土石坝各运用期的稳定分析

3. 施工期总应力法稳定分析
第7章
土石坝各运用期的稳定分析
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在进行施工期稳定分析时考虑库水位随坝体一起升高 采用表 7.1 中 UU 指标 沿坝体 内滑动复核了相应库水位 230m, 250m, 265m 的工况 安全系数分别为 1.707 1.963 和 2.190 这三个工况的临界滑裂面在图 7.1(a)中分别用 11 12 13 代表 沿软弱夹层滑动相应库水位 为 230m 和 250m 安全系数分别为 1.424 和 1.436 这两个工况的临界滑裂面在图 7.1(b)中 分别用 y4 和 y5 代表
τ = c ′ + (σ − u ) tan φ ′
(7.3)
其中 c′ 和φ′ 原则上应通过 Q′剪 来确定 但因不饱和土的孔隙水压力测量精度不高 故 一般情况下 可用 S 剪 的指标 用有效应力法计算时关键问题是确定孔隙水压力 确定方法已在第 6 章中讨论 一旦孔 压确定后 应将其用网格的形式输入计算机 计算中 再通过内插来确定滑面上各点的孔压 STAB 程序用于内插孔压和内插 qcu 的子程序实际上是一个 此外 还可以通过施工期实测 孔隙水压力进行稳定分析 [例 7.1] 小浪底大坝施工期的稳定分析 1. 基本情况 小浪底水利枢纽工程位于洛阳市以北黄河干流最后一个峡谷出口 为一防洪 减淤 灌 溉 发电等综合利用的大型水利枢纽 最大坝高 167m 覆盖层最深达 70 m 为斜墙堆石坝 大坝典型剖面见第六章图 6.5 工程位于 7 度地震区 按 8 度设防 小浪底大坝的这些特点 决定了在其各设计阶段均需复核施工期 正常运用期 库水位骤降期和地震期的稳定性 因 而这是一个典型的稳定分析问题的实例 将在本章重点介绍 作为防渗体的斜墙称 1 区 对其物理力学特性曾分阶段作过系统的试验研究 2. 土料指标 各种材料物理力学参数采用值见表 7.1 由于上游侧坝体具有较复杂的分区剖面 因此 沿坝体内的滑裂面采用了任意形状但体形光滑 同时 由于坝基存在倾向下游的缓倾角软弱 夹层 故也进行了沿该夹层的折线形滑裂面的稳定分析
表 7. 1 筑坝材料 湿容重 CD有效强度 CU总强度 UU总强度 2A 2B 2C 3 4A 4B区 5区 河床砂卵石 淤积物 砂岩 T11岩层顶面夹泥 1区 1B区 19.6 21.1 20.8 22.2 17.6 26 20.1 小浪底筑坝材料及坝基材料抗剪强度采用值 容重(kN/m3) 饱和容重 20.3 23 21.7 22.2 17.6 26 20.7 抗剪强度 摩擦角φ (°) 凝聚力(kPa) 19.4 14 7.4 40 28 33 0 35 14.04 20 25 73 0 30 0 0 0 5
图 7. 2
蒲城电厂张家沟灰坝剖面
长度单位
mm
高程单位
m
坝基为饱和淤泥质亚粘土 这是一个采用比奥固结理论进行孔隙水压力消散计算 然后 采用有效应力强度指标进行土石坝施工期稳定分析的例子 在初设阶段曾计算了 4 个方案 以比较各方案对灰坝稳定性的影响 这 4 个方案是 1) 地基不作任何处理 2) 坝下设 5m 碎石垫层 3) 设 2.5m 碎石垫层 4) 垫层加排水砂井 图 7.3 示采用比奥理论计算终期坝 坝高 90m 孔压分布值
第7章
土石坝各运用期的稳定分析
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图 7. 3
蒲城电厂张家沟灰坝坝基孔压分析成果
单位
kPa
采用了表 7.3 7.4 所示强度参数 相应地基不作任何处理的工况 对初期坝 中期坝 终期坝用 Bishop 法获得的临界圆弧滑裂面分别如图 7.4(a), (b)和(c)所示 相应安全系数分别 为 0.954, 0.805 和 0.741 其它工况计算成果参见第 13.1 节
此时 可采用毕肖普法或其它方法 计算实践表明
这一次稳定分析获得的沿滑裂面的法向应力{σn}1 和{σn}o 相差并不大 一般不必再进行迭代 即可将所得的安全系数视为最终值 瑞典法的{σn}o 不依赖于安全系数 如使用式(5.19)确定 τ f 则不需迭代 但如使用式 (5.20)确定抗剪强度或使用 Bishop 法 则由于 φ e 中包含安全系数 故仍需迭代 [例 7.4] 分析 在 8 度地震情况下 如果采用线性强度 指标 c = 0, φ = 40° 则得到一个很浅的临界滑 裂面 如图 7.5 所示 相应安全系数为 1.113 采用非线性强度的对数模式 取φ0 = 50°, ∆φ = 10° 采用单形法搜索最小安全系数 图 7.5 给出了一个固定滑弧深度 Ds 用 单形法搜索最小安全系数的例子 搜索从初 始点 A 开始 经 B C 最终到达极值点 D 最小安全系数为 F = 1.766 相应的临界滑裂 面不再是一个浅弧 [例 7.5] Charles 的非线性稳定分析简 化图表 对于均质的简单边坡 Charles(1984) 给
图 7. 1
小浪底大坝施工期总应力边坡稳定分析
(a) 沿坝体内部 (b) 沿软弱夹层
4. 施工期有效应力法稳定分析 在第 6.3.3 节中 介绍了小浪底大坝在施工期采用比奥理论进行孔隙水压力消散分析计 算的成果 利用此成果进行施工期的稳定分析时 需采用线性和非线性强度指标 其安全系 数分别为 2.430 和 2.617 相应的数据文件为 X250−1和 X250−2 从上述分析中可知 小浪底大坝上游坝坡的稳定安全具有较大的储备 [例 7.2] 斯里兰卡金河防洪堤施工期的稳定分析 该工程 BR−8 段典型剖面如第三章图 3.6 所示 地基为充分饱和的泥炭和软粘土 压缩 性极大 施工时曾多次发生滑坡 在施工过程中 进行了孔隙水压力现场观测 然后根据这 些资料画出孔隙水压力等值线图 同时也采用差分法进行太沙基固结理论的孔隙水压力消散 计算 与实测资料很接近 表 7.2 为金河土堤 BR−8 段滑坡的安全系数核算结果 由于软基受荷后沉陷量大 核算稳定时宜采用变形后的断面 见第三章图 3.6 可以得到较合理的结果 土堤滑动时堤顶出现裂缝 计算时计及这个裂缝 并考虑缝中水平的水压力 结果较合 理 本实例地基为泥炭土 渗透系数较大 故孔压消散 有效应力增加后总强度有所提高 天然状态和破坏前夕十字板强度差别较大 采用总应力法进行稳定分析宜考虑这个因素 从计算结果看 采用毕肖普法 用实测孔隙水压力进行有效应力法分析 安全系数接近 于1 这样
τ = cuu + σ tan φuu
(7.1)
用 Q 剪 确定 cuu 和φuu 试验时采用的试样应与现场的土具有相同的压实功能 干容 重和含水量 如 5.3.2 节所述 当应力较小时 不固结不排水强度指标比排水试验强度还高的问题 这部分区域示于坝体中如图 5.8 中阴影所示区域 为保守计 宜采用组合强度包线 如图 5.9(b) 所示 对充分饱和的地基进行总应力法分析 应采用固结不排水强度指标 在第 5 章中已讨论 过 此时更宜采用地基土原位试验成果 用现场的十字板试验来确定其抗剪总强度 qcu 此 时φ =0° c 按下式确定
γsat (kN/m ) Sr (%) 19.8 20.6 19.9 18.5 11.7
分析表明采用水平垫层和竖直砂井均可有 效地降低孔隙水压力 因而使稳定安全系数提 高到 1.1 以上 最终采用了水平垫层方案 该 工程运行情况良好
7. 3
稳定渗流期
稳定渗流期下游坝坡的稳定往往是复核的
重点 上游坝坡滑动的情况比较少见 但在地 震情况下 也需仔细校核其稳定性 稳定渗流 期属于 长期 边坡稳定问题 坝体内孔隙水 压力通过稳定渗流方法即可较为准确地确定 其抗剪强度通常使用固结排水的试验指标 由 于孔压和强度的确定都比较明确 一般不使用 总应力法 本节仅对采用非线性强度指标稳定
图 7. 4 蒲城电厂张家沟灰坝稳定分析成果之一 地基不作处理工况
(a) 初期坝 (b) 中期坝 (c) 终期坝
分析的具体步骤作 介绍 陈祖煜 1990 遇到一个问题 就是滑裂面上的应力状态在安全 采用非线性强度指标进行稳定分析时
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土质边坡稳定分析 原理 ⋅ 方法 ⋅ 程序
系数没有算出来以前并不知道 因此 需要预先假定一个线性抗剪强度指标进行一次稳定分 析 并获得滑裂面上的法向应力 据此法向应力确定非线性强度指标 再进行一次稳定分析 获得相应非线性强度指标的安全系数 再将这次分析获得的法向应力与前一次假定线性指标 的法向应力相比较 如果误差较大 则需调整 通过反复迭代计算 最终获得满意的结果 具体的计算步骤如下 (1) 根据假定的线性抗剪强度指标进行稳定分析 获得的滑裂面上的法向应力{σ n}o 括 号 { } 指各土条底的相应数值 这里为一组 σ n ,下同 因为近似计算 可用工程师团 法进行稳定分析 (2) 根据第一步计算获得的{σn}o 行一次稳定分析 可令φ = 0, c = τ f 按式(5.19)或式(5.20)确定相应的{ τ f } 据此 再进
第7章
7. 1 前言
土石坝各运用期的稳定分析
土石坝作为人工构筑的挡水建筑物 其边坡稳定问题比较典型 坝体和地基在施工期 正常蓄水期 库水位降落期和地震期均存在抗滑稳定问题 在第 5 6 两章中 分别介绍了 各种工况下抗剪强度和孔隙水压力的确定方法 在正确地确定这些参数的基础上 根据实际 情况采用总应力法或有效应力法进行边坡稳定分析 所得到边坡稳定安全系数 可用于评价 边坡在这些运用条件下的稳定性 本章拟利用实际工程的算例来介绍进行稳定分析的步骤
蒲城电厂张家沟灰坝基本材料特性指标 饱和容重
3
含水量 w (%) 24.5 20.9 17.2 5.0 30
饱和度 100 100 82 26.7 47.2
有效强度指标 c′ (kPa) φ′(°) 15 40 30 0 20 30.0 30.0 28 30.0 31.0
总强度指标 Ccu (kPa) φcu (°) 5 5 8 0 7 18 18 21 30 23
表 7. 3 情 况 表层粘性土 12.2 19.6 14.0 表 7. 4 干容重 γd (kN/m ) 地 I 基 II 初期坝 垫层 灰体 15.9 17.0 17.0 17.6 9.0
3
十字板强度如下(单位 泥 炭 13.3 24.8 17.7
kPa)
泥炭质软粘土 11.9 17.8(上部) 13.8(下部) 14.1(上部) 11.4(下部)
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土质边坡稳定分析 原理 ⋅ 方法 ⋅ 程序 表 7. 2 计算方法 斯里兰卡金河土堤 BR-8 段实际滑坡的安全系数核算结果 计算条件 堤身无裂缝 填土前 实测天然地基十字 堤中心有裂缝 板强度平均值 堤中心有裂缝 堤身无裂缝 破坏前夕 实测地基十字板 堤中心有裂缝 强度平均值 堤中心有裂缝 堤身无裂缝 破坏前夕 实测地基十字板 堤中心有裂缝 强度小值平均值 堤中心有裂缝 0 堤身无裂缝 堤中心有裂缝 35° 堤中心有裂缝 0 堤身无裂缝 堤中心有裂缝 35° 堤中心有裂缝 安全系数 1.33 1.21 1.15 1.33 1.36 1.30 1.23 1.18 1.02 0.81 0.59 0.56 1.19 1.03 0.98
强度指标
缝内有水压力
总应力法
缝内有水压力
缝内有水压力
瑞典法
c′
有效应 φ′ 力法 毕肖普法 c′ φ′
缝内有水压力
缝内有水压力
[例 7.3] 蒲城电厂张家沟灰坝施工期的稳定分析 蒲城电厂张家沟灰坝建于黄土塬侵蚀沟谷中 初期拟修一个高 20m 的均质坝 中期坝 高为 40m, 最终增高到 90m 典型断面如图 7.2 示
7. 2
施工期
土石坝施工期的边坡稳定问题 包括坝体和地基两个方面 1) 斜墙坝的上游坡 水力冲填坝和均质坝的上 下游坝坡 由于施工期坝体内孔隙水
7. 2. 1 概述
压力未获得充分消散 可能发生滑坡 2) 在饱和的软弱粘性土上修堤或坝 地基在承受荷载时 孔隙水压力增加 因而发生 滑坡 总应力法和有效应力法都是施工期稳定分析的常用方法 7. 2. 2 总应力法 用总应力法分析时 坝体防渗土的抗剪总强度按规范规定由下式确定
c =τ = q cu 2
(7.2)
在使用 STAB 程序进行施工期边坡稳定分析时 如果使用式(7.1)进行总应力法计算 则
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土质边坡稳定分析 原理 ⋅ 方法 ⋅ 程序
只需将孔隙水压设为零 使用 cuu 和φuu 进行常规的计算即可 如果使用式(7.2) 进行总应力 法计算 则 qcu 是一个在地基内随深度变化的数值 考虑到地基土在不同位置的变异特性 qcu 实际上是 x,y 两个坐标值的函数 因此 STAB 程序专门提供了对 qcu 进行内插的功能 7. 2. 3 有效应力法 用有效应力法进行计算时 抗剪强度由下式确定