā)生轉(zhuǎn)折，按滲流通過(guò)兩種不同土壤的交界面，其流線和等勢(shì)線將發(fā)生轉(zhuǎn)折，按照連續(xù)條件，通過(guò)相鄰兩流線的流量不變：照連續(xù)條件，通過(guò)相鄰兩流線的流量不變： AA1、BB1為等勢(shì)線，假定此時(shí)兩等勢(shì)線之間的水頭損失為為等勢(shì)線，假定此時(shí)兩等勢(shì)線之間的水頭損失為dh，則：，則：不同土層界面處的流線不同土層界面處的流線222111dsJkdsJkdq22221111dstgdsdhkdstgdsdhk2121kktgtg111A B=dstg122AB =ds tg（

14、三）（三） 各向異性土體內(nèi)的流網(wǎng)各向異性土體內(nèi)的流網(wǎng) 受施工與沉積因素影響，壩身、壩基的水平向滲透系數(shù)一受施工與沉積因素影響，壩身、壩基的水平向滲透系數(shù)一般大于豎直向，若達(dá)幾倍以上則應(yīng)考慮土體的各向異性。在繪般大于豎直向，若達(dá)幾倍以上則應(yīng)考慮土體的各向異性。在繪制流網(wǎng)時(shí)，先變換實(shí)際剖面，水平尺寸按制流網(wǎng)時(shí)，先變換實(shí)際剖面，水平尺寸按 換算，換算，然后在變換的剖面上按一般方法繪制成網(wǎng)，最后將該剖面及流然后在變換的剖面上按一般方法繪制成網(wǎng)，最后將該剖面及流網(wǎng)的水平尺寸乘以網(wǎng)的水平尺寸乘以 ，即可得實(shí)際剖面的流網(wǎng)。，即可得實(shí)際剖面的流網(wǎng)。 幾種不同類型土石壩的流網(wǎng)圖如下：幾種不同類型土石壩的流網(wǎng)圖如

15、下： xkkxxy/1xykk /（a）（b）（c）不同類型土石壩的流網(wǎng)圖不同類型土石壩的流網(wǎng)圖（a）均質(zhì)壩；（b）粘土心墻壩；（c）粘土斜心墻壩 四四 滲透穩(wěn)定的計(jì)算滲透穩(wěn)定的計(jì)算（一）滲透變形的形式（一）滲透變形的形式1.管涌管涌 多發(fā)生在缺乏中間粒徑的非粘性土中，細(xì)顆粒先被滲流帶走，土的孔隙逐漸增大，繼多發(fā)生在缺乏中間粒徑的非粘性土中，細(xì)顆粒先被滲流帶走，土的孔隙逐漸增大，繼而較大顆粒相繼帶出，形成挾沙滲流集中通道，導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)破壞而較大顆粒相繼帶出，形成挾沙滲流集中通道，導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)破壞.2.流土流土 在滲流作用下，土體同時(shí)浮動(dòng)或流動(dòng)，多發(fā)生于粘性土或均勻的非粘性土中在滲流作用下，土體

16、同時(shí)浮動(dòng)或流動(dòng)，多發(fā)生于粘性土或均勻的非粘性土中3. 接觸流失接觸流失 滲流垂直于滲透系數(shù)相差較大的兩相鄰?fù)翆拥慕佑|面二流動(dòng)時(shí)，將滲透系數(shù)小較小滲流垂直于滲透系數(shù)相差較大的兩相鄰?fù)翆拥慕佑|面二流動(dòng)時(shí)，將滲透系數(shù)小較小層中的細(xì)顆粒帶入滲透系數(shù)較大的另一土層層中的細(xì)顆粒帶入滲透系數(shù)較大的另一土層.4. 接觸沖刷接觸沖刷 當(dāng)滲流沿著粗細(xì)兩種土層的接觸面或建筑物與地基的接觸面流動(dòng)時(shí)，沿層面帶走細(xì)顆當(dāng)滲流沿著粗細(xì)兩種土層的接觸面或建筑物與地基的接觸面流動(dòng)時(shí)，沿層面帶走細(xì)顆粒的現(xiàn)象粒的現(xiàn)象.土層接觸面處的滲透變形1滲流；2粘性土；3砂礫；4粘土（二）（二） 滲透變形型式判別滲透變形型式判別影響滲透變形的因

17、素：影響滲透變形的因素：土體密實(shí)度程度、顆粒級(jí)配、細(xì)粒含量土體密實(shí)度程度、顆粒級(jí)配、細(xì)粒含量滲透變形形式判斷依據(jù)：滲透變形形式判斷依據(jù)： 流土流土 過(guò)渡型過(guò)渡型 不均勻系數(shù)不均勻系數(shù) 管涌管涌 35% 流土流土 2535% 過(guò)渡型過(guò)渡型 細(xì)顆粒含量細(xì)顆粒含量 25% 管涌管涌 10201020（三）（三） 滲透破壞標(biāo)準(zhǔn)滲透破壞標(biāo)準(zhǔn) 土體在滲流作用下是否產(chǎn)生滲透破壞，主要取決于土體本身的抗?jié)B強(qiáng)度，以臨界坡降土體在滲流作用下是否產(chǎn)生滲透破壞，主要取決于土體本身的抗?jié)B強(qiáng)度，以臨界坡降作為判定標(biāo)準(zhǔn)作為判定標(biāo)準(zhǔn) 一般管涌按下式計(jì)算：一般管涌按下式計(jì)算：其中：其中：d流失顆粒的粒徑，可取為小于這個(gè)粒徑土壤

18、顆粒占流失顆粒的粒徑，可取為小于這個(gè)粒徑土壤顆粒占35，cm；k滲透滲透系數(shù)，系數(shù)，cm/s；n孔隙率。孔隙率。 對(duì)流土通常采用太沙基公式：對(duì)流土通常采用太沙基公式：其中：其中： 土粒容重；土粒容重； 水的容重；水的容重；n土的孔隙率。土的孔隙率。（四）（四） 增加滲透穩(wěn)定性的工程措施增加滲透穩(wěn)定性的工程措施l增大滲透途徑，降低滲透坡降或截阻滲流增大滲透途徑，降低滲透坡降或截阻滲流l增設(shè)排水溝或減壓井，降低下游滲流出口處的滲透壓力，將滲水由計(jì)劃的排出增設(shè)排水溝或減壓井，降低下游滲流出口處的滲透壓力，將滲水由計(jì)劃的排出3/42nkdJcnJsc11/0s0（五）（五） 反濾層設(shè)計(jì)反濾層設(shè)計(jì)作用：

19、作用：滲流出口或進(jìn)入排水處，坡降較大，流速較快，易產(chǎn)生滲透變形。為防止土體滲流出口或進(jìn)入排水處，坡降較大，流速較快，易產(chǎn)生滲透變形。為防止土體在滲流作用下發(fā)生滲透變形，防滲體與壩殼或壩基透水層之間、排水與壩體和土壤之間在滲流作用下發(fā)生滲透變形，防滲體與壩殼或壩基透水層之間、排水與壩體和土壤之間必須設(shè)置反濾層。必須設(shè)置反濾層。型式：型式：土反濾、土工織物反濾土反濾、土工織物反濾基本要求：基本要求：l透水性大于被保護(hù)土，能通暢的排除滲透水流透水性大于被保護(hù)土，能通暢的排除滲透水流l使被保護(hù)土不發(fā)生滲透變形使被保護(hù)土不發(fā)生滲透變形l不致被細(xì)粒土淤塞失效不致被細(xì)粒土淤塞失效l在防滲體出現(xiàn)裂縫情況下，土

20、顆粒不會(huì)被帶出反濾層，能使裂縫自行愈合在防滲體出現(xiàn)裂縫情況下，土顆粒不會(huì)被帶出反濾層，能使裂縫自行愈合反濾層的設(shè)計(jì)：反濾層的設(shè)計(jì)： 反濾料一般采用比較均勻的抗風(fēng)化砂、礫卵石或碎石。反濾層的級(jí)配和層數(shù)通過(guò)計(jì)反濾料一般采用比較均勻的抗風(fēng)化砂、礫卵石或碎石。反濾層的級(jí)配和層數(shù)通過(guò)計(jì)算比較確定。一般要求反濾料的不均勻系數(shù)算比較確定。一般要求反濾料的不均勻系數(shù) 58；相鄰兩層間系數(shù)應(yīng)滿足：；相鄰兩層間系數(shù)應(yīng)滿足： 10860406040dD 式中，式中， 反濾料的粒徑小于該粒徑的土占總土重的反濾料的粒徑小于該粒徑的土占總土重的15； 被保護(hù)土的被保護(hù)土的粒徑，小于該粒徑的土占總土重的粒徑，小于該粒徑的土

21、占總土重的85； 被保護(hù)土的粒徑小于該粒徑的占總土重被保護(hù)土的粒徑小于該粒徑的占總土重的的15。5/54/15158515dDdD15D85d15d對(duì)于被保護(hù)土的第一層反濾料，建議：對(duì)于被保護(hù)土的第一層反濾料，建議： 第五節(jié)第五節(jié) 土石壩的穩(wěn)定分析土石壩的穩(wěn)定分析一一 目的目的 分析壩體及壩基在不同工況下可能的失穩(wěn)型式，驗(yàn)算其穩(wěn)定性，定出經(jīng)濟(jì)剖面。分析壩體及壩基在不同工況下可能的失穩(wěn)型式，驗(yàn)算其穩(wěn)定性，定出經(jīng)濟(jì)剖面。二二 可能失穩(wěn)型式可能失穩(wěn)型式l土體抗剪強(qiáng)度不足土體抗剪強(qiáng)度不足滑動(dòng)滑動(dòng)l壩基內(nèi)有軟弱夾層壩基內(nèi)有軟弱夾層塑性流動(dòng)塑性流動(dòng)l飽和細(xì)沙受地震荷載作用飽和細(xì)沙受地震荷載作用液化液化三三

22、 滑動(dòng)面型式滑動(dòng)面型式l曲面曲面粘土坡粘土坡l折線折線非粘性土坡非粘性土坡l復(fù)式復(fù)式厚心墻壩或壩基內(nèi)存在軟弱夾層厚心墻壩或壩基內(nèi)存在軟弱夾層四四 荷載荷載1. 壩體自重壩體自重 土石壩的主要荷載，應(yīng)根據(jù)其位于水上、水下情況分別選取濕容重、浮容重計(jì)算土石壩的主要荷載，應(yīng)根據(jù)其位于水上、水下情況分別選取濕容重、浮容重計(jì)算2. 孔隙水壓力孔隙水壓力l機(jī)理機(jī)理 土體可壓縮，水不可壓縮，且不能傳遞剪力，當(dāng)土體孔隙被飽和后，其上土體可壓縮，水不可壓縮，且不能傳遞剪力，當(dāng)土體孔隙被飽和后，其上所加荷載將全部由水承擔(dān)，在孔隙水因受壓而排出時(shí)逐漸轉(zhuǎn)移到土體骨架上。土體所加荷載將全部由水承擔(dān)，在孔隙水因受壓而排出

23、時(shí)逐漸轉(zhuǎn)移到土體骨架上。土體骨架承擔(dān)的有效應(yīng)力與孔隙水壓力之和為總壓力骨架承擔(dān)的有效應(yīng)力與孔隙水壓力之和為總壓力l需考慮工況需考慮工況 （對(duì)粘性土）施工期、庫(kù)水位驟降時(shí)、地震時(shí)（對(duì)粘性土）施工期、庫(kù)水位驟降時(shí)、地震時(shí)l考慮方法考慮方法 總應(yīng)力法與有效應(yīng)力法總應(yīng)力法與有效應(yīng)力法3. 地震荷載地震荷載 地震慣性力按擬靜力法計(jì)算，沿壩高作用于質(zhì)點(diǎn)地震慣性力按擬靜力法計(jì)算，沿壩高作用于質(zhì)點(diǎn)i處的水平向地震慣性力處的水平向地震慣性力PI為：為：式中：式中： 水平向地震系數(shù)，與地震烈度有關(guān)；水平向地震系數(shù)，與地震烈度有關(guān)； 綜合影響系數(shù)，常取綜合影響系數(shù)，常取0.25； 地震加速度分布系數(shù)；地震加速度分布

24、系數(shù)； 集中在集中在i質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量iizHiWaCKP HKzCiaiW 豎向地震力也按水平向地震慣性力公式計(jì)算，其中豎向地震力也按水平向地震慣性力公式計(jì)算，其中對(duì)設(shè)計(jì)烈度是對(duì)設(shè)計(jì)烈度是8、9度的度的、級(jí)壩，應(yīng)同時(shí)考慮水平向和豎向地震慣性力，此時(shí)豎向地震級(jí)壩，應(yīng)同時(shí)考慮水平向和豎向地震慣性力，此時(shí)豎向地震慣性力還應(yīng)乘以慣性力還應(yīng)乘以0.50.5的遇合系數(shù)。的遇合系數(shù)。五五 計(jì)算工況計(jì)算工況 水庫(kù)正常蓄水位水庫(kù)正常蓄水位 下游坡下游坡 正常運(yùn)用時(shí)正常運(yùn)用時(shí) 水位降落水位降落 上游坡上游坡 最不利水位時(shí)最不利水位時(shí) 上游坡上游坡 水位驟降水位驟降 上游坡上游坡 非常運(yùn)用時(shí)非常運(yùn)用時(shí) 施工期

25、上下游坡施工期上下游坡 校核水位下游坡校核水位下游坡 地震時(shí)上、下游坡地震時(shí)上、下游坡iizViWaCKP HVKK32dmvscmk/3,/103六六 抗滑穩(wěn)定分析方法抗滑穩(wěn)定分析方法 土石壩的壩坡穩(wěn)定分析常采用土石壩的壩坡穩(wěn)定分析常采用極限平衡理論極限平衡理論。依據(jù)不同的滑坡形式，分為圓弧滑動(dòng)。依據(jù)不同的滑坡形式，分為圓弧滑動(dòng)法、折線滑動(dòng)法和復(fù)式滑動(dòng)法。法、折線滑動(dòng)法和復(fù)式滑動(dòng)法。1.1. 圓弧滑動(dòng)法圓弧滑動(dòng)法 （1 1）瑞典條分法）瑞典條分法l適用范圍適用范圍：均質(zhì)壩、厚心墻和厚斜墻壩均質(zhì)壩、厚心墻和厚斜墻壩的可能滑動(dòng)面都近似圓弧的可能滑動(dòng)面都近似圓弧l原理原理：假定壩體或壩基有一系列圓

26、柱型破壞面，按平面問(wèn)題考慮即為圓弧面。圓?。杭俣▔误w或壩基有一系列圓柱型破壞面，按平面問(wèn)題考慮即為圓弧面。圓弧內(nèi)的土體其繞圓心的抗滑力矩大于滑動(dòng)力矩則穩(wěn)定，否則邊坡喪失穩(wěn)定內(nèi)的土體其繞圓心的抗滑力矩大于滑動(dòng)力矩則穩(wěn)定，否則邊坡喪失穩(wěn)定l單個(gè)可能滑動(dòng)體的方法與步驟單個(gè)可能滑動(dòng)體的方法與步驟： 首先確定壩體浸潤(rùn)線位置，在不同區(qū)域采用不同的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)。壩體首先確定壩體浸潤(rùn)線位置，在不同區(qū)域采用不同的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)。壩體浸浸潤(rùn)線以上潤(rùn)線以上采用采用濕容重濕容重。對(duì)。對(duì)浸潤(rùn)線以下浸潤(rùn)線以下的壩體，計(jì)算的壩體，計(jì)算滑動(dòng)力矩滑動(dòng)力矩時(shí)用時(shí)用飽和容重飽和容重，計(jì)算，計(jì)算抗抗滑力矩滑力矩時(shí)則用時(shí)則用浮容

27、重。浮容重。 將圓弧內(nèi)土體分成若干條，為方便計(jì)算，土體寬度將圓弧內(nèi)土體分成若干條，為方便計(jì)算，土體寬度b取為半徑取為半徑R的份數(shù)，即的份數(shù)，即 b R/m，m常用常用1020。 以以i土條為例，其自重土條為例，其自重 ， 在滑弧上可分解為切向分力在滑弧上可分解為切向分力 和法向力和法向力 。忽略條塊剪相互作用力，邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)為：。忽略條塊剪相互作用力，邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)為：即：即： 壩坡穩(wěn)定計(jì)算示意圖bhhhGiiii 321iGiiiGTsiniiiGNcos滑動(dòng)力矩抗滑力矩/cKiiiiiiicGlctgGKsincos土條編號(hào)方法是以圓心正下方的一條為土條編號(hào)方法是以圓心正下方的一

28、條為i0，并依次向上游，并依次向上游i1，2，3，向下游為，向下游為i1，2，3，于是有：于是有：因此：因此：對(duì)于高壩，用有效應(yīng)力法更符合實(shí)際，采用有效應(yīng)力指標(biāo)對(duì)于高壩，用有效應(yīng)力法更符合實(shí)際，采用有效應(yīng)力指標(biāo) ，壩坡安全系數(shù)如下：，壩坡安全系數(shù)如下：mnRnbisin221cosmnimnGlctgmnGKiiiiic221c、iiiiiiiiicGlctgluGKsincos() costansini iiiiiisiic lwu bFw 最危險(xiǎn)滑弧位置的確定：按照一定方式，取一系列的滑動(dòng)面驗(yàn)算，即可求出最小安全最危險(xiǎn)滑弧位置的確定：按照一定方式，取一系列的滑動(dòng)面驗(yàn)算，即可求出最小安全系數(shù)

29、，相應(yīng)的滑動(dòng)面即為最危險(xiǎn)或具有最小安全系數(shù)的滑動(dòng)面系數(shù)，相應(yīng)的滑動(dòng)面即為最危險(xiǎn)或具有最小安全系數(shù)的滑動(dòng)面 （2）畢肖普法 畢肖普法考慮了土條兩側(cè)的作用力畢肖普法考慮了土條兩側(cè)的作用力條塊間作用力為任意向的滑弧數(shù)值分析條塊間作用力為任意向的滑弧數(shù)值分析（a）滑動(dòng)土塊；（b）條塊的力平衡圖 設(shè)設(shè)ABCD為一末浸水的圓弧滑動(dòng)面。假定條塊兩側(cè)的作用力為為一末浸水的圓弧滑動(dòng)面。假定條塊兩側(cè)的作用力為，G為條塊重量；為條塊重量；N為條塊底面上的法向力；為條塊底面上的法向力； 為條塊底面的有效法向力；為條塊底面的有效法向力；u為條塊底面的為條塊底面的孔隙水壓力；孔隙水壓力；S為條塊底面上有效剪力；為條塊底面

30、上有效剪力； 為土體的有效抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。為土體的有效抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。 滑動(dòng)面滑動(dòng)面BC上產(chǎn)生的剪力為：上產(chǎn)生的剪力為： 根據(jù)滑動(dòng)平衡條件：根據(jù)滑動(dòng)平衡條件： 則：則： （*) ) 根據(jù)（根據(jù)（b）一個(gè)條塊的力平衡圖，求得）一個(gè)條塊的力平衡圖，求得 N、ul， 代入式（代入式（*)，化簡(jiǎn)得：，化簡(jiǎn)得： （1）11nnnnVXVX、和、Nc、tgulNlcKSc1tgulNlcGdRKccnncKtgtgtgVVubGbcGdK1sec11SRGd 式中式中 是未知量，需先按試算法求出：是未知量，需先按試算法求出： 土條間的土條間的Xn、Vn為內(nèi)力，其平衡方程為：為內(nèi)力，其平衡方程為： （2） 條塊

31、的力平衡圖（條塊的力平衡圖（b）為：）為： （3） 計(jì)算時(shí)先假定各土條間的計(jì)算時(shí)先假定各土條間的 ，檢查是否滿足（，檢查是否滿足（2）、（）、（3），若滿足則用（），若滿足則用（1）計(jì)算安全系數(shù)計(jì)算安全系數(shù)Kc2. 2. 折線滑動(dòng)法折線滑動(dòng)法 （1） 非粘性土坡計(jì)算 非粘性土壩坡的滑動(dòng)面近似折線，折點(diǎn)高程常在水位附近非粘性土壩坡的滑動(dòng)面近似折線，折點(diǎn)高程常在水位附近 滑動(dòng)面上的抗剪強(qiáng)度利用充分程度應(yīng)該是一樣的。其安全系數(shù)的表達(dá)方式為滑動(dòng)面上的抗剪強(qiáng)度利用充分程度應(yīng)該是一樣的。其安全系數(shù)的表達(dá)方式為：1nnVV0011nnnnXXVVsincos11nnnnVVGSXX1nnVVciiKtgtg

32、式中式中Kc即為安全系數(shù)，即為安全系數(shù)， 為試驗(yàn)得到的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。為試驗(yàn)得到的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。 計(jì)算中把滑動(dòng)土體計(jì)算中把滑動(dòng)土體ABCEA分成兩個(gè)滑塊，滑塊間的滑面為分成兩個(gè)滑塊，滑塊間的滑面為BD，與鉛直線成，與鉛直線成 角。角。在該面上，土塊間相互作用力與在該面上，土塊間相互作用力與BD面法線成摩擦角面法線成摩擦角 。計(jì)算時(shí)假設(shè)不同的安全系數(shù)。計(jì)算時(shí)假設(shè)不同的安全系數(shù)Kc，從滑塊，從滑塊BCED的平衡條件中求出的平衡條件中求出P，然后將其作用在，然后將其作用在ABD上，看他是否與上，看他是否與G2、R2等等平衡；如不平衡則重新假定安全系數(shù)，重復(fù)上述步驟，直到平衡為止，此時(shí)的平衡；如不平衡則

33、重新假定安全系數(shù)，重復(fù)上述步驟，直到平衡為止，此時(shí)的Kc即為該即為該滑動(dòng)面的安全系數(shù)滑動(dòng)面的安全系數(shù) i非粘性土坡穩(wěn)定計(jì)算圖非粘性土坡穩(wěn)定計(jì)算圖3 從滑動(dòng)土體從滑動(dòng)土體BCED平衡可得：平衡可得： （4） 從滑動(dòng)土體從滑動(dòng)土體ABD平衡可得平衡可得 （5） 聯(lián)立（聯(lián)立（4）（）（5）可得：）可得： （6） 在上述計(jì)算中，在上述計(jì)算中， 都是任意假定的。最危險(xiǎn)水位及其滑動(dòng)面位置及相都是任意假定的。最危險(xiǎn)水位及其滑動(dòng)面位置及相應(yīng)的安全系數(shù)，需通過(guò)試算才能決定。應(yīng)的安全系數(shù)，需通過(guò)試算才能決定。311311coscossinsinsinGP232322sinsincoscossinGP32112211tgGGctgctgGG、 （2 2）斜墻及其保護(hù)層的計(jì)算）斜墻及其保護(hù)層的計(jì)算