探討土石壩邊坡穩定性的設計與分析

周 釗

中國葛洲壩集團國際工程有限公司

探討土石壩邊坡穩定性的設計與分析

周 釗

中國葛洲壩集團國際工程有限公司

土石壩在我國的水利工程建設中較為常見，為了保障土石壩的安全運行，必須加強對其邊坡穩定性進行分析。基于此，本文闡述了土石壩的作用及其邊坡穩定性的涵義，分析了土石壩邊坡的特點及邊坡失穩的原因，對土石壩邊坡穩定性的設計以及土石壩邊坡穩定性分析的基本方法進行了探討。

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1　土石壩的作用及其邊坡穩定性的涵義

1.1土石壩的主要作用

第一、防洪保安。我國是一個洪澇災害頻繁的國家。新中國成立以來不斷建立完善的以水庫、堤防、分滯洪區等構成的防洪工程體系對洪水進行調控。這些防洪工程體系不僅有效保護了人民的生命和財產安全，也保衛了國家經濟建設秩序和改革開放的成果。

第二、保障供水。大壩是調節配置河流水量，保障飲水安全、糧食安全和城鄉經濟社會發展用水安全的重要基礎設施。

第三、保障能源供給。水電在調整能源結構，維護經濟社會協調、可持續發展中發揮著重要作用。我國經濟社會快速增長和能源緊缺的矛盾今后將會越來越突出，如果過度依賴火電必將引發二氧化碳過量排放，因此大力發展包括水能、風能、太陽能和生物質能等在內的各種可再生能源已成為我國基本的能源政策。

1.2土石壩邊坡穩定性的涵義。

邊坡穩定性分析是以結構穩定性理論為基礎的，結構穩定性就是研究結構在各種因素作用下的安全問題。它的內容包括結構的安全性、實用性、耐久性等，結構的穩定性的定義為：結構在規定條件和規定時間內完成預定功能的能力。在實際應用中為了定量的分析和計算，給出結構穩定性的數量指標，引入了穩定性的概念，結構的穩定性定義為結構在規定的時間內，在規定的條件下，完成預定功能的概率。在實際邊坡工程的設計和研究中，人們的研究所要達到的目的就是在一定的經濟條件下，賦予邊坡工程以適當的可靠程度，使之在規定的時間內，能具有適當的可靠程度，在規定的使用期限內，能夠滿足設計所預期的各種功能要求。

2　土石壩邊坡的特點及邊坡失穩的原因

2.1土石壩邊坡的特點

（1）土質邊坡的形態通常比較單一，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）土質邊坡不具有明顯的結構性，因此，土質邊坡滑動面的位置，一般情況下是未知的；計算出的最危險滑動面往往與實地觀察到的相差較遠。

（3）土質邊坡中土體內部的剪應力達到抗剪強度，是造成土質邊坡變形破壞的根本原因。

2.2土石壩邊坡失穩的原因

土石壩滑坡主要是在巖土體邊界上產生剪切破壞的結果。現場測試或室內試驗表明，滑動面上的平均剪應力等于巖土體的抗剪強度時，通常認為會產生滑動破壞，也稱滑坡。因此，從滑坡機理來看，滑坡是與滑動力和抗滑力密切相關的。一定抗滑力時，滑動力增加到等于或大于此一定抗滑力時，就產生滑坡。另一方面，一定滑動力時，抗滑力減少到等于或小于此一定滑動力時，就引起滑坡。土石壩滑坡是多種因素共同作用的結果，是一種復雜的失穩破壞現象。產生土石壩滑坡的基本因素，實質上是滑動力的增加與抗滑力的不足。滑動力與抗滑力取決于庫水和雨水入滲、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孔隙水壓力以及筑壩土料的性質，包括與孔隙水壓力和有關的抗剪強度。為此，首先必須進行滑坡勘探、土工試驗及觀測工作，從而確定滑坡性質及其主要原因，并制定出滑坡加固設計。

3　土石壩邊坡穩定性的設計

現行的土石壩設計規范不適應《水工統標》的要求，需按其關于概率極限設計法的規定進行修訂，以可靠指標度量土石壩結構的穩定性，并據此采用五個分項系數（結構重要性系數、設計狀況系數、作用分項系數、材料性能分項系數和結構系數）的方式以替代現在的單一安全系數設計法。

由于土石壩壩體尺寸較大，尺寸的變異很小，對于一個具體工程和一個固定的運行工況，容重、浸潤線位置也是基本不變的，因此，對一個具體的土石壩工程來說，其作用的標準值按定值處理。《水工統標》規定，在采用極限狀態設計法時，巖土材料和土基強度的標準值可采用其概率分布的0.1分位值。結構重要性系數在《水工統標》中已有明確規定，對應I，II和III級結構，其結構重要性系數分別為1.1，1.0和0.9。

不同設計工況應有不同的目標可靠指標。對應土石壩工程設計條件中的穩定滲流期、水庫水位降落期、施工期、穩定滲流遇地震等工作狀況，設計狀態系數應分別取不同的數值。根據設計經驗，參考《水工統標》給出的確定原則及有關規范的確定方法，筆者建議設計狀態系數對應于穩定滲流期、不利水位情況取1.0，施工期取0.95，水庫水位降落期和穩定滲流遇地震情況取0.85。

確定結構系數時，應保證采用概率極限狀態設計法設計的土石壩的穩定可靠指標不低于目標可靠指標的規定限值，且設計的土石壩斷面與現行規范設計的相比在總體上接近。在保證可靠指標達到規定值的前提下，II和III級土石壩的工程量允許略有減小。

4　土石壩邊坡穩定性分析的基本方法

在穩定性分析中，計算方法的選擇是一個很重要的方面，這不僅影響到計算的精確程度，同時也影響到計算的速度和復雜性，所以需要權衡其中的利弊，選擇一個比較好的計算方法。影響結構穩定性分析的因素既多又復雜，由于對某些因素的研究尚不夠深入，因此，很難用統一的方法確定各隨機變量的實際分布并精確計算結果的穩定性。目前通常采用一次二階矩法、蒙特卡洛法以及Rosenblueth方法等近似計算方法。

1、一次二階矩法。一次二階矩法（FOMS）又稱為水準II方法，它的基本思想是利用輸入隨機變量的一階原點矩（均值）和二階中心矩（方差）求出極限狀態函數的一階原點矩和二階中心矩，并定義穩定性指標，用以評價邊坡的穩定性，所以又稱穩定性指標法。按隨機變量的實際分布分兩種情況：一種是不考慮隨機變量的實際分布，假定它服從正態或對數正態分布，導出有關穩定性的解析表達式，進行分析和計算，分析時采用泰勒級數在平均值（即中心點）展開，故稱中心點法；第二種是考慮隨機變量的實際分布，若是非正態分布，則將其當量正態化，并在設計點處進行迭代，計算穩定性指標，故稱可靠指標法。

2、蒙特卡洛法。蒙特卡洛（MonteCarlo）法又稱為隨機抽樣法或統計試驗法。該法是通過隨機模擬和統計試驗來求解結構穩定性的近似數值方法。由于它以概率論和數理統計理論為基礎，故被一些物理學家以位于法國和意大利接壤的聞名于世的賭城蒙特卡洛命名，以此來表示其隨機性的特征。

結束語

土石壩邊坡穩定的分析模型很多，不同的穩定模型其極限狀態方程是不同的，穩定性計算結果也就各不相同。對于實際的土石壩邊坡工程的穩定性分析采用何種穩定模型十分重要。并且需要通過各種方法找出參數的真實分布規律，從而強化對土石壩邊坡穩定性的分析。

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［2］楊倩嵐.大壩安全檢測與無損檢測的現狀與研究［J］.科技創新導報2012（14）

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