探讨土石坝边坡稳定性的设计与分析

探讨土石坝边坡稳定性的设计与分析

曲爱娜张志敏夏金焕

山东弘毅工程设计有限公司山东潍坊261041；

山东弘毅工程设计有限公司山东潍坊261041；

潍坊市水利建筑设计研究院山东潍坊261205

摘要：在目前的水利水电工程当中土石坝做为一种常用的坝体形式，想要确保土石坝在水利工程中的安全可靠性，首先就应对土石坝边坡的稳定性进行科学的设计与分析。所以，该篇文章首先简要的叙述了边坡稳定性对于土石坝的重要意义和土石坝的主要功能，而后总结了土石坝在具体工程中出现失稳问题的主要原因及其土石坝边坡自身特点，针对上述问题和特点进行分析后提出了对土石坝边坡稳定性进行设计和分析的具体策略。

关键词：水利工程；土石坝；边坡；稳定性；原因；设计

1简述土石坝边坡稳定性的含义与土石坝的具体功能

1.1简述边坡稳定性的含义

对土石坝边坡进行设计和分析时，应将结构稳定性理论为基本依据，结构稳定性就是确保结构体系在多种外界条件的影响下具备的安全稳定性。结构稳定性主要包含安全可靠性、适用性及耐久性等几个方面。结构稳定性的含义：结构在特定条件下和规定周期内能够达到预期的作用。在具体运用过程中想要实现对定量的科学计算及分析，来获取结构稳定性的参数，因此结合了稳定性的概念。在对土石坝工程边坡稳定性进行分析和设计时，应在充分考虑工程资金成本的情况下，给予土石坝边坡工程满足设计标准的安全稳定性，让土石坝工程在特定周期内可以具备良好的安全稳定性，使其功能和作用获得充分的发挥。

1.2简述土石坝工程的具体功能

（1）能够起到良好的防洪作用。洪水灾害一直都是危害我国农业以及各方面发展的主要灾害之一。随着我国水利工程设施的大量兴建，目前已经形成了由大型水利工程、堤坝以及分滞洪区共同组成的较为完善的洪水调控系统。防洪体系的建设和完善充分体现我国社会经济的快速发展，也切实保护了我国人民生命财产安全，更为我国人民安全安居乐业稳定发展创造了良好条件。

（2）为居民用水提供切实保障。堤坝建设能够实现对河水流量的合理分配和调节，确保居民用水安全、农业用水安全以及城市及乡镇等的用水安全。

（3）保证社会发展的能源供应。水力发电在能源结构体系中占据重要地位，是确保我国社会经济及各个行业领域发展的重要保证，更是我国切实履行走可持续发展道路方针战略的重要基础。目前能源短缺已经成为一项严峻的世界性难题，能源短缺问题也与我国社会经济快速发展之间形成了剑拔弩张的对立关系，如果大量依靠火力发电一定会消耗大量的煤炭资源并且还会排放出大量的二氧化碳对大气环境造成严重污染，所以，应重点发展和水利、太阳能及风力等进行可循环再利用能源的开发和利用，从而为我国社会经济可持续性发展提供坚持基础和后盾。

2对导致土石坝工程边坡失稳的主要因素进行研究与分析

土石坝工程出现边坡失稳坝体滑坡问题的主要原因就是由于在岩体边界处产生了剪切破坏所到导致的。通过对发生滑坡的土石坝边坡进行实地考察和试验了解到，当滑坡表面上的平均剪应力与土坝岩土抗剪强度相等的时候，就会出现坝体边坡失稳现象，也叫做滑坡。所以，从产生边坡滑坡的原理来讲，土坝边坡滑坡的出现和坝体岩土的抗滑力及滑动力之间有着紧密的联系。在岩土抗滑能力固定时，而滑动力却大于或与抗滑能力相等时就会出现边坡失稳滑坡。当滑动力为固定值的时候，岩土的抗滑能力一旦达到与滑动力相等或小于滑动力的时候，此种条件下也同样会发生边坡滑坡。当然，影响土石坝边坡失稳的因素是多种多样的，是多种外界因素和内在原因共同作用所导致的，是一种较为繁杂的失稳现象。导致坝体出现滑坡的因素主要就是滑动力的不断递增和坝体岩土抗滑能力的逐渐降低。影响滑动力和岩土抗滑能力的主要因素有：自然降水量、水体对坝体的渗入程度、土坝施工技术、施工进度和施工质量以及地震和坝体孔隙水压力等。所以，在进行土坝边坡设计前因进行滑坡实地勘测、岩土试验和观察，继而分析出导致滑坡的主要原因和性质在制定出科学有效的滑坡防治和加固方案。

3对土石坝边坡稳定性进行科学合理的设计分析应依据的标准及要求

目前对土石坝工程边坡稳定性进行设计时所依据的标准已经无法满足《水工统标》的有关标准和规定，因此就要依据概率极限设计原则对设计标准做出适当的修订，将可靠参数来衡量土石坝工程坝体结构的安全稳定性，同时依据5大分项系数包括（土石坝工程设计状况系数、结构主要系数、功能分项系数、材料性能系数以及工程主体结构系数）来取代目前过于单一的工程安全系数设计法。因为土石坝工程尺寸通常较大尺寸差异相对较小，在一个实际的土坝工程中采用相对统一的运行工况的情况下，其浸润线及容重的位置通常是相同的，所以，在对土石坝边坡稳定性进行设计时，其作用标准值可依据定值进行设计。在《水工统标》中有着明确的规定，在运用极限状态设计法的时候，土坝工程所采用的土基强度及岩土性质参数标准应采取其概率分布的0.1分位值。在《水工统标》中也明确指出了土石坝结构重要性系数，在确定一、二、三级坝体结构所采用的结构主要性系数依次为1.1，1.0和0.9。

4对土石坝工程边坡稳定性进行科学合理设计和分析的具体方法分析

4.1简述蒙特卡洛法。蒙特卡罗法也叫做随机法和统计实验法。这种方法就是利用统计实验或随机进行工程模拟的手段来获得土坝工程结构稳定性近似参数的一种方法。因为这种方法就是将数学统计理论概念与概率学做为理论依据，因此这种方法就被相关学者以世界赌城蒙特卡洛命名，来表示这种方法独具随机性的特点。

4.2简述一次二阶矩法。该种分析方法也被人们叫做水准Ⅱ分析法，一次二阶矩法的基本理念为将随机变量一阶平均值与二阶的平方差输入到数学模型中，从而计算获得处在极限状态下函数一阶平均值与函数的二阶方差，同时得出平衡稳定性参数，以此来衡量土石坝工程边坡的安全稳定性，因此也被叫做稳定性参数分析法。依据随机变量的具体分布可以分成两种不同状况：第一种为将随机变量具体分布忽略的情况下，假设其满足对数正态分布就可以将获得计算相关稳定性的解析式，具体分析过程中可运用泰勒级数在函数中心点处进行具体展开，所以这种方法也被叫做中心点分析方法；第二种就是充分考量随机变量具体分布的条件下，如果随见变量为非正态分布时，就应把其当量正态化，同时在设计分析节点处开始迭代计算获得结构稳定性参数，所以也被叫做可靠指标分析法。

参考文献：

[1]王洁.边坡稳定有限元分析方法中若干应用问题研究.D.大量理工大学.2015.09.（12）

[2]朱勤峰.大坝安全检测与无损检测的现状与研究.J.科技创新导报.2015.07.P10—16

作者简介：

第一作者：曲爱娜/性别：女/籍贯：山东龙口/出生日期：1991.11，民族：汉/职称：初级/学历：本科/研究方向：水工结构/单位：山东弘毅工程设计有限公司/供职单位所在省市：山东省潍坊市/单位邮编：261041

第二作者：张志敏/性别：男/籍贯：山东寿光/出生日期：1990.4/民族：汉/职称：初级/学历：本科/研究方向：水工结构/供职单位：山东弘毅工程设计有限公司/供职单位所在省市：山东省潍坊市/单位邮编：261041

第三作者：夏金焕/性别：男/籍贯：山东潍坊/出生日期：1989.02/民族：汉/职称：初级/学历：本科/研究方向：水利工程/供职单位：潍坊市水利建筑设计研究院/供职单位所在省市：山东省潍坊市/单位邮编：261205