土石壩邊坡穩定分析與計算方法

王銘梅 宋迪

摘 要：文章針對土石壩邊坡穩定分析與計算方法進行了系統的分析與整理，主要是對PC1500程序穩定性理論分析中三種狀態進行了分析并介紹了編制依據及使用情況。

關鍵詞：土壩；穩定性；邊坡；程序

1 穩定性理論分析

土壩的穩定性破壞有滑動、液化及塑性流動三種狀態。

（1）壩坡的滑動是由于壩體的邊坡太陡，壩體填土的抗剪強度太小，致使坍滑面以外的土體滑動力矩超過抗滑力矩，因而發生坍滑或由于壩基土的抗剪強度不足，因而壩體壩基一同發生滑動。

（2）壩體的液化是發生在用細砂或均勻的不夠緊密的砂料作成的壩體中，或由這種砂料形成的壩基中。液化的原因是由于飽和的松砂受振動或剪切而發生體積收縮，這時砂土孔隙中的水分不能立即排出，部分或全部有效應力即轉變為孔隙壓力，砂土的抗剪強度減少或變為零，砂粒業就隨著水的流動向四周流散了。

（3）土壩的塑性流動是由于壩體或壩基內的剪應力超過了土料實際具有的抗剪強度，變形超過了彈性限值，不能承受荷重，使壩坡或者壩腳地基土被壓出或隆起，因而使壩體的壩基發生裂縫、沉陷等情況。軟粘性土的壩或壩基，如果設計不良，就容易產生這種破壞。

進行壩坡穩定計算時，應該杜絕以上三種破壞穩定的現象，尤其前兩種，必須加以計算以及研究。

2 PC1500程序編制依據及計算方法

2.1 編制依據及使用情況綜述

PC1500程序在計算方法方面采用了瑞典條分法和考慮土條水平側向力的簡化畢肖甫法。從對土料物理力學指標的不同選用又可分為總應力法，有效應力法和簡化有效應力法。程序規定，計算公式中無孔隙水壓力為總應力法；計入孔隙水壓力為有效應力法；令孔隙水壓力一項為零而將孔隙水壓力包含在土體重量的計算之中，稱為簡化有效力法[1]。分別考慮了穩定滲流期，施工期，水位降落期三種情況。程序按照“水工建筑物抗震設計規范”，“碾壓土石壩設計規范”編制。

2.2 計算方法

PC1500程序安排了四種計算方式，即計算一個指定的滑弧，用優選法連續計算，用網格法連續計算，用混合法連續計算[2]。所謂優選法，是先給定圓心座標X1、Y1，滑弧深度DP和它們各自的變化步長。第一步，Y1，DP不變，X1變步長算五次，找出最小安全系數所對應的X1；第二步，X1，DP不變，Y1變步長算五次，找出最小安全系數所對應的Y1；第三步，X1Y1，不變，DP變步長算五次，找出最小安全系數所對應的DP，此時一個循環完成，如精度不滿足要求，將上一循環中最小安全系數對應的X1Y1，DP為新的初始值，繼續計算，向最小安全系數逼近，直到滿足要求。

所謂網格法，要計算若干滑弧深度，對每一滑弧度計算過程如下：以給定滑弧圓心為中心，以大步長向四周由49個點，逐一計算，找出安全系數最小的點，以該點為中心，以小步長向四周布49個點，計算后就找出相應該滑弧深度的最小安全系數。

混合法是先用網格法。將大步長布下的49個點算完后，找出安全系數最小的點，轉入優選法計算。混合法吸取了優選法和網格法的優點，即：滑弧位置分布適當，優化性強，計算度高；程序具有劃分土條寬度的功能，可繪出斷面圖及危險滑弧位置；程序能輸出原始數據、中間成果、滑弧圓心位置座標，滑弧深度及相應的安全系數。

3 程序初始化設置

（1）建立坐標系：坐標原點O放在壩頂上，一般取在壩軸線與壩頂的交點處，規定X軸水平指向滑動體滑動方向為正，Y軸鉛直向下為正。

（2）節點編號：先壩面后壩內，壩坡面節點編號必須沿壩坡面自X坐標值最大一點到最小一點止。所編第一點的Y坐標值即壩高（程序由此值選取地震慣性力分布系數），壩坡面上第一點和最后一點的X坐標值的絕對值必須取得足夠大，以求保證所有滑弧都能與壩坡線交上，壩內節點號不受先后限制，但所有編號必須連續，計算壩坡上不允許相鄰節點相距較大，否則要增加節點號。

（3）線條編號：任一區域均由封閉折線組成（即區域邊界），其中X坐標最小的初始點和X坐標最大的終點將這封閉折線分成上、下兩部分，僅對本區域上邊界線條編號，顯然，這是連續的、單值的。從第一區域起到最后一個區域，逐一對線條進行編號。鉛直線條不必編號或將其放緩后編號。

（4）編區域號：按土質指標不同劃分區域，分區編號順序為先上后下，先干后濕再水下。區域初始點為本區域中X坐標最小的節點，區域終點為本區域中X坐標最大的節點。區域初始線為本區域中線條編號最小的線條。壩內的浸潤線應是區域的邊界線。

（5）孔隙水壓力網格的繪制：結點成行列布置，各行必須水平，各列可傾向計算壩坡一側，但要求各列平行，將第1行（編號為0）中各結點X坐標，第一列（編號為0）各結點的Y坐標，及列線與鉛直線夾角的正切值輸入，并輸入各結點的孔隙水壓力值，程序即內插求出土條底部中心線處的孔隙水壓力值，供有效應力法計算時使用[3]。

4 程序的使用技巧

為了更好應用PC1500程序，應從以下幾個步驟進行程序操作，即：（1）擬定壩體剖面和計算壩體浸潤線；（2）確定數組中的控制變量21個，主要是確定其中的循環中心，它對于整個程序的運行有著至關重要的作用，可以找到準確而且最小的安全系數。（確定最危險滑裂面圓心的范圍參見《土壩設計》上冊P312。）；（3）將壩體節點編號，計算上游壩體穩定按順時針編號，X坐標方向在上游壩坡，Y坐標向下，下游壩體穩定計算按逆時針編號，X坐標方向在下游壩坡，Y坐標向下；（4）線條編號先Ⅰ區域再Ⅱ區域最后Ⅲ區域，計算上游壩體穩定按順時針編，下游壩體穩定計算按逆時針編；（5）區域編號初始點是X坐標最小點，終點是X坐標最大點，然后線條編號最小點；（6）確定壩體和壩基的三個區域中的摩擦角，粘結力，容重；（7）將以上數據編6行數據組。運行，調試，得出最小安全系數。

5 壩體浸潤線計算即土壩滲流計算

土壩滲流計算結果是計算壩體穩定計算的前提，所以這部分也是至關重要的。幾個常見的壩體滲流計算類型為：不透水地基上均質土壩的滲流分為有水平排水的均質土壩、有棱體排水的均質土壩、有表面排水（或無排水）的均質土壩；不透水地基斜墻土壩的滲流；不透水地基上心墻土壩的滲流；透水地基上均質土壩的滲流分為無限深透水地基上的均質土壩，有限深透水地基上的均質土壩；透水地基上有鋪蓋的土壩滲流分為鋪蓋斜墻土壩和鋪蓋心墻土壩；透水地基上有截水墻的土壩滲流。截水墻（截水槽，混凝土防滲墻，板樁，灌漿帷幕）。

6 結束語

應用PC1500程序過程中，應注意以下方面的問題：在計算的過程中，下游的出逸點與壩體的滲流系數有很大的關系，滲流系數越大，逸出點越高。在壩體穩定計算中，調試程序的時候，其他數據不可以變化的情況下，增加摩擦角，安全系數會增高，同樣的情況對于粘結力也是一樣的。總之對于整個土壩設計工作，土壩滲流和穩定計算是很重要的，對于后面的設計有很大的關連，所以要作好這部分的工作。

參考文獻

[1]陳志愷.水文與水資源分冊[M].北京：中國水利水電出版社，2004.

[2]李煒.水力計算手冊（第二版）[M].北京：中國水利水電出版社，2006.

[3]黃河水利委員會勘測規劃設計院研究院.SL274-2001.碾壓土石壩設計規范[S].北京：中國水利水電出版社，2002.

作者簡介：王銘梅，女，漢族，高級工程師，學士學位，主要從事水文水資源方面工作。