渗流作用对土石坝边坡稳定的影响分析

宋国涛

（黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨 150080）

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渗流作用对土石坝边坡稳定的影响分析

宋国涛

（黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨 150080）

针对土石坝渗流稳定计算的几种工况进行了理论分析，得出了各种工况下影响边坡稳定的因素及渗透水流对边坡稳定的影响。通过工程实例的边坡稳定计算对理论分析结果进行了验证，得出了一些实用性的结论，对类似工程的设计可提供一些借鉴。

渗流；坝坡稳定；无黏性土；黏性土；水位骤降

1 土石坝边坡稳定分析简介

土石坝是指由土、石料等当地材料建成的坝，是历史最为悠久的一种坝型。土石坝分为均质坝、土质防渗体分区坝、非土质防渗体分区坝等基本坝型。

边坡稳定分析是确定坝的设计剖面和评价坝体安全的主要依据。稳定分析的可靠程度对坝的经济性和安全性具有重要影响。影响边坡稳定性的因素很多，例如筑坝土料的工程性质、渗透水流、地震作用等，本文主要介绍渗透水流对边坡稳定性的影响。

2 无水工况下边坡稳定分析

2.1 无黏性土边坡

对于均质的无黏性土土坡，无论是干坡还是在完全浸水条件下，由于无黏性土土粒间无黏结力，只要位于坡面上的土单元体能够保持稳定，则整个土坡就是稳定的。无黏性土土坡稳定安全系数计算公式为：

式中：Tf为土单元体的抗剪力；T为土单元体所受的下滑剪切力；W为土单元体的自重；α为土坡坡角；φ为土的内摩擦角。

由此可见，对于均质无黏性土土坡，理论上只要坡角小于土的内摩擦角，土体就是稳定的。Fs＝1时，土体处于极限平衡状态，此时土坡的坡角就等于无黏性土的内摩擦角，也称休止角［1］。

2.2 黏性土边坡

对于均质的黏性土土坡，黏性土土粒间有黏结力，某一滑动面的抗滑稳定性需考虑土粒间的黏结作用对边坡稳定的有利影响。黏性土土坡某一滑动面的稳定安全系数计算公式为：

式中：Tf为土单元体的抗剪力；T为土单元体所受的下滑剪切力；W为土单元体的自重；α为土坡坡角；φ为土的内摩擦角；c为土的凝聚力；l为计算滑动面的滑弧长度。

3 稳定渗流工况下边坡稳定分析

水库蓄水或库水位突然下降，都会使坝体边坡受到一定的渗流力作用。当渗流力为抗滑力时对边坡稳定有利，当渗流力为滑动力时对边坡稳定不利。稳定渗流时，渗流力对上游坝坡来说是抗滑力，对边坡稳定有利；渗流力对下游坝坡来说是滑动力，对边坡稳定不利。

3.1 无黏性土边坡

3.1.1 上游边坡

有稳定渗流作用时，渗流力垂直作用于上游坝坡，增加了坝坡土体的抗滑力，有利于坝坡稳定。有稳定渗流作用时无黏性土坝体上游边坡稳定安全系数计算公式为：

式中：Tf为土单元体的抗剪力；T为土单元体所受的下滑剪切力；W为土单元体的自重；α为土坡坡角；φ为土的内摩擦角；j为单位体积的渗流力。

3.1.2 下游边坡

有顺坡渗流情况时，无黏性土坝体下游坡的抗滑稳定安全系数为：

式中：r′为坝坡土体的浮重度；rsat为坝坡土体的饱和重度；α为土坡坡角；φ为土的内摩擦角。

上式和没有渗流作用的无黏性土边坡稳定计算公式相比，安全系数相差r′／rsat倍，此值接近于 1／2。因此，当坡面有顺坡渗流作用时，无黏性土土坡的稳定安全系数将近降低一半。

3.2 黏性土边坡

3.2.1 上游边坡

有稳定渗流作用时黏性土坝体上游边坡稳定安全系数计算公式为：

式中：Tf为土单元体的抗剪力；T为土单元体所受的下滑剪切力；W为土单元体的自重；α为土坡坡角；φ为土的内摩擦角；c为土的凝聚力；l为计算滑动面的滑弧长度；j为单位体积的渗流力。

3.2.2 下游边坡

有顺坡渗流情况时，黏性土坝体下游坡的抗滑稳定安全系数为：

式中：r′为坝坡土体的浮重度；rsat为坝坡土体的饱和重度；α为土坡坡角；φ为土的内摩擦角；c为土的凝聚力；l为计算滑动面的滑弧长度。

上式和没有渗流作用的黏性土边坡稳定计算公式相比，安全系数降低了。

4 工程实例

某均质土坝坝高5.5 m，上下游坡比均为1∶2.5，坝体土料渗透系数为2.5×10-5cm／s，坝体土天然容重为19.3KN／m3，饱和容重为20.3 kN／m3，凝聚力为11 kPa，内摩擦角为18度。采用“理正岩土计算5.3版”进行计算，各工况下稳定计算结果见表1：

表4 坝坡稳定安全系数计算结果表

计算的稳定安全系数大小规律与理论分析结果一致。

5 结 论

无渗透水流作用时，对于均质无黏性土土坡，抗滑稳定安全系数取决于坡角与坡上土体内摩擦角的相对大小关系，理论上只要坡角小于土的内摩擦角，土体就是稳定的；对于均质黏性土土坡，抗滑稳定安全系数不但与土体内摩擦角有关，同时与土体的凝聚力和计算滑弧的弧长有关。有稳定渗透水流作用时，上游坝坡抗滑稳定安全系数较无渗流时有所增大；下游坝坡抗滑稳定安全系数较无渗流时有所减小，对无黏性土边坡约减小1／2。

［1］卢延浩 .土力学［M］.南京：河海大学出版社，2005：8-10.

Analysis of Seepage Effect on Earth Rock fill Dam Slope Stability

SONG Guo-tao

（Heilongjiang ProvinceWater Conservancy＆Hydropower Investigation，Design and Research Institute，Harbin 150080，China）

Several conditions for the calculation of the stability of earth rock dam seepage is analyzed in theory.The slope stability influence factors and seepage influence on slope stability are obtained under various operating conditions.Through obtained engineering example calculation results of the slope stability the theoretical analysis is validated，drawing some useful conclusions，which can provide some reference for similar engineering design.

seepage；slope stability；cohesionless soil；clay；rapid drawdown

TV223.4

B

1007-7596（2015）02-0027-02

2014-12-07

宋国涛（1983-），男，黑龙江拜泉人，工程师。