第13章 工程案例
13,1 蒲城电厂张家沟灰坝
13,1,1 基本情况
(1) 项目来源电力部西北电力勘测设计院
(2) 完成日期1990年4月
(3) 设计阶段技施设计
(4) 存档文件
1) 蒲城电厂张家沟甘南沟灰场工程地质勘探报告水利水电科学研究院岩土
(90)1990年7月
2) 蒲城电厂灰坝坝基原状及粉煤灰土工试验报告水利水电科学研究院岩土
(90)1990年7月
3) 蒲城电厂贮灰库平面坝固结有限元计算水利水电科学研究院岩土(90)1990年
11月
4) 蒲城电厂挡灰坝坝型及地基处理方案论证水利水电科学研究院岩土(91)1991
年
5) 蒲城电厂张家沟甘南沟灰场坝坡稳定分析报告水利水电科学研究院岩土
(91)?14 1991年
13,1,2 工程概述
蒲城电厂张家沟灰坝建于第四系全新统软土地基上坝基主要为淤泥质亚粘土地基地下水位高因此在修建灰坝时存在着坝坡连同地基发生滑坡的可能性需结合实际的填筑速率设计必要的地基排水工程措施以确保灰坝填筑安全大坝典型剖面图如第7章图7.2所示
坝坡稳定分析按初期坝高为20m中期填筑到440m高程和终期填筑到470m
高程三个阶段进行本项工作要求比较铺设水平垫层和竖直砂井排水两种工程措施对提高坝坡稳定安全系数的作用同时还比较了一个初期坝为15m高的方案复核遭遇7度和8
度地震情况下的坝坡稳定安全系数堆灰速率为第一年填筑到405m高程在以后的15年中填筑到470m高程左右在分析计算中还考虑了一个提高初期坝施工速率的方案
13,1,3 计算条件
1,计算工况
464 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序
计算上下游坝坡施工期正常运用期库水位骤降期和地震期的稳定性主要计算
217.5m断面同时也复核了靠近左岸的坝基夹有软弱夹层的310m断面针对初期中期终期情况计算以下几种方案
1) 地基无处理措施
2) 地基垫层厚2.5m
3) 地基垫层厚5m
4) 铺厚2.5m垫层并设竖直砂井
5) 比较方案初期坝高15m加垫层厚2.5m
6) 比较方案同5)并提高堆灰速率
7) 情况5)加7度和8度地震
2,强度指标
稳定分析所采用的有效应力抗剪强度指标根据原状样固结排水和固结不排水测孔压
( )试验成果确定R′有关试验成果存档文件2)并列于表13.1
表 13,1 张家沟灰坝基本材料特性指标
干容重
含水量 饱和容重 饱和度 有效强度指标 总强度指标
材料
γ
d
kN/m
3
w (%) γ
d
(kN/m
3
) S
r
(%) c′ (kPa) φ′ (°) c
cu
kPa φ
cu
(°)
地基上层 15.9 24.5 19.8 100 15 30.0 5 18
地基下层 17.0 20.9 20.6 100 40 30.0 5 18
初期坝 17.0 17.2 19.9 82 30 28 8 21
垫层 17.6 5.0 18.5 26.7 0 30.0 0 30
灰体 9.0 30 11.7 47.2 20 31.0 7 23
灰坝施工各阶段孔隙水压力消散过程通过比奥原理的二维有限元固结程序CON2D确定详见存档文件3)第7章图7.5示其中的一个典型工况的孔隙水压力分布图形
13,1,4 计算成果与分析
各种运用条件计算获得的最小安全系数列于表13.2部分工况临界滑裂面示于图13.1
分析这些计算成果得到如下几点结论
(1) 张家沟灰坝建于饱和淤泥质亚粘土地基上因此渗透系数小填筑时孔隙水压力不易迅速消散如不采取工程措施坝坡稳定不易保证在各运行情况下初期坝竣工时最为不利为控制工况此时固结分析所获得的孔隙水压力系数在局部地区超过1稳定分析中发现局部的安全系数很小鉴于此运行条件下安全系数小于1因此对张家沟灰场增加排水工程措施是必要的
(2) 采用水平垫层和竖直砂井均可有效地降低孔隙水压力因而使稳定安全系数提高到
1.1以上图13.1列出了几个典型运用条件下计算获得的临界滑裂面
第13章 工程案例 465
图 13,1 蒲城电厂张家沟灰坝主要工况计算成果
(a) Z3-d; (b) Z12-d; (c) Z5; (d) Z13; (e) Z6; (f) Z14; (g) Z22-d; (h) Z24-d
(3) 从垫层2.5m和5.0m两种方案的计算结果看垫层厚度对稳定安全系数的影响不大其原因是 垫层料的抗剪强度指标(c′
=
0 φ ′
=
30°)与填土和地基的有效强度指标接近增厚垫层不会提高地基的强度 垫层作为一种水平排水增加深度未使排水边界长度有明显增加因此排水效果变化不大鉴于增厚垫层会使工程造价有较大的增加可考虑垫层料厚2.5m不再增厚的方案
(4) 在水平垫层的基础上增设竖直砂井排水可以使初期坝安全系数明显的增加因此砂井排水对坝坡稳定具有明显效果
(5) 相应坝高15m设2.5m厚垫层的工况在提高堆灰速率的情况下由于超孔隙水压力变化不大稳定安全系数降低甚微坝体仍是稳定的
(6) 初期坝高15m方案相应的稳定安全系数较坝高20m的安全系数大说明适当降低初期坝高有利于地基的稳定因此本研究专题推荐初期坝高15m铺设2.5m厚垫层并提高堆灰速率的方案
466 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序
(7) 在遭遇7度和8度地震时采用固结不排水剪指标稳定安全系数均在1.1以上因此各种工况遇地震都不是控制计算条件
表 13,2 张家沟灰坝稳定计算最小安全系数及相应数据文件
工 况
不处理
k
=
6×10
-6
(cm/s)
不处理
k
=
6×10
-8
(cm/s)
加垫层
厚2.5m
加垫层
厚5m
坝高15m
垫层厚
2.5m
垫层及砂井
厚2.5m
地震
7度
地震
8度
提高堆灰速率
垫层厚2.5m
上游 0.921 0.893 1.117 1.396 1.338 1.235 1.154 1.338
0.954 1.140 1.348 1.262 1.502 1.479 1.291 1.584
初期 下游
Z3-D Z12-D Z15-D Z18-D Z22-D
0.753 0.653 1.479 1.389 1.651 1.482 1.383 1.628
中 期
Z8 Z7 Z11 Z13 Z17 Z19 Z23 Z25
0.801 0.741 1.543 1.412 1.633 1.491 1.519 1.593 1.422
终 期
Z6 Z5 Z10 Z14 Z16 Z20 Z21 Z24
注 1,垫层及砂井坝高15m等各种情况均相应地基渗透数k
=
6×10
-8
cm/s情况
2,地震情况相应初期坝高15m垫层厚2.5m方案地基使用c
cu
φ
cu
强度指标
3,提高施工速率相应初期坝高15m方案垫层及砂井方案相应坝高20m
13,1,5 讨论
这是一个饱和软土地基上快速修建土石坝的典型实例水利水电科学研究院在工程规划设计阶段开展了从土工试验固结计算边坡稳定分析到加固方案论证的综合性科研工作建设单位采用了建议的设2.5m厚排水垫层的方案工程开工后中国水利水电科学研究院还承担了现场监测和监理工作
本算例的特点是灰坝坝坡稳定分析采用有效应力法施工过程中的孔隙水压力通过平面固结比奥理论的有限元法确定稳定分析的一个内容是对灰坝填筑的上升速率进行分析和评价在STAB程序的应用方面这是采用程序提供的孔压内插网格功能进行稳定分析的实例
13,2 公伯峡水电站堆石坝
13,2,1 基本情况
(1) 项目来源电力部西北勘测设计院
(2) 完成日期1994年2月
(3) 设计阶段选坝阶段
(4) 存档文件公伯峡水电站堆石坝边坡稳定分析报告水利水电科学研究院岩土
(94)7 1994年2月
13,2,2 工程概述
公伯峡水电站在可行性研究阶段推荐混凝土面板堆石坝和土质心墙堆石坝两种坝型为了解这两种坝型在自重及其它荷载作用下的稳定性西北勘测设计院委托水利水电科学研究院对上述两种坝型在各工况下的稳定性进行计算分析
第13章 工程案例 467
工程位于黄河上游正常蓄水位2005.0m校核洪水位2008.0m死水位2002.0m极限死水位1995.0m下游正常水位1900.1m坝址基本地震烈度为7度按8度设防在稳定分析中取最大断面为典型计算断面该工程经论证最终采用了混凝土面板坝方案
13,2,3 计算条件
1,计算工况
计算两种坝型上下游边坡竣工期正常运用期库水位骤降期和地震期的稳定性
2,强度指标
心墙坝和面板坝材料的物理力学指标如表13.3和表13.4所示
表 13,3 面板坝坝料稳定计算参数
容重 强度指标
坝 料 γ γ
sat
c φ φ
0
φ
(kN/m
3
)
(kN/m
3
) (kPa) (°) (°) (°)
垫层料 22.27 23.35 0 45 52 10
堆石料21.68 23.05 0 45 51 10
砂砾石料 22.27 23.45 0 38 49 9.8
强风化料 21.19 22.76 0 37 46 9
基 岩 23.54 23.54 100 55
表 13,4 心墙坝坝料稳定计算参数
容重 强度指标
坝 料 γ γ
sat
c φ φ
0
φ
(kN/m
3
)
(kN/m
3
) (kPa) (°) (°) (°)
堆石料 21.68 23.05 0 45 51 10
砂砾石料 22.27 23.45 0 38 49 9.8
强风化料 21.19 22.76 0 37 46 9
土 料 18.74 20.01 130 17 25 32.50
反滤料 21.19 22.76 0 37 45 5
基岩23.54 23.54 50 45
13,2,4 计算成果与分析
1,计算方法
因坝体及坝基均不存在软弱夹层故对上下游边坡采用圆弧滑裂面用毕肖普法进行计算
2,计算成果
混凝土面板堆石坝上下游稳定分析成果见表13.5和表13.6风化料心墙坝上游库水位骤降稳定分析成果见表13.7有关原理已在第7章[例7.6]作过详细介绍相应的临界滑裂面位置见图13.2
468 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序
图 13,2 公伯峡水电站主要工况计算成果
(a) Gbx1.1da; (b) 1.2da; (c) 1n.2da; (d) 2c; (e) 2d; (f) 2e
第13章 工程案例 469
13,2,5 讨论
从面板坝的坝坡稳定分析角度看本算例是常规的圆弧稳定分析的一个实例计算中使用了非线性强度参数由于在可行性论证阶段中曾经有一个心墙坝的方案因此对此方案进行了考虑库水位情况下的上游坝坡稳定分析此方案上游坝壳使用了砂砾石为半透水材料如果砂砾石的细粒含量较多则需要计算上游水位降落情况下坝体内的浸润线在不同时间的位置并进行相应的坝坡稳定分析由于砂砾石可视为压缩性很小的材料故可在达西定律基础上进行不稳定渗透计算如第7章第7.4节所述本算例使用了美国陆军工程师团土石坝设计手册中推荐的一个简化方法计算水位降落过程中的坝壳浸润线位置根据计算获得的浸润线位置进行有效应力法计算但心墙部分则使用了总强度指标计算孔压和稳定分析的详细步骤已分别在第6章第7章中介绍过
表 13,5 混凝土面板堆石坝施工竣工期最小安全系数
上游坝坡 下游坝坡
参数类型
无地震 7度地震 无地震 7度地震
安全
系数
数据
文件
安全
系数
数据
文件
安全
系数
数据
文件
安全
系数
数据
文件
线性参数
(c φ)
1.406 Gbx1.1da 1.231 Gbx1.1da 1.514 1.2da 1.382 1zh
非线性参数
(φ
0
φ
0
)
1.684 Gbx1n.1da 1.535 Gbx1n.1da 1.987 1n.2da 1.746 1nzh
表 13,6 混凝土面板堆石坝稳渗期最小安全系数
下游坝坡
无地震8度地震
参数类型
安全系数 数据文件 安全系数 数据文件
线性参数( c φ) 1.514 1.2da 1.311 1zh.2dat
非线性参数( φ
0
φ
0
) 2.011 1n.2da 1.683 1nzH.2dat
表 13,7 风化料心墙坝水位骤降期核算最小安全系数
库水位
(m)
参数类型 无地震8度地震
安全系数 数据文件 安全系数 数据文件
线性 1.367 2c 1.108 2czh
1990.20
非线性 2.205 2cn 1.649 2cnzh
线性 1.386 2d 1.116 2dzh
1981.00
非线性 2.041 2dn 1.605 2dnzh
线性 1.407 2e 0.900 2ezh 1975.00
非线性 1.998 2en 1.590 2enzh
470 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序
13,3 小浪底水利枢纽大坝
13,3,1 基本情况
(1) 项目来源黄河水利委员会勘测规划设计院
(2) 完成日期1999年4月
(3) 设计阶段初步设计技施设计和大坝安全鉴定
(4) 存档文件
1) 小浪底水利枢纽土石坝边坡稳定分析黄河水利委员会勘测规划设计院水利水电科学研究院1994年4月
2) 小浪底水利枢纽土石坝工程安全检查自检报告黄河水利委员会勘测规划设计院
1999年9月
13,3,2 工程概述
小浪底水利枢纽工程位于洛阳市以北黄河干流最后一个峡谷出口为一具有防洪减淤灌溉发电等综合效益的大型水利枢纽大坝最大坝高167m覆盖层最深达70m为斜墙堆石坝电站装机156万kW工程位于7度地震区按8度设防大坝典型剖面见第7章图7.1
13,3,3 计算条件
1,计算工况
计算上下游坝坡施工期正常运用期库水位骤降期和地震期的稳定性主要计算
217.5断面同时也复核了靠近左岸的坝基夹有软弱夹层的310断面采用任意形状滑裂面分别复核沿夹泥层滑动和沿坝体内滑裂面滑动这两种情况水库运用时的稳定分析考虑了库区泥沙淤积不淤积两种情况施工期主要计算了大坝填筑完成后库水位250m和265m
在坝内不形成浸润线的情况此两水位主要是考虑当时大坝填筑进度的实际情况
2,强度指标
土料区的指标由黄河水利委员会小浪底工程质量检测联营体提供小浪底主坝防渗体挖坑取样及现场试验成果综合分析报告1997.7.16和1999.1.22两次报告成果共计土样37
个在此基础上提出的各种材料采用值见表13.8
13,3,4 计算成果
各计算剖面复核成果列于表13.9～表13.11典型工况计算简图如图13.3示
13,3,5 讨论
小浪底大坝为壤土斜心墙坝因此坝坡稳定分析内容覆盖了上下坝坡施工期稳定渗流期和库水位骤降期由于坝基存在软弱夹层故还需要进行折线形状滑裂面的稳定分析并搜索临界滑裂面
第13章 工程案例 471
表 13,8 筑坝材料及坝基材料抗剪强度采用值
容重(kN/m
3
) 抗剪强度
筑坝材料
湿容重 饱和容重 摩擦角φ (°) 粘聚力c (kPa)
CD有效强度 19.4 20
CU总强度19.6 20.3 14 25
1区
1B区
UU总强度 7.4 73
2A 2B 2C 3A 4A 4B区 21.1 23 40 0
5区20.8 21.7 28 30
河床砂卵石 22.2 22.2 33* 0
淤积物17.6 17.6 0
砂岩26 26 35 0
夹泥层 20.1 20.7 14.04 5
注 表中河床砂卵石静强度指标φ 33°动强度指标φ 27°
表 13,9 小浪底大坝217.5剖面复核成果沿坝体内堆石滑动
计算工况 数据文件 地震烈度 安全系数 淤积情况
6 0 1.900
d6 8 1.469
无淤积
7 0 2.070
不利水位230m
d7 8 1.514
无淤积
11 0 1.707
230m水位
d11 7 1.488
12 0 1.963
250m水位
d12 7 1.688
13 0 2.190
265m水位
d13 7 1.873
无淤积滑裂面
靠近下部
x11 0 1.781
230m水位
dx11 7 1.559
x12 0 1.880
250m水位
dx12 7 1.571
x13 0 2.102
施
工
期
265m水位
dx13 7 1.750
无淤积滑裂面
靠近下部
8 0 1.850
水位骤降275m →250m
9 0 1.687
无淤积
472 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序
表 13,10 小浪底大坝D0+217.50断面上游坡稳定计算成果表沿夹泥层滑动
计算工况 数据文件
地震
烈度
设计要求
安全系数
复核计算
安全系数
淤积情况
2 0 1.5 1.486
d2 8 1.3 1.026
无
1 0 1.5 2.103
不利水位230.0m
d1 8 1.3 1.301
淤积高程200m
y4 0 1.3 1.424
230m水位
dy4 7 1.2 1.216
y5 0 1.3 1.436
250m水位
dy5 7 1.2 1.186
y10 0 1.3 1.569
施工期
265m水位
dy10 7 1.2 1.277
无
水位骤降 dd3 0 1.2 1.384 无
注 水位骤降为275m→250m滑裂面位置见图13.3
表 13,11 小浪底大坝D0+310断面上游坡稳定计算成果表沿夹泥层滑动
计算工况 数据文件 地震烈度 安全系数
下游不压坡 310 0 1.236
下游压坡 310b 0 1.638
图 13,3 小浪底大坝主要工况稳定计算成果
(a) 11; (b) 1; (c) x11; (d) y4; (e) x13; (f) dy10; (g) 8; (h) dd3
第13章 工程案例 473
黄河水利委员会设计院是较早使用STAB程序的一个单位小浪底工程大坝也是在我国较早使用第7章介绍的库水位骤降总应力法分析步骤的一个工程本节所列的成果是设计院独立完成的并作为正式成果列入大坝安全鉴定自检报告本书作者作为大坝安全鉴定专家对分析成果进行了复核
本次计算一律采用了非圆弧形的滑裂面对于穿越坝体的滑裂面采用了STAB程序中光滑曲线生成滑裂面的功能
13,4 三峡工程3坝段坝基深层抗滑稳定分析
13,4,1 基本情况
(1) 项目来源三峡开发总公司技术委员会
(2) 完成日期1997年6月
(3) 设计阶段技施设计
(4) 存档文件
1) 三峡工程3坝段坝基深层抗滑稳定分析中国水利水电科学研究院1997年6月
GE?97?3?017
2) 长江三峡1?5坝段岩体节理统计和连通率研究中国水利水电科学研究院1996
年GE?96?3?017
3) 长江三峡1?5坝段岩体节理统计和连通率研究补充报告中国水利水电科学研究院1996年GE?96?3?026
4) 三峡大坝左厂1
#
～5
#
坝段抗滑稳定深化设计专题报告水利部长江水利委员会1996
年6月
13,4,2 工程概述
三峡工程大坝左右岸坝段建基面抬高坝高相对降低在右岸3坝段坝基与厂房建基面高程相差60m形成了一个坡度约为1:1.5的开挖面图13.4而此坝段高仅为60m坝基岩体存在着倾向与坝基开挖边坡基本一致的中缓倾角裂隙大坝与坝基的抗滑稳定成为一个令人关注的问题
根据现场地质勘探的成果在3坝段的坝基存在着连通率较高的一组缓倾角结构面组合这组结构面通过接近坝底的A点图13.5同时也存在其它可能的结构面组合本文采用边坡稳定分析极限平衡法进行大坝深层抗滑稳定分析
13,4,3 计算条件
1,计算工况
(1) 设计水位为上游175m下游62m相应的校核水位为上游180.4m下游83.1m
稳定分析以设计工况为主校核工况仅计算个别滑面
474 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序
图
13
,4
三峡大坝
3
坝段典型剖面图单位
m
第13章 工程案例 475
图 13,5 三峡大坝3坝段坝体和地基联合抗滑稳定计算简图
(2) 三峡大坝下游采用抽排的方式降低扬压力这样在排水系统正常工作的条件下扬压力图形为
1) 坝基基岩第一道帷幕排水孔处(19+995)扬压力折减系数为0.25
2) 坝基基岩第二道排水孔处(20+015)折减系数为0.50
3) 厂房基岩下游侧帷幕排水孔处(20+164)折减系数为0.30
对于重力坝稳定分析中的扬压力在使用条分法计算时仍通过输入浸润线的方法实现
由于三峡大坝基岩内存在着中缓倾角结构面长委会通过详细的地质勘探提供了3
坝段可能出现的长大裂隙的剖面图根据这一基础资料稳定分析在坝体单独和厂坝联合情况下的复核工况如下,
(1) 复核包括坝体单独抗滑和厂坝联合抗滑两种情况每个情况均考虑下游抽排失效浸润线抬高的情况在坝体单独抗滑时由于下游抽排故下游坡外无水位因此在这种特定的条件下抽排在降低扬压力的同时也失去了作用于坝下游岩坡上的反向水推力造成了不利因素因此计算了不采用抽排下游水位42m的工况
(2) 坝体与地基联合抗滑厂房的重量无疑会增加坝体的稳定性本次计算在处理厂房的重量时将主厂房与副厂房按提供的重量等效地座落在相应的位置上
因坝体单独抗滑的安全系数在下游排水失效及校核水位均与设计工况差别较小厂坝联合抗滑时没有再核算这个工况
2,强度指标
完整岩体混凝土和结构面的抗剪强度见表13.12表13.13为沿各滑移路径的岩体连通率用k表示其与岩体力学指标c φ的关系为
(13.1) kckcc
jr
+?= )1(
476 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序
(13.2) kfkff
jr
+?= )1(
式中c
r
为岩体的粘聚力f
r
为岩体的摩擦系数f
=
tanφ c
j
为结构面的粘聚力f
j
为结构面的摩擦系数
表 13,12 设计院提供的材料参数和接触面抗剪强度参数
材料号 材料名
容重
γ(9.8kN/m
3
)
摩擦系数
f(tanφ)
摩擦角
φ(°)
粘聚力
c(MPa)
1 混凝土 2.45 1.10 47.73 3.00
2 微新岩体 2.70 1.70 59.53 2.00
3 岩桥连通率k
=
11.5% 2.70 1.59 57.83 1.79
4 岩体结构面 2.70 0.70 35.00 0.20
5 混凝土/厂房基岩接触面 1.25 51.34 1.50
表 13,13 根据地质概化模型指定的各段连通率图13.5
1 2 3
序号
滑移路径
见图13.5 分段 k 分段 k 分段 k
1 QABCDRE QA 0% ABCDR 100% RE 11.5%
2 QABCGHI QA 0% ABCGH 100% HI 11.5%
3 JI JI 35.9%
4 QABCGHTUY QA 0% ABCGHT 76.9% UY 100%
5 QABCGHTVY QA 0% ABCGHT 75.3% VY 100%
3,滑动模式图13.5
(1) 坝体与地基单独抗剪不考虑厂房作用
(a) 沿滑面QABCDE滑动QA段在坝体内起点Q选在坝体上游体型突变且断面最小处ABCDR为结构面连通率为100 RE为岩桥长26.9m连通率k为11.5
其力学指标见表13.12的1 4和3材料
上游水位175m下游水位62m上下游排水均有效浸润线位置见图13.5中浸润线
1
上游水位175m下游水位62m下游排水失效浸润线位置见图13.5中浸润线2
上游水位175m下游坡面无水上下游排水仍均有效但考虑厂坝分开厂房起挡水作用虽扬压力能传递过去但所研究的滑动体下游无水在计算处理时相当于无坡外水位但浸润线仍与排水有效时相同仍为图13.5中的浸润线1此情况为设计要求复核的工况
(b) 沿滑面QABCGHI滑动QA段在坝体内ABCGH为结构面连通率为100
HI为岩桥长24.4m连通率k为11.5力学指标见表13.12的1 4和3材料
其它项与(1)项相应项相同另外复核校核上游水位180.4m下游水位83.1m上下游排水均有效
(c) 沿滑面JI滑动整个滑面均在地基中长委会提供JI滑面平均连通率为35.9
为了了解JI滑面的力学指标对安全系数的影响对某些工况作了敏感计算中国水利水电第13章 工程案例 477
科学研究院根据勘探提供的定位的长大裂隙进行连通率计算建议采用68.75作为一种校核的工况计算工况与滑面2相同见图13.5
(d) 沿滑面KABCGHI滑动见图13.5沿坝基与地基接触面KA和结构面ABCGHI
滑动KA段参数取表13.12中5号材料混凝土厂房基岩ABCGHI段取表13.12中相应指标
仅计算设计工况即上游水位175m下游水位62m上下游排水均有效浸润线位置见图13.5中浸润线1本工况也是指定的复核工况
(2) 坝体与厂房联合抗剪厂坝联合抗滑主要校核以下三个情况
(a) 滑面从厂基下滑出在这一工况中这一情况又分为厂房和地基接触面采用混凝土和基岩接触面指标和采用k
=
50的节理岩体指标两种情况
(b) 滑动体从厂房下游滑出底面呈圆弧形状这一失稳模式是否成立取决于对厂房下游节理岩体抗剪强度的认识由于设计没有给出统一的规定本次复核参考了中国水利水电科学研究院网络模拟的成果按连通率k
=
50确定这部分岩体的抗剪强度用程序的搜索功能找出失稳的最小安全系数
(c) 按指定结构面组合滑动复核沿QABCGHTUY和QABCGHTUY抗滑稳定安全系数
上述各滑移路径各段连通率详见表13.13
13,4,4 坝体与地基单独抗滑的计算成果
1,设计工况
本工况相应设计水位下游抽排厂房挡水故坝后无水位计算成果汇总于表13.14
对滑面QABCDE工况1?3和QABCGHI工况2?3计算安全系数分别为2.793和2.539
距重力坝要求的安全系数尚有差距
对滑面JI工况3?3如果使用设计提供的连通率k
=
35.9则安全系数F
=
3.235
但如使用水科院根据长委会勘测院提供的定位结构面进行网络模拟的成果k
=
68.75则F
=
2.098
2,其它情况
对大坝单独挡水还进行了以下情况的复核
(1) 上述分析是考虑抽排有效但厂房在下游挡水的情况下进行的如果让厂房泡在水中下游水位直接作用于下游边坡面上则在下游可增加40m水压力情况1?1和2?1给出了相应滑面QABCDE和QABCGHI的安全系数分别为2.879和2.703安全系数可提高
0.1至0.2但仍未达到重力坝要求的安全系数值
(2) 情况1?3 2?3 3?3相应k
=
35.9情况分别给出了相应设计工况但一旦抽排失效扬压力增加时安全系数值为2.791(工况1?2) 2.620(工况2?2)和3.324(工况3?2)可知抽排失效尽管增加了扬压力但下游水位作用于坝坡面故安全系数并无实质性削弱对以上工况大部分都进行了土条间力的复核图13.6为情况1?1相应的底滑面和条间力的分布图可见未出现拉力和剪力破坏因此可视为可接受的解
478 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序
表 13,14 三峡坝体单独抗滑稳定安全系数F
滑 面 工况 F 文件
1?1 下游坡外水位42.0m 2.879 g31
1?2 下游排水失效 2.791 g31-u QABCDE
H上
=
175m
H下
=
62m
1?3 下游无坡外水位 2.793 g31-m
2?1 下游坡外水位42.0m 2.703 g32
2?2 下游排水失效 2.620 g32-u
H上
=
175m
H下
=
62m
2?3 下游无坡外水位 2.539 g32-m
QABCGHI
2?4 上下游均为校核水位 1.767 g32-x
JI段k
=
35.9% 3.427 g33-1
k
=
45% 3.091 g33-2
k
=
58% 2.615 g33-3
k
=
68.75% 2.223 g33-4
k
=
80% 1.811 g33-5
3?1
下游坡外水位42.0m
k
=
100% 1.080 g33-6
k
=
35.9% 3.324 g33-1u
k
=
68.75% 2.147 g33-4u 3?2
下游排水失效
k
=
100% 1.028 g33-6u
k
=
35.9% 3.235 g33-1m
k
=
45% 2.921 g33-2m
k
=
58% 2.470 g33-3m
k
=
68.75% 2.098 g33-4m
k
=
80% 1.708 g33-5m
H上
=
175m
H下
=
62m
3?3
下游坡外无水
k
=
100% 1.015 g33-6m
JI
3?4 上下游均为校核水位 k
=
68.75% 2.238 g33-4x
KABCGHI
H上
=
175 H下
=
62排水有效坡外无水
2.779 g34-m
注 k为连通率
(3) 核算滑面KABCGHI情况4安全系数为2.779从计算成果中发现由于滑面KA
过渡到AB出现巨大转折导致所获得的土条间作用力出现大范围拉力区应视为不能接受的解
以上分析表明在大坝单独挡水时3坝段的抗滑稳定安全系数尚嫌不足
13,4,5 坝体和厂房联合抗滑稳定分析
厂坝联合抗剪计算成果汇总于表13.15
本工况相应上游设计水位175m下游62m厂坝联合抗滑时校核了两种可能的情况即沿厂房与基础接触面和沿深层滑动并在下游某点逸出的工况对沿深层滑动工况如按本次核算设定的k
=
50确定厂基下岩体的抗剪强度则程序的自动搜索功能最终还是收敛到了沿厂房与基岩接触面的这一条滑面上故认定厂坝联合作用控制的滑面仍是厂房和基岩的接触面
分析计算成果得知对指定滑面QABCGHI沿厂房与基础接触面滑动的使用接触面强度指标安全系数为4.284工况5?1采用50连通率的岩体指标相应安全系数4.018工况5?2均大于要求的安全系数而深层滑动的安全系数为4.737工况5?3更不是控制工况
第13章 工程案例 479
图 13,6 坝体单独抗滑沿QABCGHI滑面内力分布
(a) 情况1?1计算简图(b) 底滑面上法向应力和剪应力分布σ τ (c) 条间力X和法向力E的分布
从整个受力体系分析来看厂坝沿JI路线更易滑出在复核这一情况时采用了JI的连通率为35.9设计提供68.75中国水利水电科学研究院成果和100极端情况进行分析成果参见表13.15可见除k
=
100情况下安全系数低于3其它工况的安全系数均大于3
对设计指定的滑裂面TUY以及TVY情况7?1和7?2由于反翅段太陡采用严格满足力和力矩平衡要求的方法得不到收敛解采用仅考虑力的平衡的方法陆军工程师团法假定土条侧向力倾角为20°分别得到安全系数4.337和4.224
同时还校核了抽排失效情况工况6?4和6?5安全系数无实质性的减小
图13.7示部分工况计算图形
480 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序
表 13,15 坝体与厂房联合抗滑稳定安全系数F
滑 面 工况 滑出位置 采用的参数 F 文件
沿厂房与厂基接触面工况5?1
同表1* 4.284 g32Lc
从厂房基础下滑出工况5?2
4.018 g32L1
QABCG
HI
H上
=
175m
H下
=
62m
上下游
排水有效 从厂房下游基础滑出工况5?3
厂基下游地基及
HI的延长段
取k
=
50%
c
=
1.1MPa
f′
=
1.5MPa
4.737 g32Lf2
JI段k
=
35.9% 4.650 g33Lc1
k
=
68.75% 3.528 g33Lc2
沿厂房与厂基接触面滑出工况
6?1
k
=
100% 2.512 g33Lc3
k
=
35.9% 4.406 g33Lf4
k
=
68.75% 3.268 g33Lf5
从厂房基础下滑出工况6?2
k
=
100% 2.312 g33Lf6
k
=
35.9% 5.050 g33Lf1
k
=
68.75% 4.260 g33Lf2
从厂房下游基础滑出工况6?3
k
=
100% 2.993 g33Lf3
JI段k
=
35.9% 4.652 g33Lc4
k
=
68.75% 3.517 g33Lc5
H上
=
175m
H下
=
62m
下游排水失效
沿厂房与厂基接触面滑出工况
6?4
k
=
100% 2.498 g33Lc6
k
=
35.9%* 4.815 g33Lc7
k
=
68.75% 3.615 g33Lc8
JI
H上
=
180.4m
H下
=
83.1m
上下游排水有效
沿厂房与厂基接触面滑出工况
6?5
k
=
100% 2.529 g33Lc9
QABCG
HTUY
H上
=
175m
H下
=
62m
只下游排水有效
深层滑动*
工况7?1
k
=
76.9% 4.337 g33u
QABCG
HTVY
H上
=
175m
H下
=
62m
只下游排水有效
深层滑动*
工况7?2
k
=
75.3% 4.224 g33s
注 1,标*号者为设计规定的计算工况k为连通率
2,工况7?1和7?2无法获得Morgenstern?Price法的收敛解所列安全系数为仅满足力平衡条件的解
13,4,6 讨论
由于三峡大坝的重要性3坝段的抗滑稳定受到普遍的关注其中一个焦点问题是按照传统的极限平衡分析方法其安全系数是否能满足重力坝规范对抗滑稳定的要求如果大坝单独抗滑安全系数不能满足要求厂房与大坝连在一起在厂坝联合作用的条件下其抗滑稳定安全系数能否满足要求
应该说很早人们就注意到了应用土坡稳定分析中的通用条分法来进行重力坝抗滑稳定计算的可行性Hamel(1978)
Ο
中曾介绍过对位于美国宾夕法尼亚洲匹兹堡东北约80km
Ο
Hamel,V.,Long,S,and Farguson,H,(1978),Mohony Dam foundation re-evluation,Rock Engineering for
Foundations and Slopes,ASCE Conference,Vol,1,pp.217,244,
第13章 工程案例 481
的Mohoning重力坝进行稳定分析的实例该坝建于1941年坝高40m坝顶长282m坝基为厚层砂岩夹有页岩粉砂岩和少量炭质夹层岩层稍有折曲层面缓倾向下游倾角约2°大坝平面布置见图13.8
图 13,7 三峡大坝3坝段主要工况计算成果
(a) g31; (b) g32-u; (c) g33-4; (d) g33-4m; (e) g32Lf1; (f) g33Lc2; (g) g33Lf5; (h) g33Lf2
匹兹堡地区设计部门认为Mohoning重力坝原先采用的按传统方法所做的抗滑稳定分析有一定的缺陷因此在1974～1975年期间采用Morgenstern?Price方法对该坝重新进行抗滑稳定性的评定在进行稳定分析时根据建坝时和当时补充勘探试验资料选定基岩物理力学性参数计算分析中将坝体和坝基进行条分按作用在条块上的力矩平衡和应力传递原理对第10溢流15和18非溢流坝段相应上下游不同水位情况进行计算求得坝底面及其下不同深度基岩的抗滑稳定安全系数以第10坝段为例图13.9给出坝基1/3
482 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序
部分排水情况的坝基抗滑稳定安全的系数文献作者认为Morgenstern?Price方法可为重力坝和其他水工建筑物以岩土边坡抗滑稳定分析提供有效的工具
图 13,8 Mohoning大坝平面布置图
图 13,9 第10坝段抗滑稳定安全系数图按溢洪道设计洪水和坝基1/3排水
参加三峡3坝段稳定复核工作的各单位相应同样的基础数据独立地采用刚体极限平衡法进行分析在一些控制工况得到了不同的安全系数主要原因在于对条块间侧向力的倾角的假定采用了不同的处理方法笔者在本节提出的这套计算结果有别于其它成果的主要点是使用了通用条分法也就是在静力平衡基础上增加了一个力矩平衡的要求因而不必第13章 工程案例 483
对条块间作用力的倾角的具体数值进行假定由于方法更为严密其成果有可能更符合实际
从应用STAB程序的特点来说对库水位的处理方法是值得一提的可以看到在进行重力坝的坝基抗滑稳定分析时我们将坝体混凝土看作是边坡的一部分对于库水采用了以下两种处理方法
1) 将库水也看成一种材料即c
=
0 φ
=
0 γ
=水容重
2) 将库水位看成是一条浸润线将上游的垂直坝面当作一条拉力缝使用STAB程序中拉力缝并充水的功能以实现在坝面作用一个静水压力的边界条件
这两种方法都可以获得合理的成果但是这一功能扩充导致了对STAB程序的新要求即要求拉力缝内的水位高度不一定与缝顶齐平允许在拉力缝内作用一个设定的高度水压力第12章[例题27]和[例题29]为两个实例
13,5 小浪底库岸河岸边坡稳定分析
13,5,1 基本情况
(1) 项目来源小浪底工程建设局
(2) 完成日期1999年4月
(3) 设计阶段技施设计和大坝安全鉴定
(4) 存档文件
1) 小浪底水利枢纽大坝安全鉴定报告中国水利水电科学研究院1990年9月
2) 小浪底水利枢纽土石坝工程安全检查自检报告黄河水利委员会勘测规划设计院
1999年9月
13,5,2 工程概述
小浪底枢纽除主体工程外还包括若干天然边坡其中位于库区右岸的1
#
滑坡体2
#
滑坡体及位于大坝下游的东苗家滑坡体由于均离坝较近对其稳定性需作专题研究
1,1
#
滑坡体
1
#
滑坡体位于坝址上游水库右岸滑坡体上下游均为冲沟滑体长650m宽400m最大厚度80余米总体积1,100×10
4
m
3
滑坡体后缘以F
10
断层为界高程30m前缘濒临黄河出口高程130m已深埋于地下其上沉积有20m厚砂卵石层F
10
断层为滑坡体的后缘切割面上下游侧向切割面不明显主要受控于走向近S?N的裂隙底滑面滑床为T
1
3
层下部的泥化夹层滑床形态基本与地层产状一致主滑方向为NE18°滑面倾角13°～20°后部靠近F
10
断层处受断层牵引滑面局部倾角可达40°前缘35～40m滑床为反翘段或平段倾角从5°到反向10°图
13.10滑带物质随部位不同而不同滑床中下部的滑带厚2～3m普遍含滑带泥滑体后部的滑带物质搓碎程度较轻粒度较粗多为岩屑岩粉及岩块力学指标相应亦较高滑体中地下水位一般在137～140m滑带上下未分层的混合水位滑坡后缘平台宽约120m
其上堆积的崩坡积层中沿后缘拉裂带常形成塌陷坑
484 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序
图 13,10 1
#
滑坡体典型地质剖面图
图 13,11 2
#
滑坡体典型地质剖面图
(a) 西部(b) 东部
第13章 工程案例 485
2,2
#
滑坡体
2
#
滑坡紧邻1
#
滑坡上游侧以1号冲沟为界下游侧为6号冲沟后缘以F
10
为界前缘濒临黄河南北长200～300m东西累计宽约750m滑坡体平均厚25.8m总方量约
410×10
4
m
3
滑坡体后缘高程300m前缘剪出口高程150m高出黄河河床10～30m图13.11
该滑体内发育有5～6条垂直河流方向的冲沟将山体切割成一系列沟梁状地形表明该滑坡已严重解体目前除1～2号沟和2～3号沟间滑体保留较完整外3
#
沟至6
#
沟间滑体前缘大部已被II级阶地侵蚀掉仅在后缘有部分残留物
对2
#
滑坡的滑面形态和滑带物质组成已有的勘探工作揭露得不如1
#
滑坡充分总体上整个底滑面西高东低切割T
1
3
T
1
4
岩组主要部分仍沿上述两岩组的层间泥化带发育滑面前部产状为NE20°倾角10°～12°后部受F
10
断层的影响倾角变陡(12°～65°)
3,东苗家滑坡体
东苗家滑坡在坝下游约2km的黄河右岸与左岸泄洪排沙和发电尾水渠的出口遥相对应其稳定性对于工程泄水建筑物的正常运行和河道的正常过流关系重大滑坡位于黄河右岸有砂土和黄土覆盖的基岩斜坡上两侧以冲沟为界前缘凸入黄河约60m坡脚高程
135m左右后缘为高程250～270m的四级阶地平面上呈圈椅状中后部为多级台阶式地形前部为一平均坡度为30°左右的斜坡图13.12滑坡体南北长400m东西宽350m
平均厚度35m体积约500万m
3
滑体沿岩层倾向滑动滑移方向由南向北与河流近
垂直
图 13,12 东苗家滑坡体典型地质剖面图
486 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序
图 13,13 小浪底库岸河岸边坡稳定计算成果
(a) 1hp; (b) Hpx; (c) Hp-275; (d) Hpx-275; (e) 4dmj-1; (f) 2dmj-1; (g) 4dmj-2; (h) 2dmj-2
滑坡体后缘以F
1
断层为界前部为滑塌堆积体根据滑坡体变形破坏特征可将滑坡分为三个部分后部拉裂变形体分布于F
1
断层以南至最南端地表裂缝间宽90m主要表现为岩体拉裂变形深20～30m中后部滑移变形体是滑坡的主体具统一滑面以整体滑移为主宽约170m地面高程219～250m其上发育有4条明显的弧形裂缝滑体内岩层保持原层位关系但岩体表现松弛拉裂错位裂隙张开局部架空倾角变陡(20°～60°)
且夹有多层层间夹泥层表明中后部滑坡体除整体滑移外尚有多层多级分块滑移位于滑坡前部130～219m高程间后缘以1
#
裂缝为界前部覆于河床砂砾石层以上宽30～70m
主要由风化严重的岩块夹土组成厚20～40m滑体中地下水一般变化在135～180m间滑带上下未分层的混合水位滑带以上岩体透水性极强渗透系数K值一般在7.2～26.8m/d
之间钻进均不返水滑带以下完整基岩透水性中等至较弱K值变化在0.05～0.5m/d垂直岸坡开挖的1
#
排水洞穿至滑带以上岩体中见多处渗水滴水和线状水流水量随洞深增加而增大
滑带的高程为160～180m总体倾向20°倾角6°～10°为T
1
7?4
岩组中的泥化夹层属全泥型和泥夹碎屑型厚2～70cm见擦痕和镜面泥化夹层的天然含水量12%～22.4%平均值16%干密度1.79～2.12g/cm
3
平均值1.96g/cm
3
粉粒含量23%～47%平均值37%
粘粒含量21%～53%平均值33%粘土矿物以伊利石为主
第13章 工程案例 487
对东苗家滑坡体耗费了巨大投资进行加固主要的工程措施是在滑坡体内开挖了排水廊道见图13.14这一措施取得了较好的效果见图中从排水管中漏出的水
图 13,14 东苗家排水廊道
13,5,3 计算条件
1,计算工况
计算各滑坡体在水库蓄水前后以及遭遇地震时的稳定情况
2,强度指标
小浪底的3个滑坡体稳定计算的参数列于表13.16和表13.17由于东苗家滑坡体在整个勘探过程中未对滑带泥进行剪切试验其参数主要根据工程类比法确定故仅能对相应滑带的摩擦系数f为0.22 0.23 0.25的计算指标进行敏感计算以分析其对滑坡体稳定性的影响
表 13,16 1
#
2
#
滑坡体稳定性计算参数
计算指标
天然容重(9.8kN/m
3
) 内摩擦角(°) 粘聚力(kPa)
材 料
1
#
2
#
1
#
2
#
1
#
2
#
砂砾石 2.1 2.1 35.0 35.0 0 0
黄土 1.7 1.7 24.0 24.0 20 20
滑坡体物质
2.37 2.37
27.4 27.9 15 15
前缘反翘段 2.1 35.0 0
前部滑带泥带 2.7 2.3 12.4 16.7 5 5
后部滑带 2.1 2.3 17.7 27.9 5 0
后缘滑面 2.3 27.9 0
滑床 2.62 40.0 50
488 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序
表 13,17 东苗家滑坡体稳定性计算参数
计算指标
材 料
天然容重(9.8kN/m
3
) 粘聚力(kPa) 摩擦角
砂砾石 2.1 0 35.0
黄土 1.7 20 24.2
滑坡体物质 2.4 30 31.0
滑带 2.2 7 12.4
滑床 2.6 30 36.9
13,5,4 计算成果和分析
1,1
#
2
#
滑坡体
1
#
2
#
滑坡体计算成果列于表13.18部分滑裂面位置见图13.13计算结果表明两个滑 坡体在无地震的施工期低水位和蓄水后正常水位安全系数均在1.04～1.15之间结合滑坡体近期变形特征综合分析可认为滑坡体基本处于稳定状态但在地震或高地下水位条件下安全系数均接近或小于1滑坡可能处于不稳定状态
表 13,18 1
#
2
#
滑坡体稳定最小安全系数F
地震情况 1
#
滑坡体 2
#
滑坡体
库水位
地震烈度
水平加速度
系数
F 数据文件 F
数据文件
无地震 0.0 1.133 1hp 1.041 Hpx
7度
0.025
1.051 1hp 0.968 Hpx 150m
8度 0.05 0.980 1hp 0.903 Hpx
无地震 0.0 1.112 Hp-180 1.048 Hpx-180
7度 0.025 1.027 Hp-180 0.974 Hpx-180 180m
8度 0.05 0.955 Hp-180 0.909 Hpx-180
无地震 0.0 1.108 Hp-210 0.981 Hpx-210
7度 0.025 1.016 Hp-210 0.906 Hpx-210 210m
8度 0.05 0.940 Hp-210 0.841 Hpx-210
无地震 0.0 1.116 Hp-230 0.971 Hpx-230
7度 0.025 1.017 Hp-230 0.890 Hpx-230 230m
8度 0.05 0.935 Hp-230 0.820 Hpx-230
无地震 1.111 Hp-250 0.959 Hpx-250
7度 0.025 1.005 Hp-250 0.868 Hpx-250 250m
8度 0.05 0.919 Hp-250 0.789 Hpx-250
无地震 1.15 Hp-275 1.052 Hpx-275
7度 0.025 1.027 Hp-275 0.933 Hpx-275 275m
8度 0.05 0.930 Hp-275 0.836 Hpx-275
2,东苗家滑坡体
由于东苗家滑坡体位于大坝下游整个滑坡体处于河水位以上因此计算只考虑滑坡体内部的孔隙水压力对稳定性的影响本次计算假定滑坡体内部的孔隙水压力系数r
u
=
0.05
第13章 工程案例 489
0.10 0.15 0.20时对稳定性的影响东苗家滑坡体的计算成果列于表13.19部分滑裂面位置见图13.13
表 13,19 东苗家滑坡体稳定安全系数F
地震参数 滑带摩擦系数
f
=
0.22 f
=
0.23 f
=
0.25
孔隙水压力系数r
u
地震
烈度
水平加速度系数
F 数据文件 F 数据文件 F 数据文件
无地震 0 1.101 4dmj-1 1.101 3dmj-1 1.203 2dmj-1
7度
0.025
1.008 4dmj-1 1.008 3dmj-1 1.105 2dmj-1 0.05
8度 0.050 4dmj-1 3dmj-1 1.017 2dmj-1
无地震 0 1.050 4dmj 1.050 3dmj 1.143 2dmj
7度
0.025
0.963 4dmj 0.963 3dmj 1.051 2dmj 0.10
8度 0.050 4dmj 3dmj 0.967 2dmj
无地震 0 1.001 4dmj-2 1.001 3dmj-2 1.093 2dmj-2
7度
0.025
4dmj-2 3dmj-2 0.999 2dmj-2 0.15
8度 0.050 4dmj-2 3dmj-2 2dmj-2
无地震 0 0.951 4dmj-3 0.951 3dmj-3 1.034 2dmj-3
7度
0.025
4dmj-3 3dmj-3 2dmj-3 0.20
8度 0.050 4dmj-3 3dmj-3 2dmj-3
3,对近坝库岸1
#
2
#
滑坡的安全评价及建议
安鉴报告对近坝库岸1
#
2
#
滑坡的安全评价及建议包括以下几条
(1) 1
#
2
#
滑坡均为古滑坡近期无变形破坏迹象变形监测资料也表明两滑坡无明显活动该两滑坡目前是稳定的
(2) 1
#
滑坡计算边界清楚2
#
滑坡边界基本清楚1
#
滑坡计算所选用的参数以试验成果为基础参考坝址区及其它经验数据和反算成果确定基本上是合理的2
#
滑坡没有根据滑床物质的差异分别给出参数而是以反算成果为主给出一个综合值在勘探资料不足无法区分滑床物质的情况下也可以做为一种方法考虑
(3) 计算结果表明两个滑坡在275m和180m围堰挡水位蓄水位条件下基本处于稳定状态但在7度地震以及2
#
滑坡在230m水位时滑坡处于临界稳定状态在8度地震和水库水位消落条件下滑坡处于不稳定状态考虑到小浪底水库的运用方式和淤积实际条件要比计算条件为好
(4) 从滑体特征和滑面形态分析1
#
2
#
滑坡即使失稳滑动速度也不大在围堰挡水条件下水位180m各自产生的涌浪小于3m两者同时失稳时小于4m 230m和275m
水位时涌浪更小易于防范工程设计中已作了考虑
4,对东苗家滑坡安全评价及建议
安鉴报告对东苗家滑坡的安全评价及建议包括以下几条
(1) 东苗家滑坡体已进行了大量的地质勘察工作滑坡体的地质边界及计算条件已基本查清所提供进行稳定分析的各项物理力学参数也基本合理
(2) 采用护坡措施防止滑坡前部坡脚冲刷是十分必要的但该护坡顶高程为160m
低于滑带的最低高程对滑体不提供任何抗力
490 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序
(3) 滑坡体的地下水位变化对滑坡稳定性的影响甚为敏感因此坡面采用截水沟滑坡体中部布置排水洞的设计方案是合理可行的
(4) 根据稳定分析计算成果滑坡体抗震稳定性较差将移民新村搬到该滑坡体后缘是欠妥当的并且会进一步恶化滑坡体的稳定性对移民新村少数房舍地基及墙壁出现的裂缝应研究其成因并纳入滑坡监测内容中
(5) 东苗家滑坡体体积500万m
3
滑面平缓一旦失稳将中断4
#
公路交通但因处于大坝下游不会对大坝安全造成影响建议对滑坡体失稳后的入水体积河床缩窄的程度及对泄洪和电厂尾水的影响进行专项研究并根据影响程度拟定相应的对策
(6) 加强滑坡的变形监测并及时预报以保证移民新村的安全
13,5,5 讨论
大型水库修建后往往引起对库区的一些天然滑坡体稳定性的关注还有一些天然边坡由于修建工程后其稳定安全标准也相应提高因此也需要对这些天然边坡的稳定性作出评价
本节介绍的小浪底工程3个天然边坡的规模较大如果要采用工程措施将耗费巨大投资因此必须进行细致的综合的评价首先要通过地质勘探确定潜在滑裂面的几何部位和软弱面的性状例如通过地质勘探查明东苗家滑坡的软弱夹层不仅位置明确而且厚度接近1m了解了这些特点就可以使稳定分析建立在可靠的数据基础上其次应尽早布置监测设施一个大工程从规划到施工结束往往要跨越十几年的时间如果对1
#
和2
#
滑体东苗家滑坡在初设阶段就安置了表面和内部观测资料那么十几年的观测资料将成为评价边坡稳定性的最重要的科学依据可惜这一观点通常难以在实践中付诸实施小浪底的这3个滑坡体的测斜仪一直到工程接近结束的1999年才开始布设但是即便如此在工程投入运行后这批观测设备也将成为了解边坡稳定性的重要手段
从边坡稳定分析计算角度本例具有以下特点
(1) 本例和三峡大坝复核情况相似也是采用Morgensten?Price法进行岩质边坡稳定分析的实例对于滑面为连续夹泥层的情况使用这一方法可得到合理的成果由于岩质边坡地震加速度系数的放大效应和土石坝有明显不同采用了用户输入地震加速度系数的功能本工程考虑7度和8度地震水平地震加速度系数分析采用了0.025g和0.5g
(2) 东苗家滑裂面的一部分通过较弱夹层一部分穿过节理岩体采用最优化方法最终确定临界滑裂面
(3) 由于天然边坡的材料强度指标和地下水位具有极大的不确定性因此对这些参数作了大量的敏感性分析
(4) 对东苗家滑坡体主要采用排水措施提高其稳定性即使在小浪底那样气候相对干燥的地区排水廊道中仍有不间断的水流出见图13.14排水孔的流水可以设想如果这些水没有机会排出安全系数可能会有很大幅度的削弱
第13章 工程案例 491
13,6 宜兴抽水蓄能电站上池
13,6,1 基本情况
(1) 工程名称江苏宜兴抽水蓄能电站
(2) 项目来源江苏省电力公司
(3) 完成日期1999年2月
(4) 设计阶段选坝阶段
(5) 存档文件江苏宜兴铜官山抽水蓄能电站上水库主坝坝型选择专题研究中国水利水电科学研究院1999年5月GE?99?03?011
13,6,2 工程概述
江苏宜兴抽水蓄能电站位于宜兴市西南郊约10km的铜官山区是一座日调节抽水蓄能电站装机1000MW上水库主坝横穿铜官山顶北侧沟谷可行性研究设计阶段需进行多种坝型的布置比较基本坝型为堆石坝和混凝土重力坝两大类而堆石坝中又考虑了钢筋混凝土面板堆石坝混合堆石坝方案其典型剖面图分别见图13.15～图13.17
从图13.15可知面板坝方案的下游坡延伸较长坝顶至坡趾高差达280m混合坝和重力坝方案恰是基于试图弥补面板坝这一缺陷的情况下形成的
混合坝在山梁中部修建一个挡土墙以减少面板坝下游坝延伸过长的缺陷但需要复核高约40m的挡土墙本身的稳定问题
重力坝断面较小故不存在下游坝坡延伸过长的问题但需复核大坝沿坝基夹泥层的抗滑稳定问题
图 13,15 宜兴抽水蓄能电站面板坝方案典型剖面
492 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序
图 13,16 宜兴抽水蓄能电站混合坝方案典型剖面
图 13,17 宜兴抽水蓄能电站重力坝方案典型剖面
13,6,3 计算条件
1,计算工况
共作了三种坝型方案比较面板堆石坝方案混合堆石坝方案和混凝土重力坝方案
2,强度指标
稳定分析采用的力学参数来自于江苏宜兴铜官山抽水蓄能电站预可行性研究报告见表
13.20
第13章 工程案例 493
表 13,20 宜兴工程上池坝体稳定分析抗剪强度参数表
非线性指标( °)
岩性
φ
(°)
c
(kPa)
φ
o
φ
天然容重
(9.8kN/m
3
)
饱和容重
(9.8kN/m
3
)
主坝料
45 0 52 8 2.2 2.3
辅坝料
43 0 52 8 2.17 2.3
弱风化岩
38.66 350 2.2 2.3
混凝土/弱风化
砂岩接触面
38.66 350
坝料/弱风化
砂岩接触面
35 0
坝料/弱风化砂岩
接触面建议值
29 50
泥化夹层 16.7 25
注 非线性抗剪强度指标采用Duncun对数模式φ
o
和?φ为非线性参数
13,6,4 计算成果与分析
混凝土面板堆石坝稳定分析计算的3个剖面中5?5剖面安全系数稍低当其坝体底部出现倾角8°的软弱夹层时构不成影响坝体安全的控制因素如果把坝体下游坡坡比从1:1.4
放缓到1:1.5坝体安全系数有所提高对边坡稳定有利分析结果见表13.21图13.18所示为两种工况的计算简图
表 13,21 混凝土面板堆石坝剖面稳定分析安全系数
下游坝坡比1 1.4 下游坝坡比1 1.5
坝料线性指标 坝料非线性指标 坝料非线性指标
稳定分析临界滑裂面部位
坝体与基岩接触面抗剪参数
正常 7度地震 正常 7度地震
文件
正常 7度地震
文件
A 1.278 1.215 1.414 1.292 Tg1 1.419 1.347 Tg151
中间部位
滑裂面
B 1.246 1.183 1.314 1.255 1.326 1.261
A 1.403 1.330 1.581 1.504 Tg3 1.709 1.623 Tg153
上部滑裂面
B 1.362 1.292 1.541 1.467 1.650 1.570
A 1.322 1.256 1.440 1.353 Tg4 1.448 1.389 Tg154
下部滑裂面
B 1.279 1.217 1.379 1.314 1.387 1.331
A 1.404 1.337 1.438 1.362 Tg6 1.551 1.438 Tg156
下部沿坝脚
滑裂面
B 1.329 1.268 1.349 1.287 1.372 1.307
A 1.344 1.277 1.372 1.305 Tg7 1.447 1.376 Tg157
整体滑裂面下部沿坝脚滑动
A 1.281 1.220 1.304 1.245 1.324 1.260
整体圆弧滑动 B 1.513 1.440 1.516 1.442 Tg1c 1.642 1.558 Tg151c
软弱夹层1 A 2.698 2.424 Tg8 2.818 2.526 Tg158
软弱夹层2
A 2.695 2.420 Tg9 2.838 2.543 Tg159
注 1,A代表设计提出的坝体与基岩接触面抗剪参数φ
=
35° c
=
0kPa
2,B代表坝体与基岩接触面抗剪参数建议值φ
=
29° c
=
50kPa
494 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序
图 13,18 宜兴抽水蓄能电站主要计算成果
(a) TG151; (b) TG153; (c) TS1; (d) TS2; (e) TS88; (f) TD4; (g) TD2-2b; (h) TD3-3b
作为与混凝土面板堆石坝的比较方案对混合坝分析了C?C 8?8两个剖面其安全系数略高于面板堆石坝(表13.22)需注意的是表13.22相应的是选坝阶段的混合坝方案与施工期最终选定的混合坝方案不同
表 13,22 混合坝抗滑稳定的安全系数
剖面号 滑裂面部位
坝体与基岩接触面抗剪参数
安全系数 7度地震安全系数 文件号
堆石体滑裂面 1.663 1.606 TS1
A 1.424 1.337
C—C
沿坝体与基岩
接触面滑裂面
B 1.348 1.316
TS2
堆石体滑裂面 1.738 1.652 TS88
A 1.532 1.475
8—8
沿坝体与基岩
接触面滑裂面
B 1.465 1.413
TS88-2
注 1,A代表设计提出的坝体与基岩接触面抗剪参数φ
=
35° c
=
0kPa
2,B代表坝体与基岩接触面抗剪参数建议值φ
=
29° c
=
50kPa
第13章 工程案例 495
对重力坝方案重点分析了1?1剖面安全系数达到重力坝规范的许可值计算结果见表
13.23最不利情况是沿F
19
断层和假定的坝下8°缓倾角软弱夹层组合滑动时见图13.18(g)
和(h)安全系数仅为1.22
表 13,23 重力坝抗滑稳定的安全系数
剖面号 滑裂面部位 安全系数 7度地震安全系数 文件号
重力坝整体滑动 4.139 3.844 TD1
沿坝底软弱夹层 1.848 1.652 TD3
F
19
断层与软弱夹层组合 1.220 1.137 TD4
1?1
F
19
F
4
断层与ST
8
软弱夹层组合 1.761 TD5
重力坝整体滑动 3.035 2.917 TD2-2a
沿错动的软弱夹层滑动 1.669 1.499 TD2-2b 2?2
沿软弱夹层和F
16
组合滑动 2.946 2.959 TD2-2c
重力坝整体滑动 3.661 3.465 TD3-3a
3?3 滑面上部在花岗斑岩中自由搜索
下部沿软弱夹层滑动
1.774 1.671 TD3-3b
13,6,5 讨论
在水电工程规划和可行性论证阶段通常需要进行不同方案不同坝型的比较宜兴工程的三种不同坝型的分析论证过程中边坡稳定的极限平衡分析计算均发挥了直接的作用由于极限平衡分析计算过程简便可靠计算成果和现行规范直接配套并适宜进行敏感性分析和方案比较熟练地使用STAB程序可以在较短的时间完成一个工程初设阶段建筑物抗滑稳定分析的大量工作
本工程推荐的面板堆石坝方案具有许多抽水蓄能电站上池共有的特点坝轴线位于一个山脊的轴线即一个岩石边坡的顶部由于岩体的层面斜交此边坡故在面板坝方案的分析中没有对下游坡的岩体部分按岩质边坡稳定复核的原则进行分析但下游坡以一个薄层坝壳的形式贴在山脊面上高差达280m构成了一个沿接触面滑动的模式从计算成果可以发现即使采用了堆石的非线性强度指标其安全系数离要求的1.5还有一段差距这一差距在坝坡从1:1.4放缓到1:1.5后仍不能得到根本的解决
本阶段的内容为选坝阶段的论证成果经研究决定采用土石坝方案但在施工阶段根据专家要求又详细进行了优化后的混合坝方案的论证工作有关内容包括混合坝土压力和沿坝基三维深层抗滑稳定分析分别在本书第8章和第14章中介绍
13,7 紫坪铺水库左岸堆积体
13,7,1 基本情况
(1) 项目来源电力部成都勘测设计院
(2) 完成日期1995年2月
(3) 设计阶段初步设计
(4) 存档文件紫坪铺水库左岸堆积体稳定分析水利水电科学研究院岩土(95)7 1990
年7月
496 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序
13,7,2 工程概述
本工程堆积体位于库首金沙坝前左岸汤家林贾家沟一带距大坝618m距右岸引水隧洞进口最近处仅250m上游界线在汤家林沟顺坡长约1600m由一系列不同高程平台和斜坡组成斜坡坡度20°～30°沿江宽300～870m初估方量2500～3000万m
3
堆积体纵1?1
剖面见图13.19
图 13,19 紫坪铺水库左岸堆积体地质剖面简图
堆积体外围岩石岩性复杂主要由灰岩白云质灰岩岩质页岩组成中夹少量灰绿岩脉堆积体内部和附近发现一系列泉水钻孔和竖井资料均显示具有一定的地下水位
简易注水试验表明土体渗透系数K为0.012～3.09m/昼夜属极弱透水?弱透水勘探证实与基岩接触面处有一连续平直软滑带厚0.5～15cm由砾质重壤土组成该层土性质软弱微透水抗剪强度低工程性质很差堆积体从上至下可分为七层主要为坡碎石夹粘土粘土夹坡碎石块碎石土等
13,7,3 计算条件
1,计算工况
主要计算空库正常水位在正常水位下遭遇地震库水位骤降及各处理方案等情况下堆积体的稳定性
(1) 计算剖面采用成都勘测设计院提供的紫坪铺水库工程左岸坝前堆积体1?1工程地质剖面图13.19
(2) 天然情况将各钻孔地下水位相连作为该工况浸润线图13.20中34,35,36,37,38,39
各点的连线36
#
点为2
#
钻孔
正常工况浸润线采用连泵钻孔34 35 36和正常水位877m与坡面交点40
#
及40
#
点以下外坡线上转折点的连线
水位骤降工况因堆积体极难透水认为水压力不消散故浸润线仍采用降前侵润线库水位由877m降至846m或降至817m
第13章 工程案例 497
图 13,20 紫坪铺水库左岸堆积体天然剖面计算图
(3) 地震烈度为7度
2,强度指标
堆积体各土层强度指标见表13.24材料指标选用原则为稳定渗流期即天然情况和正常水位工况用慢剪指标进行计算非稳定渗流期即水位骤降工况用慢剪和饱和固结快剪组成的强度包线进行稳定计算
表 13,24 堆积体各土层强度指标
慢 剪 快 剪
摩擦角 粘聚力 摩擦角 粘聚力
材料号
φ(°) c(kPa) φ(°) c(kPa)
容 重
(9.8kN/m
3
)
饱和容重
(9.8kN/m
3
)
1 堆积体 31.0 2.0 11.0 4.0 2.20 2.24
2 下部夹泥层 16.0 1.0 13.0 3.0 2.20 2.24
3 上部夹泥层 23.0 2.0 2.20 2.24
4 基岩 45.0 5.0 2.40 2.45
5 压重料 31.0 2.0 11.0 4.0 2.00 2.05
13,7,4 计算成果与分析
各方案计算成果总结于表13.25部分计算图形见图13.24
1,堆积体天然剖面未处理稳定分析
(1) 水库未蓄水即空库工况计算简图如图13.20示从表13.25知堆积体的稳定安全系数在1.057?1.379之间
(2) 正常水位工况水库蓄水后在正常水位877m工况下F
m
=
0.977临界滑裂面与空库基本相同
(3) 正常水位+地震工况从表13.25知F
m
=
0.877临界滑裂面与空库及正常水位工况基本相同
上述计算结果表明堆积体天然剖面在空库情况下堆积体的稳定安全系数F大于1
这与堆积体处于稳定状态的现状是相符的但安全储备不大最小安全系数仅为1.057水库蓄水后F小于1堆积体处于不稳定状态因此须对堆积体进行处理
498 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序
表 13,25 左岸堆积体稳定安全系数
安全系数F
m
方案 滑 动 位 置
空库
(1)
正常水位
(2)
正常水位+地震
(3)
库水位骤降
(4)
整体沿底部(1)
1.105 (A11) 1.106 (A12) 0.905 (A13) 1.044 (A14)
整体沿腰部(2)
1.121 (A21) 1.113 (A22) 0.912 (A23) 1.053 (A24)
局部沿底部(3)
1.057 (A31) 1.997 (A32) 0.877 (A33) 1.143 (A34)
局部沿腰部(4) 1.101 (A41) 1.000 (A42) 0.919 (A43) 0.772 (A44)
天然剖面
(A)
堆积体中部(5)
1.379 (A51) 1.076 (A52) 1.005 (A53) 0762 (A54)
整体沿底部(1)
1.179 (B12) 0.966 (B13) 1.102 (B14)
整体沿腰部(2)
1.190 (B22) 0.975 (B23) 1.117 (B24)
局部沿底部(3)
1.064 (B32) 0.955 (B33) 1.064 (B34)
处理方案1
降地下水位
(B)
局部沿腰部(4) 1.121 (B42) 1.207 (B43) 1.094 (B44)
整体沿底部(1)
1.191 (C12) 0.980 (C13) 1.113 (C14)
整体沿腰部(2)
1.151 (C22) 0.941 (C23) 1.086 (C24)
局部沿底部(3)
1.261 (C32) 1.126 (C33) 1.037 (C34)
处理方案2
压坡压脚
(C)
局部沿腰部(4)
1.112 (C42) 1.003 (C43) 0.890 (C44)
整体沿底部(1)
1.262 (D12) 1.039 (D13) 1.240 (D14)
整体沿腰部(2)
1.227 (D22) 1.004 (D23) 1.236 (D24)
局部沿底部(3)
1.371 (D32) 1.334 (D33) 1.320 (D34)
处理方案3
压坡压脚+降地下水位
(D)
局部沿腰部(4)
1.274 (D42) 1.272 (D43) 1.344 (D44)
整体沿底部(1) 1.003 (E11)
整体沿腰部(2)
局部沿底部(3)
0.709 (E31)
处理方案4
削下坡
(E)
局部沿腰部(4)
整体沿底部(1) 1.075 (F11)
整体沿腰部(2)
局部沿底部(3)
0.903 (F31)
处理方案5
削下坡+
降地下水位
(F)
局部沿腰部(4)
整体沿底部(1)
1.341 (G11) 1.297 (G12) 1.097 (G13) 1.299 (G14)
整体沿腰部(2)
1.254 (G21) 1.246 (G22) 1.058 (G23) 1.254 (G24)
局部沿底部(3) 1.488 (G31) 1.371 (G32) 1.334 (G33) 1.320 (G34)
局部沿腰部(4) 1.310 (G41) 1.502 (G42) 1.134 (G43) 1.230 (G44)
处理方案6
削上坡+
压坡压脚+降地下水位
(G)
堆积体中部(5) 1.617 (G51) 1.218 (G52) 1.375 (G53) 1.617 (G54)
整体沿底部(1)
1.215 (H12) 0.994 (H13) 1.074 (H14)
整体沿腰部(2) 1.222 (H22) 0.996 (H23) 1.064 (H24)
局部沿底部(3)
1.359 (H32) 1.191 (H33) 0.763 (H34)
局部沿腰部(4)
1.382 (H42) 1.217 (H43) 0.703 (H44)
处理方案7
压三级马道
(H)
堆积体中部(5)
2.006 (H52)
注 圆括号内为数据文件名称
第13章 工程案例 499
2,堆积体处理方案稳定分析
(1) 处理方案1降2号孔地下水位计算简图如图13.21示通过排水措施能有效地降低地下水位拟将2号孔地下水位由913.22m降至880m共降33.22m,
图 13,21 紫坪铺水库左岸堆积体处理方案1,2,3剖面计算图
图 13,22 紫坪铺水库左岸堆积体处理方案4,5,6剖面计算图
图 13,23 紫坪铺水库左岸堆积体处理方案7剖面计算图
500 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序
图 13,24 紫坪铺水库左岸堆积体主要计算成果
(a) A12; (b) A22; (c) A32; (d) A42; (e) B12; (f) C12; (g) C22; (h) C32
正常水位工况F
m
=
1.064临界滑裂面亦为部分堆积体从其底部滑出
正常水位+地震工况F
m
=
0.955临界滑动位置与正常水位工况基本相同由此可见降2号孔地下水位尚不能保证堆积体的稳定
(2) 处理方案2压坡+压脚压脚范围由坝前原地形填方至790m高程再沿790m高程向堆积体延伸直至与其外坡线相交于点41图13.21压坡范围由点41至877高程与原堆积体外坡交点40计算简图见图13.21压重体材料编号为5表13.24
正常水位工况F
m
=
1.112临界滑裂面为部分堆积体沿软滑带材料2从其腰部堆积体薄弱处滑出
正常水位+地震工况F
m
=
0.941临界滑裂面为堆积体整体沿次软滑带材料3及软滑带材料2滑出
由此可见压坡+压脚的处理措施亦不能保证堆积体的稳定
(3) 处理方案3压坡压脚+降2号孔地下水位计算简图如图13.21示
正常水位工况F
m
=
1.227满足F
m
=
1.15的要求临界滑裂面为堆积体整体沿次软滑带材料3及软滑带材料2从堆积体腰部薄弱处滑出
正常水位+地震工况F
m
=
1.004临界滑裂面与正常水位工况基本相同
(4) 处理方案4削下坡削下坡的范围如图13.22示
空库工况F
m
=
0.739正常水位工况F
m
=
0.797堆积体处于极不稳定状态计算结果表明削下坡虽减小了堆积体体积但实际上却削弱了阻止堆积体下滑的能力使得安全系数减小
(5) 处理方案5削下坡+降2号孔36
#
点地下水位此方案综合处理方案4和处理方案1的措施计算简图如图13.21示从表13.25知在空库及正常水位下均不满足稳定的要求
(6) 处理方案6削上坡+压坡压脚+降2号孔地下水位削上坡范围为挖除1070m高程以上堆积体再同时采用处理方案1和处理方案2的措施
正常水位工况F
m
=
1.218满足F
m
=
1.15的要求临界滑裂面为部分堆积体沿软滑带材料2从堆积体腰部薄弱处滑出
正常水位+地震工况F
m
=
1.058临界滑裂面为堆积体整体沿次软滑带材料3及软滑带材料2从堆积体腰部薄弱处滑出
库水位骤降工况由877m降至846m F
m
=
1.230临界滑裂面均为部分堆积体沿软滑带材料2从堆积体腰部薄弱处滑出
(7) 处理方案7压三级马道正常水位工况F
m
=
1.215临界滑裂面为堆积体整体沿次软滑带材料3软滑带材料2从堆积体末端薄弱处滑出图13.23
正常水位+地震工况F
m
=
0.994不满足F
m
=
1.05的要求临界滑裂面与正常水位工况基第13章 工程案例 501
本相同
库水位骤降工况库水位由877m降至817m最小安全系数为0.688临界滑裂面为部分堆积体沿软滑带材料2从堆积体腰部薄弱处滑出
上述计算结果表明压三级马道虽对正常水位下的安全系数有所提高但并不明显因压重部位均在浸润线以下特别是在库水位骤降过程中水压力不消散材料的计算指标采用极低的快剪指标这对边坡的稳定极为不利且工程量巨大
13,7,5 讨论
本例是一个在初设阶段进行的一个稳定分析工作研究对象是库区将被淹没的大规模堆积体本项目的稳定分析和加固方案研究工作在工程开工后还将进一步深入从稳定分析角度本案例在以下两个方面有其自身的特点
(1) 由于底滑面为折线形在搜索最小安全系数时需要分段进行故而出现了整体滑动沿中部滑动沿腰部滑动沿底部滑动等多种工况本案例对于研究天然滑坡沿已确定的非直线滑动面滑动是一个可供借鉴的例子
(2) 根据水库管理运行的需要本工程库水位降落的幅度较大该滑坡体以粘粒为主渗透系数极小而压缩性较大故而需要应用第5和第7章论述的库水位骤降总应力法来复核其稳定安全系数由于滑坡体体积较大单纯应用土方工程压脚削坡难以彻底解决库水位降落期的稳定性因此本项研究提出结合排水措施加固边坡的方案在施工设计阶段实际采用了压坡的方案
13,8 徐村水电站溢洪道边坡
13,8,1 基本情况
(1) 项目来源华能大理公司
(2) 完成日期1998年8月
(3) 设计阶段技施设计
(4) 存档文件云南省大理徐村水电站边坡稳定分析和治理方案研究中国水利水电科学研究院1998年8月
13,8,2 工程概述
徐村水电站位于云南省大理州境内是漾濞江河段梯级规划中最下游的一级电站电站装机容量78MW(3×26MW)保证出力24MW多年发电量约3.55×10
8
Wh正常蓄水位1306m
最大坝高67m总库容7167万m
3
回水长13.9km
电站枢纽区主要建筑物有粘土心墙堆石坝右岸开敞式溢洪道左右岸泄洪导流洞地面厂房引水发电洞等参见图13.25
溢洪道布置在右岸山坡上进口引渠段底板高程1286m长112m溢流堰顶高程
1296.5m泄槽长201m出口高程1253m
溢洪道沿线山坡地形下陡上缓山坡走向N5°E多为崩塌堆积层和坡积层覆盖地形
502 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序
坡度一般为50°～60°局部呈陡崖1310m高程以上坡度较平缓一般为15°～35°地貌为平缓台地溢洪道边坡主要由上覆的3号崩塌堆积体和下伏三迭系上统麦初箐组基岩组成溢洪道的地基和开挖大部分位于3号崩塌堆积体内
3号崩塌堆积体顺河方向长约280m顺坡方向宽约240m前缘分布高程在1267m左右后缘高程在1380m左右溢洪道沿线厚约20～39m左右平均厚27m最厚39.3m体积约为119×10
4
m
3
呈圈椅状分布与基岩接触面起伏不平部分地段呈阶梯状其间发育两条以上古冲沟崩塌体组成物质复杂且溢洪道边坡崩塌堆积体排水条件差开挖过程中曾多次发生小规模的滑坡如1998年4月17日的一场大雨后在桩号0+00～0+50m处发生一次滑坡此段滑坡虽然属今后治理削坡范围但说明这一地段的坡积体在1:1的地质条件下不能在雨季保持其稳定性
13,8,3 计算条件
1,计算工况
计算溢洪道边坡各典型断面原地形及开挖剖面在无地震和遭遇地震时的稳定情况
2,强度指标
通过地质勘探确认崩塌堆积体与基岩接触面存在夹泥层图13.26为研究溢洪道边坡崩塌堆积体的稳定性昆明勘测设计研究院针对崩塌堆积体与基岩接触面进行了两组τ
f38
和τ
f30
共12块试件的抗剪强度试验并在堆积体与基岩接触带土体中取8组土样进行了物理特性和颗粒组成分析试验τ
f38
布置在平硐PD38 0+26m处τ
f30
布置在平硐PD40 0+56m
处图13.27示试验成果
第13章 工程案例 503
504 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序
第13章 工程案例 505
506 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序
第13章 工程案例 507
图 13,26 边坡岩体夹泥层
图 13,27 夹泥层直剪试验成果
(a) PD38结构面抗剪试验关系图τσ ~ (b) PD40结构面抗剪试验关系图 τσ ~
根据对堆积土组成物性指标以及剪切带试验资料的分析讨论在稳定分析中采用的强度指标如下
(1) 剪切带高程1300m以下c
=
40kPa φ
=
20.8° 1300m以上c
=
35kPa φ
=
15.1°
(2) 堆积土c
=
40kPa φ
=
24.2°
13,8,4 计算成果和分析
1,计算成果
对0+026至0+165的7个典型断面图13.25进行稳定分析稳定分析时取边坡内孔隙水压力系数2.0=
u
r计算复核成果如表13.26和图13.28所示
508 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序
表 13,26 典型断面稳定分析成果
开挖剖面 原地形
剖面 计算条件
F 文件名 F 文件名
8度地震 1.201 XC26-1 0.811 YXC26-1
0+026.953
无地震 1.371 XC26-2 1.143 YXC26-2
8度地震 1.097 XC60-1 1.102 YXC60-1
0+060.000
无地震 1.276 XC60-2 1.204 YXC60-2
8度地震 1.337 XC95-1 1.266 YXC95-1
0+095.000
无地震 1.573 XC95-2 1.517 YXC95-2
8度地震 1.273 XC103-1 1.304 YXC103-1
0+103.698
无地震 1.530 XC103-2 1.573 YXC103-2
8度地震 1.429 XC138-1 0.982 YXC138-1
0+138.880
无地震 1.802 XC138-2 1.211 YXC138-2
8度地震 1.592 XC154-1 0.973 YXC154-1
0+154.506
无地震 1.879 XC154-2 1.167 YXC154-2
8度地震 1.460 XC165-1 0.993 YXC165-1
0+165.728
无地震 1.811 XC165-2 1.212 YXC165-2
图 13,28 徐村溢洪道边坡主要计算成果各计算工况水位均在地下水位之上
(a) XC26-1; (b) XC26-2; (c) XC103-1; (d) XC103-2; (e) YXC60-1; (f) YXC60-2; (g) YXC103-1; (h) YXC103-2
第13章 工程案例 509
2,提高溢洪道边坡稳定性的工程措施
徐村工程溢洪道边坡的崩塌堆积体位于强度指标较低的剪切带上面因此首要的问题是通过削坡减载保证边坡土体沿剪切带滑动的稳定安全系数满足设计要求同时要做好边坡表面的防护和坡内排水以保证在运用期溢洪道边坡的长期稳定性主要措施为
1) 边坡分四个马道开挖土质段平均坡度为1:1.5岩质段为1:1
2) 坡面喷混凝土或植草皮保护
3) 在高程1311m 1342m处分别打排水洞右岸泄洪洞高程1258m为明流洞在洞顶打向上的排水孔
3,对溢洪道边坡稳定性的总体评价和建议
(1) 由分析成果可知按设计坡度进行削坡减载后边坡各剖面安全系数均较原地形有明显提高桩号0+120m上游侧的安全系数较下游侧低但在正常情况下安全系数均超过
1.20遇8度地震时安全系数也超过了1.1
(2) 加强排水是保证边坡稳定的重要措施要求在山体中开挖两条排水洞
13,8,5 讨论
在规划土石坝的开敞式溢洪道时左右坝肩通常是先考虑的位置此时又经常会遇到溢洪道通过堆积体的情况坡堆积体通常具有有限的覆盖厚度接触面又通常是一个软滑带这大概是在较长的地质年代中曾发生过的滑坡或大规模塌滑有关
当溢洪道通过这样的堆积体时设计方案往往是清除部分堆积体使溢洪道座落于基岩面上然后放坡此时需确认经过开挖的堆积体在新的坡度条件下是稳定的另一方面降雨通常是导致边坡失稳的首要条件建立可靠的排水系统是溢洪道边坡设计中需要认真考虑的问题之一
徐村水电站溢洪道这一实例具有一定的典型意义设计人员首先确认该堆积体与基岩间确实存在一个软滑带因此必须采用工程措施确保开挖后的边坡具有足够的安全系数由于该堆积体地形比较平缓最后放弃了抗滑桩方案而采用削坡的方案来保持边坡稳定同时在山体内设置了两条排水廊道表13.26所列的各剖面的计算成果实际上是在综合比较了许多方案后的一个最终成果熟练地使用STAB程序可以使这样的优化设计工作的效率大大提高从表中可知和原地形相比开挖后地形的安全系数在大部分地段均有明显的提高
三年后笔者经历了另外一个在堆积体上开挖溢洪道边坡开裂事件即云南昭通地区的大水沟面板坝的溢洪道工程发现在徐村工程中担忧的滑坡可能性在大水沟这个具有类似地形地质条件的溢洪道工程中确实出现了图13.29和图13.30分别示大水沟面板坝工程边坡开裂和沿夹泥层错动情况在13.13节还将讨论紫坪铺泄洪洞出口边坡堆积体滑坡事例因此当年该工程对溢洪道边坡沿夹泥层稳定情况所作的研究和相应的削坡加固措施是明智的
510 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序
图 13,29 大水沟面板坝工程边坡开裂情况
图 13,30 大水沟面板坝工程边坡沿夹泥层错动情况
13,9 天生桥厂房高边坡
13,9,1 基本情况
(1) 项目来源水电部贵阳勘测设计院
(2) 完成日期1989年8月
(3) 设计阶段技施设计
(4) 存档文件
第13章 工程案例 511
1) 邹成杰庞声宽方平德典型层状岩体高边坡稳定分析与工程冶理水利电力出版社1995年
2) 天生桥二级水电站厂房西坡边坡稳定分析中国水利水电科学研究院岩土(89)39
1998年8月
13,9,2 工程概述
天生桥二级水电站位于广西隆林及贵州安龙县境内为南盘江中游广西贵州河段上第二个梯级电站工程为引水式电站大坝为混凝土重力坝三条引水隧洞长度均为9776.3m
电站初期装机容量88万kW一级电站发电后装机容量将扩建到132万kW
厂房建在芭蕉林南侧拉线沟北侧下山包也称南山包的一个三面凌空的条形山脊上厂房三面临坡每面坡高均大于100m最高的西坡高300余米
厂区河岸受拉线沟和1号冲沟切割形成一个山包称中山包其东南缘称为下山包厂房即位于下山包东侧厂区地层为砂岩泥岩互层夹少量灰岩可以推测地层曾经历强裂的地质构造运动形成中山包背斜芭蕉林向斜南山包背斜拉线沟向斜下山包滑坡即位于芭蕉林向斜和下山包背斜之间岩层产状为N80°E
在泥岩砂岩互层中普遍发育泥化夹层形成滑坡体的滑床在开挖抗滑桩过程中对构成这次滑坡的泥化夹层进行了充分的揭示发现泥化夹层为黄褐色软塑状粘土厚度
5～20cm不等厂房西坡可划分为七层层间均有泥化夹层
1988年5月工程施工后山体即发生滑移出现明显的滑坡迹象图13.31水平位移最大速率达8.2cm/日随即采取了减载排水抗滑桩预应力锚索和锚杆等多项工程措施图13.32 1989年5月厂房高边坡全部开挖完毕未见明显滑移现象
图 13,31 边坡滑移挡墙拉裂情况
512 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序
图 13,32 南6?6′地质剖面和计算断面
13,9,3 计算条件
1,计算工况
选用南6?6′剖面为计算断面参见图13.32南6?6′断面方向为S60°E和滑坡中后部位移较一致
对南6?6′断面稳定性的核算重点是复核已发生滑坡的那层滑裂面夹层出口高程
556m其主要工作是通过反演抗剪强度指标模拟施工开挖过程了解安全系数随之变化的过程并评价排水锚索抗滑桩在提高抗滑安全系数方面的作用
2,强度指标
南6?6′断面沿滑裂面强度指标见表13.27
表 13,27 南6?6′断面沿滑裂面强度指标参见图13.32
抗 剪 强 度 指 标
序号 区段 物 质 组 成 滑坡体厚度(m)
c(kPa) φ (°)
1 AB 粘土夹砂岩碎块石坡积滑塌形成 30～37 20 11.3
2 BC 全风化砂页岩夹粘土 25～30 20 11.3
3 CD 强风化滑动碎裂的砂岩夹泥页岩 17～40 10 6.8
4 DE 同上 25～0 10 6.8
3,地下水位
施工期边坡600m高程处原有工程单位生活办公用房以及附设的供水系统其水池已开裂长年向坡内渗水1986年5月至11月又曾数次降大雨在开挖抗滑桩时发现井壁严重渗水推算的地下水位示于图13.32
13,9,4 计算成果与分析
1,滑坡过程和加固工程措施图13.33
(1) 滑坡过程1986年5月厂房边坡开挖开始6月7日发现当边坡自584m高程挖至
555m高程时前缘即出现裂缝7月7日裂缝发展到前缘100m处图13.31 8月修建临时挡土墙滑坡暂时被制止
1986年11月边坡开挖继续进行前缘坡墙被炸掉滑坡前缘几十米处采用洞室大爆破边坡位移加剧公路挡墙被拉裂公路边陡壁上明显出现滑裂面图13.31长度达百第13章 工程案例 513
米以上至1987年初滑坡整体规模已显露出来平均速率达7.2mm/d抗滑桩开挖后了解到的泥化夹层擦痕方向为S85°E由此可以大致确定滑坡方向为S85°E
图 13,33 通过反演分析进行的加固设计
(2) 边坡加固工程措施为制止滑坡自1987年开始采取了以下工程措施
(a) 减载滑坡后缘地形上凸超过600m高程部分被挖除两次共减载22.15万m
3
(b) 排水除整治地表排水系统分层减载集中疏导雨水外还在厂房北坡及西坡布置了四条高程分布在487.2m 451.5m和429m的永久性排水廊道
在滑体中部584m平台设置17根抗滑桩最大桩深40m断面3×4m间距6m并布置了承载力为120×9.8kN的预应力锚索共计240根
(c) 预应力锚索和锚杆荷载预应力锚索设置在高程858～565m边坡上与铅垂线夹角55°每根预应力1200kN孔距3.0m排距3.5m总计7排每米宽度施加在边坡上的力为
kN/m)( 8.9280
0.3
8.91207
×=
××
预应力锚杆设置在高程565平台孔距2m排距2m与铅垂线夹角30°每米宽度施加在边坡上的力为
(kN/m) 8.930
0.2
8.9302
×=
××
514 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序
(d) 抗滑桩提供的水平抗滑力抗滑桩断面为3m×4m总计17根每根桩提供的水平抗滑力约为1284×9.8kN总计混凝土量为6600m
3
钢材248.7×9.8kN考虑滑坡整体规模已形成该17根抗滑桩提供的水平抗滑力应平均分摊在170m宽度的滑坡上故每米提供的水平抗滑力为
(kN/m) 8.94.128
170
8.9128417
×=
××
2,地下水位
对南6?6′断面根据抗滑桩开挖过程中了解到的地下水位核算稳定安全系数并分析排水起作用无地下水位时安全系数的提高程度
3,稳定分析计算成果及讨论
(1) 计算成果根据发生滑坡的过程对施工过程不同阶段进行复核获得的稳定安全系数如表13.28所示计算简图见图13.34
表 13,28 南6?6′断面边坡稳定安全系数参见图13.33
情况 计 算 条 件 安 全 系 数 数 据 文 件
1 原地面线有地下水 0.997 T6.1
2 1986年6月7日地面线有地下水位 0.976 T6.2
3 1986年11月拆除挡墙后地面线有地下水 0.922 T6.3
4 减载 0.988 T6.4
5 排水 1.055 T6.5
6 开挖至设计边坡排水生效无地下水 1.032 T6.6
7 情况5加抗滑桩 1.088 T6.7
8 情况6加上预应力锚索和锚杆 1.149 T6.8
图 13,34 天生桥边坡计算成果
(a) T6.1; (b) T6.2; (c) T6.3; (d) T6.4; (e) T6.5; (f) T6.6; (g) T6.7; (h) T6.8
第13章 工程案例 515
(2) 讨论从表13.28所列分析成果可以发现
1) 边坡开挖使安全系数由原来的0.997降为0.922降低了8%左右
2) 减载使安全系数由0.922提高到0.988增加了6%
3) 地下水位对边坡稳定影响很大排水后可使安全系数提高7%左右
4) 加固边坡的工程措施抗滑桩预应力锚索等使安全系数提高11%左右从1.032
提高到1.149
5) 在排水系统充分生效没有孔压的条件下安全系数为1.15应该指出这一系列计算的起点是边坡开挖后的安全系数为0.922由于此时并没有发生滑坡所以实际加固后的边坡稳定安全系数应比1.15略高
反演分析获得概念是滑裂面上综合抗剪强度的指标大约是c
=
10kPa φ
=
10°这一数值和试验室直剪和三轴试验接近因此总的来说天生桥二级厂房高边坡泥化夹层的抗剪强度指标大约是在c
=
10kPa φ
=
10°这样一个数量级范围
13,9,5 讨论
天生桥高边坡在开挖仅15m时即发生大规模的山体变形对边坡进行紧急加固措施的设计过程主要是建立在反演分析的基础上的目的是了解采用各项工程措施后使安全系数从原来的极限平衡状态提高15%～20%本节介绍了当年进行加固设计时的计算成果通过边坡稳定分析最终确定了各种加固工程的规模这一工程竣工后已经过10年的运行说明加固设计是成功的当时的研究报告还提出了以下几条建议
(1) 减载锚索抗滑桩等工程措施使滑裂面安全系数提高18%左右但对高达300m
的边坡深层滑动并无加固作用排水是稳定该边坡至关重要的工程措施宜予高度重视
(2) 厂房边坡的稳定安全系数总体来看接近现代边坡工程允许最小安全系数值但个别滑面尚处下限应加强边坡的变形和孔隙水压力观测密切监视边坡的性状根据本次计算成果对厂房边坡运行期间观测到的孔隙水压力系数的平均值r
u
似可提出这样的标准当r
u
0.05时排水效果视为优良期望r
u
0.1当r
u
0.15时应发出警报
(3) 由于该边坡具有明显的三维特点建议下阶段有条件时开展三维极限平衡稳定分析在14章中笔者介绍了三维计算的成果
13,10 乌鲁瓦提面板堆石坝
13,10,1 基本情况
(1) 工程名称乌鲁瓦提面板堆石坝
(2) 项目来源新疆水利水电勘测设计院
(3) 完成日期1995年4月
(4) 设计阶段初设阶段
(5) 存档文件
516 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序
1) 乌鲁瓦提面板堆石坝坝坡稳定分析报告中国水利水电科学研究院岩土
(95)24.1995年4月31日
2) 乌鲁瓦提坝料三轴试验中国水利水电科学研究院岩土(95).1992年11月
13,10,2 工程概述
乌鲁瓦提面板堆石坝位于新疆和田地区和田河支流喀拉喀什河中游河段上坝趾距和田市71km该工程水库总库容3.47亿m
3
电站装机容量6万kW
拦河坝为钢筋混凝土面板砂砾石坝主坝长365m最大坝高138.0m坝顶高程1962.0m
防浪墙高程1966.0m上游坝坡1:1.6下游坝坡约为1:1.5并在不同高程设置了4条马道各宽12m坝体采用天然砂卵石料为主堆石料其渗透系数为4.5×10
-2
cm/s次堆石料为边坡开挖的弃料钢筋混凝土面板之后是水平宽度4m的垫层区垫层区后是水平宽度4m的过渡层区坝体内设置了4m宽的竖向排水和水平排水水平排水位于坝体底部与下游坝脚排水棱体相连接为减少坝基渗漏在坝体上游趾板处设灌浆防渗帷幕
13,10,3 计算条件
1,等级和标准
大坝为II级建筑物在稳定分析中取最大断面为典型计算断面见图13.35控制水位为正常蓄水位?1962.0m死水位?1924.0m下游水位?1861.0m
图 13,35 乌鲁瓦提面板堆石坝典型剖面
2,坝址地震
基本烈度为6度按7度设防
3,材料抗剪强度指标的选取
确定抗剪强度指标如表13.29示在计算中对上下游坝坡分别进行了线性和非线性强度指标的稳定分析
13,10,4 计算成果与分析
计算成果见表13.30及图13.36
第13章 工程案例 517
表 13,29 乌鲁瓦提面板堆石坝筑坝材料参数
抗剪强度指标 容重
线性 非线性 (9.8kN/m
3
)
材料编号
材料所处位置
c
(9.8kN/m
2
)
φ (°) φ (°)?φ (°) 天然 饱和
1 主堆石区 0.0 39.0 43.5 3.0 2.25 2.30
2 次堆石区 0.0 30.0 44.2 3.6 2.10 2.25
3 排水区 0.0 35.5 2.05 2.20
4 坝体底部 0.0 38.0 2.26 2.30
5 坝基 150.0 40.0 2.70 2.90
6 垫层及过渡层 0.0 39.0 48.0 5.1 2.25 2.30
注 上表线性参数及容重由新疆水利设计院提供非线性参数由水科院乌鲁瓦提坝料三轴试验报告提供
表 13,30 乌鲁瓦提面板堆石坝坝坡最小安全系数
下游坝坡 上游坝坡
参数
类型
F
m
及
文件名
稳定渗流
无地震
稳定渗流
7度地震
施工期
无地震
施工期
7度地震
库水位降落
无地震
F
m
1.209 1.111 1.298 1.203 0.513 线性
c φ
文件名 wlx1 wlx2 wlu1 wlu2 wul3
F
m
1.528 1.419 1.540 1.540 0.865
非线性φ
0
φ
文件名 wlx3 wlx4 wlu4 wlu5 wlu6
图 13,36 乌鲁瓦提面板堆石坝边坡稳定分析成果
(a) Wlu1; (b) Wlu2; (c) Wlu3; (d) Wlu4; (e) Wlu5; (f) Wlu6
518 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序
13,11 黄河三盛公水利枢纽拦河闸
13,11,1 基本情况
(1) 工程名称黄河三盛公水利枢纽拦河闸
(2) 项目来源内蒙古黄河工程管理委员会
(3) 完成日期1999年8月
(4) 设计阶段大坝安全鉴定
(5) 存档文件
1) 黄河三盛公水利枢纽拦河闸地基渗流及稳定安全复核报告中国水利水电科学研究院1999年8月
2) 黄河三盛公水利枢纽拦河闸稳定及强度安全复核报告中国水利水电科学研究院
1999年8月
13,11,2 工程概述
黄河三盛公水利枢纽拦河闸位于内蒙古自治区拦河闸为I级建筑上游正常水位为
1055.0m设计允许水位差9m闸室采用浮筏式结构两孔一联系钢筋混凝土结构1961
年建成并投入使用以为河套灌区提供灌溉用水为主闸室及地基简图见图13.37
图 13,37 黄河三盛公水利枢纽拦河闸概化地质剖面图
13,11,3 计算条件
在分析计算中水闸作了如下简化
1) 闸门上游中墩缝墩公路桥等结构折算成分布荷载加在闸室底板上
2) 在闸门下游中墩缝墩工作桥等结构换算成挡水结构容重也作相应折减成为等效重力
1,计算工况
计算中采用圆弧滑动和任意形状滑动两种滑动模式在任意形状滑动模式中滑弧底部为直线沿1034m高程之下粘壤土层滑动滑弧两端则为曲线使用STAB程序自动搜索安全系数最小的临界滑裂面
当上游水位为1055m高程时下游水位高程分别为1046m 1047m 1048m和1049m
上游水位为1052m高程时下游水位高程为1046m把各工况排水井完全失效情况下渗流计算扬压力曲线当作浸润线加在水闸之上以此计算基础底部滑裂面孔隙水压力
第13章 工程案例 519
为了便于和渗流计算扬压力条件下结果比较假设当上下游水位分别为1055m和
1046m高程时在排水井完全有效和排水井完全失效两种条件下上游水位和下游水位直线连接作为浸润线计算结果见表13.31和图13.38
表 13,31 按计算扬压力复核拦河闸深层滑动安全系数表
工况
上游水位(m) 下游水位(m)
圆弧滑动 图号 沿粘壤土滑动 图号
1046 2.060 n1 2.223 nn1
1047 2.094 n2 2.364 nn2
1048 2.294 n3 2.548 nn3
1055
1049 2.243 n4 2.742 nn4
1052 1046 2.889 n5 2.889 nn5
2,强度指标
根据三盛公水闸管理局提供的地质资料闸室地基各土层抗剪强度指标如表13.32
表 13,32 三盛公拦河闸基础各土层材料参数表
土层 粘聚力c(kPa)
摩擦角φ (°)
容重(9.8kN/m
3
)
砾质中砂 0.0 25 1.5
粘壤土 23.5 12 1.62
粉细砂 5.6 25 1.56
细砂粉细砂 5.6 25 1.56
13,11,4 计算成果分析
从表13.31计算成果可知在五种运行工况下两种滑动模式安全系数均大于2.0沿粘土层滑动安全系数大于圆弧滑动0.2左右说明由于粘土层埋藏较深沿粘壤土层滑动不是水闸深层滑动的控制滑动模式在最不利运行工况下安全系数也大于1.5因此根据现有地质参数可以认为拦河闸闸室基础能满足水闸设计规范的安全要求
图 13,38 三盛公拦河闸稳定分析成果
(a) n1; (b) n5; (c) nn1; (d) nn5
520 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序
13,11,5 讨论
本工作为使用条分法计算水闸抗滑稳定安全系数的例子通用条分法除用于计算天然边坡和土石坝的稳定安全系数外还可用于分析重力坝水闸等建筑物沿建基面和深层软带的稳定分析中因为由闸坝和地基构成的建筑物实际上也是一个边坡传统的分析方法和通用条分法所包含的原理没有本质上的差别
13,12 日照电厂蔡家滩灰场挡灰堤
13,12,1 基本情况
(1) 项目来源山东电力工程咨询院
(2) 完成日期2000年1月
(3) 设计阶段技施设计
(4) 存档文件日照电厂蔡家滩灰场挡灰堤加固措施计算分析报告水利水电科学研究院2000年3月GE?2000?3?007
13,12,2 工程概述
日照电厂灰场位于蔡家滩南海岸为长方形海域灰场岸边坝段为块石护坡碾压土坝其余部分全部为抛石挡灰堤最大高度约10.4m图13.39为防止粉煤灰渗入海洋在迎海洋面铺设有一层土工布这样在海水涨落过程中堤内外经常出现1～2m的水位差
蔡家滩灰场挡灰堤合龙后大堤内坡很多部位出现了不同程度的塌滑图13.40
局部土工布被拉断破坏全部发生在上游坡面另外当灰场外侧潮位变化时土工布被撕裂堤段的内坡面发现有明显的水流现象堤内侧发生滑坡破坏后在堤脚处发现有淘出的砂堆说明有管涌破坏存在可初步认为上游坡的破坏呈浅层滑动形式
综合分析现场调查结果及挡灰堤施工和破坏资料后初步断定造成破坏的主要原因是潮水涨落导致堤内外水位差由于挡灰堤建于饱和淤泥层上堤体透水性差抗管涌能力和抗剪强度均很底
蔡家滩灰场地形平坦灰场内无较大规模的断裂构造地层由上到下大致可分为五层
(1) 黄褐色中细砂为海底表层活动层厚度约20~50cm松散颗粒呈圆状
(2) 褐灰色淤泥质粉质粘土为第四纪全新世海湾相沉积物呈流塑到软塑状态其最大厚度达2.23m
(3) 黑灰色粉质粘土呈可塑状态最大厚度可达1.07m
(4) 褐黄色粉土呈可塑状态最大厚度达1.09m
(5) 黄褐色大山沟组片麻岩表层已强烈风化裂隙发育最大可达1.5m左右强风化层下为坚硬的中等风化基岩
堤段发生滑坡后决定挖除上部硬土石的堆石体在迎水面铺设新的土工布再在前面抛投块石形成一个断面较大的挡灰堤参见图13.39工程加固的主要手段为抛石挤淤结合分层施工预压的方法进行地基处理
灰场地区地震基本烈度为6度故在挡灰堤边坡稳定计算时不考虑地震因素的影响
第13章 工程案例 521
图
13
,39
日照电厂挡灰堤典型剖面单位
m
522 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序
本项目配合挡灰堤加固设计对挡灰堤边坡进行了稳定计算分析根据计算分析结果并结合现场调查建议了大堤内坡加固方案本项目的任务是对可能的抛投块石剖面加固方案进行分析比较
图 13,40 日照电厂挡灰堤开裂情况
13,12,3 计算条件
1,计算工况
经过仔细的研究和分析最终确定了上游边坡综合加固计算方案
(1) 相应2.0m和3.0m两种不同的堤内外水位差其对应的外侧海水侧和内侧灰场侧水位分别取3.0～1.0m 3.0～0m 2.0～?1.0m 1.0～?1.0m和2.0～0m等其中前三种为校核工况后两种为设计工况
(2) 按照渗流计算成果对孔压进行内插水头沿土工布的衰减幅度根据渗流计算结果给出
(3) 采用毕肖普法计算
(4) 稳定分析时取三种不同滑裂面分别为
1) 沿旧土工布浅层滑动
2) 沿新土工布浅层滑动
3) 沿新土工布上部滑动
2,强度指标
本次分析采用总应力指标首先采用试验强度指标如表13.33计算了上游实际堤身断面沿旧土工布浅层滑动的稳定安全系数计算时按实测水位差假定坡外水位为2.0m
坡内水位为0.0m计算得稳定安全系数为0.560但是现在的挡灰堤上游边坡在没有通过加固的情况下仍处于稳定状态由此可见采用试验指标计算的结果明显偏于保守与实际堤身的稳定差距太大应根据不同材料的特性和所处位置相应提高其强度指标
考虑各种试验方法对强度参数的影响以试验成果为基础并考虑淤泥层所处的位置第13章 工程案例 523
对淤泥层土料和垫层料的强度指标作了一定的提高对参数进行了反演分析计算调整后的强度参数指标如表13.34所示
表 13,33 稳定分析中各种材料的试验强度指标
强度指标
土料名称
湿容重
(kN/m
3
)
饱和容重
(kN/m
3
)
φ (°) c(kPa)
抛填石料 1.9 2.1 35.0 0
垫层料 1.9 2.1 17.0 0
淤泥质粉质粘土挤淤 1.77 1.78 6 10
淤泥质粉质粘土不挤淤 1.77 1.78 2.7 7
粉土 2.0 2.05 10.0 20.0
基岩 50.0 300
表 13,34 稳定分析中各种材料的强度指标调整指标
强度指标
土料名称
湿容重
(kN/m
3
)
饱和容重
(kN/m
3
)
φ (°) c(kPa)
抛填石料 1.8 2.1 35.0 0
垫层料 1.8 2.0 19.0 0
淤泥质粉质粘土挤淤 1.77 1.78 10 17
淤泥质粉质粘土不挤淤 1.77 1.78 2.4 7
粉土 2.0 2.05 10.0 20.0
基岩 2.6 2.7 50.0 300
13,12,4 计算成果与分析
各种运用条件计算获得的最小安全系数列于表13.35和图13.41分析这些计算成果可得到如下几点初步结论
(1) 根据实际测定的水位条件用试验确定的强度指标计算实际挡灰堤稳定情况下沿旧土工布浅层滑动的稳定安全系数其值为0.560说明强度指标偏低为此在试验基础上对实际堤身进行参数反演分析提高了淤泥质土层的强度指标通过反演将垫层料的强度指标φ从17°提高到19°同时考虑淤泥质土层挤淤程度和所处位置将坝体下经过挤淤的淤泥质土层的强度指标作了相应提高即将其粘聚力c从10kPa提高到17kPa将内摩擦角φ从
6°提高到10°坝体外的淤泥质土层的强度指标保持不变调整参数后实际挡灰堤上游堤身的稳定安全系数为1.004可以认为其结果符合实际是可靠和恰当的
(2) 堤身清淤至? 7.9m高程时用试验确定的强度指标计算挡灰堤断面沿旧土工布浅层滑动的稳定安全系数为0.534远不能满足要求用调整后指标计算堤身清淤至?7.9m高程时挡灰堤断面沿旧土工布浅层滑动的稳定安全系数为0.900其稳定亦不能满足规范要求同时基础清淤的关键技术问题是在清淤施工过程中如何控制清淤时的施工工艺和质量保证施工过程中边坡的稳定性因此在不能保证清淤施工时挡灰堤边坡稳定的情况下放弃基础清淤并抛投块石的方案是合理的
(3) 新铺土工布上部的压台厚度对沿旧土工布浅层滑动和沿新铺土工布上部滑动均有明显影响当压台厚度增大时会降低沿旧土工布滑动的安全系数而增大沿新铺土工布上
524 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序
表 13,35 各断面稳定计算成果采用调整强度指标
m
=
2.5 a =
4.5 d
=
3
b
=
2 b=1.5
c
=
10 c
=
15 c
=
20 c
=
15
水位
条件
滑动模式
安全
系数
数据
文件
安全
系数
数据
文件
安全
系数
数据
文件
安全
系数
数据
文件
旧土工布浅层 0.998 a12 1.097 a11 1.187 a13 1.126 a14
沿新土工布浅层 1.015 a22 1.182 a21 1.353 a23 1.190 a24 2～-1
沿新土工布上部 1.250 a31 1.250 1.250 1.125
沿旧土工布浅层 1.050 b12 1.151 b11 1.242 b13 1.183 b14
沿新土工布浅层 1.174 b22 1.344 b21 1.514 b23 1.363 b24 1～-1
沿新土工布上部 1.418 b31 1.418 1.418 1.277
沿旧土工布浅层 0.984 c12 1.090 c11 1.183 c13 1.118 c14
沿新土工布浅层 1.038 1.220 c21 1.404 c23 1.211 c24 3～0
沿新土工布上部 1.100 c31 1.100 1.100 0.945
沿旧土工布浅层 1.136 d12 1.250 d11 1.357 d13 1.295 d14
沿新土工布浅层 1.216 d22 1.413 d21 1.575 d23 1.440 d24 3～1
沿新土工布上部 1.075 d31 1.075 1.075 0.916
沿旧土工布浅层 1.038 e12 1.157 e11 1.240 e13 1.190 e14
沿新土工布浅层 1.100 e22 1.281 e21 1.468 e23 1.286 e24 2～0
沿新土工布上部 1.273 e31 1.273 1.273 1.118
图 13,41 日照电厂挡灰堤稳定分析成果
(a) b12; (b) b22; (c) c23; (d) c31; (e) d11; (f) d21; (g) e11; (h) e21
第13章 工程案例 525
部滑动的安全系数反之当压台厚度减小时则增大沿旧土工布滑动的安全系数而降低沿新铺土工布上部滑动的安全系数此外反压平台的长度变化对沿旧土工布浅层滑动和沿新铺土工布上部滑动这两个滑裂面也有类似的影响根据计算结果新铺土工布上部的压台长一般取4.5m其厚度取为2.0m个别情况取3m从表13.35知安全系数可达到1.10以上此计算成果为设计单位最终确定设计提供了依据
13,13 紫坪铺工程2
#
导流洞出口滑坡稳定分析
13,13,1 基本情况
(1) 项目来源四川省水利水电勘测设计院
(2) 完成日期2001年11月
(3) 设计阶段技施设计
(4) 存档文件
1) 紫坪铺水利枢纽工程2
#
导流洞出口滑坡稳定分析及处理方案四川省水利水电勘测设计院2001年10月
2) 紫坪铺水利枢纽工程2
#
导流洞出口滑坡稳定分析及处理方案补充报告四川省水利水电勘测设计院中国水利水电科学研究院2001年11月7日
13,13,2 工程概述
紫坪铺水利枢纽工程2
#
导流洞出口位于坝址右岸条型山脊下游侧地貌上为F
3
断层带所形成的槽谷下部2
#
导流洞出口开挖边坡高约90m宽约80m上部开口高程830m左右下部底口高程741.156m出口开挖于2000年4月初开工6月中旬开挖至213国道高程779m
左右时边坡开挖总高度约50m此时都江堰地区持续一个月降雨频繁边坡随即于2001
年6月23日7月14日7月20日7月27日发生四次滑动滑动物质为第四纪堆积体沿覆盖层与基岩接触面滑动并在滑坡范围以外形成多条拉裂缝图13.42示7月20日发生于区的滑坡的实景图13.43为滑坡发生后的山体
图 13,42 7月20日IV区发生滑坡时的实景
526 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序
图 13,43 滑坡后的地貌
根据地质资料可将滑坡分为4区如图13.44所示图13.45和图13.46给出了典型地形剖面图
I区为6月23日主滑坡的区域分布于高程788～834m之间的已开挖边坡范围内平面长70m宽33～42m厚度约10m平面面积2162m
2
初估方量约1.2～1.5万m
3
主滑动方向S75°E滑坡后缘陡坎高约10m最大滑距约20m
II区分为2个亚区II
1
区位于F
3
断层带槽谷中部一带自然坡度相对较缓为30°～50°
层厚10～20m II
2
区位于I区靠上游侧一带地形坡度约40°～50°地表为崩坡积成因的块碎石土II
1
区和II
2
区于7月14日同时发生滑动均是沿着基覆界面缓慢变形滑动过程中牵动了少量外边缘破碎岩体失稳
III区也分为2个亚区III
1
区为滑坡危险区位于滑动区II
1
区上部自然边坡相对较缓地形坡度约30°地表为崩坡积成因的块碎石土厚度10～15m 7月4日地表调查发现比较连续的拉裂缝宽1～5cm局部宽达10～20cm延伸长达70m以上分布最高高程在887m
除此外坡体内还断续分布有一些相对较小的拉裂缝变形体长约85m宽65m体积约5.0
万m
3
III
2
区为潜在危险区位于III
1
区上部边坡亦相对较缓地形坡度约25°～30°地表为崩坡积成因的块碎石土厚度10～17m变形体长约80m宽15～40m体积约2.4万m
3
IV区也为潜在危险区位于II
2
区后部自然边坡相对较缓地形坡度约35～40°地表为崩坡积成因的块碎石土钻探揭示厚度6.1～12.11m后缘拉裂缝长80m一般宽1～5cm
局部宽达10～20cm分布最高高程大约930m
13,13,3 计算条件
1,强度指标
根据现场取样试验并结合以往工程经验提出稳定分析建议的物理力学指标见表
13.36
第13章 工程案例 527
图
13
,44
平面地质图
528 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序
图 13,45 纵4?4剖面图
2,计算方案
(1) 方案1为抗滑桩方案该方案对III
2
区890m高程以上的土体采用2排共26根抗滑桩其中在III
2
区前缘设10根3m×5m抗滑桩并在890m高程处设一20m高挡墙同时建议在修建挡墙土体下挖过程中把出露的抗滑桩在横向用钢筋混凝土梁连起来形成框架第13章 工程案例 529
以增加抗滑桩的刚度提高抗滑桩的整体抗滑稳定性加固示意图如图13.47所示IV区坡体也采用的抗滑桩加固
(2) 方案2为挡土墙方案导流洞覆盖层经塌滑后在213国道处形成一个约60m宽的垭口由于此处地形在地貌上表现为一凹沟参见图13.43此方案建议在此垭口处修建一个高35m的混凝土挡土墙基底高程为776m将沟口封闭挡住堆积体的主滑方向挡墙上布置排水孔挡墙后用透水石料回填至830m高程形成一个高50m坡度为1:2.4的经碾压的边坡加固示意图如图13.48所示要求对原滑坡残留土作振冲或强夯处理保留IV
区的加固方案
图 13,46 纵2?2剖面图
表 13,36 稳定分析建议的物理力学指标
编号 材 料 c (MPa) φ (°) 容重(g/cm
3
)
1 碾压后堆石 0.000 42.00 2.20
2 DelQ和未滑动部分的层间接触面 0.000 26.00 2.10
3 已滑动部分的层间接触面 0.007 10.00 2.00
4 经强夯的滑坡残留土 0.05 26.00 2.00
5 混凝土和基岩接触面 0.00 21.80 2.00
6 混凝土挡墙后的破碎岩体(F
3
影响带) 0.10 26.56 2.00
7 T
3xj
3
0.3 26.00 2.60
8 挤压破碎带 0.05 30.00 2.45
530 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序
图 13,47 方案1剖面图
图 13,48 方案2剖面图
第13章 工程案例 531
13,13,4 计算成果和分析
1,反演分析成果
在进行边坡加固设计时正确选用滑坡体与基岩接触带的抗剪强度对于加固工程量的影响极大设计使用的指标为c
=
0 φ
=
26°
根据紫坪铺工程边坡的实际情况对于2
#
导流洞出口坡积层曾经发生的两次滑动分别相应剖面纵2?2和纵4?4参见图13.45和图13.46因此在方案比较中进行了反演分析反演分析分别按安全系数1.00和0.95两种情况进行且不考虑地下水作用表13.37
示安全系数为0.95时的反演成果图13.49示反演计算的简图
表 13,37 反演成果
工况 组合 c(×9.8kN/m
2
) φ (°) 安全系数
1 3.17 20 0.9504
2 3.38 19 0.9510
3 3.58 18 0.9505
4 3.78 17 0.9504
I区剖面4?4
数据文件为zz2-2
5 3.98 16 0.9507
1 1.76 19 0.9503
2 2.04 18 0.9505
3 2.32 17 0.951
4 2.59 16 0.9509
II区剖面2?2
数据文件为zz4-4
5 2.86 15 0.951
图 13,49 反演成果计算简图
2,方案1分析成果
滑坡处理方案中对II
2
区主要采用抗滑桩加混凝土挡墙进行加固在III
2
区前缘设置一高约20m的混凝土挡墙与前缘钢管桩一起支挡前沿土体在挡土墙及钢管桩后缘设置一排断面为3m×5m的抗滑桩共16根深35m在后部设置一排断面为2m×4m间距为4m
中对中深20～25m的抗滑桩10根以提高III
2
区后缘坡体的稳定程度计算采用纵2?2
剖面参见图13.46结果见表13.38
由计算结果可以看出采用设计指标原地形坡体的安全系数为0.868在坡体内打1
排单宽抗滑力为2500kN/m的抗滑桩边坡稳定安全系数可提高到0.953比原地形工况增
532 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序
大了近0.1若挖除桩前滑坡堆积体则桩后坡体的稳定安全系数降低至0.914可见桩后堆积体开挖后边坡安全系数较低因此在施工期应采取分段开挖的方式并及时浇筑混凝土挡墙以保证堆积体开挖过程中边坡的稳定设置混凝土挡墙后边坡稳定程度有较大提高安全系数可达到1.416比原地形工况提高了0.54
表 13,38 方案1 III
2
区边坡稳定性分析成果
编号 工 况 安全系数 数据文件
1 原地形0.868 z4-0
2 原地形堆积体内打1排抗滑桩 0.953 z4-1
3 堆积体内打1排抗滑桩桩前滑体挖除 0.914 z4-2-2
4 桩前滑体挖除上部边坡整体从桩顶滑出 1.814 z4-2-1
5 桩前滑体挖除混凝土挡墙加抗滑桩 1.416 z4-3-1
注 以上工况计算中均考虑孔隙水压力系数为r
u
=
0.1
为了降低孔隙水压力在III
2
区坡体布置了必要的排水措施除在坡面布设排水管排水沟外在860m高程左右设置2.5m×2.5m的排水洞并在洞顶打放射状的排水孔考虑到上述措施在以上III
2
区边坡稳定各计算工况中均考虑孔隙水压力系数为0.1若不考虑排水措施在计算中采用孔隙水压力系数为0.25则各工况条件下边坡稳定计算的敏感性分析结果表13.39所示
表 13,39 方案1 III
2
区边坡稳定考虑孔隙水压力敏感性分析成果
编号 工 况 安全系数 数据文件
1 原地形0.706 z4-0
2 原地形堆积体内打1排抗滑桩 0.757 z4-1
3 堆积体内打1排抗滑桩桩前滑体挖除0.723 z4-2-2
4 桩前滑体挖除上部边坡整体从桩顶滑出 1.490 z4-2-1
5 桩前滑体挖除混凝土挡墙加抗滑桩1.146 z4-3-1
注 以上工况计算中均考虑孔隙水压力系数为r
u
=
0.25
比较表13.38和表13.39可见孔隙水压力系数由0.1提高到0.25后各工况下边坡稳定安全系数降低了0.15～0.35其中对于第5种工况即在III
2
区前缘打1排3m×5m单宽抗力为2500kN/m的抗滑桩其后滑坡堆积体挖除并设置混凝土挡墙的工况条件下如果不考虑排水措施边坡稳定安全系数由1.416降低到1.146此外孔隙水压力系数为0.25时第5种工况安全系数比原地形的0.706提高了0.4基本可满足边坡稳定要求
3,方案2分析成果
边坡稳定计算主要考虑边坡整体滑动局部滑动边坡分别从挡墙顶部和底部滑出以及目前边坡的稳定情况等工况相应纵2?2和纵3?3剖面计算结果分别见表13.40和表13.41
部分计算简图如图13.50示
第13章 工程案例 533
图 13,50 典型方案计算简图
(a) z2-1; (b) w2-2; (c) z2-2; (d) z2f
表 13,40 挡土墙方案纵2?2剖面稳定分析成果
编号 工 况 安全系数 土压力(kN/m) 数据文件
1 边坡整体滑动从挡墙顶部滑出 1.229 z2-1
2 边坡局部滑动从挡墙顶部滑出 1.355 w2-2
3 边坡整体滑动从挡墙底部滑出 1.168 z2-2
4 边坡整体滑动挡墙底部土压力 6160 z2-t
5 边坡现状 0.77 z2f
表 13,41 挡土墙方案纵3?3剖面稳定分析成果
编号 工 况 安全系数 土压力(kN/m) 数据文件
1 边坡整体滑动从挡墙顶部滑出 1.005 z3-1
2 边坡整体滑动挡墙底部土压力 6200 z3-t
3 边坡现状 0.37 z3f
由表13.41所示纵2?2剖面计算结果可见对于整体边坡分别从混凝土挡墙顶部和底部滑出的工况其稳定安全系数分别为1.229和1.168相对于边坡现状稳定安全系数0.77
分别提高了0.46和0.4而对于纵3?3剖面边坡整体从挡墙顶部滑出的工况其稳定安全系数为1.005相对于现状边坡的稳定安全系数0.37提高了0.63
13,13,5 讨论
本节所列内容是作者参加紫坪铺工程发生滑坡后的科研和技术咨询时所做的工作所介绍的内容均为优化设计过程中的比较方案从中可以看出一个边坡加固工程的决策所经历的多方位的方案比较过程本节内容的以下特点值得重视
(1) 对于已经发生了滑坡的工程在加固设计时采用的强度指标应与反分析相匹配如果用原来建议的强度指标去核算已发生滑坡的安全系数得出其值为0.6或0.7则说明加固设计采用的强度指标可能过于保守有必要考虑进一步优化
534 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序
(2) 对于天然边坡坡内孔隙水压力主要是降雨引起的目前的水平不可能十分准确地予以确定此时根据边坡内的排水条件使用一个孔隙水压力系数r
u
并进行敏感分析可能是一个比较现实可行的方法
(3) 本节所列的一部分算例使用第8章介绍的STAB程序进行抗滑桩和挡土墙加固边坡的功能可供进行类似工程设计的人员参考
13,14 本章附录
13,14,1 本章数据表13.42
表 13,42 本 章 数 据 文 件
有关章节 系列号 数据文件名 内容
13.1
13-01 13-1.ZIP 蒲城电厂张家沟灰坝
13.2
13-02 13-2.ZIP 公伯峡水电站堆石坝
13.3 13-03 13-3.ZIP 小浪底水利枢纽大坝
13.4 13-04 13-4.ZIP 三峡工程3坝段坝基深层抗滑稳定分析
13.5 13-05 13-5.ZIP 小浪底库岸河岸边坡稳定分析
13.6 13-06 13-6.ZIP 宜兴抽水蓄能电站上池
13.7 13-07 13-7.ZIP 紫坪铺水库左岸堆积体
13.8 13-08 13-8.ZIP 徐村水电站溢洪道边坡
13.9 13-09 13-9.ZIP 天生桥厂房高边坡
13.10 13-10 13-10.ZIP 乌鲁瓦提面板堆石坝
13.11 13-11 13-11.ZIP 黄河三盛公水利枢纽拦河闸
13.12 13-12 13-12.ZIP 日照电厂蔡家滩灰场挡灰堤
13.13 13-13 13-13.ZIP 紫坪铺工程2#导流洞出口滑坡稳定分析
13,1 蒲城电厂张家沟灰坝
13,1,1 基本情况
(1) 项目来源电力部西北电力勘测设计院
(2) 完成日期1990年4月
(3) 设计阶段技施设计
(4) 存档文件
1) 蒲城电厂张家沟甘南沟灰场工程地质勘探报告水利水电科学研究院岩土
(90)1990年7月
2) 蒲城电厂灰坝坝基原状及粉煤灰土工试验报告水利水电科学研究院岩土
(90)1990年7月
3) 蒲城电厂贮灰库平面坝固结有限元计算水利水电科学研究院岩土(90)1990年
11月
4) 蒲城电厂挡灰坝坝型及地基处理方案论证水利水电科学研究院岩土(91)1991
年
5) 蒲城电厂张家沟甘南沟灰场坝坡稳定分析报告水利水电科学研究院岩土
(91)?14 1991年
13,1,2 工程概述
蒲城电厂张家沟灰坝建于第四系全新统软土地基上坝基主要为淤泥质亚粘土地基地下水位高因此在修建灰坝时存在着坝坡连同地基发生滑坡的可能性需结合实际的填筑速率设计必要的地基排水工程措施以确保灰坝填筑安全大坝典型剖面图如第7章图7.2所示
坝坡稳定分析按初期坝高为20m中期填筑到440m高程和终期填筑到470m
高程三个阶段进行本项工作要求比较铺设水平垫层和竖直砂井排水两种工程措施对提高坝坡稳定安全系数的作用同时还比较了一个初期坝为15m高的方案复核遭遇7度和8
度地震情况下的坝坡稳定安全系数堆灰速率为第一年填筑到405m高程在以后的15年中填筑到470m高程左右在分析计算中还考虑了一个提高初期坝施工速率的方案
13,1,3 计算条件
1,计算工况
464 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序
计算上下游坝坡施工期正常运用期库水位骤降期和地震期的稳定性主要计算
217.5m断面同时也复核了靠近左岸的坝基夹有软弱夹层的310m断面针对初期中期终期情况计算以下几种方案
1) 地基无处理措施
2) 地基垫层厚2.5m
3) 地基垫层厚5m
4) 铺厚2.5m垫层并设竖直砂井
5) 比较方案初期坝高15m加垫层厚2.5m
6) 比较方案同5)并提高堆灰速率
7) 情况5)加7度和8度地震
2,强度指标
稳定分析所采用的有效应力抗剪强度指标根据原状样固结排水和固结不排水测孔压
( )试验成果确定R′有关试验成果存档文件2)并列于表13.1
表 13,1 张家沟灰坝基本材料特性指标
干容重
含水量 饱和容重 饱和度 有效强度指标 总强度指标
材料
γ
d
kN/m
3
w (%) γ
d
(kN/m
3
) S
r
(%) c′ (kPa) φ′ (°) c
cu
kPa φ
cu
(°)
地基上层 15.9 24.5 19.8 100 15 30.0 5 18
地基下层 17.0 20.9 20.6 100 40 30.0 5 18
初期坝 17.0 17.2 19.9 82 30 28 8 21
垫层 17.6 5.0 18.5 26.7 0 30.0 0 30
灰体 9.0 30 11.7 47.2 20 31.0 7 23
灰坝施工各阶段孔隙水压力消散过程通过比奥原理的二维有限元固结程序CON2D确定详见存档文件3)第7章图7.5示其中的一个典型工况的孔隙水压力分布图形
13,1,4 计算成果与分析
各种运用条件计算获得的最小安全系数列于表13.2部分工况临界滑裂面示于图13.1
分析这些计算成果得到如下几点结论
(1) 张家沟灰坝建于饱和淤泥质亚粘土地基上因此渗透系数小填筑时孔隙水压力不易迅速消散如不采取工程措施坝坡稳定不易保证在各运行情况下初期坝竣工时最为不利为控制工况此时固结分析所获得的孔隙水压力系数在局部地区超过1稳定分析中发现局部的安全系数很小鉴于此运行条件下安全系数小于1因此对张家沟灰场增加排水工程措施是必要的
(2) 采用水平垫层和竖直砂井均可有效地降低孔隙水压力因而使稳定安全系数提高到
1.1以上图13.1列出了几个典型运用条件下计算获得的临界滑裂面
第13章 工程案例 465
图 13,1 蒲城电厂张家沟灰坝主要工况计算成果
(a) Z3-d; (b) Z12-d; (c) Z5; (d) Z13; (e) Z6; (f) Z14; (g) Z22-d; (h) Z24-d
(3) 从垫层2.5m和5.0m两种方案的计算结果看垫层厚度对稳定安全系数的影响不大其原因是 垫层料的抗剪强度指标(c′
=
0 φ ′
=
30°)与填土和地基的有效强度指标接近增厚垫层不会提高地基的强度 垫层作为一种水平排水增加深度未使排水边界长度有明显增加因此排水效果变化不大鉴于增厚垫层会使工程造价有较大的增加可考虑垫层料厚2.5m不再增厚的方案
(4) 在水平垫层的基础上增设竖直砂井排水可以使初期坝安全系数明显的增加因此砂井排水对坝坡稳定具有明显效果
(5) 相应坝高15m设2.5m厚垫层的工况在提高堆灰速率的情况下由于超孔隙水压力变化不大稳定安全系数降低甚微坝体仍是稳定的
(6) 初期坝高15m方案相应的稳定安全系数较坝高20m的安全系数大说明适当降低初期坝高有利于地基的稳定因此本研究专题推荐初期坝高15m铺设2.5m厚垫层并提高堆灰速率的方案
466 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序
(7) 在遭遇7度和8度地震时采用固结不排水剪指标稳定安全系数均在1.1以上因此各种工况遇地震都不是控制计算条件
表 13,2 张家沟灰坝稳定计算最小安全系数及相应数据文件
工 况
不处理
k
=
6×10
-6
(cm/s)
不处理
k
=
6×10
-8
(cm/s)
加垫层
厚2.5m
加垫层
厚5m
坝高15m
垫层厚
2.5m
垫层及砂井
厚2.5m
地震
7度
地震
8度
提高堆灰速率
垫层厚2.5m
上游 0.921 0.893 1.117 1.396 1.338 1.235 1.154 1.338
0.954 1.140 1.348 1.262 1.502 1.479 1.291 1.584
初期 下游
Z3-D Z12-D Z15-D Z18-D Z22-D
0.753 0.653 1.479 1.389 1.651 1.482 1.383 1.628
中 期
Z8 Z7 Z11 Z13 Z17 Z19 Z23 Z25
0.801 0.741 1.543 1.412 1.633 1.491 1.519 1.593 1.422
终 期
Z6 Z5 Z10 Z14 Z16 Z20 Z21 Z24
注 1,垫层及砂井坝高15m等各种情况均相应地基渗透数k
=
6×10
-8
cm/s情况
2,地震情况相应初期坝高15m垫层厚2.5m方案地基使用c
cu
φ
cu
强度指标
3,提高施工速率相应初期坝高15m方案垫层及砂井方案相应坝高20m
13,1,5 讨论
这是一个饱和软土地基上快速修建土石坝的典型实例水利水电科学研究院在工程规划设计阶段开展了从土工试验固结计算边坡稳定分析到加固方案论证的综合性科研工作建设单位采用了建议的设2.5m厚排水垫层的方案工程开工后中国水利水电科学研究院还承担了现场监测和监理工作
本算例的特点是灰坝坝坡稳定分析采用有效应力法施工过程中的孔隙水压力通过平面固结比奥理论的有限元法确定稳定分析的一个内容是对灰坝填筑的上升速率进行分析和评价在STAB程序的应用方面这是采用程序提供的孔压内插网格功能进行稳定分析的实例
13,2 公伯峡水电站堆石坝
13,2,1 基本情况
(1) 项目来源电力部西北勘测设计院
(2) 完成日期1994年2月
(3) 设计阶段选坝阶段
(4) 存档文件公伯峡水电站堆石坝边坡稳定分析报告水利水电科学研究院岩土
(94)7 1994年2月
13,2,2 工程概述
公伯峡水电站在可行性研究阶段推荐混凝土面板堆石坝和土质心墙堆石坝两种坝型为了解这两种坝型在自重及其它荷载作用下的稳定性西北勘测设计院委托水利水电科学研究院对上述两种坝型在各工况下的稳定性进行计算分析
第13章 工程案例 467
工程位于黄河上游正常蓄水位2005.0m校核洪水位2008.0m死水位2002.0m极限死水位1995.0m下游正常水位1900.1m坝址基本地震烈度为7度按8度设防在稳定分析中取最大断面为典型计算断面该工程经论证最终采用了混凝土面板坝方案
13,2,3 计算条件
1,计算工况
计算两种坝型上下游边坡竣工期正常运用期库水位骤降期和地震期的稳定性
2,强度指标
心墙坝和面板坝材料的物理力学指标如表13.3和表13.4所示
表 13,3 面板坝坝料稳定计算参数
容重 强度指标
坝 料 γ γ
sat
c φ φ
0
φ
(kN/m
3
)
(kN/m
3
) (kPa) (°) (°) (°)
垫层料 22.27 23.35 0 45 52 10
堆石料21.68 23.05 0 45 51 10
砂砾石料 22.27 23.45 0 38 49 9.8
强风化料 21.19 22.76 0 37 46 9
基 岩 23.54 23.54 100 55
表 13,4 心墙坝坝料稳定计算参数
容重 强度指标
坝 料 γ γ
sat
c φ φ
0
φ
(kN/m
3
)
(kN/m
3
) (kPa) (°) (°) (°)
堆石料 21.68 23.05 0 45 51 10
砂砾石料 22.27 23.45 0 38 49 9.8
强风化料 21.19 22.76 0 37 46 9
土 料 18.74 20.01 130 17 25 32.50
反滤料 21.19 22.76 0 37 45 5
基岩23.54 23.54 50 45
13,2,4 计算成果与分析
1,计算方法
因坝体及坝基均不存在软弱夹层故对上下游边坡采用圆弧滑裂面用毕肖普法进行计算
2,计算成果
混凝土面板堆石坝上下游稳定分析成果见表13.5和表13.6风化料心墙坝上游库水位骤降稳定分析成果见表13.7有关原理已在第7章[例7.6]作过详细介绍相应的临界滑裂面位置见图13.2
468 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序
图 13,2 公伯峡水电站主要工况计算成果
(a) Gbx1.1da; (b) 1.2da; (c) 1n.2da; (d) 2c; (e) 2d; (f) 2e
第13章 工程案例 469
13,2,5 讨论
从面板坝的坝坡稳定分析角度看本算例是常规的圆弧稳定分析的一个实例计算中使用了非线性强度参数由于在可行性论证阶段中曾经有一个心墙坝的方案因此对此方案进行了考虑库水位情况下的上游坝坡稳定分析此方案上游坝壳使用了砂砾石为半透水材料如果砂砾石的细粒含量较多则需要计算上游水位降落情况下坝体内的浸润线在不同时间的位置并进行相应的坝坡稳定分析由于砂砾石可视为压缩性很小的材料故可在达西定律基础上进行不稳定渗透计算如第7章第7.4节所述本算例使用了美国陆军工程师团土石坝设计手册中推荐的一个简化方法计算水位降落过程中的坝壳浸润线位置根据计算获得的浸润线位置进行有效应力法计算但心墙部分则使用了总强度指标计算孔压和稳定分析的详细步骤已分别在第6章第7章中介绍过
表 13,5 混凝土面板堆石坝施工竣工期最小安全系数
上游坝坡 下游坝坡
参数类型
无地震 7度地震 无地震 7度地震
安全
系数
数据
文件
安全
系数
数据
文件
安全
系数
数据
文件
安全
系数
数据
文件
线性参数
(c φ)
1.406 Gbx1.1da 1.231 Gbx1.1da 1.514 1.2da 1.382 1zh
非线性参数
(φ
0
φ
0
)
1.684 Gbx1n.1da 1.535 Gbx1n.1da 1.987 1n.2da 1.746 1nzh
表 13,6 混凝土面板堆石坝稳渗期最小安全系数
下游坝坡
无地震8度地震
参数类型
安全系数 数据文件 安全系数 数据文件
线性参数( c φ) 1.514 1.2da 1.311 1zh.2dat
非线性参数( φ
0
φ
0
) 2.011 1n.2da 1.683 1nzH.2dat
表 13,7 风化料心墙坝水位骤降期核算最小安全系数
库水位
(m)
参数类型 无地震8度地震
安全系数 数据文件 安全系数 数据文件
线性 1.367 2c 1.108 2czh
1990.20
非线性 2.205 2cn 1.649 2cnzh
线性 1.386 2d 1.116 2dzh
1981.00
非线性 2.041 2dn 1.605 2dnzh
线性 1.407 2e 0.900 2ezh 1975.00
非线性 1.998 2en 1.590 2enzh
470 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序
13,3 小浪底水利枢纽大坝
13,3,1 基本情况
(1) 项目来源黄河水利委员会勘测规划设计院
(2) 完成日期1999年4月
(3) 设计阶段初步设计技施设计和大坝安全鉴定
(4) 存档文件
1) 小浪底水利枢纽土石坝边坡稳定分析黄河水利委员会勘测规划设计院水利水电科学研究院1994年4月
2) 小浪底水利枢纽土石坝工程安全检查自检报告黄河水利委员会勘测规划设计院
1999年9月
13,3,2 工程概述
小浪底水利枢纽工程位于洛阳市以北黄河干流最后一个峡谷出口为一具有防洪减淤灌溉发电等综合效益的大型水利枢纽大坝最大坝高167m覆盖层最深达70m为斜墙堆石坝电站装机156万kW工程位于7度地震区按8度设防大坝典型剖面见第7章图7.1
13,3,3 计算条件
1,计算工况
计算上下游坝坡施工期正常运用期库水位骤降期和地震期的稳定性主要计算
217.5断面同时也复核了靠近左岸的坝基夹有软弱夹层的310断面采用任意形状滑裂面分别复核沿夹泥层滑动和沿坝体内滑裂面滑动这两种情况水库运用时的稳定分析考虑了库区泥沙淤积不淤积两种情况施工期主要计算了大坝填筑完成后库水位250m和265m
在坝内不形成浸润线的情况此两水位主要是考虑当时大坝填筑进度的实际情况
2,强度指标
土料区的指标由黄河水利委员会小浪底工程质量检测联营体提供小浪底主坝防渗体挖坑取样及现场试验成果综合分析报告1997.7.16和1999.1.22两次报告成果共计土样37
个在此基础上提出的各种材料采用值见表13.8
13,3,4 计算成果
各计算剖面复核成果列于表13.9～表13.11典型工况计算简图如图13.3示
13,3,5 讨论
小浪底大坝为壤土斜心墙坝因此坝坡稳定分析内容覆盖了上下坝坡施工期稳定渗流期和库水位骤降期由于坝基存在软弱夹层故还需要进行折线形状滑裂面的稳定分析并搜索临界滑裂面
第13章 工程案例 471
表 13,8 筑坝材料及坝基材料抗剪强度采用值
容重(kN/m
3
) 抗剪强度
筑坝材料
湿容重 饱和容重 摩擦角φ (°) 粘聚力c (kPa)
CD有效强度 19.4 20
CU总强度19.6 20.3 14 25
1区
1B区
UU总强度 7.4 73
2A 2B 2C 3A 4A 4B区 21.1 23 40 0
5区20.8 21.7 28 30
河床砂卵石 22.2 22.2 33* 0
淤积物17.6 17.6 0
砂岩26 26 35 0
夹泥层 20.1 20.7 14.04 5
注 表中河床砂卵石静强度指标φ 33°动强度指标φ 27°
表 13,9 小浪底大坝217.5剖面复核成果沿坝体内堆石滑动
计算工况 数据文件 地震烈度 安全系数 淤积情况
6 0 1.900
d6 8 1.469
无淤积
7 0 2.070
不利水位230m
d7 8 1.514
无淤积
11 0 1.707
230m水位
d11 7 1.488
12 0 1.963
250m水位
d12 7 1.688
13 0 2.190
265m水位
d13 7 1.873
无淤积滑裂面
靠近下部
x11 0 1.781
230m水位
dx11 7 1.559
x12 0 1.880
250m水位
dx12 7 1.571
x13 0 2.102
施
工
期
265m水位
dx13 7 1.750
无淤积滑裂面
靠近下部
8 0 1.850
水位骤降275m →250m
9 0 1.687
无淤积
472 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序
表 13,10 小浪底大坝D0+217.50断面上游坡稳定计算成果表沿夹泥层滑动
计算工况 数据文件
地震
烈度
设计要求
安全系数
复核计算
安全系数
淤积情况
2 0 1.5 1.486
d2 8 1.3 1.026
无
1 0 1.5 2.103
不利水位230.0m
d1 8 1.3 1.301
淤积高程200m
y4 0 1.3 1.424
230m水位
dy4 7 1.2 1.216
y5 0 1.3 1.436
250m水位
dy5 7 1.2 1.186
y10 0 1.3 1.569
施工期
265m水位
dy10 7 1.2 1.277
无
水位骤降 dd3 0 1.2 1.384 无
注 水位骤降为275m→250m滑裂面位置见图13.3
表 13,11 小浪底大坝D0+310断面上游坡稳定计算成果表沿夹泥层滑动
计算工况 数据文件 地震烈度 安全系数
下游不压坡 310 0 1.236
下游压坡 310b 0 1.638
图 13,3 小浪底大坝主要工况稳定计算成果
(a) 11; (b) 1; (c) x11; (d) y4; (e) x13; (f) dy10; (g) 8; (h) dd3
第13章 工程案例 473
黄河水利委员会设计院是较早使用STAB程序的一个单位小浪底工程大坝也是在我国较早使用第7章介绍的库水位骤降总应力法分析步骤的一个工程本节所列的成果是设计院独立完成的并作为正式成果列入大坝安全鉴定自检报告本书作者作为大坝安全鉴定专家对分析成果进行了复核
本次计算一律采用了非圆弧形的滑裂面对于穿越坝体的滑裂面采用了STAB程序中光滑曲线生成滑裂面的功能
13,4 三峡工程3坝段坝基深层抗滑稳定分析
13,4,1 基本情况
(1) 项目来源三峡开发总公司技术委员会
(2) 完成日期1997年6月
(3) 设计阶段技施设计
(4) 存档文件
1) 三峡工程3坝段坝基深层抗滑稳定分析中国水利水电科学研究院1997年6月
GE?97?3?017
2) 长江三峡1?5坝段岩体节理统计和连通率研究中国水利水电科学研究院1996
年GE?96?3?017
3) 长江三峡1?5坝段岩体节理统计和连通率研究补充报告中国水利水电科学研究院1996年GE?96?3?026
4) 三峡大坝左厂1
#
～5
#
坝段抗滑稳定深化设计专题报告水利部长江水利委员会1996
年6月
13,4,2 工程概述
三峡工程大坝左右岸坝段建基面抬高坝高相对降低在右岸3坝段坝基与厂房建基面高程相差60m形成了一个坡度约为1:1.5的开挖面图13.4而此坝段高仅为60m坝基岩体存在着倾向与坝基开挖边坡基本一致的中缓倾角裂隙大坝与坝基的抗滑稳定成为一个令人关注的问题
根据现场地质勘探的成果在3坝段的坝基存在着连通率较高的一组缓倾角结构面组合这组结构面通过接近坝底的A点图13.5同时也存在其它可能的结构面组合本文采用边坡稳定分析极限平衡法进行大坝深层抗滑稳定分析
13,4,3 计算条件
1,计算工况
(1) 设计水位为上游175m下游62m相应的校核水位为上游180.4m下游83.1m
稳定分析以设计工况为主校核工况仅计算个别滑面
474 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序
图
13
,4
三峡大坝
3
坝段典型剖面图单位
m
第13章 工程案例 475
图 13,5 三峡大坝3坝段坝体和地基联合抗滑稳定计算简图
(2) 三峡大坝下游采用抽排的方式降低扬压力这样在排水系统正常工作的条件下扬压力图形为
1) 坝基基岩第一道帷幕排水孔处(19+995)扬压力折减系数为0.25
2) 坝基基岩第二道排水孔处(20+015)折减系数为0.50
3) 厂房基岩下游侧帷幕排水孔处(20+164)折减系数为0.30
对于重力坝稳定分析中的扬压力在使用条分法计算时仍通过输入浸润线的方法实现
由于三峡大坝基岩内存在着中缓倾角结构面长委会通过详细的地质勘探提供了3
坝段可能出现的长大裂隙的剖面图根据这一基础资料稳定分析在坝体单独和厂坝联合情况下的复核工况如下,
(1) 复核包括坝体单独抗滑和厂坝联合抗滑两种情况每个情况均考虑下游抽排失效浸润线抬高的情况在坝体单独抗滑时由于下游抽排故下游坡外无水位因此在这种特定的条件下抽排在降低扬压力的同时也失去了作用于坝下游岩坡上的反向水推力造成了不利因素因此计算了不采用抽排下游水位42m的工况
(2) 坝体与地基联合抗滑厂房的重量无疑会增加坝体的稳定性本次计算在处理厂房的重量时将主厂房与副厂房按提供的重量等效地座落在相应的位置上
因坝体单独抗滑的安全系数在下游排水失效及校核水位均与设计工况差别较小厂坝联合抗滑时没有再核算这个工况
2,强度指标
完整岩体混凝土和结构面的抗剪强度见表13.12表13.13为沿各滑移路径的岩体连通率用k表示其与岩体力学指标c φ的关系为
(13.1) kckcc
jr
+?= )1(
476 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序
(13.2) kfkff
jr
+?= )1(
式中c
r
为岩体的粘聚力f
r
为岩体的摩擦系数f
=
tanφ c
j
为结构面的粘聚力f
j
为结构面的摩擦系数
表 13,12 设计院提供的材料参数和接触面抗剪强度参数
材料号 材料名
容重
γ(9.8kN/m
3
)
摩擦系数
f(tanφ)
摩擦角
φ(°)
粘聚力
c(MPa)
1 混凝土 2.45 1.10 47.73 3.00
2 微新岩体 2.70 1.70 59.53 2.00
3 岩桥连通率k
=
11.5% 2.70 1.59 57.83 1.79
4 岩体结构面 2.70 0.70 35.00 0.20
5 混凝土/厂房基岩接触面 1.25 51.34 1.50
表 13,13 根据地质概化模型指定的各段连通率图13.5
1 2 3
序号
滑移路径
见图13.5 分段 k 分段 k 分段 k
1 QABCDRE QA 0% ABCDR 100% RE 11.5%
2 QABCGHI QA 0% ABCGH 100% HI 11.5%
3 JI JI 35.9%
4 QABCGHTUY QA 0% ABCGHT 76.9% UY 100%
5 QABCGHTVY QA 0% ABCGHT 75.3% VY 100%
3,滑动模式图13.5
(1) 坝体与地基单独抗剪不考虑厂房作用
(a) 沿滑面QABCDE滑动QA段在坝体内起点Q选在坝体上游体型突变且断面最小处ABCDR为结构面连通率为100 RE为岩桥长26.9m连通率k为11.5
其力学指标见表13.12的1 4和3材料
上游水位175m下游水位62m上下游排水均有效浸润线位置见图13.5中浸润线
1
上游水位175m下游水位62m下游排水失效浸润线位置见图13.5中浸润线2
上游水位175m下游坡面无水上下游排水仍均有效但考虑厂坝分开厂房起挡水作用虽扬压力能传递过去但所研究的滑动体下游无水在计算处理时相当于无坡外水位但浸润线仍与排水有效时相同仍为图13.5中的浸润线1此情况为设计要求复核的工况
(b) 沿滑面QABCGHI滑动QA段在坝体内ABCGH为结构面连通率为100
HI为岩桥长24.4m连通率k为11.5力学指标见表13.12的1 4和3材料
其它项与(1)项相应项相同另外复核校核上游水位180.4m下游水位83.1m上下游排水均有效
(c) 沿滑面JI滑动整个滑面均在地基中长委会提供JI滑面平均连通率为35.9
为了了解JI滑面的力学指标对安全系数的影响对某些工况作了敏感计算中国水利水电第13章 工程案例 477
科学研究院根据勘探提供的定位的长大裂隙进行连通率计算建议采用68.75作为一种校核的工况计算工况与滑面2相同见图13.5
(d) 沿滑面KABCGHI滑动见图13.5沿坝基与地基接触面KA和结构面ABCGHI
滑动KA段参数取表13.12中5号材料混凝土厂房基岩ABCGHI段取表13.12中相应指标
仅计算设计工况即上游水位175m下游水位62m上下游排水均有效浸润线位置见图13.5中浸润线1本工况也是指定的复核工况
(2) 坝体与厂房联合抗剪厂坝联合抗滑主要校核以下三个情况
(a) 滑面从厂基下滑出在这一工况中这一情况又分为厂房和地基接触面采用混凝土和基岩接触面指标和采用k
=
50的节理岩体指标两种情况
(b) 滑动体从厂房下游滑出底面呈圆弧形状这一失稳模式是否成立取决于对厂房下游节理岩体抗剪强度的认识由于设计没有给出统一的规定本次复核参考了中国水利水电科学研究院网络模拟的成果按连通率k
=
50确定这部分岩体的抗剪强度用程序的搜索功能找出失稳的最小安全系数
(c) 按指定结构面组合滑动复核沿QABCGHTUY和QABCGHTUY抗滑稳定安全系数
上述各滑移路径各段连通率详见表13.13
13,4,4 坝体与地基单独抗滑的计算成果
1,设计工况
本工况相应设计水位下游抽排厂房挡水故坝后无水位计算成果汇总于表13.14
对滑面QABCDE工况1?3和QABCGHI工况2?3计算安全系数分别为2.793和2.539
距重力坝要求的安全系数尚有差距
对滑面JI工况3?3如果使用设计提供的连通率k
=
35.9则安全系数F
=
3.235
但如使用水科院根据长委会勘测院提供的定位结构面进行网络模拟的成果k
=
68.75则F
=
2.098
2,其它情况
对大坝单独挡水还进行了以下情况的复核
(1) 上述分析是考虑抽排有效但厂房在下游挡水的情况下进行的如果让厂房泡在水中下游水位直接作用于下游边坡面上则在下游可增加40m水压力情况1?1和2?1给出了相应滑面QABCDE和QABCGHI的安全系数分别为2.879和2.703安全系数可提高
0.1至0.2但仍未达到重力坝要求的安全系数值
(2) 情况1?3 2?3 3?3相应k
=
35.9情况分别给出了相应设计工况但一旦抽排失效扬压力增加时安全系数值为2.791(工况1?2) 2.620(工况2?2)和3.324(工况3?2)可知抽排失效尽管增加了扬压力但下游水位作用于坝坡面故安全系数并无实质性削弱对以上工况大部分都进行了土条间力的复核图13.6为情况1?1相应的底滑面和条间力的分布图可见未出现拉力和剪力破坏因此可视为可接受的解
478 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序
表 13,14 三峡坝体单独抗滑稳定安全系数F
滑 面 工况 F 文件
1?1 下游坡外水位42.0m 2.879 g31
1?2 下游排水失效 2.791 g31-u QABCDE
H上
=
175m
H下
=
62m
1?3 下游无坡外水位 2.793 g31-m
2?1 下游坡外水位42.0m 2.703 g32
2?2 下游排水失效 2.620 g32-u
H上
=
175m
H下
=
62m
2?3 下游无坡外水位 2.539 g32-m
QABCGHI
2?4 上下游均为校核水位 1.767 g32-x
JI段k
=
35.9% 3.427 g33-1
k
=
45% 3.091 g33-2
k
=
58% 2.615 g33-3
k
=
68.75% 2.223 g33-4
k
=
80% 1.811 g33-5
3?1
下游坡外水位42.0m
k
=
100% 1.080 g33-6
k
=
35.9% 3.324 g33-1u
k
=
68.75% 2.147 g33-4u 3?2
下游排水失效
k
=
100% 1.028 g33-6u
k
=
35.9% 3.235 g33-1m
k
=
45% 2.921 g33-2m
k
=
58% 2.470 g33-3m
k
=
68.75% 2.098 g33-4m
k
=
80% 1.708 g33-5m
H上
=
175m
H下
=
62m
3?3
下游坡外无水
k
=
100% 1.015 g33-6m
JI
3?4 上下游均为校核水位 k
=
68.75% 2.238 g33-4x
KABCGHI
H上
=
175 H下
=
62排水有效坡外无水
2.779 g34-m
注 k为连通率
(3) 核算滑面KABCGHI情况4安全系数为2.779从计算成果中发现由于滑面KA
过渡到AB出现巨大转折导致所获得的土条间作用力出现大范围拉力区应视为不能接受的解
以上分析表明在大坝单独挡水时3坝段的抗滑稳定安全系数尚嫌不足
13,4,5 坝体和厂房联合抗滑稳定分析
厂坝联合抗剪计算成果汇总于表13.15
本工况相应上游设计水位175m下游62m厂坝联合抗滑时校核了两种可能的情况即沿厂房与基础接触面和沿深层滑动并在下游某点逸出的工况对沿深层滑动工况如按本次核算设定的k
=
50确定厂基下岩体的抗剪强度则程序的自动搜索功能最终还是收敛到了沿厂房与基岩接触面的这一条滑面上故认定厂坝联合作用控制的滑面仍是厂房和基岩的接触面
分析计算成果得知对指定滑面QABCGHI沿厂房与基础接触面滑动的使用接触面强度指标安全系数为4.284工况5?1采用50连通率的岩体指标相应安全系数4.018工况5?2均大于要求的安全系数而深层滑动的安全系数为4.737工况5?3更不是控制工况
第13章 工程案例 479
图 13,6 坝体单独抗滑沿QABCGHI滑面内力分布
(a) 情况1?1计算简图(b) 底滑面上法向应力和剪应力分布σ τ (c) 条间力X和法向力E的分布
从整个受力体系分析来看厂坝沿JI路线更易滑出在复核这一情况时采用了JI的连通率为35.9设计提供68.75中国水利水电科学研究院成果和100极端情况进行分析成果参见表13.15可见除k
=
100情况下安全系数低于3其它工况的安全系数均大于3
对设计指定的滑裂面TUY以及TVY情况7?1和7?2由于反翅段太陡采用严格满足力和力矩平衡要求的方法得不到收敛解采用仅考虑力的平衡的方法陆军工程师团法假定土条侧向力倾角为20°分别得到安全系数4.337和4.224
同时还校核了抽排失效情况工况6?4和6?5安全系数无实质性的减小
图13.7示部分工况计算图形
480 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序
表 13,15 坝体与厂房联合抗滑稳定安全系数F
滑 面 工况 滑出位置 采用的参数 F 文件
沿厂房与厂基接触面工况5?1
同表1* 4.284 g32Lc
从厂房基础下滑出工况5?2
4.018 g32L1
QABCG
HI
H上
=
175m
H下
=
62m
上下游
排水有效 从厂房下游基础滑出工况5?3
厂基下游地基及
HI的延长段
取k
=
50%
c
=
1.1MPa
f′
=
1.5MPa
4.737 g32Lf2
JI段k
=
35.9% 4.650 g33Lc1
k
=
68.75% 3.528 g33Lc2
沿厂房与厂基接触面滑出工况
6?1
k
=
100% 2.512 g33Lc3
k
=
35.9% 4.406 g33Lf4
k
=
68.75% 3.268 g33Lf5
从厂房基础下滑出工况6?2
k
=
100% 2.312 g33Lf6
k
=
35.9% 5.050 g33Lf1
k
=
68.75% 4.260 g33Lf2
从厂房下游基础滑出工况6?3
k
=
100% 2.993 g33Lf3
JI段k
=
35.9% 4.652 g33Lc4
k
=
68.75% 3.517 g33Lc5
H上
=
175m
H下
=
62m
下游排水失效
沿厂房与厂基接触面滑出工况
6?4
k
=
100% 2.498 g33Lc6
k
=
35.9%* 4.815 g33Lc7
k
=
68.75% 3.615 g33Lc8
JI
H上
=
180.4m
H下
=
83.1m
上下游排水有效
沿厂房与厂基接触面滑出工况
6?5
k
=
100% 2.529 g33Lc9
QABCG
HTUY
H上
=
175m
H下
=
62m
只下游排水有效
深层滑动*
工况7?1
k
=
76.9% 4.337 g33u
QABCG
HTVY
H上
=
175m
H下
=
62m
只下游排水有效
深层滑动*
工况7?2
k
=
75.3% 4.224 g33s
注 1,标*号者为设计规定的计算工况k为连通率
2,工况7?1和7?2无法获得Morgenstern?Price法的收敛解所列安全系数为仅满足力平衡条件的解
13,4,6 讨论
由于三峡大坝的重要性3坝段的抗滑稳定受到普遍的关注其中一个焦点问题是按照传统的极限平衡分析方法其安全系数是否能满足重力坝规范对抗滑稳定的要求如果大坝单独抗滑安全系数不能满足要求厂房与大坝连在一起在厂坝联合作用的条件下其抗滑稳定安全系数能否满足要求
应该说很早人们就注意到了应用土坡稳定分析中的通用条分法来进行重力坝抗滑稳定计算的可行性Hamel(1978)
Ο
中曾介绍过对位于美国宾夕法尼亚洲匹兹堡东北约80km
Ο
Hamel,V.,Long,S,and Farguson,H,(1978),Mohony Dam foundation re-evluation,Rock Engineering for
Foundations and Slopes,ASCE Conference,Vol,1,pp.217,244,
第13章 工程案例 481
的Mohoning重力坝进行稳定分析的实例该坝建于1941年坝高40m坝顶长282m坝基为厚层砂岩夹有页岩粉砂岩和少量炭质夹层岩层稍有折曲层面缓倾向下游倾角约2°大坝平面布置见图13.8
图 13,7 三峡大坝3坝段主要工况计算成果
(a) g31; (b) g32-u; (c) g33-4; (d) g33-4m; (e) g32Lf1; (f) g33Lc2; (g) g33Lf5; (h) g33Lf2
匹兹堡地区设计部门认为Mohoning重力坝原先采用的按传统方法所做的抗滑稳定分析有一定的缺陷因此在1974～1975年期间采用Morgenstern?Price方法对该坝重新进行抗滑稳定性的评定在进行稳定分析时根据建坝时和当时补充勘探试验资料选定基岩物理力学性参数计算分析中将坝体和坝基进行条分按作用在条块上的力矩平衡和应力传递原理对第10溢流15和18非溢流坝段相应上下游不同水位情况进行计算求得坝底面及其下不同深度基岩的抗滑稳定安全系数以第10坝段为例图13.9给出坝基1/3
482 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序
部分排水情况的坝基抗滑稳定安全的系数文献作者认为Morgenstern?Price方法可为重力坝和其他水工建筑物以岩土边坡抗滑稳定分析提供有效的工具
图 13,8 Mohoning大坝平面布置图
图 13,9 第10坝段抗滑稳定安全系数图按溢洪道设计洪水和坝基1/3排水
参加三峡3坝段稳定复核工作的各单位相应同样的基础数据独立地采用刚体极限平衡法进行分析在一些控制工况得到了不同的安全系数主要原因在于对条块间侧向力的倾角的假定采用了不同的处理方法笔者在本节提出的这套计算结果有别于其它成果的主要点是使用了通用条分法也就是在静力平衡基础上增加了一个力矩平衡的要求因而不必第13章 工程案例 483
对条块间作用力的倾角的具体数值进行假定由于方法更为严密其成果有可能更符合实际
从应用STAB程序的特点来说对库水位的处理方法是值得一提的可以看到在进行重力坝的坝基抗滑稳定分析时我们将坝体混凝土看作是边坡的一部分对于库水采用了以下两种处理方法
1) 将库水也看成一种材料即c
=
0 φ
=
0 γ
=水容重
2) 将库水位看成是一条浸润线将上游的垂直坝面当作一条拉力缝使用STAB程序中拉力缝并充水的功能以实现在坝面作用一个静水压力的边界条件
这两种方法都可以获得合理的成果但是这一功能扩充导致了对STAB程序的新要求即要求拉力缝内的水位高度不一定与缝顶齐平允许在拉力缝内作用一个设定的高度水压力第12章[例题27]和[例题29]为两个实例
13,5 小浪底库岸河岸边坡稳定分析
13,5,1 基本情况
(1) 项目来源小浪底工程建设局
(2) 完成日期1999年4月
(3) 设计阶段技施设计和大坝安全鉴定
(4) 存档文件
1) 小浪底水利枢纽大坝安全鉴定报告中国水利水电科学研究院1990年9月
2) 小浪底水利枢纽土石坝工程安全检查自检报告黄河水利委员会勘测规划设计院
1999年9月
13,5,2 工程概述
小浪底枢纽除主体工程外还包括若干天然边坡其中位于库区右岸的1
#
滑坡体2
#
滑坡体及位于大坝下游的东苗家滑坡体由于均离坝较近对其稳定性需作专题研究
1,1
#
滑坡体
1
#
滑坡体位于坝址上游水库右岸滑坡体上下游均为冲沟滑体长650m宽400m最大厚度80余米总体积1,100×10
4
m
3
滑坡体后缘以F
10
断层为界高程30m前缘濒临黄河出口高程130m已深埋于地下其上沉积有20m厚砂卵石层F
10
断层为滑坡体的后缘切割面上下游侧向切割面不明显主要受控于走向近S?N的裂隙底滑面滑床为T
1
3
层下部的泥化夹层滑床形态基本与地层产状一致主滑方向为NE18°滑面倾角13°～20°后部靠近F
10
断层处受断层牵引滑面局部倾角可达40°前缘35～40m滑床为反翘段或平段倾角从5°到反向10°图
13.10滑带物质随部位不同而不同滑床中下部的滑带厚2～3m普遍含滑带泥滑体后部的滑带物质搓碎程度较轻粒度较粗多为岩屑岩粉及岩块力学指标相应亦较高滑体中地下水位一般在137～140m滑带上下未分层的混合水位滑坡后缘平台宽约120m
其上堆积的崩坡积层中沿后缘拉裂带常形成塌陷坑
484 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序
图 13,10 1
#
滑坡体典型地质剖面图
图 13,11 2
#
滑坡体典型地质剖面图
(a) 西部(b) 东部
第13章 工程案例 485
2,2
#
滑坡体
2
#
滑坡紧邻1
#
滑坡上游侧以1号冲沟为界下游侧为6号冲沟后缘以F
10
为界前缘濒临黄河南北长200～300m东西累计宽约750m滑坡体平均厚25.8m总方量约
410×10
4
m
3
滑坡体后缘高程300m前缘剪出口高程150m高出黄河河床10～30m图13.11
该滑体内发育有5～6条垂直河流方向的冲沟将山体切割成一系列沟梁状地形表明该滑坡已严重解体目前除1～2号沟和2～3号沟间滑体保留较完整外3
#
沟至6
#
沟间滑体前缘大部已被II级阶地侵蚀掉仅在后缘有部分残留物
对2
#
滑坡的滑面形态和滑带物质组成已有的勘探工作揭露得不如1
#
滑坡充分总体上整个底滑面西高东低切割T
1
3
T
1
4
岩组主要部分仍沿上述两岩组的层间泥化带发育滑面前部产状为NE20°倾角10°～12°后部受F
10
断层的影响倾角变陡(12°～65°)
3,东苗家滑坡体
东苗家滑坡在坝下游约2km的黄河右岸与左岸泄洪排沙和发电尾水渠的出口遥相对应其稳定性对于工程泄水建筑物的正常运行和河道的正常过流关系重大滑坡位于黄河右岸有砂土和黄土覆盖的基岩斜坡上两侧以冲沟为界前缘凸入黄河约60m坡脚高程
135m左右后缘为高程250～270m的四级阶地平面上呈圈椅状中后部为多级台阶式地形前部为一平均坡度为30°左右的斜坡图13.12滑坡体南北长400m东西宽350m
平均厚度35m体积约500万m
3
滑体沿岩层倾向滑动滑移方向由南向北与河流近
垂直
图 13,12 东苗家滑坡体典型地质剖面图
486 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序
图 13,13 小浪底库岸河岸边坡稳定计算成果
(a) 1hp; (b) Hpx; (c) Hp-275; (d) Hpx-275; (e) 4dmj-1; (f) 2dmj-1; (g) 4dmj-2; (h) 2dmj-2
滑坡体后缘以F
1
断层为界前部为滑塌堆积体根据滑坡体变形破坏特征可将滑坡分为三个部分后部拉裂变形体分布于F
1
断层以南至最南端地表裂缝间宽90m主要表现为岩体拉裂变形深20～30m中后部滑移变形体是滑坡的主体具统一滑面以整体滑移为主宽约170m地面高程219～250m其上发育有4条明显的弧形裂缝滑体内岩层保持原层位关系但岩体表现松弛拉裂错位裂隙张开局部架空倾角变陡(20°～60°)
且夹有多层层间夹泥层表明中后部滑坡体除整体滑移外尚有多层多级分块滑移位于滑坡前部130～219m高程间后缘以1
#
裂缝为界前部覆于河床砂砾石层以上宽30～70m
主要由风化严重的岩块夹土组成厚20～40m滑体中地下水一般变化在135～180m间滑带上下未分层的混合水位滑带以上岩体透水性极强渗透系数K值一般在7.2～26.8m/d
之间钻进均不返水滑带以下完整基岩透水性中等至较弱K值变化在0.05～0.5m/d垂直岸坡开挖的1
#
排水洞穿至滑带以上岩体中见多处渗水滴水和线状水流水量随洞深增加而增大
滑带的高程为160～180m总体倾向20°倾角6°～10°为T
1
7?4
岩组中的泥化夹层属全泥型和泥夹碎屑型厚2～70cm见擦痕和镜面泥化夹层的天然含水量12%～22.4%平均值16%干密度1.79～2.12g/cm
3
平均值1.96g/cm
3
粉粒含量23%～47%平均值37%
粘粒含量21%～53%平均值33%粘土矿物以伊利石为主
第13章 工程案例 487
对东苗家滑坡体耗费了巨大投资进行加固主要的工程措施是在滑坡体内开挖了排水廊道见图13.14这一措施取得了较好的效果见图中从排水管中漏出的水
图 13,14 东苗家排水廊道
13,5,3 计算条件
1,计算工况
计算各滑坡体在水库蓄水前后以及遭遇地震时的稳定情况
2,强度指标
小浪底的3个滑坡体稳定计算的参数列于表13.16和表13.17由于东苗家滑坡体在整个勘探过程中未对滑带泥进行剪切试验其参数主要根据工程类比法确定故仅能对相应滑带的摩擦系数f为0.22 0.23 0.25的计算指标进行敏感计算以分析其对滑坡体稳定性的影响
表 13,16 1
#
2
#
滑坡体稳定性计算参数
计算指标
天然容重(9.8kN/m
3
) 内摩擦角(°) 粘聚力(kPa)
材 料
1
#
2
#
1
#
2
#
1
#
2
#
砂砾石 2.1 2.1 35.0 35.0 0 0
黄土 1.7 1.7 24.0 24.0 20 20
滑坡体物质
2.37 2.37
27.4 27.9 15 15
前缘反翘段 2.1 35.0 0
前部滑带泥带 2.7 2.3 12.4 16.7 5 5
后部滑带 2.1 2.3 17.7 27.9 5 0
后缘滑面 2.3 27.9 0
滑床 2.62 40.0 50
488 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序
表 13,17 东苗家滑坡体稳定性计算参数
计算指标
材 料
天然容重(9.8kN/m
3
) 粘聚力(kPa) 摩擦角
砂砾石 2.1 0 35.0
黄土 1.7 20 24.2
滑坡体物质 2.4 30 31.0
滑带 2.2 7 12.4
滑床 2.6 30 36.9
13,5,4 计算成果和分析
1,1
#
2
#
滑坡体
1
#
2
#
滑坡体计算成果列于表13.18部分滑裂面位置见图13.13计算结果表明两个滑 坡体在无地震的施工期低水位和蓄水后正常水位安全系数均在1.04～1.15之间结合滑坡体近期变形特征综合分析可认为滑坡体基本处于稳定状态但在地震或高地下水位条件下安全系数均接近或小于1滑坡可能处于不稳定状态
表 13,18 1
#
2
#
滑坡体稳定最小安全系数F
地震情况 1
#
滑坡体 2
#
滑坡体
库水位
地震烈度
水平加速度
系数
F 数据文件 F
数据文件
无地震 0.0 1.133 1hp 1.041 Hpx
7度
0.025
1.051 1hp 0.968 Hpx 150m
8度 0.05 0.980 1hp 0.903 Hpx
无地震 0.0 1.112 Hp-180 1.048 Hpx-180
7度 0.025 1.027 Hp-180 0.974 Hpx-180 180m
8度 0.05 0.955 Hp-180 0.909 Hpx-180
无地震 0.0 1.108 Hp-210 0.981 Hpx-210
7度 0.025 1.016 Hp-210 0.906 Hpx-210 210m
8度 0.05 0.940 Hp-210 0.841 Hpx-210
无地震 0.0 1.116 Hp-230 0.971 Hpx-230
7度 0.025 1.017 Hp-230 0.890 Hpx-230 230m
8度 0.05 0.935 Hp-230 0.820 Hpx-230
无地震 1.111 Hp-250 0.959 Hpx-250
7度 0.025 1.005 Hp-250 0.868 Hpx-250 250m
8度 0.05 0.919 Hp-250 0.789 Hpx-250
无地震 1.15 Hp-275 1.052 Hpx-275
7度 0.025 1.027 Hp-275 0.933 Hpx-275 275m
8度 0.05 0.930 Hp-275 0.836 Hpx-275
2,东苗家滑坡体
由于东苗家滑坡体位于大坝下游整个滑坡体处于河水位以上因此计算只考虑滑坡体内部的孔隙水压力对稳定性的影响本次计算假定滑坡体内部的孔隙水压力系数r
u
=
0.05
第13章 工程案例 489
0.10 0.15 0.20时对稳定性的影响东苗家滑坡体的计算成果列于表13.19部分滑裂面位置见图13.13
表 13,19 东苗家滑坡体稳定安全系数F
地震参数 滑带摩擦系数
f
=
0.22 f
=
0.23 f
=
0.25
孔隙水压力系数r
u
地震
烈度
水平加速度系数
F 数据文件 F 数据文件 F 数据文件
无地震 0 1.101 4dmj-1 1.101 3dmj-1 1.203 2dmj-1
7度
0.025
1.008 4dmj-1 1.008 3dmj-1 1.105 2dmj-1 0.05
8度 0.050 4dmj-1 3dmj-1 1.017 2dmj-1
无地震 0 1.050 4dmj 1.050 3dmj 1.143 2dmj
7度
0.025
0.963 4dmj 0.963 3dmj 1.051 2dmj 0.10
8度 0.050 4dmj 3dmj 0.967 2dmj
无地震 0 1.001 4dmj-2 1.001 3dmj-2 1.093 2dmj-2
7度
0.025
4dmj-2 3dmj-2 0.999 2dmj-2 0.15
8度 0.050 4dmj-2 3dmj-2 2dmj-2
无地震 0 0.951 4dmj-3 0.951 3dmj-3 1.034 2dmj-3
7度
0.025
4dmj-3 3dmj-3 2dmj-3 0.20
8度 0.050 4dmj-3 3dmj-3 2dmj-3
3,对近坝库岸1
#
2
#
滑坡的安全评价及建议
安鉴报告对近坝库岸1
#
2
#
滑坡的安全评价及建议包括以下几条
(1) 1
#
2
#
滑坡均为古滑坡近期无变形破坏迹象变形监测资料也表明两滑坡无明显活动该两滑坡目前是稳定的
(2) 1
#
滑坡计算边界清楚2
#
滑坡边界基本清楚1
#
滑坡计算所选用的参数以试验成果为基础参考坝址区及其它经验数据和反算成果确定基本上是合理的2
#
滑坡没有根据滑床物质的差异分别给出参数而是以反算成果为主给出一个综合值在勘探资料不足无法区分滑床物质的情况下也可以做为一种方法考虑
(3) 计算结果表明两个滑坡在275m和180m围堰挡水位蓄水位条件下基本处于稳定状态但在7度地震以及2
#
滑坡在230m水位时滑坡处于临界稳定状态在8度地震和水库水位消落条件下滑坡处于不稳定状态考虑到小浪底水库的运用方式和淤积实际条件要比计算条件为好
(4) 从滑体特征和滑面形态分析1
#
2
#
滑坡即使失稳滑动速度也不大在围堰挡水条件下水位180m各自产生的涌浪小于3m两者同时失稳时小于4m 230m和275m
水位时涌浪更小易于防范工程设计中已作了考虑
4,对东苗家滑坡安全评价及建议
安鉴报告对东苗家滑坡的安全评价及建议包括以下几条
(1) 东苗家滑坡体已进行了大量的地质勘察工作滑坡体的地质边界及计算条件已基本查清所提供进行稳定分析的各项物理力学参数也基本合理
(2) 采用护坡措施防止滑坡前部坡脚冲刷是十分必要的但该护坡顶高程为160m
低于滑带的最低高程对滑体不提供任何抗力
490 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序
(3) 滑坡体的地下水位变化对滑坡稳定性的影响甚为敏感因此坡面采用截水沟滑坡体中部布置排水洞的设计方案是合理可行的
(4) 根据稳定分析计算成果滑坡体抗震稳定性较差将移民新村搬到该滑坡体后缘是欠妥当的并且会进一步恶化滑坡体的稳定性对移民新村少数房舍地基及墙壁出现的裂缝应研究其成因并纳入滑坡监测内容中
(5) 东苗家滑坡体体积500万m
3
滑面平缓一旦失稳将中断4
#
公路交通但因处于大坝下游不会对大坝安全造成影响建议对滑坡体失稳后的入水体积河床缩窄的程度及对泄洪和电厂尾水的影响进行专项研究并根据影响程度拟定相应的对策
(6) 加强滑坡的变形监测并及时预报以保证移民新村的安全
13,5,5 讨论
大型水库修建后往往引起对库区的一些天然滑坡体稳定性的关注还有一些天然边坡由于修建工程后其稳定安全标准也相应提高因此也需要对这些天然边坡的稳定性作出评价
本节介绍的小浪底工程3个天然边坡的规模较大如果要采用工程措施将耗费巨大投资因此必须进行细致的综合的评价首先要通过地质勘探确定潜在滑裂面的几何部位和软弱面的性状例如通过地质勘探查明东苗家滑坡的软弱夹层不仅位置明确而且厚度接近1m了解了这些特点就可以使稳定分析建立在可靠的数据基础上其次应尽早布置监测设施一个大工程从规划到施工结束往往要跨越十几年的时间如果对1
#
和2
#
滑体东苗家滑坡在初设阶段就安置了表面和内部观测资料那么十几年的观测资料将成为评价边坡稳定性的最重要的科学依据可惜这一观点通常难以在实践中付诸实施小浪底的这3个滑坡体的测斜仪一直到工程接近结束的1999年才开始布设但是即便如此在工程投入运行后这批观测设备也将成为了解边坡稳定性的重要手段
从边坡稳定分析计算角度本例具有以下特点
(1) 本例和三峡大坝复核情况相似也是采用Morgensten?Price法进行岩质边坡稳定分析的实例对于滑面为连续夹泥层的情况使用这一方法可得到合理的成果由于岩质边坡地震加速度系数的放大效应和土石坝有明显不同采用了用户输入地震加速度系数的功能本工程考虑7度和8度地震水平地震加速度系数分析采用了0.025g和0.5g
(2) 东苗家滑裂面的一部分通过较弱夹层一部分穿过节理岩体采用最优化方法最终确定临界滑裂面
(3) 由于天然边坡的材料强度指标和地下水位具有极大的不确定性因此对这些参数作了大量的敏感性分析
(4) 对东苗家滑坡体主要采用排水措施提高其稳定性即使在小浪底那样气候相对干燥的地区排水廊道中仍有不间断的水流出见图13.14排水孔的流水可以设想如果这些水没有机会排出安全系数可能会有很大幅度的削弱
第13章 工程案例 491
13,6 宜兴抽水蓄能电站上池
13,6,1 基本情况
(1) 工程名称江苏宜兴抽水蓄能电站
(2) 项目来源江苏省电力公司
(3) 完成日期1999年2月
(4) 设计阶段选坝阶段
(5) 存档文件江苏宜兴铜官山抽水蓄能电站上水库主坝坝型选择专题研究中国水利水电科学研究院1999年5月GE?99?03?011
13,6,2 工程概述
江苏宜兴抽水蓄能电站位于宜兴市西南郊约10km的铜官山区是一座日调节抽水蓄能电站装机1000MW上水库主坝横穿铜官山顶北侧沟谷可行性研究设计阶段需进行多种坝型的布置比较基本坝型为堆石坝和混凝土重力坝两大类而堆石坝中又考虑了钢筋混凝土面板堆石坝混合堆石坝方案其典型剖面图分别见图13.15～图13.17
从图13.15可知面板坝方案的下游坡延伸较长坝顶至坡趾高差达280m混合坝和重力坝方案恰是基于试图弥补面板坝这一缺陷的情况下形成的
混合坝在山梁中部修建一个挡土墙以减少面板坝下游坝延伸过长的缺陷但需要复核高约40m的挡土墙本身的稳定问题
重力坝断面较小故不存在下游坝坡延伸过长的问题但需复核大坝沿坝基夹泥层的抗滑稳定问题
图 13,15 宜兴抽水蓄能电站面板坝方案典型剖面
492 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序
图 13,16 宜兴抽水蓄能电站混合坝方案典型剖面
图 13,17 宜兴抽水蓄能电站重力坝方案典型剖面
13,6,3 计算条件
1,计算工况
共作了三种坝型方案比较面板堆石坝方案混合堆石坝方案和混凝土重力坝方案
2,强度指标
稳定分析采用的力学参数来自于江苏宜兴铜官山抽水蓄能电站预可行性研究报告见表
13.20
第13章 工程案例 493
表 13,20 宜兴工程上池坝体稳定分析抗剪强度参数表
非线性指标( °)
岩性
φ
(°)
c
(kPa)
φ
o
φ
天然容重
(9.8kN/m
3
)
饱和容重
(9.8kN/m
3
)
主坝料
45 0 52 8 2.2 2.3
辅坝料
43 0 52 8 2.17 2.3
弱风化岩
38.66 350 2.2 2.3
混凝土/弱风化
砂岩接触面
38.66 350
坝料/弱风化
砂岩接触面
35 0
坝料/弱风化砂岩
接触面建议值
29 50
泥化夹层 16.7 25
注 非线性抗剪强度指标采用Duncun对数模式φ
o
和?φ为非线性参数
13,6,4 计算成果与分析
混凝土面板堆石坝稳定分析计算的3个剖面中5?5剖面安全系数稍低当其坝体底部出现倾角8°的软弱夹层时构不成影响坝体安全的控制因素如果把坝体下游坡坡比从1:1.4
放缓到1:1.5坝体安全系数有所提高对边坡稳定有利分析结果见表13.21图13.18所示为两种工况的计算简图
表 13,21 混凝土面板堆石坝剖面稳定分析安全系数
下游坝坡比1 1.4 下游坝坡比1 1.5
坝料线性指标 坝料非线性指标 坝料非线性指标
稳定分析临界滑裂面部位
坝体与基岩接触面抗剪参数
正常 7度地震 正常 7度地震
文件
正常 7度地震
文件
A 1.278 1.215 1.414 1.292 Tg1 1.419 1.347 Tg151
中间部位
滑裂面
B 1.246 1.183 1.314 1.255 1.326 1.261
A 1.403 1.330 1.581 1.504 Tg3 1.709 1.623 Tg153
上部滑裂面
B 1.362 1.292 1.541 1.467 1.650 1.570
A 1.322 1.256 1.440 1.353 Tg4 1.448 1.389 Tg154
下部滑裂面
B 1.279 1.217 1.379 1.314 1.387 1.331
A 1.404 1.337 1.438 1.362 Tg6 1.551 1.438 Tg156
下部沿坝脚
滑裂面
B 1.329 1.268 1.349 1.287 1.372 1.307
A 1.344 1.277 1.372 1.305 Tg7 1.447 1.376 Tg157
整体滑裂面下部沿坝脚滑动
A 1.281 1.220 1.304 1.245 1.324 1.260
整体圆弧滑动 B 1.513 1.440 1.516 1.442 Tg1c 1.642 1.558 Tg151c
软弱夹层1 A 2.698 2.424 Tg8 2.818 2.526 Tg158
软弱夹层2
A 2.695 2.420 Tg9 2.838 2.543 Tg159
注 1,A代表设计提出的坝体与基岩接触面抗剪参数φ
=
35° c
=
0kPa
2,B代表坝体与基岩接触面抗剪参数建议值φ
=
29° c
=
50kPa
494 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序
图 13,18 宜兴抽水蓄能电站主要计算成果
(a) TG151; (b) TG153; (c) TS1; (d) TS2; (e) TS88; (f) TD4; (g) TD2-2b; (h) TD3-3b
作为与混凝土面板堆石坝的比较方案对混合坝分析了C?C 8?8两个剖面其安全系数略高于面板堆石坝(表13.22)需注意的是表13.22相应的是选坝阶段的混合坝方案与施工期最终选定的混合坝方案不同
表 13,22 混合坝抗滑稳定的安全系数
剖面号 滑裂面部位
坝体与基岩接触面抗剪参数
安全系数 7度地震安全系数 文件号
堆石体滑裂面 1.663 1.606 TS1
A 1.424 1.337
C—C
沿坝体与基岩
接触面滑裂面
B 1.348 1.316
TS2
堆石体滑裂面 1.738 1.652 TS88
A 1.532 1.475
8—8
沿坝体与基岩
接触面滑裂面
B 1.465 1.413
TS88-2
注 1,A代表设计提出的坝体与基岩接触面抗剪参数φ
=
35° c
=
0kPa
2,B代表坝体与基岩接触面抗剪参数建议值φ
=
29° c
=
50kPa
第13章 工程案例 495
对重力坝方案重点分析了1?1剖面安全系数达到重力坝规范的许可值计算结果见表
13.23最不利情况是沿F
19
断层和假定的坝下8°缓倾角软弱夹层组合滑动时见图13.18(g)
和(h)安全系数仅为1.22
表 13,23 重力坝抗滑稳定的安全系数
剖面号 滑裂面部位 安全系数 7度地震安全系数 文件号
重力坝整体滑动 4.139 3.844 TD1
沿坝底软弱夹层 1.848 1.652 TD3
F
19
断层与软弱夹层组合 1.220 1.137 TD4
1?1
F
19
F
4
断层与ST
8
软弱夹层组合 1.761 TD5
重力坝整体滑动 3.035 2.917 TD2-2a
沿错动的软弱夹层滑动 1.669 1.499 TD2-2b 2?2
沿软弱夹层和F
16
组合滑动 2.946 2.959 TD2-2c
重力坝整体滑动 3.661 3.465 TD3-3a
3?3 滑面上部在花岗斑岩中自由搜索
下部沿软弱夹层滑动
1.774 1.671 TD3-3b
13,6,5 讨论
在水电工程规划和可行性论证阶段通常需要进行不同方案不同坝型的比较宜兴工程的三种不同坝型的分析论证过程中边坡稳定的极限平衡分析计算均发挥了直接的作用由于极限平衡分析计算过程简便可靠计算成果和现行规范直接配套并适宜进行敏感性分析和方案比较熟练地使用STAB程序可以在较短的时间完成一个工程初设阶段建筑物抗滑稳定分析的大量工作
本工程推荐的面板堆石坝方案具有许多抽水蓄能电站上池共有的特点坝轴线位于一个山脊的轴线即一个岩石边坡的顶部由于岩体的层面斜交此边坡故在面板坝方案的分析中没有对下游坡的岩体部分按岩质边坡稳定复核的原则进行分析但下游坡以一个薄层坝壳的形式贴在山脊面上高差达280m构成了一个沿接触面滑动的模式从计算成果可以发现即使采用了堆石的非线性强度指标其安全系数离要求的1.5还有一段差距这一差距在坝坡从1:1.4放缓到1:1.5后仍不能得到根本的解决
本阶段的内容为选坝阶段的论证成果经研究决定采用土石坝方案但在施工阶段根据专家要求又详细进行了优化后的混合坝方案的论证工作有关内容包括混合坝土压力和沿坝基三维深层抗滑稳定分析分别在本书第8章和第14章中介绍
13,7 紫坪铺水库左岸堆积体
13,7,1 基本情况
(1) 项目来源电力部成都勘测设计院
(2) 完成日期1995年2月
(3) 设计阶段初步设计
(4) 存档文件紫坪铺水库左岸堆积体稳定分析水利水电科学研究院岩土(95)7 1990
年7月
496 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序
13,7,2 工程概述
本工程堆积体位于库首金沙坝前左岸汤家林贾家沟一带距大坝618m距右岸引水隧洞进口最近处仅250m上游界线在汤家林沟顺坡长约1600m由一系列不同高程平台和斜坡组成斜坡坡度20°～30°沿江宽300～870m初估方量2500～3000万m
3
堆积体纵1?1
剖面见图13.19
图 13,19 紫坪铺水库左岸堆积体地质剖面简图
堆积体外围岩石岩性复杂主要由灰岩白云质灰岩岩质页岩组成中夹少量灰绿岩脉堆积体内部和附近发现一系列泉水钻孔和竖井资料均显示具有一定的地下水位
简易注水试验表明土体渗透系数K为0.012～3.09m/昼夜属极弱透水?弱透水勘探证实与基岩接触面处有一连续平直软滑带厚0.5～15cm由砾质重壤土组成该层土性质软弱微透水抗剪强度低工程性质很差堆积体从上至下可分为七层主要为坡碎石夹粘土粘土夹坡碎石块碎石土等
13,7,3 计算条件
1,计算工况
主要计算空库正常水位在正常水位下遭遇地震库水位骤降及各处理方案等情况下堆积体的稳定性
(1) 计算剖面采用成都勘测设计院提供的紫坪铺水库工程左岸坝前堆积体1?1工程地质剖面图13.19
(2) 天然情况将各钻孔地下水位相连作为该工况浸润线图13.20中34,35,36,37,38,39
各点的连线36
#
点为2
#
钻孔
正常工况浸润线采用连泵钻孔34 35 36和正常水位877m与坡面交点40
#
及40
#
点以下外坡线上转折点的连线
水位骤降工况因堆积体极难透水认为水压力不消散故浸润线仍采用降前侵润线库水位由877m降至846m或降至817m
第13章 工程案例 497
图 13,20 紫坪铺水库左岸堆积体天然剖面计算图
(3) 地震烈度为7度
2,强度指标
堆积体各土层强度指标见表13.24材料指标选用原则为稳定渗流期即天然情况和正常水位工况用慢剪指标进行计算非稳定渗流期即水位骤降工况用慢剪和饱和固结快剪组成的强度包线进行稳定计算
表 13,24 堆积体各土层强度指标
慢 剪 快 剪
摩擦角 粘聚力 摩擦角 粘聚力
材料号
φ(°) c(kPa) φ(°) c(kPa)
容 重
(9.8kN/m
3
)
饱和容重
(9.8kN/m
3
)
1 堆积体 31.0 2.0 11.0 4.0 2.20 2.24
2 下部夹泥层 16.0 1.0 13.0 3.0 2.20 2.24
3 上部夹泥层 23.0 2.0 2.20 2.24
4 基岩 45.0 5.0 2.40 2.45
5 压重料 31.0 2.0 11.0 4.0 2.00 2.05
13,7,4 计算成果与分析
各方案计算成果总结于表13.25部分计算图形见图13.24
1,堆积体天然剖面未处理稳定分析
(1) 水库未蓄水即空库工况计算简图如图13.20示从表13.25知堆积体的稳定安全系数在1.057?1.379之间
(2) 正常水位工况水库蓄水后在正常水位877m工况下F
m
=
0.977临界滑裂面与空库基本相同
(3) 正常水位+地震工况从表13.25知F
m
=
0.877临界滑裂面与空库及正常水位工况基本相同
上述计算结果表明堆积体天然剖面在空库情况下堆积体的稳定安全系数F大于1
这与堆积体处于稳定状态的现状是相符的但安全储备不大最小安全系数仅为1.057水库蓄水后F小于1堆积体处于不稳定状态因此须对堆积体进行处理
498 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序
表 13,25 左岸堆积体稳定安全系数
安全系数F
m
方案 滑 动 位 置
空库
(1)
正常水位
(2)
正常水位+地震
(3)
库水位骤降
(4)
整体沿底部(1)
1.105 (A11) 1.106 (A12) 0.905 (A13) 1.044 (A14)
整体沿腰部(2)
1.121 (A21) 1.113 (A22) 0.912 (A23) 1.053 (A24)
局部沿底部(3)
1.057 (A31) 1.997 (A32) 0.877 (A33) 1.143 (A34)
局部沿腰部(4) 1.101 (A41) 1.000 (A42) 0.919 (A43) 0.772 (A44)
天然剖面
(A)
堆积体中部(5)
1.379 (A51) 1.076 (A52) 1.005 (A53) 0762 (A54)
整体沿底部(1)
1.179 (B12) 0.966 (B13) 1.102 (B14)
整体沿腰部(2)
1.190 (B22) 0.975 (B23) 1.117 (B24)
局部沿底部(3)
1.064 (B32) 0.955 (B33) 1.064 (B34)
处理方案1
降地下水位
(B)
局部沿腰部(4) 1.121 (B42) 1.207 (B43) 1.094 (B44)
整体沿底部(1)
1.191 (C12) 0.980 (C13) 1.113 (C14)
整体沿腰部(2)
1.151 (C22) 0.941 (C23) 1.086 (C24)
局部沿底部(3)
1.261 (C32) 1.126 (C33) 1.037 (C34)
处理方案2
压坡压脚
(C)
局部沿腰部(4)
1.112 (C42) 1.003 (C43) 0.890 (C44)
整体沿底部(1)
1.262 (D12) 1.039 (D13) 1.240 (D14)
整体沿腰部(2)
1.227 (D22) 1.004 (D23) 1.236 (D24)
局部沿底部(3)
1.371 (D32) 1.334 (D33) 1.320 (D34)
处理方案3
压坡压脚+降地下水位
(D)
局部沿腰部(4)
1.274 (D42) 1.272 (D43) 1.344 (D44)
整体沿底部(1) 1.003 (E11)
整体沿腰部(2)
局部沿底部(3)
0.709 (E31)
处理方案4
削下坡
(E)
局部沿腰部(4)
整体沿底部(1) 1.075 (F11)
整体沿腰部(2)
局部沿底部(3)
0.903 (F31)
处理方案5
削下坡+
降地下水位
(F)
局部沿腰部(4)
整体沿底部(1)
1.341 (G11) 1.297 (G12) 1.097 (G13) 1.299 (G14)
整体沿腰部(2)
1.254 (G21) 1.246 (G22) 1.058 (G23) 1.254 (G24)
局部沿底部(3) 1.488 (G31) 1.371 (G32) 1.334 (G33) 1.320 (G34)
局部沿腰部(4) 1.310 (G41) 1.502 (G42) 1.134 (G43) 1.230 (G44)
处理方案6
削上坡+
压坡压脚+降地下水位
(G)
堆积体中部(5) 1.617 (G51) 1.218 (G52) 1.375 (G53) 1.617 (G54)
整体沿底部(1)
1.215 (H12) 0.994 (H13) 1.074 (H14)
整体沿腰部(2) 1.222 (H22) 0.996 (H23) 1.064 (H24)
局部沿底部(3)
1.359 (H32) 1.191 (H33) 0.763 (H34)
局部沿腰部(4)
1.382 (H42) 1.217 (H43) 0.703 (H44)
处理方案7
压三级马道
(H)
堆积体中部(5)
2.006 (H52)
注 圆括号内为数据文件名称
第13章 工程案例 499
2,堆积体处理方案稳定分析
(1) 处理方案1降2号孔地下水位计算简图如图13.21示通过排水措施能有效地降低地下水位拟将2号孔地下水位由913.22m降至880m共降33.22m,
图 13,21 紫坪铺水库左岸堆积体处理方案1,2,3剖面计算图
图 13,22 紫坪铺水库左岸堆积体处理方案4,5,6剖面计算图
图 13,23 紫坪铺水库左岸堆积体处理方案7剖面计算图
500 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序
图 13,24 紫坪铺水库左岸堆积体主要计算成果
(a) A12; (b) A22; (c) A32; (d) A42; (e) B12; (f) C12; (g) C22; (h) C32
正常水位工况F
m
=
1.064临界滑裂面亦为部分堆积体从其底部滑出
正常水位+地震工况F
m
=
0.955临界滑动位置与正常水位工况基本相同由此可见降2号孔地下水位尚不能保证堆积体的稳定
(2) 处理方案2压坡+压脚压脚范围由坝前原地形填方至790m高程再沿790m高程向堆积体延伸直至与其外坡线相交于点41图13.21压坡范围由点41至877高程与原堆积体外坡交点40计算简图见图13.21压重体材料编号为5表13.24
正常水位工况F
m
=
1.112临界滑裂面为部分堆积体沿软滑带材料2从其腰部堆积体薄弱处滑出
正常水位+地震工况F
m
=
0.941临界滑裂面为堆积体整体沿次软滑带材料3及软滑带材料2滑出
由此可见压坡+压脚的处理措施亦不能保证堆积体的稳定
(3) 处理方案3压坡压脚+降2号孔地下水位计算简图如图13.21示
正常水位工况F
m
=
1.227满足F
m
=
1.15的要求临界滑裂面为堆积体整体沿次软滑带材料3及软滑带材料2从堆积体腰部薄弱处滑出
正常水位+地震工况F
m
=
1.004临界滑裂面与正常水位工况基本相同
(4) 处理方案4削下坡削下坡的范围如图13.22示
空库工况F
m
=
0.739正常水位工况F
m
=
0.797堆积体处于极不稳定状态计算结果表明削下坡虽减小了堆积体体积但实际上却削弱了阻止堆积体下滑的能力使得安全系数减小
(5) 处理方案5削下坡+降2号孔36
#
点地下水位此方案综合处理方案4和处理方案1的措施计算简图如图13.21示从表13.25知在空库及正常水位下均不满足稳定的要求
(6) 处理方案6削上坡+压坡压脚+降2号孔地下水位削上坡范围为挖除1070m高程以上堆积体再同时采用处理方案1和处理方案2的措施
正常水位工况F
m
=
1.218满足F
m
=
1.15的要求临界滑裂面为部分堆积体沿软滑带材料2从堆积体腰部薄弱处滑出
正常水位+地震工况F
m
=
1.058临界滑裂面为堆积体整体沿次软滑带材料3及软滑带材料2从堆积体腰部薄弱处滑出
库水位骤降工况由877m降至846m F
m
=
1.230临界滑裂面均为部分堆积体沿软滑带材料2从堆积体腰部薄弱处滑出
(7) 处理方案7压三级马道正常水位工况F
m
=
1.215临界滑裂面为堆积体整体沿次软滑带材料3软滑带材料2从堆积体末端薄弱处滑出图13.23
正常水位+地震工况F
m
=
0.994不满足F
m
=
1.05的要求临界滑裂面与正常水位工况基第13章 工程案例 501
本相同
库水位骤降工况库水位由877m降至817m最小安全系数为0.688临界滑裂面为部分堆积体沿软滑带材料2从堆积体腰部薄弱处滑出
上述计算结果表明压三级马道虽对正常水位下的安全系数有所提高但并不明显因压重部位均在浸润线以下特别是在库水位骤降过程中水压力不消散材料的计算指标采用极低的快剪指标这对边坡的稳定极为不利且工程量巨大
13,7,5 讨论
本例是一个在初设阶段进行的一个稳定分析工作研究对象是库区将被淹没的大规模堆积体本项目的稳定分析和加固方案研究工作在工程开工后还将进一步深入从稳定分析角度本案例在以下两个方面有其自身的特点
(1) 由于底滑面为折线形在搜索最小安全系数时需要分段进行故而出现了整体滑动沿中部滑动沿腰部滑动沿底部滑动等多种工况本案例对于研究天然滑坡沿已确定的非直线滑动面滑动是一个可供借鉴的例子
(2) 根据水库管理运行的需要本工程库水位降落的幅度较大该滑坡体以粘粒为主渗透系数极小而压缩性较大故而需要应用第5和第7章论述的库水位骤降总应力法来复核其稳定安全系数由于滑坡体体积较大单纯应用土方工程压脚削坡难以彻底解决库水位降落期的稳定性因此本项研究提出结合排水措施加固边坡的方案在施工设计阶段实际采用了压坡的方案
13,8 徐村水电站溢洪道边坡
13,8,1 基本情况
(1) 项目来源华能大理公司
(2) 完成日期1998年8月
(3) 设计阶段技施设计
(4) 存档文件云南省大理徐村水电站边坡稳定分析和治理方案研究中国水利水电科学研究院1998年8月
13,8,2 工程概述
徐村水电站位于云南省大理州境内是漾濞江河段梯级规划中最下游的一级电站电站装机容量78MW(3×26MW)保证出力24MW多年发电量约3.55×10
8
Wh正常蓄水位1306m
最大坝高67m总库容7167万m
3
回水长13.9km
电站枢纽区主要建筑物有粘土心墙堆石坝右岸开敞式溢洪道左右岸泄洪导流洞地面厂房引水发电洞等参见图13.25
溢洪道布置在右岸山坡上进口引渠段底板高程1286m长112m溢流堰顶高程
1296.5m泄槽长201m出口高程1253m
溢洪道沿线山坡地形下陡上缓山坡走向N5°E多为崩塌堆积层和坡积层覆盖地形
502 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序
坡度一般为50°～60°局部呈陡崖1310m高程以上坡度较平缓一般为15°～35°地貌为平缓台地溢洪道边坡主要由上覆的3号崩塌堆积体和下伏三迭系上统麦初箐组基岩组成溢洪道的地基和开挖大部分位于3号崩塌堆积体内
3号崩塌堆积体顺河方向长约280m顺坡方向宽约240m前缘分布高程在1267m左右后缘高程在1380m左右溢洪道沿线厚约20～39m左右平均厚27m最厚39.3m体积约为119×10
4
m
3
呈圈椅状分布与基岩接触面起伏不平部分地段呈阶梯状其间发育两条以上古冲沟崩塌体组成物质复杂且溢洪道边坡崩塌堆积体排水条件差开挖过程中曾多次发生小规模的滑坡如1998年4月17日的一场大雨后在桩号0+00～0+50m处发生一次滑坡此段滑坡虽然属今后治理削坡范围但说明这一地段的坡积体在1:1的地质条件下不能在雨季保持其稳定性
13,8,3 计算条件
1,计算工况
计算溢洪道边坡各典型断面原地形及开挖剖面在无地震和遭遇地震时的稳定情况
2,强度指标
通过地质勘探确认崩塌堆积体与基岩接触面存在夹泥层图13.26为研究溢洪道边坡崩塌堆积体的稳定性昆明勘测设计研究院针对崩塌堆积体与基岩接触面进行了两组τ
f38
和τ
f30
共12块试件的抗剪强度试验并在堆积体与基岩接触带土体中取8组土样进行了物理特性和颗粒组成分析试验τ
f38
布置在平硐PD38 0+26m处τ
f30
布置在平硐PD40 0+56m
处图13.27示试验成果
第13章 工程案例 503
504 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序
第13章 工程案例 505
506 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序
第13章 工程案例 507
图 13,26 边坡岩体夹泥层
图 13,27 夹泥层直剪试验成果
(a) PD38结构面抗剪试验关系图τσ ~ (b) PD40结构面抗剪试验关系图 τσ ~
根据对堆积土组成物性指标以及剪切带试验资料的分析讨论在稳定分析中采用的强度指标如下
(1) 剪切带高程1300m以下c
=
40kPa φ
=
20.8° 1300m以上c
=
35kPa φ
=
15.1°
(2) 堆积土c
=
40kPa φ
=
24.2°
13,8,4 计算成果和分析
1,计算成果
对0+026至0+165的7个典型断面图13.25进行稳定分析稳定分析时取边坡内孔隙水压力系数2.0=
u
r计算复核成果如表13.26和图13.28所示
508 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序
表 13,26 典型断面稳定分析成果
开挖剖面 原地形
剖面 计算条件
F 文件名 F 文件名
8度地震 1.201 XC26-1 0.811 YXC26-1
0+026.953
无地震 1.371 XC26-2 1.143 YXC26-2
8度地震 1.097 XC60-1 1.102 YXC60-1
0+060.000
无地震 1.276 XC60-2 1.204 YXC60-2
8度地震 1.337 XC95-1 1.266 YXC95-1
0+095.000
无地震 1.573 XC95-2 1.517 YXC95-2
8度地震 1.273 XC103-1 1.304 YXC103-1
0+103.698
无地震 1.530 XC103-2 1.573 YXC103-2
8度地震 1.429 XC138-1 0.982 YXC138-1
0+138.880
无地震 1.802 XC138-2 1.211 YXC138-2
8度地震 1.592 XC154-1 0.973 YXC154-1
0+154.506
无地震 1.879 XC154-2 1.167 YXC154-2
8度地震 1.460 XC165-1 0.993 YXC165-1
0+165.728
无地震 1.811 XC165-2 1.212 YXC165-2
图 13,28 徐村溢洪道边坡主要计算成果各计算工况水位均在地下水位之上
(a) XC26-1; (b) XC26-2; (c) XC103-1; (d) XC103-2; (e) YXC60-1; (f) YXC60-2; (g) YXC103-1; (h) YXC103-2
第13章 工程案例 509
2,提高溢洪道边坡稳定性的工程措施
徐村工程溢洪道边坡的崩塌堆积体位于强度指标较低的剪切带上面因此首要的问题是通过削坡减载保证边坡土体沿剪切带滑动的稳定安全系数满足设计要求同时要做好边坡表面的防护和坡内排水以保证在运用期溢洪道边坡的长期稳定性主要措施为
1) 边坡分四个马道开挖土质段平均坡度为1:1.5岩质段为1:1
2) 坡面喷混凝土或植草皮保护
3) 在高程1311m 1342m处分别打排水洞右岸泄洪洞高程1258m为明流洞在洞顶打向上的排水孔
3,对溢洪道边坡稳定性的总体评价和建议
(1) 由分析成果可知按设计坡度进行削坡减载后边坡各剖面安全系数均较原地形有明显提高桩号0+120m上游侧的安全系数较下游侧低但在正常情况下安全系数均超过
1.20遇8度地震时安全系数也超过了1.1
(2) 加强排水是保证边坡稳定的重要措施要求在山体中开挖两条排水洞
13,8,5 讨论
在规划土石坝的开敞式溢洪道时左右坝肩通常是先考虑的位置此时又经常会遇到溢洪道通过堆积体的情况坡堆积体通常具有有限的覆盖厚度接触面又通常是一个软滑带这大概是在较长的地质年代中曾发生过的滑坡或大规模塌滑有关
当溢洪道通过这样的堆积体时设计方案往往是清除部分堆积体使溢洪道座落于基岩面上然后放坡此时需确认经过开挖的堆积体在新的坡度条件下是稳定的另一方面降雨通常是导致边坡失稳的首要条件建立可靠的排水系统是溢洪道边坡设计中需要认真考虑的问题之一
徐村水电站溢洪道这一实例具有一定的典型意义设计人员首先确认该堆积体与基岩间确实存在一个软滑带因此必须采用工程措施确保开挖后的边坡具有足够的安全系数由于该堆积体地形比较平缓最后放弃了抗滑桩方案而采用削坡的方案来保持边坡稳定同时在山体内设置了两条排水廊道表13.26所列的各剖面的计算成果实际上是在综合比较了许多方案后的一个最终成果熟练地使用STAB程序可以使这样的优化设计工作的效率大大提高从表中可知和原地形相比开挖后地形的安全系数在大部分地段均有明显的提高
三年后笔者经历了另外一个在堆积体上开挖溢洪道边坡开裂事件即云南昭通地区的大水沟面板坝的溢洪道工程发现在徐村工程中担忧的滑坡可能性在大水沟这个具有类似地形地质条件的溢洪道工程中确实出现了图13.29和图13.30分别示大水沟面板坝工程边坡开裂和沿夹泥层错动情况在13.13节还将讨论紫坪铺泄洪洞出口边坡堆积体滑坡事例因此当年该工程对溢洪道边坡沿夹泥层稳定情况所作的研究和相应的削坡加固措施是明智的
510 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序
图 13,29 大水沟面板坝工程边坡开裂情况
图 13,30 大水沟面板坝工程边坡沿夹泥层错动情况
13,9 天生桥厂房高边坡
13,9,1 基本情况
(1) 项目来源水电部贵阳勘测设计院
(2) 完成日期1989年8月
(3) 设计阶段技施设计
(4) 存档文件
第13章 工程案例 511
1) 邹成杰庞声宽方平德典型层状岩体高边坡稳定分析与工程冶理水利电力出版社1995年
2) 天生桥二级水电站厂房西坡边坡稳定分析中国水利水电科学研究院岩土(89)39
1998年8月
13,9,2 工程概述
天生桥二级水电站位于广西隆林及贵州安龙县境内为南盘江中游广西贵州河段上第二个梯级电站工程为引水式电站大坝为混凝土重力坝三条引水隧洞长度均为9776.3m
电站初期装机容量88万kW一级电站发电后装机容量将扩建到132万kW
厂房建在芭蕉林南侧拉线沟北侧下山包也称南山包的一个三面凌空的条形山脊上厂房三面临坡每面坡高均大于100m最高的西坡高300余米
厂区河岸受拉线沟和1号冲沟切割形成一个山包称中山包其东南缘称为下山包厂房即位于下山包东侧厂区地层为砂岩泥岩互层夹少量灰岩可以推测地层曾经历强裂的地质构造运动形成中山包背斜芭蕉林向斜南山包背斜拉线沟向斜下山包滑坡即位于芭蕉林向斜和下山包背斜之间岩层产状为N80°E
在泥岩砂岩互层中普遍发育泥化夹层形成滑坡体的滑床在开挖抗滑桩过程中对构成这次滑坡的泥化夹层进行了充分的揭示发现泥化夹层为黄褐色软塑状粘土厚度
5～20cm不等厂房西坡可划分为七层层间均有泥化夹层
1988年5月工程施工后山体即发生滑移出现明显的滑坡迹象图13.31水平位移最大速率达8.2cm/日随即采取了减载排水抗滑桩预应力锚索和锚杆等多项工程措施图13.32 1989年5月厂房高边坡全部开挖完毕未见明显滑移现象
图 13,31 边坡滑移挡墙拉裂情况
512 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序
图 13,32 南6?6′地质剖面和计算断面
13,9,3 计算条件
1,计算工况
选用南6?6′剖面为计算断面参见图13.32南6?6′断面方向为S60°E和滑坡中后部位移较一致
对南6?6′断面稳定性的核算重点是复核已发生滑坡的那层滑裂面夹层出口高程
556m其主要工作是通过反演抗剪强度指标模拟施工开挖过程了解安全系数随之变化的过程并评价排水锚索抗滑桩在提高抗滑安全系数方面的作用
2,强度指标
南6?6′断面沿滑裂面强度指标见表13.27
表 13,27 南6?6′断面沿滑裂面强度指标参见图13.32
抗 剪 强 度 指 标
序号 区段 物 质 组 成 滑坡体厚度(m)
c(kPa) φ (°)
1 AB 粘土夹砂岩碎块石坡积滑塌形成 30～37 20 11.3
2 BC 全风化砂页岩夹粘土 25～30 20 11.3
3 CD 强风化滑动碎裂的砂岩夹泥页岩 17～40 10 6.8
4 DE 同上 25～0 10 6.8
3,地下水位
施工期边坡600m高程处原有工程单位生活办公用房以及附设的供水系统其水池已开裂长年向坡内渗水1986年5月至11月又曾数次降大雨在开挖抗滑桩时发现井壁严重渗水推算的地下水位示于图13.32
13,9,4 计算成果与分析
1,滑坡过程和加固工程措施图13.33
(1) 滑坡过程1986年5月厂房边坡开挖开始6月7日发现当边坡自584m高程挖至
555m高程时前缘即出现裂缝7月7日裂缝发展到前缘100m处图13.31 8月修建临时挡土墙滑坡暂时被制止
1986年11月边坡开挖继续进行前缘坡墙被炸掉滑坡前缘几十米处采用洞室大爆破边坡位移加剧公路挡墙被拉裂公路边陡壁上明显出现滑裂面图13.31长度达百第13章 工程案例 513
米以上至1987年初滑坡整体规模已显露出来平均速率达7.2mm/d抗滑桩开挖后了解到的泥化夹层擦痕方向为S85°E由此可以大致确定滑坡方向为S85°E
图 13,33 通过反演分析进行的加固设计
(2) 边坡加固工程措施为制止滑坡自1987年开始采取了以下工程措施
(a) 减载滑坡后缘地形上凸超过600m高程部分被挖除两次共减载22.15万m
3
(b) 排水除整治地表排水系统分层减载集中疏导雨水外还在厂房北坡及西坡布置了四条高程分布在487.2m 451.5m和429m的永久性排水廊道
在滑体中部584m平台设置17根抗滑桩最大桩深40m断面3×4m间距6m并布置了承载力为120×9.8kN的预应力锚索共计240根
(c) 预应力锚索和锚杆荷载预应力锚索设置在高程858～565m边坡上与铅垂线夹角55°每根预应力1200kN孔距3.0m排距3.5m总计7排每米宽度施加在边坡上的力为
kN/m)( 8.9280
0.3
8.91207
×=
××
预应力锚杆设置在高程565平台孔距2m排距2m与铅垂线夹角30°每米宽度施加在边坡上的力为
(kN/m) 8.930
0.2
8.9302
×=
××
514 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序
(d) 抗滑桩提供的水平抗滑力抗滑桩断面为3m×4m总计17根每根桩提供的水平抗滑力约为1284×9.8kN总计混凝土量为6600m
3
钢材248.7×9.8kN考虑滑坡整体规模已形成该17根抗滑桩提供的水平抗滑力应平均分摊在170m宽度的滑坡上故每米提供的水平抗滑力为
(kN/m) 8.94.128
170
8.9128417
×=
××
2,地下水位
对南6?6′断面根据抗滑桩开挖过程中了解到的地下水位核算稳定安全系数并分析排水起作用无地下水位时安全系数的提高程度
3,稳定分析计算成果及讨论
(1) 计算成果根据发生滑坡的过程对施工过程不同阶段进行复核获得的稳定安全系数如表13.28所示计算简图见图13.34
表 13,28 南6?6′断面边坡稳定安全系数参见图13.33
情况 计 算 条 件 安 全 系 数 数 据 文 件
1 原地面线有地下水 0.997 T6.1
2 1986年6月7日地面线有地下水位 0.976 T6.2
3 1986年11月拆除挡墙后地面线有地下水 0.922 T6.3
4 减载 0.988 T6.4
5 排水 1.055 T6.5
6 开挖至设计边坡排水生效无地下水 1.032 T6.6
7 情况5加抗滑桩 1.088 T6.7
8 情况6加上预应力锚索和锚杆 1.149 T6.8
图 13,34 天生桥边坡计算成果
(a) T6.1; (b) T6.2; (c) T6.3; (d) T6.4; (e) T6.5; (f) T6.6; (g) T6.7; (h) T6.8
第13章 工程案例 515
(2) 讨论从表13.28所列分析成果可以发现
1) 边坡开挖使安全系数由原来的0.997降为0.922降低了8%左右
2) 减载使安全系数由0.922提高到0.988增加了6%
3) 地下水位对边坡稳定影响很大排水后可使安全系数提高7%左右
4) 加固边坡的工程措施抗滑桩预应力锚索等使安全系数提高11%左右从1.032
提高到1.149
5) 在排水系统充分生效没有孔压的条件下安全系数为1.15应该指出这一系列计算的起点是边坡开挖后的安全系数为0.922由于此时并没有发生滑坡所以实际加固后的边坡稳定安全系数应比1.15略高
反演分析获得概念是滑裂面上综合抗剪强度的指标大约是c
=
10kPa φ
=
10°这一数值和试验室直剪和三轴试验接近因此总的来说天生桥二级厂房高边坡泥化夹层的抗剪强度指标大约是在c
=
10kPa φ
=
10°这样一个数量级范围
13,9,5 讨论
天生桥高边坡在开挖仅15m时即发生大规模的山体变形对边坡进行紧急加固措施的设计过程主要是建立在反演分析的基础上的目的是了解采用各项工程措施后使安全系数从原来的极限平衡状态提高15%～20%本节介绍了当年进行加固设计时的计算成果通过边坡稳定分析最终确定了各种加固工程的规模这一工程竣工后已经过10年的运行说明加固设计是成功的当时的研究报告还提出了以下几条建议
(1) 减载锚索抗滑桩等工程措施使滑裂面安全系数提高18%左右但对高达300m
的边坡深层滑动并无加固作用排水是稳定该边坡至关重要的工程措施宜予高度重视
(2) 厂房边坡的稳定安全系数总体来看接近现代边坡工程允许最小安全系数值但个别滑面尚处下限应加强边坡的变形和孔隙水压力观测密切监视边坡的性状根据本次计算成果对厂房边坡运行期间观测到的孔隙水压力系数的平均值r
u
似可提出这样的标准当r
u
0.05时排水效果视为优良期望r
u
0.1当r
u
0.15时应发出警报
(3) 由于该边坡具有明显的三维特点建议下阶段有条件时开展三维极限平衡稳定分析在14章中笔者介绍了三维计算的成果
13,10 乌鲁瓦提面板堆石坝
13,10,1 基本情况
(1) 工程名称乌鲁瓦提面板堆石坝
(2) 项目来源新疆水利水电勘测设计院
(3) 完成日期1995年4月
(4) 设计阶段初设阶段
(5) 存档文件
516 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序
1) 乌鲁瓦提面板堆石坝坝坡稳定分析报告中国水利水电科学研究院岩土
(95)24.1995年4月31日
2) 乌鲁瓦提坝料三轴试验中国水利水电科学研究院岩土(95).1992年11月
13,10,2 工程概述
乌鲁瓦提面板堆石坝位于新疆和田地区和田河支流喀拉喀什河中游河段上坝趾距和田市71km该工程水库总库容3.47亿m
3
电站装机容量6万kW
拦河坝为钢筋混凝土面板砂砾石坝主坝长365m最大坝高138.0m坝顶高程1962.0m
防浪墙高程1966.0m上游坝坡1:1.6下游坝坡约为1:1.5并在不同高程设置了4条马道各宽12m坝体采用天然砂卵石料为主堆石料其渗透系数为4.5×10
-2
cm/s次堆石料为边坡开挖的弃料钢筋混凝土面板之后是水平宽度4m的垫层区垫层区后是水平宽度4m的过渡层区坝体内设置了4m宽的竖向排水和水平排水水平排水位于坝体底部与下游坝脚排水棱体相连接为减少坝基渗漏在坝体上游趾板处设灌浆防渗帷幕
13,10,3 计算条件
1,等级和标准
大坝为II级建筑物在稳定分析中取最大断面为典型计算断面见图13.35控制水位为正常蓄水位?1962.0m死水位?1924.0m下游水位?1861.0m
图 13,35 乌鲁瓦提面板堆石坝典型剖面
2,坝址地震
基本烈度为6度按7度设防
3,材料抗剪强度指标的选取
确定抗剪强度指标如表13.29示在计算中对上下游坝坡分别进行了线性和非线性强度指标的稳定分析
13,10,4 计算成果与分析
计算成果见表13.30及图13.36
第13章 工程案例 517
表 13,29 乌鲁瓦提面板堆石坝筑坝材料参数
抗剪强度指标 容重
线性 非线性 (9.8kN/m
3
)
材料编号
材料所处位置
c
(9.8kN/m
2
)
φ (°) φ (°)?φ (°) 天然 饱和
1 主堆石区 0.0 39.0 43.5 3.0 2.25 2.30
2 次堆石区 0.0 30.0 44.2 3.6 2.10 2.25
3 排水区 0.0 35.5 2.05 2.20
4 坝体底部 0.0 38.0 2.26 2.30
5 坝基 150.0 40.0 2.70 2.90
6 垫层及过渡层 0.0 39.0 48.0 5.1 2.25 2.30
注 上表线性参数及容重由新疆水利设计院提供非线性参数由水科院乌鲁瓦提坝料三轴试验报告提供
表 13,30 乌鲁瓦提面板堆石坝坝坡最小安全系数
下游坝坡 上游坝坡
参数
类型
F
m
及
文件名
稳定渗流
无地震
稳定渗流
7度地震
施工期
无地震
施工期
7度地震
库水位降落
无地震
F
m
1.209 1.111 1.298 1.203 0.513 线性
c φ
文件名 wlx1 wlx2 wlu1 wlu2 wul3
F
m
1.528 1.419 1.540 1.540 0.865
非线性φ
0
φ
文件名 wlx3 wlx4 wlu4 wlu5 wlu6
图 13,36 乌鲁瓦提面板堆石坝边坡稳定分析成果
(a) Wlu1; (b) Wlu2; (c) Wlu3; (d) Wlu4; (e) Wlu5; (f) Wlu6
518 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序
13,11 黄河三盛公水利枢纽拦河闸
13,11,1 基本情况
(1) 工程名称黄河三盛公水利枢纽拦河闸
(2) 项目来源内蒙古黄河工程管理委员会
(3) 完成日期1999年8月
(4) 设计阶段大坝安全鉴定
(5) 存档文件
1) 黄河三盛公水利枢纽拦河闸地基渗流及稳定安全复核报告中国水利水电科学研究院1999年8月
2) 黄河三盛公水利枢纽拦河闸稳定及强度安全复核报告中国水利水电科学研究院
1999年8月
13,11,2 工程概述
黄河三盛公水利枢纽拦河闸位于内蒙古自治区拦河闸为I级建筑上游正常水位为
1055.0m设计允许水位差9m闸室采用浮筏式结构两孔一联系钢筋混凝土结构1961
年建成并投入使用以为河套灌区提供灌溉用水为主闸室及地基简图见图13.37
图 13,37 黄河三盛公水利枢纽拦河闸概化地质剖面图
13,11,3 计算条件
在分析计算中水闸作了如下简化
1) 闸门上游中墩缝墩公路桥等结构折算成分布荷载加在闸室底板上
2) 在闸门下游中墩缝墩工作桥等结构换算成挡水结构容重也作相应折减成为等效重力
1,计算工况
计算中采用圆弧滑动和任意形状滑动两种滑动模式在任意形状滑动模式中滑弧底部为直线沿1034m高程之下粘壤土层滑动滑弧两端则为曲线使用STAB程序自动搜索安全系数最小的临界滑裂面
当上游水位为1055m高程时下游水位高程分别为1046m 1047m 1048m和1049m
上游水位为1052m高程时下游水位高程为1046m把各工况排水井完全失效情况下渗流计算扬压力曲线当作浸润线加在水闸之上以此计算基础底部滑裂面孔隙水压力
第13章 工程案例 519
为了便于和渗流计算扬压力条件下结果比较假设当上下游水位分别为1055m和
1046m高程时在排水井完全有效和排水井完全失效两种条件下上游水位和下游水位直线连接作为浸润线计算结果见表13.31和图13.38
表 13,31 按计算扬压力复核拦河闸深层滑动安全系数表
工况
上游水位(m) 下游水位(m)
圆弧滑动 图号 沿粘壤土滑动 图号
1046 2.060 n1 2.223 nn1
1047 2.094 n2 2.364 nn2
1048 2.294 n3 2.548 nn3
1055
1049 2.243 n4 2.742 nn4
1052 1046 2.889 n5 2.889 nn5
2,强度指标
根据三盛公水闸管理局提供的地质资料闸室地基各土层抗剪强度指标如表13.32
表 13,32 三盛公拦河闸基础各土层材料参数表
土层 粘聚力c(kPa)
摩擦角φ (°)
容重(9.8kN/m
3
)
砾质中砂 0.0 25 1.5
粘壤土 23.5 12 1.62
粉细砂 5.6 25 1.56
细砂粉细砂 5.6 25 1.56
13,11,4 计算成果分析
从表13.31计算成果可知在五种运行工况下两种滑动模式安全系数均大于2.0沿粘土层滑动安全系数大于圆弧滑动0.2左右说明由于粘土层埋藏较深沿粘壤土层滑动不是水闸深层滑动的控制滑动模式在最不利运行工况下安全系数也大于1.5因此根据现有地质参数可以认为拦河闸闸室基础能满足水闸设计规范的安全要求
图 13,38 三盛公拦河闸稳定分析成果
(a) n1; (b) n5; (c) nn1; (d) nn5
520 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序
13,11,5 讨论
本工作为使用条分法计算水闸抗滑稳定安全系数的例子通用条分法除用于计算天然边坡和土石坝的稳定安全系数外还可用于分析重力坝水闸等建筑物沿建基面和深层软带的稳定分析中因为由闸坝和地基构成的建筑物实际上也是一个边坡传统的分析方法和通用条分法所包含的原理没有本质上的差别
13,12 日照电厂蔡家滩灰场挡灰堤
13,12,1 基本情况
(1) 项目来源山东电力工程咨询院
(2) 完成日期2000年1月
(3) 设计阶段技施设计
(4) 存档文件日照电厂蔡家滩灰场挡灰堤加固措施计算分析报告水利水电科学研究院2000年3月GE?2000?3?007
13,12,2 工程概述
日照电厂灰场位于蔡家滩南海岸为长方形海域灰场岸边坝段为块石护坡碾压土坝其余部分全部为抛石挡灰堤最大高度约10.4m图13.39为防止粉煤灰渗入海洋在迎海洋面铺设有一层土工布这样在海水涨落过程中堤内外经常出现1～2m的水位差
蔡家滩灰场挡灰堤合龙后大堤内坡很多部位出现了不同程度的塌滑图13.40
局部土工布被拉断破坏全部发生在上游坡面另外当灰场外侧潮位变化时土工布被撕裂堤段的内坡面发现有明显的水流现象堤内侧发生滑坡破坏后在堤脚处发现有淘出的砂堆说明有管涌破坏存在可初步认为上游坡的破坏呈浅层滑动形式
综合分析现场调查结果及挡灰堤施工和破坏资料后初步断定造成破坏的主要原因是潮水涨落导致堤内外水位差由于挡灰堤建于饱和淤泥层上堤体透水性差抗管涌能力和抗剪强度均很底
蔡家滩灰场地形平坦灰场内无较大规模的断裂构造地层由上到下大致可分为五层
(1) 黄褐色中细砂为海底表层活动层厚度约20~50cm松散颗粒呈圆状
(2) 褐灰色淤泥质粉质粘土为第四纪全新世海湾相沉积物呈流塑到软塑状态其最大厚度达2.23m
(3) 黑灰色粉质粘土呈可塑状态最大厚度可达1.07m
(4) 褐黄色粉土呈可塑状态最大厚度达1.09m
(5) 黄褐色大山沟组片麻岩表层已强烈风化裂隙发育最大可达1.5m左右强风化层下为坚硬的中等风化基岩
堤段发生滑坡后决定挖除上部硬土石的堆石体在迎水面铺设新的土工布再在前面抛投块石形成一个断面较大的挡灰堤参见图13.39工程加固的主要手段为抛石挤淤结合分层施工预压的方法进行地基处理
灰场地区地震基本烈度为6度故在挡灰堤边坡稳定计算时不考虑地震因素的影响
第13章 工程案例 521
图
13
,39
日照电厂挡灰堤典型剖面单位
m
522 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序
本项目配合挡灰堤加固设计对挡灰堤边坡进行了稳定计算分析根据计算分析结果并结合现场调查建议了大堤内坡加固方案本项目的任务是对可能的抛投块石剖面加固方案进行分析比较
图 13,40 日照电厂挡灰堤开裂情况
13,12,3 计算条件
1,计算工况
经过仔细的研究和分析最终确定了上游边坡综合加固计算方案
(1) 相应2.0m和3.0m两种不同的堤内外水位差其对应的外侧海水侧和内侧灰场侧水位分别取3.0～1.0m 3.0～0m 2.0～?1.0m 1.0～?1.0m和2.0～0m等其中前三种为校核工况后两种为设计工况
(2) 按照渗流计算成果对孔压进行内插水头沿土工布的衰减幅度根据渗流计算结果给出
(3) 采用毕肖普法计算
(4) 稳定分析时取三种不同滑裂面分别为
1) 沿旧土工布浅层滑动
2) 沿新土工布浅层滑动
3) 沿新土工布上部滑动
2,强度指标
本次分析采用总应力指标首先采用试验强度指标如表13.33计算了上游实际堤身断面沿旧土工布浅层滑动的稳定安全系数计算时按实测水位差假定坡外水位为2.0m
坡内水位为0.0m计算得稳定安全系数为0.560但是现在的挡灰堤上游边坡在没有通过加固的情况下仍处于稳定状态由此可见采用试验指标计算的结果明显偏于保守与实际堤身的稳定差距太大应根据不同材料的特性和所处位置相应提高其强度指标
考虑各种试验方法对强度参数的影响以试验成果为基础并考虑淤泥层所处的位置第13章 工程案例 523
对淤泥层土料和垫层料的强度指标作了一定的提高对参数进行了反演分析计算调整后的强度参数指标如表13.34所示
表 13,33 稳定分析中各种材料的试验强度指标
强度指标
土料名称
湿容重
(kN/m
3
)
饱和容重
(kN/m
3
)
φ (°) c(kPa)
抛填石料 1.9 2.1 35.0 0
垫层料 1.9 2.1 17.0 0
淤泥质粉质粘土挤淤 1.77 1.78 6 10
淤泥质粉质粘土不挤淤 1.77 1.78 2.7 7
粉土 2.0 2.05 10.0 20.0
基岩 50.0 300
表 13,34 稳定分析中各种材料的强度指标调整指标
强度指标
土料名称
湿容重
(kN/m
3
)
饱和容重
(kN/m
3
)
φ (°) c(kPa)
抛填石料 1.8 2.1 35.0 0
垫层料 1.8 2.0 19.0 0
淤泥质粉质粘土挤淤 1.77 1.78 10 17
淤泥质粉质粘土不挤淤 1.77 1.78 2.4 7
粉土 2.0 2.05 10.0 20.0
基岩 2.6 2.7 50.0 300
13,12,4 计算成果与分析
各种运用条件计算获得的最小安全系数列于表13.35和图13.41分析这些计算成果可得到如下几点初步结论
(1) 根据实际测定的水位条件用试验确定的强度指标计算实际挡灰堤稳定情况下沿旧土工布浅层滑动的稳定安全系数其值为0.560说明强度指标偏低为此在试验基础上对实际堤身进行参数反演分析提高了淤泥质土层的强度指标通过反演将垫层料的强度指标φ从17°提高到19°同时考虑淤泥质土层挤淤程度和所处位置将坝体下经过挤淤的淤泥质土层的强度指标作了相应提高即将其粘聚力c从10kPa提高到17kPa将内摩擦角φ从
6°提高到10°坝体外的淤泥质土层的强度指标保持不变调整参数后实际挡灰堤上游堤身的稳定安全系数为1.004可以认为其结果符合实际是可靠和恰当的
(2) 堤身清淤至? 7.9m高程时用试验确定的强度指标计算挡灰堤断面沿旧土工布浅层滑动的稳定安全系数为0.534远不能满足要求用调整后指标计算堤身清淤至?7.9m高程时挡灰堤断面沿旧土工布浅层滑动的稳定安全系数为0.900其稳定亦不能满足规范要求同时基础清淤的关键技术问题是在清淤施工过程中如何控制清淤时的施工工艺和质量保证施工过程中边坡的稳定性因此在不能保证清淤施工时挡灰堤边坡稳定的情况下放弃基础清淤并抛投块石的方案是合理的
(3) 新铺土工布上部的压台厚度对沿旧土工布浅层滑动和沿新铺土工布上部滑动均有明显影响当压台厚度增大时会降低沿旧土工布滑动的安全系数而增大沿新铺土工布上
524 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序
表 13,35 各断面稳定计算成果采用调整强度指标
m
=
2.5 a =
4.5 d
=
3
b
=
2 b=1.5
c
=
10 c
=
15 c
=
20 c
=
15
水位
条件
滑动模式
安全
系数
数据
文件
安全
系数
数据
文件
安全
系数
数据
文件
安全
系数
数据
文件
旧土工布浅层 0.998 a12 1.097 a11 1.187 a13 1.126 a14
沿新土工布浅层 1.015 a22 1.182 a21 1.353 a23 1.190 a24 2～-1
沿新土工布上部 1.250 a31 1.250 1.250 1.125
沿旧土工布浅层 1.050 b12 1.151 b11 1.242 b13 1.183 b14
沿新土工布浅层 1.174 b22 1.344 b21 1.514 b23 1.363 b24 1～-1
沿新土工布上部 1.418 b31 1.418 1.418 1.277
沿旧土工布浅层 0.984 c12 1.090 c11 1.183 c13 1.118 c14
沿新土工布浅层 1.038 1.220 c21 1.404 c23 1.211 c24 3～0
沿新土工布上部 1.100 c31 1.100 1.100 0.945
沿旧土工布浅层 1.136 d12 1.250 d11 1.357 d13 1.295 d14
沿新土工布浅层 1.216 d22 1.413 d21 1.575 d23 1.440 d24 3～1
沿新土工布上部 1.075 d31 1.075 1.075 0.916
沿旧土工布浅层 1.038 e12 1.157 e11 1.240 e13 1.190 e14
沿新土工布浅层 1.100 e22 1.281 e21 1.468 e23 1.286 e24 2～0
沿新土工布上部 1.273 e31 1.273 1.273 1.118
图 13,41 日照电厂挡灰堤稳定分析成果
(a) b12; (b) b22; (c) c23; (d) c31; (e) d11; (f) d21; (g) e11; (h) e21
第13章 工程案例 525
部滑动的安全系数反之当压台厚度减小时则增大沿旧土工布滑动的安全系数而降低沿新铺土工布上部滑动的安全系数此外反压平台的长度变化对沿旧土工布浅层滑动和沿新铺土工布上部滑动这两个滑裂面也有类似的影响根据计算结果新铺土工布上部的压台长一般取4.5m其厚度取为2.0m个别情况取3m从表13.35知安全系数可达到1.10以上此计算成果为设计单位最终确定设计提供了依据
13,13 紫坪铺工程2
#
导流洞出口滑坡稳定分析
13,13,1 基本情况
(1) 项目来源四川省水利水电勘测设计院
(2) 完成日期2001年11月
(3) 设计阶段技施设计
(4) 存档文件
1) 紫坪铺水利枢纽工程2
#
导流洞出口滑坡稳定分析及处理方案四川省水利水电勘测设计院2001年10月
2) 紫坪铺水利枢纽工程2
#
导流洞出口滑坡稳定分析及处理方案补充报告四川省水利水电勘测设计院中国水利水电科学研究院2001年11月7日
13,13,2 工程概述
紫坪铺水利枢纽工程2
#
导流洞出口位于坝址右岸条型山脊下游侧地貌上为F
3
断层带所形成的槽谷下部2
#
导流洞出口开挖边坡高约90m宽约80m上部开口高程830m左右下部底口高程741.156m出口开挖于2000年4月初开工6月中旬开挖至213国道高程779m
左右时边坡开挖总高度约50m此时都江堰地区持续一个月降雨频繁边坡随即于2001
年6月23日7月14日7月20日7月27日发生四次滑动滑动物质为第四纪堆积体沿覆盖层与基岩接触面滑动并在滑坡范围以外形成多条拉裂缝图13.42示7月20日发生于区的滑坡的实景图13.43为滑坡发生后的山体
图 13,42 7月20日IV区发生滑坡时的实景
526 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序
图 13,43 滑坡后的地貌
根据地质资料可将滑坡分为4区如图13.44所示图13.45和图13.46给出了典型地形剖面图
I区为6月23日主滑坡的区域分布于高程788～834m之间的已开挖边坡范围内平面长70m宽33～42m厚度约10m平面面积2162m
2
初估方量约1.2～1.5万m
3
主滑动方向S75°E滑坡后缘陡坎高约10m最大滑距约20m
II区分为2个亚区II
1
区位于F
3
断层带槽谷中部一带自然坡度相对较缓为30°～50°
层厚10～20m II
2
区位于I区靠上游侧一带地形坡度约40°～50°地表为崩坡积成因的块碎石土II
1
区和II
2
区于7月14日同时发生滑动均是沿着基覆界面缓慢变形滑动过程中牵动了少量外边缘破碎岩体失稳
III区也分为2个亚区III
1
区为滑坡危险区位于滑动区II
1
区上部自然边坡相对较缓地形坡度约30°地表为崩坡积成因的块碎石土厚度10～15m 7月4日地表调查发现比较连续的拉裂缝宽1～5cm局部宽达10～20cm延伸长达70m以上分布最高高程在887m
除此外坡体内还断续分布有一些相对较小的拉裂缝变形体长约85m宽65m体积约5.0
万m
3
III
2
区为潜在危险区位于III
1
区上部边坡亦相对较缓地形坡度约25°～30°地表为崩坡积成因的块碎石土厚度10～17m变形体长约80m宽15～40m体积约2.4万m
3
IV区也为潜在危险区位于II
2
区后部自然边坡相对较缓地形坡度约35～40°地表为崩坡积成因的块碎石土钻探揭示厚度6.1～12.11m后缘拉裂缝长80m一般宽1～5cm
局部宽达10～20cm分布最高高程大约930m
13,13,3 计算条件
1,强度指标
根据现场取样试验并结合以往工程经验提出稳定分析建议的物理力学指标见表
13.36
第13章 工程案例 527
图
13
,44
平面地质图
528 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序
图 13,45 纵4?4剖面图
2,计算方案
(1) 方案1为抗滑桩方案该方案对III
2
区890m高程以上的土体采用2排共26根抗滑桩其中在III
2
区前缘设10根3m×5m抗滑桩并在890m高程处设一20m高挡墙同时建议在修建挡墙土体下挖过程中把出露的抗滑桩在横向用钢筋混凝土梁连起来形成框架第13章 工程案例 529
以增加抗滑桩的刚度提高抗滑桩的整体抗滑稳定性加固示意图如图13.47所示IV区坡体也采用的抗滑桩加固
(2) 方案2为挡土墙方案导流洞覆盖层经塌滑后在213国道处形成一个约60m宽的垭口由于此处地形在地貌上表现为一凹沟参见图13.43此方案建议在此垭口处修建一个高35m的混凝土挡土墙基底高程为776m将沟口封闭挡住堆积体的主滑方向挡墙上布置排水孔挡墙后用透水石料回填至830m高程形成一个高50m坡度为1:2.4的经碾压的边坡加固示意图如图13.48所示要求对原滑坡残留土作振冲或强夯处理保留IV
区的加固方案
图 13,46 纵2?2剖面图
表 13,36 稳定分析建议的物理力学指标
编号 材 料 c (MPa) φ (°) 容重(g/cm
3
)
1 碾压后堆石 0.000 42.00 2.20
2 DelQ和未滑动部分的层间接触面 0.000 26.00 2.10
3 已滑动部分的层间接触面 0.007 10.00 2.00
4 经强夯的滑坡残留土 0.05 26.00 2.00
5 混凝土和基岩接触面 0.00 21.80 2.00
6 混凝土挡墙后的破碎岩体(F
3
影响带) 0.10 26.56 2.00
7 T
3xj
3
0.3 26.00 2.60
8 挤压破碎带 0.05 30.00 2.45
530 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序
图 13,47 方案1剖面图
图 13,48 方案2剖面图
第13章 工程案例 531
13,13,4 计算成果和分析
1,反演分析成果
在进行边坡加固设计时正确选用滑坡体与基岩接触带的抗剪强度对于加固工程量的影响极大设计使用的指标为c
=
0 φ
=
26°
根据紫坪铺工程边坡的实际情况对于2
#
导流洞出口坡积层曾经发生的两次滑动分别相应剖面纵2?2和纵4?4参见图13.45和图13.46因此在方案比较中进行了反演分析反演分析分别按安全系数1.00和0.95两种情况进行且不考虑地下水作用表13.37
示安全系数为0.95时的反演成果图13.49示反演计算的简图
表 13,37 反演成果
工况 组合 c(×9.8kN/m
2
) φ (°) 安全系数
1 3.17 20 0.9504
2 3.38 19 0.9510
3 3.58 18 0.9505
4 3.78 17 0.9504
I区剖面4?4
数据文件为zz2-2
5 3.98 16 0.9507
1 1.76 19 0.9503
2 2.04 18 0.9505
3 2.32 17 0.951
4 2.59 16 0.9509
II区剖面2?2
数据文件为zz4-4
5 2.86 15 0.951
图 13,49 反演成果计算简图
2,方案1分析成果
滑坡处理方案中对II
2
区主要采用抗滑桩加混凝土挡墙进行加固在III
2
区前缘设置一高约20m的混凝土挡墙与前缘钢管桩一起支挡前沿土体在挡土墙及钢管桩后缘设置一排断面为3m×5m的抗滑桩共16根深35m在后部设置一排断面为2m×4m间距为4m
中对中深20～25m的抗滑桩10根以提高III
2
区后缘坡体的稳定程度计算采用纵2?2
剖面参见图13.46结果见表13.38
由计算结果可以看出采用设计指标原地形坡体的安全系数为0.868在坡体内打1
排单宽抗滑力为2500kN/m的抗滑桩边坡稳定安全系数可提高到0.953比原地形工况增
532 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序
大了近0.1若挖除桩前滑坡堆积体则桩后坡体的稳定安全系数降低至0.914可见桩后堆积体开挖后边坡安全系数较低因此在施工期应采取分段开挖的方式并及时浇筑混凝土挡墙以保证堆积体开挖过程中边坡的稳定设置混凝土挡墙后边坡稳定程度有较大提高安全系数可达到1.416比原地形工况提高了0.54
表 13,38 方案1 III
2
区边坡稳定性分析成果
编号 工 况 安全系数 数据文件
1 原地形0.868 z4-0
2 原地形堆积体内打1排抗滑桩 0.953 z4-1
3 堆积体内打1排抗滑桩桩前滑体挖除 0.914 z4-2-2
4 桩前滑体挖除上部边坡整体从桩顶滑出 1.814 z4-2-1
5 桩前滑体挖除混凝土挡墙加抗滑桩 1.416 z4-3-1
注 以上工况计算中均考虑孔隙水压力系数为r
u
=
0.1
为了降低孔隙水压力在III
2
区坡体布置了必要的排水措施除在坡面布设排水管排水沟外在860m高程左右设置2.5m×2.5m的排水洞并在洞顶打放射状的排水孔考虑到上述措施在以上III
2
区边坡稳定各计算工况中均考虑孔隙水压力系数为0.1若不考虑排水措施在计算中采用孔隙水压力系数为0.25则各工况条件下边坡稳定计算的敏感性分析结果表13.39所示
表 13,39 方案1 III
2
区边坡稳定考虑孔隙水压力敏感性分析成果
编号 工 况 安全系数 数据文件
1 原地形0.706 z4-0
2 原地形堆积体内打1排抗滑桩 0.757 z4-1
3 堆积体内打1排抗滑桩桩前滑体挖除0.723 z4-2-2
4 桩前滑体挖除上部边坡整体从桩顶滑出 1.490 z4-2-1
5 桩前滑体挖除混凝土挡墙加抗滑桩1.146 z4-3-1
注 以上工况计算中均考虑孔隙水压力系数为r
u
=
0.25
比较表13.38和表13.39可见孔隙水压力系数由0.1提高到0.25后各工况下边坡稳定安全系数降低了0.15～0.35其中对于第5种工况即在III
2
区前缘打1排3m×5m单宽抗力为2500kN/m的抗滑桩其后滑坡堆积体挖除并设置混凝土挡墙的工况条件下如果不考虑排水措施边坡稳定安全系数由1.416降低到1.146此外孔隙水压力系数为0.25时第5种工况安全系数比原地形的0.706提高了0.4基本可满足边坡稳定要求
3,方案2分析成果
边坡稳定计算主要考虑边坡整体滑动局部滑动边坡分别从挡墙顶部和底部滑出以及目前边坡的稳定情况等工况相应纵2?2和纵3?3剖面计算结果分别见表13.40和表13.41
部分计算简图如图13.50示
第13章 工程案例 533
图 13,50 典型方案计算简图
(a) z2-1; (b) w2-2; (c) z2-2; (d) z2f
表 13,40 挡土墙方案纵2?2剖面稳定分析成果
编号 工 况 安全系数 土压力(kN/m) 数据文件
1 边坡整体滑动从挡墙顶部滑出 1.229 z2-1
2 边坡局部滑动从挡墙顶部滑出 1.355 w2-2
3 边坡整体滑动从挡墙底部滑出 1.168 z2-2
4 边坡整体滑动挡墙底部土压力 6160 z2-t
5 边坡现状 0.77 z2f
表 13,41 挡土墙方案纵3?3剖面稳定分析成果
编号 工 况 安全系数 土压力(kN/m) 数据文件
1 边坡整体滑动从挡墙顶部滑出 1.005 z3-1
2 边坡整体滑动挡墙底部土压力 6200 z3-t
3 边坡现状 0.37 z3f
由表13.41所示纵2?2剖面计算结果可见对于整体边坡分别从混凝土挡墙顶部和底部滑出的工况其稳定安全系数分别为1.229和1.168相对于边坡现状稳定安全系数0.77
分别提高了0.46和0.4而对于纵3?3剖面边坡整体从挡墙顶部滑出的工况其稳定安全系数为1.005相对于现状边坡的稳定安全系数0.37提高了0.63
13,13,5 讨论
本节所列内容是作者参加紫坪铺工程发生滑坡后的科研和技术咨询时所做的工作所介绍的内容均为优化设计过程中的比较方案从中可以看出一个边坡加固工程的决策所经历的多方位的方案比较过程本节内容的以下特点值得重视
(1) 对于已经发生了滑坡的工程在加固设计时采用的强度指标应与反分析相匹配如果用原来建议的强度指标去核算已发生滑坡的安全系数得出其值为0.6或0.7则说明加固设计采用的强度指标可能过于保守有必要考虑进一步优化
534 土质边坡稳定分析?原理
方法
程序
(2) 对于天然边坡坡内孔隙水压力主要是降雨引起的目前的水平不可能十分准确地予以确定此时根据边坡内的排水条件使用一个孔隙水压力系数r
u
并进行敏感分析可能是一个比较现实可行的方法
(3) 本节所列的一部分算例使用第8章介绍的STAB程序进行抗滑桩和挡土墙加固边坡的功能可供进行类似工程设计的人员参考
13,14 本章附录
13,14,1 本章数据表13.42
表 13,42 本 章 数 据 文 件
有关章节 系列号 数据文件名 内容
13.1
13-01 13-1.ZIP 蒲城电厂张家沟灰坝
13.2
13-02 13-2.ZIP 公伯峡水电站堆石坝
13.3 13-03 13-3.ZIP 小浪底水利枢纽大坝
13.4 13-04 13-4.ZIP 三峡工程3坝段坝基深层抗滑稳定分析
13.5 13-05 13-5.ZIP 小浪底库岸河岸边坡稳定分析
13.6 13-06 13-6.ZIP 宜兴抽水蓄能电站上池
13.7 13-07 13-7.ZIP 紫坪铺水库左岸堆积体
13.8 13-08 13-8.ZIP 徐村水电站溢洪道边坡
13.9 13-09 13-9.ZIP 天生桥厂房高边坡
13.10 13-10 13-10.ZIP 乌鲁瓦提面板堆石坝
13.11 13-11 13-11.ZIP 黄河三盛公水利枢纽拦河闸
13.12 13-12 13-12.ZIP 日照电厂蔡家滩灰场挡灰堤
13.13 13-13 13-13.ZIP 紫坪铺工程2#导流洞出口滑坡稳定分析
