探讨土石坝边坡稳定性的设计与分析

2016-03-16周钊

环球市场 2016年4期

关键词：石坝滑坡边坡

周钊

中国葛洲坝集团国际工程有限公司

探讨土石坝边坡稳定性的设计与分析

周钊

中国葛洲坝集团国际工程有限公司

土石坝在我国的水利工程建设中较为常见，为了保障土石坝的安全运行，必须加强对其边坡稳定性进行分析。基于此，本文阐述了土石坝的作用及其边坡稳定性的涵义，分析了土石坝边坡的特点及边坡失稳的原因，对土石坝边坡稳定性的设计以及土石坝边坡稳定性分析的基本方法进行了探讨。

土石坝；作用；边坡稳定性；特点；失稳；设计

1　土石坝的作用及其边坡稳定性的涵义

1.1土石坝的主要作用

第一、防洪保安。我国是一个洪涝灾害频繁的国家。新中国成立以来不断建立完善的以水库、堤防、分滞洪区等构成的防洪工程体系对洪水进行调控。这些防洪工程体系不仅有效保护了人民的生命和财产安全，也保卫了国家经济建设秩序和改革开放的成果。

第二、保障供水。大坝是调节配置河流水量，保障饮水安全、粮食安全和城乡经济社会发展用水安全的重要基础设施。

第三、保障能源供给。水电在调整能源结构，维护经济社会协调、可持续发展中发挥着重要作用。我国经济社会快速增长和能源紧缺的矛盾今后将会越来越突出，如果过度依赖火电必将引发二氧化碳过量排放，因此大力发展包括水能、风能、太阳能和生物质能等在内的各种可再生能源已成为我国基本的能源政策。

1.2土石坝边坡稳定性的涵义。

边坡稳定性分析是以结构稳定性理论为基础的，结构稳定性就是研究结构在各种因素作用下的安全问题。它的内容包括结构的安全性、实用性、耐久性等，结构的稳定性的定义为：结构在规定条件和规定时间内完成预定功能的能力。在实际应用中为了定量的分析和计算，给出结构稳定性的数量指标，引入了稳定性的概念，结构的稳定性定义为结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率。在实际边坡工程的设计和研究中，人们的研究所要达到的目的就是在一定的经济条件下，赋予边坡工程以适当的可靠程度，使之在规定的时间内，能具有适当的可靠程度，在规定的使用期限内，能够满足设计所预期的各种功能要求。

2　土石坝边坡的特点及边坡失稳的原因

2.1土石坝边坡的特点

（1）土质边坡的形态通常比较单一，基本上以剪切破坏为主，滑裂面为圆弧型或圆弧与夹泥层的组合型。

（2）土质边坡不具有明显的结构性，因此，土质边坡滑动面的位置，一般情况下是未知的；计算出的最危险滑动面往往与实地观察到的相差较远。

（3）土质边坡中土体内部的剪应力达到抗剪强度，是造成土质边坡变形破坏的根本原因。

2.2土石坝边坡失稳的原因

土石坝滑坡主要是在岩土体边界上产生剪切破坏的结果。现场测试或室内试验表明，滑动面上的平均剪应力等于岩土体的抗剪强度时，通常认为会产生滑动破坏，也称滑坡。因此，从滑坡机理来看，滑坡是与滑动力和抗滑力密切相关的。一定抗滑力时，滑动力增加到等于或大于此一定抗滑力时，就产生滑坡。另一方面，一定滑动力时，抗滑力减少到等于或小于此一定滑动力时，就引起滑坡。土石坝滑坡是多种因素共同作用的结果，是一种复杂的失稳破坏现象。产生土石坝滑坡的基本因素，实质上是滑动力的增加与抗滑力的不足。滑动力与抗滑力取决于库水和雨水入渗、施工方法、施工速度、地震等外部条件所引起的坝体或坝基内孔隙水压力以及筑坝土料的性质，包括与孔隙水压力和有关的抗剪强度。为此，首先必须进行滑坡勘探、土工试验及观测工作，从而确定滑坡性质及其主要原因，并制定出滑坡加固设计。

3　土石坝边坡稳定性的设计

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稳定性，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）的方式以替代现在的单一安全系数设计法。

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。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，笔者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。

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。

4　土石坝边坡稳定性分析的基本方法

在稳定性分析中，计算方法的选择是一个很重要的方面，这不仅影响到计算的精确程度，同时也影响到计算的速度和复杂性，所以需要权衡其中的利弊，选择一个比较好的计算方法。影响结构稳定性分析的因素既多又复杂，由于对某些因素的研究尚不够深入，因此，很难用统一的方法确定各随机变量的实际分布并精确计算结果的稳定性。目前通常采用一次二阶矩法、蒙特卡洛法以及Rosenblueth方法等近似计算方法。

1、一次二阶矩法。一次二阶矩法（FOMS）又称为水准II方法，它的基本思想是利用输入随机变量的一阶原点矩（均值）和二阶中心矩（方差）求出极限状态函数的一阶原点矩和二阶中心矩，并定义稳定性指标，用以评价边坡的稳定性，所以又称稳定性指标法。按随机变量的实际分布分两种情况：一种是不考虑随机变量的实际分布，假定它服从正态或对数正态分布，导出有关稳定性的解析表达式，进行分析和计算，分析时采用泰勒级数在平均值（即中心点）展开，故称中心点法；第二种是考虑随机变量的实际分布，若是非正态分布，则将其当量正态化，并在设计点处进行迭代，计算稳定性指标，故称可靠指标法。

2、蒙特卡洛法。蒙特卡洛（MonteCarlo）法又称为随机抽样法或统计试验法。该法是通过随机模拟和统计试验来求解结构稳定性的近似数值方法。由于它以概率论和数理统计理论为基础，故被一些物理学家以位于法国和意大利接壤的闻名于世的赌城蒙特卡洛命名，以此来表示其随机性的特征。