西藏某水库工程土石坝稳定性分析

姚 莉 李冰妮 白兴锋

(西藏自治区水利电力规划勘测设计研究院，西藏 拉萨 850000)



西藏某水库工程土石坝稳定性分析

姚 莉 李冰妮 白兴锋

(西藏自治区水利电力规划勘测设计研究院，西藏 拉萨 850000)

以西藏某水库工程碾压式沥青混凝土心墙坝为研究对象，利用STAB软件，分析了该工程土石坝稳定性与坝体材料参数的敏感性，结果表明，库水位骤降情况下坝坡稳定系数较低，其他工况基本满足规范要求；在对坝体材料力学参数进行90%折减后，坝坡稳定系数相应降低，有多重工况基本不满足规范要求，建议进一步合理设计坝坡坡角，并严格控制施工质量。

岩土工程，水库，坝坡，稳定性

西藏某水库位于西藏山南地区乃东县索珠乡境内雅鲁藏布江左岸一级支流旺曲上游丁拉沟，坝址处地理坐标为东经91°52′36″，北纬29°30′25″，距山南地区泽当镇41.0 km，距拉萨市186 km。拦河坝为碾压式沥青混凝土心墙堆石坝，坝顶高程4 179.35 m，防浪墙顶高程4 180.55 m，坝顶宽8 m，最大坝高67.6 m，坝顶长度365.0 m。渗控措施由沥青混凝土心墙、防渗墙及灌浆帷幕组成。土石坝作为一种堆石材料坝，大量专家学者进行了稳定性方法及稳定性研究[1-4]。张明等针对在水利工程中土石坝边坡稳定分析和设计相对落后的现状，以概率统计和结构可靠度理论为基础，对土石坝边坡稳定可靠度分析和设计问题，包括土石坝抗剪强度参数粘聚力和内摩擦角的统计方法和统计特性，土石坝边坡稳定可靠度分析方法，设计表达式中标准值和分项系数的取值问题等，进行了分析研究[5]。李南生等人将非线性统一强度理论应用于土石坝边坡稳定分析中，考虑坝体各应力分量包括中间主应力对土质材料强度的影响，以区别于传统土石坝稳定分析中仅考虑剪切和拉伸极限强度的极限平衡法。提出了一个土石坝边坡稳定优化分析模型，并采用最优化遗传算法对土石坝边坡进行断裂面优化搜索[6]。孙丽丽等人应用有效应力原理，以初始应力方式将渗流场导入到位移应力分析中，基于强度对坝体边坡整体进行弹塑性分析[7]。

文中利用中国水利水电科学研究院所编制的土质边坡稳定分析程序STAB对西藏某水利水库工程土石坝坝坡稳定性进行了分析研究，并对坝体材料参数敏感性进行了分析，研究结果可为该工程坝坡设计提供参考，为类似工程稳定性计算提供一定的借鉴。

1 计算原理及方法

假定滑动面为一圆弧，其半径为R。任取一土条i，其上作用力有土条自重Wi；作用于土条底面的抗滑剪力Ti、有效法向反力Ni′及孔隙水压力uili，假定这些力的作用点都在土条底面中点。除此以外，在土条两侧还分别作用有法向力Ei和Ei+1及切向力Xi和Xi+1，Xi+1-Xi=ΔXi。Ei及Xi分别为法向及切向条间作用力，Wi为土条自重，Qi为水平向地震惯性力，Ni，Ti分别为土条底部的总法向力(包括有效法向力及孔隙水压力)和切向力。根据每一条竖向力的平衡条件有:

Wi+Xi-Xi+1-Tisinαi-Nicosαi=0

(1)

或

Nicosαi=Wi+Xi-Xi+1-Tisinαi

(2)

按照安全系数的定义及摩尔—库仑准则，Ti可写成式(3)：

(3)

将式(3)代入式(2)得土条底部总法向力为：

(4)

(5)

在极限平衡时，各土条对圆心的力矩之和应当为0，此时土条间作用力将相互抵消，因此得：

∑Wixi-∑TiR+∑Qiei=0

(6)

将式(3),式(4)代入式(6)，且xi=Rsinαi，最后得到安全系数的公式为：

(7)

其中，Xi及Xi+1是未知的，为使问题得解，毕肖普又假定各土条之间力均略去不计，也就是假定ΔX=0，这样式(7)可简化成：

(8)

因为在mai内有Fs因子，所以在求Fs时要进行迭代。在计算时，一般可以先假定Fs=1，求出mai(或假定mai=1)，再求Fs，再用此Fs求出新的mai及Fs，如此反复迭代，直至假定的Fs与算出的Fs非常接近为止。

2 计算断面及坝体材料参数

2.1 计算断面

计算断面为该土石坝最大断面位置，即桩号0+000 m段。

2.2 坝体材料参数

根据地勘基本资料，坝体各区堆石料计算参数见表1。

表1 各区计算参数

3 计算结果分析

3.1 计算工况

结合规范要求，共计算了4种不同的工况，具体如表2所示。

表2 计算工况

3.2 计算结果

对该水库工程土石坝采用了常用的简化毕肖普方法进行了浅层及深层滑坡稳定计算，此外，还考虑了90%的强度折减情况。各种不同工况下，大坝浅层坝坡稳定性计算结果如表3所示，其中工况1和工况3滑裂面如图1,图2所示。

表3 各工况上、下游坝坡浅层的抗滑稳定安全系数

工况上游安全系数下游安全系数正常折减正常折减11.4391.2971.2721.14621.3821.244——30.6610.595——41.1461.0321.1291.018

从表3可以看出各工况下上、下游坝坡的抗滑稳定安全系数基本上都大于允许安全系数，但是在水库骤降条件下，坝坡稳定安全系数较低，但是需要说明的是，计算坝坡浅表层的稳定基本上没有特别大的意义，当考虑下游护坡等措施后，浅表层的坝坡稳定问题基本上不存在问题。另外，当考虑大坝材料参数的90%折减情况下，坝坡浅层滑动稳定安全系数有所降低，在折减后，除稳定渗流期工况以及施工完建工况上游坝坡满足规范要求外，其他情况下坝坡稳定均不满足规范要求。

表4 各工况上、下游坝坡深层的抗滑稳定安全系数

各种不同工况下，大坝深层坝坡稳定性计算结果如表4所示，其中工况1和工况3滑裂面如图3，图4所示。

从表4可以看出各工况下上、下游坝坡的抗滑稳定安全系数都大于允许安全系数，但是在水库骤降条件下，坝坡稳定安全系数较低。另外，当考虑大坝材料参数的90%折减情况下，坝坡浅层滑动稳定安全系数有所降低，在折减后，坝坡稳定均满足规范要求。

4 结语

利用中国水利水电科学研究院所编制的土质边坡稳定分析程序STAB对西藏某水利水库工程土石坝坝坡稳定性进行了分析研究，结果表明，库水位骤降情况下坝坡稳定系数较低，其他工况基本满足规范要求。在对坝体材料力学参数进行90%折减后，坝坡稳定系数相应降低，有多重工况基本不满足规范要求，建议对坝坡坡角进一步合理设计，并严格控制施工质量。

[1] 陈祖煜.土质边坡稳定分析——原理·方法·程序[M].北京:中国水利水电出版社,2003.

[2] 郑颖人,赵尚毅,张鲁渝.用有限元强度折减法进行边坡稳定分析[J].中国工程科学,2002,4(10):58-61.

[3] 吴海真,顾冲时.有限元强度折减法在土石坝边坡稳定分析中的应用[J].水电能源科学,2006,24(4):55-63.

[4] 赵剑明.高土石坝地震反应的三维非线性有效应力分析[D].北京:中国水利水电科学研究院,1999.

[5] 张 明,刘金勇,麦家煊.土石坝边坡稳定可靠度分析与设计[J].水力发电学报,2006,25(2):103-107.

[6] 李南生,唐 博,谈风婕,等.基于统一强度理论的土石坝边坡稳定分析遗传算法[J].岩土力学,2013,34(1):243-249.

[7] 孙丽丽,李宗利.基于强度折减法的土石坝边坡稳定分析与探讨[J].水资源与水工程学报,2009,20(5):113-116.

Analysis of earth-rock dam slope stability of a reservoir project in Tibet

Yao Li Li Bingni Bai Xingfeng

(TibetHydropowerPlanningandDesignInstitute,Lhasa850000,China)

Using the software of STAB, the earth-rock dam slope of a reservoir project was studied. The dam material parameter sensitivity analysis was executive also. The results show that the stability of slope is lower when the water sharply drops in reservoir, when other conditions basically satisfy the code requirements. When the dam mechanical parameters of the material reduction of 90%, slope stability coefficient corresponding decrease, there are a variety of conditions does not meet the code specifications. Recommended slope angle of slope design is reasonable, and strictly control the quality of construction.

geotechnical engineering, reservoir， dam slope， stability

1009-6825(2016)22-0071-02

2016-05-22

姚 莉(1970- )，女，工程师； 李冰妮(1983- )，女，助理工程师； 白兴锋(1978- )，男，工程师

TV641

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