基于折线滑动面法的土石坝坝坡稳定分析

2013-02-27丰土根

水利与建筑工程学报 2013年3期

杨才,丰土根

(1.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室,江苏南京210098;2.河海大学岩土工程研究所,江苏南京210098)

0 引言

土石坝在外荷载及自重作用下,可能发生局部滑动。进行土石坝稳定分析的目地是保证坝体在自重、孔隙压力和外荷载的作用下,具有足够的稳定性,不致发生通过坝体或坝体连同地基的剪切破坏。对于非黏性土的坝坡,如心墙坝坝坡、斜墙坝的下游坝坡以及斜墙上游保护层连同斜墙一起滑动时,常形成折线滑动面[1]。本文以粘土心墙土石坝为算例,用折线滑动面法求出上、下游坝坡,在某一危险工况下的最小稳定安全系数或接近最小稳定安全系数Kc值,以论证选用坝坡的合理性,并归纳出相关结论。

1 折线滑动面稳定分析方法

假设滑动面只在坝壳中,而防渗体不连同坝壳一起滑动,属于非粘性土体滑动。对于部分浸水的非粘性土坝坡,水上和水下的物理性质不同,滑裂面近似折线面,所以采用折线滑动法,认为折点在水位附近。如图1所示。

图1 非粘性土坝上游坝坡稳定计算示意图

滑动面上的抗剪强度利用充分程度应该是一样的,其安全系数为:

图中B点为坐标原点,X轴水平指向上游,Y轴垂直指向地基,建立直角坐标系统。假设滑动面的三点A、D、C(按一定步长确定这三点的坐标),且滑动面不会切到心墙。其中A点在坝脚斜坡面上移动,但不会到达坝顶,D点为折坡点,C点实际是在防浪墙上游面坝体内部分移动,可以到达坝顶。

计算中把滑动土体 ADC(构成的滑动面)分成两个滑块,H点在上游水位延长线上,P1为相邻两土体滑面上的作用力,假定其方向平行于DC。将滑动土体分为DEBC及ADE两部分,各块重量分别为W1、W2,两块土体底面的抗剪强度指标分别为φ1、φ2,采用拟静力计算法,计算中所有力都可以简化到形心处,只考虑力的平衡,不考虑力矩的平衡。

DEBC块体的平衡式为:

式中各符号的含义如图1所示。

考虑滑动面上抗剪强度发挥程度一样,两式中安全系数Kc应相等,故可联立方程求解Kc。根据工程等级,坝坡抗滑稳定的最小安全系数由规范查到。α1、α2可根据假定的 A点,C点,D点坐标求得,且要求 α1＞α2;每假定 A、C、D 点均有可能获得一个相应的Kc值,取其中最小值作为最终结果。采用VB程序编程[2]进行计算,可视化效果较好,操作简便[3]。

ADE块体的平衡式为:

2 工况选择及稳定分析成果

2.1 工况选择

稳定计算中需选取不利工况和不利部位进行稳定计算,本算例中对上下游坝坡分别计算以下几种工况的安全系数:

(1)水位在1/3坝高处;

(2)稳定渗流期设计洪水位;

(3)正常蓄水位+地震[4]。

2.2 算例工程参数

本算例工程拦河坝为粘土心墙土石坝,工程等级为Ⅱ级。库区正常蓄水位及下游水位分别为2 821.2 m和2 752.8 m,设计洪水位及下游水位分别为2 822.4 m和2 755.4 m,校核洪水位及下游水位分别为2 823.4 m和2 755.6 m,坝顶高程2 827.5 m,坝高77.5 m,上游坝坡坡率m1=2.5,下游坝坡坡率m2=2.0。上、下游坝坡土料参数见表1。

表1 上、下游坝坡土料参数

2.3 稳定计算成果

计算以上几种工况下的上、下游坝坡的最小稳定安全系数,计算成果见表2。

表2 各种工况上下游坝坡稳定计算成果表

3 稳定计算成果分析

3.1 坝坡稳定性分析

该工程主要建筑物土坝的等级为Ⅱ级,查规范可知其坝坡抗滑稳定的安全系数应满足以下条件:正常运用条件下不低于1.35,非常运用条件Ⅰ时不低于1.25,非常运用条件Ⅱ时不低于1.15[5]。由表2计算结果可见:在设计洪水位、1/3坝高水位及正常蓄水位加地震作用三种工况下,坝坡稳定性均能满足应用要求。其中正常蓄水位加地震作用工况对应稳定安全系数最小。