土石坝的应变分析及稳定分析

土石坝的应变分析及稳定分析关键词：土石坝、应变、蓄水期、稳定性、荷载摘要：我们认为，土石坝应力应变分析中有待解决的问题主要有下列几个方面。第一是多数的研究限于施工期,而回避了蓄水期的计算。但是土石坝是挡水建筑物,因此可以说,不解决水对坝体的作用问题就是根本上没有解决问题。实际上现代设计的高土石坝也多是在初蓄水期发生严重变形甚致破坏的。此外,现有计算方法本身也存在许多问题,例如对于由刚度相差悬殊的几种材料组合的坝型就不能很好适应,特别当土体中存在混凝土结沟的时候。但是我们相信,随着试验和原观测资料的积累及计算技术的发展,这些问题将会逐步得到决,应力应变分析也一定会在土石坝设计中占据越来越重要的位置,总有一天设计工作者将能摆脱目前滑坡稳定分析加经验的设计方法,走上按极限变形和抗裂设计的轨道。一、蓄水期土石坝工作状态的特点现有的原体观测资料表明,施工期坝体内的应力主轴的方向变化不大,坝坡局部偏转较大的地方也不超过15度,而且大部分区域大小主应力比都在一之间,也就是说接近于单向压缩状态。这就意味着,施工期坝体内的应力状态比较简单,而月坝体的变形以垂直压缩变形为主。可是,一旦受到水的作用,问题就大大复杂化了。水对坝体的工作状态的影响表现在三个方面：（1）水平荷载引起的主应力轴偏转；（2）浮托力引起的卸荷作用；（3）土骨架浸水软化引起的附加变形（以下简称浸水变形）。根据高米的堆石坝模型试验的结果,水平压力与浮托力的共同作用使大范围内应力主轴偏转十几度,并使上游坝壳应力减小,下游坝壳应力加大。但从应力水平看则是下游降低,上游增高,并在上游坝壳靠心墙处达到破坏状态，形成个相当于主动土压力状态。同时,国内外大量的观测资料表明,由于水压力及软化变形的共同作用,坝顶既可能向上游位移,也可能向下游位移,而且往往是先向上游,后向下游,同时中心线发生明显的挠曲图。软化作用还会引起显著的沉降如果仅从浮托力考虑，蓄水时坝顶应当上抬。这说明软化作用引起的变形往往超过卸荷引起的回弹变形由于浮托力的作用,防渗体内有效应力减小。如果施工期因拱作用而总应力比较低,就可能导致水力劈裂。根据以上讨论,可以得到下列结论在施工期,坝体大范围内的应力和应变的主轴大体上是重合的。因此,线性或非线性弹性理论的计算结果至少定性地看是合理的蓄水时应力和应变主轴之间将发生较大的偏差。在这种情况下,再用应力应变丰轴熏合的弹性理论假设恐怕就不合适了。此其一弹性理诊中无法考虑卸荷,有人想通过对卸荷和加荷分别用不同的模量的办法来解决。但前面讲过,蓄水时上游区大小主应力都减小,应力水平却增大,下游区则相反,大小主应力都增大而应力水平降低图,由此可见,平均应力的增减与应力水平的增减往往不一致,光凭其中的一个条件建立加荷卸荷标准显然是不够的。此其二最后是浸水变形,过去的计算一般也没有考虑它。总之一个合理的计算方案必须考虑土坝蓄水期工作状态的三个基本特点,即（1）应力和应变主轴的偏转,（2）上游区平均应力减小而应力水平增高,下游区平均应力增大而应力水平降低，（3）附加的浸水软化变形。二、蓄水期应力应变计算合理化的途径用现有的方法进行蓄水期应力应变计算时往往会得出不合理的结果，主要表现在两个方面：一是上游坝壳中出现破坏区或拉应力区；二是坝体受到浮托作用而显著上抬,或得出过大的水平位移。曾经提出过许多办法以消除这些不合理现象例如,为了消除上游坝壳中的破坏区,曾有人提议过假定上游坝壳木存在,只靠心墙及下游坝壳挡水,或令上游坝壳蓄水后的应力简单地等于打一个折扣以后的施工期应力。又如为了减小蓄水弓起的计算变形二往往对蓄水期按卸荷模量计算,但这样一来,七游坝壳中更容易出现拉应力区及破坏区。应当指出,防渗墙位移后墙面附近坝壳中可能出现小片主动土压力区,如象前面模型试验中观测到那样、但按现有计算方法经常在远离防渗体的部位出现破坏区,那就不合理了。我们认为,为了解决蓄水期的应力应变计算问题,必须先从计算模式的研究着手。现有的计算模式大致可分为两类。一类是非线性弹性模式,另一类为弹塑性模式。在土石坝计算中,弹塑性模式只有个别研究者在进行试用,应用较广的是非线性模式。一类应用较多的模式可以称为准弹性模式,这类模式根据上覆土柱重量决定杨氏模量,而把泊松比取为常数,实际上把坝体看作非均质弹体。经过几个工程的计算与实巡对比之后,不少入提出准弹性模式比其它较复杂的模式更符合实际的论点,这是因为有的模式表面上比较符合土的变形特性,但选用的参数测定方法不合适就拿澎受模式与邓肯模式比较从表面上看后者比较合理,它考虑了应力水平对模最的影响但前者的计算参数通过压缩试脸侧定,后者则通过三轴试验测定实测资料表明施工期坝体大部分土的工作状态接近子单向压缩状态邓肯禅式计算的沉降量往往偏大,而用简单的澎曼模式反而更接近实际,原因恐怕就在这里以上论点完全从施工期的对比出发,以此否定寻求更合理的计算模式的努力是不能令入同意的不过,以上的对比也说明计算参数的测定方法对一个模式是否成功有重大的茸义。根据以上讨论,为了寻求一个能全面反映土石坝在施工和蓄水各个时期的情况的合理的。计算模式和相应的计算方法,我认为下列三个问题应是当前研究的重：（1）料在坝体中实际工作状态的试验研究,特别要进行模拟上游坝壳受浮托力而围压减小的试验,并在此基础上建立应力应变关系的表达式和计算参数的测定方法；（2）度上考虑应力和应变主轴方向的不一致性,即部分地采用塑性流动理论,并规定更合理的卸荷准则；（3）单可行的浸水变形计算公式。三、土石坝的稳定分析概述1、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。2、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。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、爆炸的作用下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。4、滑动面形状曲面滑动面：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。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。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。四、荷载及荷载组合1、坝体自重：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。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按下式计算：w=γj。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。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。4、荷载组合计算工况：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：正常运用包括：(1)上游正常蓄水位，下游相应最低水位或上游设计洪水位，下游为相应最高水位形成稳定渗流时的下游坝坡；(2)上游库水位不利时的上游坝坡，这种不利水位大致在坝底以上1/3坝高处，对复杂的坝剖面，应进行试算；(3)库水位正常降落时的上游。非常运用情况包括：(1)施工期或竣工期的下下游坝坡；(2)库水位骤降（k10-3cm/s,v3.0m/d）时的上游坝坡；(3)校核水位下有可能形成稳定渗流时的下游坝坡；(4)正常情况加地震影响的上、下游坝坡；(5)有时还要验算水库蓄满、排水设备失效进下游坝坡的稳定。五、土的抗剪强度及抗剪强度指标选取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：粘性土施工期同时采用总应力法计算：粘性土库水位降落期同时采用总应力计算：六、稳定分析方法边坡稳定分析属于刚体极限平衡法，根据滑裂面形式的不同分为：圆弧法、直线或折线滑动面法和复式滑动面法。（一）圆弧法基本原理1）假定不同的半径及圆心位置，画出一系列的假定圆弧裂面。2）对所假定的每一圆弧上的土体进行受力分析，求出土体上的力对圆心的抗滑力矩ΣMr和滑动力矩ΣMs。圆弧滑裂面上的抗滑安全系数为阻滑力矩与滑动力矩的比值K=ΣMr／ΣMs。3）比较一系列圆弧滑裂面上的Kc，其中Kmin所对应的圆弧面为最危险滑弧，要求Kmin≥[Kc]。总应力法：有效应力法：（二）折线法部分浸水的无粘性土坝坡稳定分析，例如心墙坝的上、下游坝坡和斜墙坝的下游坝坡，以及斜墙坝的上游保护层和保护层连同斜墙一起滑动时，常形成折线滑动面。折线法常采用两种假定：①滑楔间作用力为水平向，采用与瑞典圆弧法相同的安全系数；②滑楔间作用力平行滑动面，采用与毕肖普法相同的安全系数。参考文献【1】王复来.土石坝变形与稳定分析.北京：中国水利水电出版社.2008【2】林继镛.水工建筑物.北京：中国水利水电出版社，2006【3】潘家铮.建筑物的抗滑稳定和滑坡分析.北京：中国水利水电版社，1980.【4】张克恭.土力学.北京：中国建筑工业出版社，2010.【5】碾压式土石坝设计规范（SL274-2001）.北京：中国水利水电出版社,2001.【6】张启岳.土石坝加固技术.北京：中国水利水电出版社，2000.【7】吴持恭.水力学.北京：高等教育出版社，2008.土石坝的应变分析及稳定分析学院：专业班级：姓名：学号：日期：