●●●●● ●●●● ●●0 ●●● ●●●● 84土石坝稳定分析 概述 荷载及组合 、稳定分析方法 四、提髙稳定的工程措施 2021/2/23
2021/2/23 1 §4 土石坝稳定分析 一、概述 二、荷载及组合 三、稳定分析方法 四、提高稳定的工程措施
●●●●● ●●●● ●●0 、稳定分析概述 ●●● ●●●● 土石坝在自重、水荷载、渗透压力和地震荷载作用下, 若剖面尺寸不当或坝体、坝基土料的抗剪强度不足,坝体或 坝体连同部分地基发生滑动,造成失稳。坝基内有软弱夹层 时,也可能发生塑性流动。饱和细沙受地震作用还可能发生 液化失稳。 分析目的: 分析坝体及坝基在各种不同条件下可能产生的失稳形式, 校验其稳定性,确定坝体经济剖面。 失稳特点 坝体由散粒材料组成,不会出现整体滑动或倾覆失稳, 只可能发生局部失稳破坏。 2021/2/23
2021/2/23 2 土石坝在自重、水荷载、渗透压力和地震荷载作用下， 若剖面尺寸不当或坝体、坝基土料的抗剪强度不足，坝体或 坝体连同部分地基发生滑动，造成失稳。坝基内有软弱夹层 时，也可能发生塑性流动。饱和细沙受地震作用还可能发生 液化失稳。 分析目的： 分析坝体及坝基在各种不同条件下可能产生的失稳形式， 校验其稳定性，确定坝体经济剖面。 失稳特点： 坝体由散粒材料组成，不会出现整体滑动或倾覆失稳， 只可能发生局部失稳破坏。 一、稳定分析概述
●●●●● ●●●● 稳定破坏形式 ●●0 ●●● ●●●● 滑动: 坝或坝基材料的抗剪强度不够,沿某一滑动面向下坍滑 ≯液化:细砂或均匀砂料,地震、打桩振动、爆炸 饱和的松砂受振动或剪切而发生体积收缩,孔隙水不能立 即排出,有效应力转化为孔隙应力,砂土抗剪强度降低,砂料 随水的流动而流散。 影响因素:有效粒径小,孔隙比大,砂料均匀,受力体大 受力猛,透水性小,易液化。美国福特派克坝380万立方米的 砂体在10分钟内流失;铁路桥因火车振动而液化, 塑性流动: 坝体或坝基剪应力超过了土料抗剪强度,变形超过弹性极 限值,坝坡或坝脚地基土被压出或隆起,坝体产生裂缝或沉陷 软粘土坝体容易发生。 2021/2/23
2021/2/23 3 稳定破坏形式 ➢滑动： 坝或坝基材料的抗剪强度不够，沿某一滑动面向下坍滑。 ➢液化：细砂或均匀砂料，地震、打桩振动、爆炸 饱和的松砂受振动或剪切而发生体积收缩，孔隙水不能立 即排出，有效应力转化为孔隙应力，砂土抗剪强度降低，砂料 随水的流动而流散。 影响因素：有效粒径小，孔隙比大，砂料均匀，受力体大， 受力猛，透水性小，易液化。美国福特派克坝380万立方米的 砂体在10分钟内流失；铁路桥因火车振动而液化。 ➢塑性流动： 坝体或坝基剪应力超过了土料抗剪强度，变形超过弹性极 限值，坝坡或坝脚地基土被压出或隆起，坝体产生裂缝或沉陷。 软粘土坝体容易发生
●●●●● ●●●● ●●0 滑动面形状 ●●●● 1、曲面滑动面 滑动面顶部陡而底部渐 缓,曲面近似圆弧,多发生 于粘性土中 (a) 2、折线滑动面 (b) 多发生于非粘性土坡, 3 如薄心墙坝、斜墙坝;折点 般在水面附近。 (c) (d) 3、复式滑动面 厚心墙或粘土及非粘土 构成的多种土质坝形成复式 滑动面。当坝基内有软弱夹 4( 层时,滑动面不再向下深切, 图6-34坝坡坍滑破坏形式 而沿夹层形成曲、直组合的 1一坝壳或坝体;2-防渗体;3-滑动面;4-软弱夹层 复式滑动。 2021/2/23
2021/2/23 4 滑动面形状 1、曲面滑动面 滑动面顶部陡而底部渐 缓，曲面近似圆弧，多发生 于粘性土中。 2、折线滑动面 多发生于非粘性土坡， 如薄心墙坝、斜墙坝；折点 一般在水面附近。 3、复式滑动面 厚心墙或粘土及非粘土 构成的多种土质坝形成复式 滑动面。当坝基内有软弱夹 层时，滑动面不再向下深切， 而沿夹层形成曲、直组合的 复式滑动
●●●●● 荷载及荷载组合 ●●●● ●●0 ●●● 荷载 ●●●● 1、坝体自重 坝体内浸润线以上部分按湿容重计算,下游水位以上按 饱和容重,下游水位以下部分按浮容重计算。 湿容重:单位体积中土、水、空气的重量 饱和容重:水占满了土中的空隙,单位体积内水和土的 重量 浮容重:土的有效重量,等于饱和容重-1 2、渗透压力 动水压力方向与渗流方向相同,作用于单位土体上的渗 流力可按下式计算:f=γj 式中γ为水的容重,j为渗透坡降 渗透压力对边坡稳定不利 2021/2/23
2021/2/23 5 荷载: 1、坝体自重 坝体内浸润线以上部分按湿容重计算，下游水位以上按 饱和容重，下游水位以下部分按浮容重计算。 湿容重：单位体积中土、水、空气的重量。 饱和容重：水占满了土中的空隙，单位体积内水和土的 重量。 浮容重：土的有效重量，等于饱和容重-1 2、渗透压力： 动水压力方向与渗流方向相同，作用于单位土体上的渗 流力可按下式计算：f=γj 式中γ为水的容重，j为渗透坡降 渗透压力对边坡稳定不利 二、荷载及荷载组合
●●●●● ●●●● ●●0 ●●● ●●●● 3、孔隙水压力 土体可压缩,水是不可压缩的,且不能传递剪力 当土体孔隙饱和时,荷载由水来承担,孔隙受压排水 后,土粒骨架开始承担(有效应力),孔隙水所承担 的应力为孔隙应力(孔隙水应力),两者之和为总应 力。土体中有孔隙水压力后,有效应力降低,对稳定 不利。 粘性土在以下情况会产生孔隙水压力:①施工期; ②库水位降落;③地震时附加孔隙水压力。 孔隙水压力随土料性质、填土含水量、填筑速度、 坝内各点荷载和排水条件不同,随时间变化,随排水 而变化。 2021/2/23
2021/2/23 6 3、孔隙水压力 土体可压缩，水是不可压缩的，且不能传递剪力。 当土体孔隙饱和时，荷载由水来承担，孔隙受压排水 后，土粒骨架开始承担（有效应力），孔隙水所承担 的应力为孔隙应力（孔隙水应力），两者之和为总应 力。土体中有孔隙水压力后，有效应力降低，对稳定 不利。 粘性土在以下情况会产生孔隙水压力：①施工期； ②库水位降落；③地震时附加孔隙水压力。 孔隙水压力随土料性质、填土含水量、填筑速度、 坝内各点荷载和排水条件不同，随时间变化，随排水 而变化
●●●●● ●●●● ●●0 ●●● ●●●● 荷载组合 土石坝施工、蓄水和库水位降落的各个时期不同荷 载下,应分别计算其稳定性。控制稳定的有施工期(包 括竣工时)、稳定渗流期、库水位降落期和正常运用遇 地震四种工况,应计算的内容 施工期的上、下游坝坡; 稳定渗流期的上、下游坝坡; 水库水位降落期的上游坝坡; 正常运用遇地震的上、下游坝坡 2021/2/23
2021/2/23 7 荷载组合 土石坝施工、蓄水和库水位降落的各个时期不同荷 载下，应分别计算其稳定性。控制稳定的有施工期（包 括竣工时）、稳定渗流期、库水位降落期和正常运用遇 地震四种工况，应计算的内容： •施工期的上、下游坝坡； •稳定渗流期的上、下游坝坡； •水库水位降落期的上游坝坡； •正常运用遇地震的上、下游坝坡
●●●●● ●●●● 土石坝各种计算工况,土体的抗剪强度均应采用有校。 力法计算: ●●●● t=C+(o-utan 粘性土施工期同时采用总应力法计算: τ=Cn+ otan 粘性土库水位降落期同时采用总应力计算: I=Cm+o tan o 式中:τ为土体的抗剪强度 c'、φ为有效应力抗剪强度指标 o为法向有效应力u为孔隙压力 Cn、q.为不排水剪总强度指标 c∞、φo为固接不排水剪总强度指标 σ!为库水位降落前的法向有效应力 2021/2/23
2021/2/23 8 土石坝各种计算工况，土体的抗剪强度均应采用有效应 力法计算： τ = c + (σ − u)tan 粘性土施工期同时采用总应力法计算： u σtan u τ = c + 粘性土库水位降落期同时采用总应力计算： cu c cu = c + tan 式中： τ为土体的抗剪强度 c 、 为有效应力抗剪强度指标 为法向有效应力 u为孔隙压力 cu 、 u为不排水剪总强度指标 ccu、 cu为固接不排水剪总强度指标 c 为库水位降落前的法向有效应力
表D.1.1抗剪强度指标的测定和应用 控制稳定强度计 土类 使用试验方法强度试样起始 ●●●●● 的时期算方法 仪器 与代号指标 状态 ●●●● 直剪仪慢剪(S) ●●0 无粘性土三轴仪/固结排水剪 ●●●● (CD) 直剪仪慢剪(S 有效应 饱和度 力法 数/小于80%三轴仪不排水剪测孔,q 隙压力(UU) 填土用填筑含 施工期 性 水率和填筑容 直剪仪慢剪(S 重的土,坝基 饱和度 用原状土 大于80%三轴仪乳隙压力(CU) 结不排水剪测 渗透系数小直剪仪快剪(Q) 总应力整于10cm/s 法任何渗 透系数 轴仪不排水剪(UU) 直剪仪慢剪(S) 无粘性土 稳定渗流 三轴仪固结排水剪 (CD) 期和水库有效应 水位降力法 直剪仪慢剪(s)| 落期 同上,但要预先 粘性土 固结不排水剪测 三轴仪孔压力C 饱和,而浸润线 以上的土不需 饱和 渗透系数小 水库水位总应力粘于10cm/s直剪仪固结快剪(R) 土任何渗 结不排水剪 透系数三仪cU 2021/2/23 注:表内施工期总应力法抗剪强度为坝体填土非饱和土,对于坝基饱和土,抗剪 强度指标应改为c,升u
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●●●●● ●●●● 稳定分析 ●●0 ●●● ●●●● 坝坡抗滑稳定计算应采用刚体极限平衡法。对于均质 坝、厚斜墙坝和厚心墙坝,宜采用计及条块间作用力的简 化毕肖普法;对于有软弱夹层、薄斜墙、薄心墙坝的坝坡 稳定分析及任何坝型,可采用满足力和力矩平衡的摩根斯 顿一普赖斯等分析 非均质坝体和坝基稳定安全系数的计算应考虑安全系 数的多极值特性。滑动破坏面应在不同的土层进行分析比 较,直到求得最小稳定安全系数。 2021/2/23
2021/2/23 10 三、稳定分析 坝坡抗滑稳定计算应采用刚体极限平衡法。对于均质 坝、厚斜墙坝和厚心墙坝，宜采用计及条块间作用力的简 化毕肖普法；对于有软弱夹层、薄斜墙、薄心墙坝的坝坡 稳定分析及任何坝型，可采用满足力和力矩平衡的摩根斯 顿－普赖斯等分析。 非均质坝体和坝基稳定安全系数的计算应考虑安全系 数的多极值特性。滑动破坏面应在不同的土层进行分析比 较，直到求得最小稳定安全系数