周 釗

中國(guó)葛洲壩集團(tuán)國(guó)際工程有限公司

探討土石壩邊坡穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)與分析

周 釗

中國(guó)葛洲壩集團(tuán)國(guó)際工程有限公司

土石壩在我國(guó)的水利工程建設(shè)中較為常見(jiàn)，為了保障土石壩的安全運(yùn)行，必須加強(qiáng)對(duì)其邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析。基于此，本文闡述了土石壩的作用及其邊坡穩(wěn)定性的涵義，分析了土石壩邊坡的特點(diǎn)及邊坡失穩(wěn)的原因，對(duì)土石壩邊坡穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)以及土石壩邊坡穩(wěn)定性分析的基本方法進(jìn)行了探討。

土石壩；作用；邊坡穩(wěn)定性；特點(diǎn)；失穩(wěn)；設(shè)計(jì)

1　土石壩的作用及其邊坡穩(wěn)定性的涵義

1.1土石壩的主要作用

第一、防洪保安。我國(guó)是一個(gè)洪澇災(zāi)害頻繁的國(guó)家。新中國(guó)成立以來(lái)不斷建立完善的以水庫(kù)、堤防、分滯洪區(qū)等構(gòu)成的防洪工程體系對(duì)洪水進(jìn)行調(diào)控。這些防洪工程體系不僅有效保護(hù)了人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全，也保衛(wèi)了國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)秩序和改革開(kāi)放的成果。

第二、保障供水。大壩是調(diào)節(jié)配置河流水量，保障飲水安全、糧食安全和城鄉(xiāng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展用水安全的重要基礎(chǔ)設(shè)施。

第三、保障能源供給。水電在調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，維護(hù)經(jīng)濟(jì)社會(huì)協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速增長(zhǎng)和能源緊缺的矛盾今后將會(huì)越來(lái)越突出，如果過(guò)度依賴火電必將引發(fā)二氧化碳過(guò)量排放，因此大力發(fā)展包括水能、風(fēng)能、太陽(yáng)能和生物質(zhì)能等在內(nèi)的各種可再生能源已成為我國(guó)基本的能源政策。

1.2土石壩邊坡穩(wěn)定性的涵義。

邊坡穩(wěn)定性分析是以結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性理論為基礎(chǔ)的，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性就是研究結(jié)構(gòu)在各種因素作用下的安全問(wèn)題。它的內(nèi)容包括結(jié)構(gòu)的安全性、實(shí)用性、耐久性等，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性的定義為：結(jié)構(gòu)在規(guī)定條件和規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成預(yù)定功能的能力。在實(shí)際應(yīng)用中為了定量的分析和計(jì)算，給出結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的數(shù)量指標(biāo)，引入了穩(wěn)定性的概念，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性定義為結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，完成預(yù)定功能的概率。在實(shí)際邊坡工程的設(shè)計(jì)和研究中，人們的研究所要達(dá)到的目的就是在一定的經(jīng)濟(jì)條件下，賦予邊坡工程以適當(dāng)?shù)目煽砍潭?，使之在?guī)定的時(shí)間內(nèi)，能具有適當(dāng)?shù)目煽砍潭?，在?guī)定的使用期限內(nèi)，能夠滿足設(shè)計(jì)所預(yù)期的各種功能要求。

2　土石壩邊坡的特點(diǎn)及邊坡失穩(wěn)的原因

2.1土石壩邊坡的特點(diǎn)

（1）土質(zhì)邊坡的形態(tài)通常比較單一，基本上以剪切破壞為主，滑裂面為圓弧型或圓弧與夾泥層的組合型。

（2）土質(zhì)邊坡不具有明顯的結(jié)構(gòu)性，因此，土質(zhì)邊坡滑動(dòng)面的位置，一般情況下是未知的；計(jì)算出的最危險(xiǎn)滑動(dòng)面往往與實(shí)地觀察到的相差較遠(yuǎn)。

（3）土質(zhì)邊坡中土體內(nèi)部的剪應(yīng)力達(dá)到抗剪強(qiáng)度，是造成土質(zhì)邊坡變形破壞的根本原因。

2.2土石壩邊坡失穩(wěn)的原因

土石壩滑坡主要是在巖土體邊界上產(chǎn)生剪切破壞的結(jié)果?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試或室內(nèi)試驗(yàn)表明，滑動(dòng)面上的平均剪應(yīng)力等于巖土體的抗剪強(qiáng)度時(shí)，通常認(rèn)為會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)破壞，也稱滑坡。因此，從滑坡機(jī)理來(lái)看，滑坡是與滑動(dòng)力和抗滑力密切相關(guān)的。一定抗滑力時(shí)，滑動(dòng)力增加到等于或大于此一定抗滑力時(shí)，就產(chǎn)生滑坡。另一方面，一定滑動(dòng)力時(shí)，抗滑力減少到等于或小于此一定滑動(dòng)力時(shí)，就引起滑坡。土石壩滑坡是多種因素共同作用的結(jié)果，是一種復(fù)雜的失穩(wěn)破壞現(xiàn)象。產(chǎn)生土石壩滑坡的基本因素，實(shí)質(zhì)上是滑動(dòng)力的增加與抗滑力的不足?；瑒?dòng)力與抗滑力取決于庫(kù)水和雨水入滲、施工方法、施工速度、地震等外部條件所引起的壩體或壩基內(nèi)孔隙水壓力以及筑壩土料的性質(zhì)，包括與孔隙水壓力和有關(guān)的抗剪強(qiáng)度。為此，首先必須進(jìn)行滑坡勘探、土工試驗(yàn)及觀測(cè)工作，從而確定滑坡性質(zhì)及其主要原因，并制定出滑坡加固設(shè)計(jì)。

3　土石壩邊坡穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)

現(xiàn)行的土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范不適應(yīng)《水工統(tǒng)標(biāo)》的要求，需按其關(guān)于概率極限設(shè)計(jì)法的規(guī)定進(jìn)行修訂，以可靠指標(biāo)度量土石壩結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，并據(jù)此采用五個(gè)分項(xiàng)系數(shù)（結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)、設(shè)計(jì)狀況系數(shù)、作用分項(xiàng)系數(shù)、材料性能分項(xiàng)系數(shù)和結(jié)構(gòu)系數(shù)）的方式以替代現(xiàn)在的單一安全系數(shù)設(shè)計(jì)法。

由于土石壩壩體尺寸較大，尺寸的變異很小，對(duì)于一個(gè)具體工程和一個(gè)固定的運(yùn)行工況，容重、浸潤(rùn)線位置也是基本不變的，因此，對(duì)一個(gè)具體的土石壩工程來(lái)說(shuō)，其作用的標(biāo)準(zhǔn)值按定值處理?！端そy(tǒng)標(biāo)》規(guī)定，在采用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法時(shí)，巖土材料和土基強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值可采用其概率分布的0.1分位值。結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)在《水工統(tǒng)標(biāo)》中已有明確規(guī)定，對(duì)應(yīng)I，II和III級(jí)結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)分別為1.1，1.0和0.9。

不同設(shè)計(jì)工況應(yīng)有不同的目標(biāo)可靠指標(biāo)。對(duì)應(yīng)土石壩工程設(shè)計(jì)條件中的穩(wěn)定滲流期、水庫(kù)水位降落期、施工期、穩(wěn)定滲流遇地震等工作狀況，設(shè)計(jì)狀態(tài)系數(shù)應(yīng)分別取不同的數(shù)值。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，參考《水工統(tǒng)標(biāo)》給出的確定原則及有關(guān)規(guī)范的確定方法，筆者建議設(shè)計(jì)狀態(tài)系數(shù)對(duì)應(yīng)于穩(wěn)定滲流期、不利水位情況取1.0，施工期取0.95，水庫(kù)水位降落期和穩(wěn)定滲流遇地震情況取0.85。

確定結(jié)構(gòu)系數(shù)時(shí)，應(yīng)保證采用概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)的土石壩的穩(wěn)定可靠指標(biāo)不低于目標(biāo)可靠指標(biāo)的規(guī)定限值，且設(shè)計(jì)的土石壩斷面與現(xiàn)行規(guī)范設(shè)計(jì)的相比在總體上接近。在保證可靠指標(biāo)達(dá)到規(guī)定值的前提下，II和III級(jí)土石壩的工程量允許略有減小。

4　土石壩邊坡穩(wěn)定性分析的基本方法

在穩(wěn)定性分析中，計(jì)算方法的選擇是一個(gè)很重要的方面，這不僅影響到計(jì)算的精確程度，同時(shí)也影響到計(jì)算的速度和復(fù)雜性，所以需要權(quán)衡其中的利弊，選擇一個(gè)比較好的計(jì)算方法。影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析的因素既多又復(fù)雜，由于對(duì)某些因素的研究尚不夠深入，因此，很難用統(tǒng)一的方法確定各隨機(jī)變量的實(shí)際分布并精確計(jì)算結(jié)果的穩(wěn)定性。目前通常采用一次二階矩法、蒙特卡洛法以及Rosenblueth方法等近似計(jì)算方法。

1、一次二階矩法。一次二階矩法（FOMS）又稱為水準(zhǔn)II方法，它的基本思想是利用輸入隨機(jī)變量的一階原點(diǎn)矩（均值）和二階中心矩（方差）求出極限狀態(tài)函數(shù)的一階原點(diǎn)矩和二階中心矩，并定義穩(wěn)定性指標(biāo)，用以評(píng)價(jià)邊坡的穩(wěn)定性，所以又稱穩(wěn)定性指標(biāo)法。按隨機(jī)變量的實(shí)際分布分兩種情況：一種是不考慮隨機(jī)變量的實(shí)際分布，假定它服從正態(tài)或?qū)?shù)正態(tài)分布，導(dǎo)出有關(guān)穩(wěn)定性的解析表達(dá)式，進(jìn)行分析和計(jì)算，分析時(shí)采用泰勒級(jí)數(shù)在平均值（即中心點(diǎn)）展開(kāi)，故稱中心點(diǎn)法；第二種是考慮隨機(jī)變量的實(shí)際分布，若是非正態(tài)分布，則將其當(dāng)量正態(tài)化，并在設(shè)計(jì)點(diǎn)處進(jìn)行迭代，計(jì)算穩(wěn)定性指標(biāo)，故稱可靠指標(biāo)法。

2、蒙特卡洛法。蒙特卡洛（MonteCarlo）法又稱為隨機(jī)抽樣法或統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)法。該法是通過(guò)隨機(jī)模擬和統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)來(lái)求解結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的近似數(shù)值方法。由于它以概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論為基礎(chǔ)，故被一些物理學(xué)家以位于法國(guó)和意大利接壤的聞名于世的賭城蒙特卡洛命名，以此來(lái)表示其隨機(jī)性的特征。

結(jié)束語(yǔ)

土石壩邊坡穩(wěn)定的分析模型很多，不同的穩(wěn)定模型其極限狀態(tài)方程是不同的，穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果也就各不相同。對(duì)于實(shí)際的土石壩邊坡工程的穩(wěn)定性分析采用何種穩(wěn)定模型十分重要。并且需要通過(guò)各種方法找出參數(shù)的真實(shí)分布規(guī)律，從而強(qiáng)化對(duì)土石壩邊坡穩(wěn)定性的分析。

［1］趙杰.邊坡穩(wěn)定有限元分析方法中若干應(yīng)用問(wèn)題研究［D］.大連理工大學(xué)，2007

［2］楊倩嵐.大壩安全檢測(cè)與無(wú)損檢測(cè)的現(xiàn)狀與研究［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)2012（14）

［3］朱晟.土石壩震害與抗震安全［J］.水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2011（6）