土石坝边坡稳定性的设计与分析

土石坝边坡稳定性的设计与分析

杨青辉

自贡市水利电力建筑勘测设计院 四川自贡市 643000

摘要：在我国水利工程的建设与施工过程中，土石坝属于一种极为常见的建筑结构，也是十分重要的水工建筑物，在水利工程建筑中有着举足轻重的地位。通常而言，土石坝结构具有较强的稳定性，其施工工序也比较简单，因而在大部分水利工程中获得广泛应用，特别是北方地区。同时，土石坝也存在一定缺点，土石坝边坡容易出现不稳定现象，而土石坝边坡的不稳定现象会影响整体工程的安全性。本文根据水利工程中土石坝相关知识进行阐述，并指出存在的问题及原因，提出水利工程土石坝的设计与防治要点。

关键词：土石坝；边坡稳定；设计分析

引言

在所有结构工程领域，采用可靠度理论与方案进行分析与设计已经成为了当前的一种趋势，而关于《水利水电工程结构可靠度设计统一标准》的可靠度理论已经在很多混凝土结构、混凝土重力坝等项目结构中得到广泛应用，但在土石坝工程中应用成功案例并不多，必须加大力度提高大坝安全度。

1稳定性理论分析

土坝的稳定性破坏有滑动、液化及塑性流动三种状态。

（1）坝坡的滑动是由于坝体的边坡太陡，坝体填土的抗剪强度太小，致使坍滑面以外的土体滑动力矩超过抗滑力矩，因而发生坍滑或由于坝基土的抗剪强度不足，因而坝体坝基一同发生滑动。

（2）坝体的液化是发生在用细砂或均匀的不够紧密的砂料做成的坝体中，或由这种砂料形成的坝基中。液化的原因是由于饱和的松砂受振动或剪切而发生体积收缩，这时砂土孔隙中的水分不能立即排出，部分或全部有效应力即转变为孔隙压力，砂土的抗剪强度减少或变为零，砂粒业就随着水的流动向四周流散了。

（3）土坝的塑性流动是由于坝体或坝基内的剪应力超过了土料实际具有的抗剪强度，变形超过了弹性限值，不能承受荷重，使坝坡或者坝脚地基土被压出或隆起，因而使坝体的坝基发生裂缝、沉陷等情况。软黏性土的坝或坝基，如果设计不良，就容易产生这种破坏。

进行坝坡稳定计算时，应该杜绝以上三种破坏稳定的现象，尤其前两种，必须加以计算以及研究。

2土石坝边坡稳定参数的统计

应用可靠度理论于土石坝稳定问题时应首先确定基本随机变量,这些基本变量可以是几何尺寸、材料性能指标和作用荷载等。在影响土石坝稳定的诸多因素中,抗剪强度指标c和φ对边坡稳定分析成果的可靠性影响最大,需研究其统计方法、统计特性以及参数取值等问题。不同的统计方法所得的统计结果受样本容量影响较大,样本的变异性大小对统计结果也有一定影响。如小浪底工程,样本容量为64,其统计结果相差不超过10%;其它工程样本容量相对较少,统计结果有的相差超过了50%。相比较而言,φ值相差较小，数值较稳定;粘聚力c的变异性较大,对计算结果影响较大。因此,在进行可靠度计算时,当粘聚力c的变异性较大且统计子样较少时,可按定值考虑。此外,直接统计法具有使用方便、概念明确、易于确定随机变量的统计特性等优点,可以作为主要统计分析方法。

随机变量概型分布直接影响可靠度的计算结果,在进行可靠度分析时必须选择一种合适的检验方法检验其概型分布。随机变量之间的相关性对其方差有重要影响,这种影响有时达40%。c和φ多呈正态分布,也有服从对数正态和极值1型分布情况,但当统计子样足够多时多呈正态分布。c和φ值之间呈负相关,有的相关系数高达0.7。

3土石坝边坡稳定分析设计

3.1标准值和分项系数取值问题的考虑

可靠度理论在结构设计中具体体现为结构的设计表达式。现行的土石坝设计规范不适应《水工统标》的要求,需按其关于概率极限设计法的规定进行修订,以可靠指标度量土石坝结构的可靠度,并据此采用五个分项系数(结构重要性系数、设计状况系数作用分项系数、材料性能分项系数和结构系数)的设计式，以替代现在的单一安全系数设计法。

分项系数设计式与单一安全系数设计式的不同之处是它由一组分项系数和设计代表值所组成。按《水工统标》规定,水工结构承载能力极限状态基本组合的设计式可统一写成：

γ₀ψS≤R/γ_d

式中：γ₀为结构重要性系数;ψ为设计状态系数;γ_d为承载能力极限状态基本组合的结构系数;S为荷载效应组合设计值,其中包含各种作用荷载的标准值及其分项系数;R为结构抗力设计值,其中含有材料性能标准值及其分项系数。

由于土石坝坝体尺寸较大,尺寸的变异很小,对于一个具体工程和一个固定的运行工况,容重、浸润线位置也是基本不变的,因此,对一个具体的土石坝工程来说,其作用的标准值按定值处理。《水工统标》规定,在采用极限状态设计法时,岩土材料和土基强度的标准值可采用其概率分布的0.1分位值。设计式中的分项系数反映各种原因产生的不定性的影响。通过对分项系数的优选，能使各种设计情况总体上满足规定的可靠度水平(目标可靠指标)。

结构重要性系数在《水工统标》中已有明确规定,对应I、II和Ⅲ级结构,其结构重要性系数分别为1.1、1.0和0.9。不同设计工况应有不同的目标可靠指标。对应土石坝工程设计条件中的稳定渗流期、水库水位降落期、施工期稳定渗流遇地震等工作状况,设计状态系数应分别取不同的数值。根据设计经验,参考《水工统标》给出的确定原则及有关规范的确定方法,本文初步建议设计状态系数对应于稳定渗流期、不利水位情况取1.0,施工期取0.95,水库水位降落期和稳定渗流遇地震情况取0.85。

土石坝结构主要受其自身重力作用。按《水工建筑物荷载设计规范》(DL5077-1997)的规定,土石坝自重的作用分项系数取1.0。《水工统标》规定,考虑材料性能对其标准值的不利变异,材料性能分项系数为材料性能的标准值与设计值的比值。确定结构系数时,应保证采用概率极限状态设计法设计的土石坝的稳定可靠指标不低于目标可靠指标的规定限值，且设计的土石坝断面与现行规范设计的相比在总体上接近。在保证可靠指标达到规定值的前提下，II和Ⅲ级土石坝的工程量允许略有减小。

3.2土石坝边坡工程可靠性分析方法

3.2.1蒙特卡洛法

这种方法也可以称作统计模拟方法，是上世纪40年代伴随科技发展与电子计算机发明而被提出来的一种通过计算统计概率作为理论指导的数值计算方法，根据使用随机数解决计算过程中存在的问题，与其对应的方法还有确定性算法。

3.2.2一次二阶矩法

这种方法应用的比较普遍，也可以称为水准Ⅱ法，主要采用输入任意变量的一阶原点矩均值以及二阶中心矩方差的方式计算极限状态下函数一阶原点矩与二阶中心矩，并以此来明确可靠度指标的相关定义，通过对可靠度指标对土石坝边坡可靠性进行评价，所以也属于一种可靠度的指标法。其中根据任意变量进行实际分布的情况还包括以下两种：第一种是在不需考虑任意变量实际分布的基础上，假定服从正态或数正态分布，导出相关可靠度的解析表达式以后，对边坡稳定可靠度展开合理的分析与计算。而分析土石坝边坡稳定可靠度时需要引入泰勒级数平均值，也就是中心点的方式展开，所以也可以叫做中心点法。第二种是对任意变量实际分布进行全面深入的考量以后，一旦确定是非正态分布，则将其当量正态化，并在设计点的位置进行迭代，用以对边坡可靠度指标进行计算，与其对应的方法是可靠指标法。

4结束语

虽然土石坝边坡稳定性受到多重因素影响,并且其中还存在大量不可控因素,但如果能够通过稳定性分析和计算等方式的应用,则能够极大程度地减少预算与实际之间的差值,进而逐渐提高土石坝边坡稳定性,为社会提供良好的服务。

参考文献

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