王銘梅 宋迪

摘 要：文章針對(duì)土石壩邊坡穩(wěn)定分析與計(jì)算方法進(jìn)行了系統(tǒng)的分析與整理，主要是對(duì)PC1500程序穩(wěn)定性理論分析中三種狀態(tài)進(jìn)行了分析并介紹了編制依據(jù)及使用情況。

關(guān)鍵詞：土壩；穩(wěn)定性；邊坡；程序

1 穩(wěn)定性理論分析

土壩的穩(wěn)定性破壞有滑動(dòng)、液化及塑性流動(dòng)三種狀態(tài)。

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

（2）壩體的液化是發(fā)生在用細(xì)砂或均勻的不夠緊密的砂料作成的壩體中，或由這種砂料形成的壩基中。液化的原因是由于飽和的松砂受振動(dòng)或剪切而發(fā)生體積收縮，這時(shí)砂土孔隙中的水分不能立即排出，部分或全部有效應(yīng)力即轉(zhuǎn)變?yōu)榭紫秹毫?，砂土的抗剪?qiáng)度減少或變?yōu)榱?，砂粒業(yè)就隨著水的流動(dòng)向四周流散了。

（3）土壩的塑性流動(dòng)是由于壩體或壩基內(nèi)的剪應(yīng)力超過(guò)了土料實(shí)際具有的抗剪強(qiáng)度，變形超過(guò)了彈性限值，不能承受荷重，使壩坡或者壩腳地基土被壓出或隆起，因而使壩體的壩基發(fā)生裂縫、沉陷等情況。軟粘性土的壩或壩基，如果設(shè)計(jì)不良，就容易產(chǎn)生這種破壞。

進(jìn)行壩坡穩(wěn)定計(jì)算時(shí)，應(yīng)該杜絕以上三種破壞穩(wěn)定的現(xiàn)象，尤其前兩種，必須加以計(jì)算以及研究。

2 PC1500程序編制依據(jù)及計(jì)算方法

2.1 編制依據(jù)及使用情況綜述

PC1500程序在計(jì)算方法方面采用了瑞典條分法和考慮土條水平側(cè)向力的簡(jiǎn)化畢肖甫法。從對(duì)土料物理力學(xué)指標(biāo)的不同選用又可分為總應(yīng)力法，有效應(yīng)力法和簡(jiǎn)化有效應(yīng)力法。程序規(guī)定，計(jì)算公式中無(wú)孔隙水壓力為總應(yīng)力法；計(jì)入孔隙水壓力為有效應(yīng)力法；令孔隙水壓力一項(xiàng)為零而將孔隙水壓力包含在土體重量的計(jì)算之中，稱為簡(jiǎn)化有效力法[1]。分別考慮了穩(wěn)定滲流期，施工期，水位降落期三種情況。程序按照“水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范”，“碾壓土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范”編制。

2.2 計(jì)算方法

PC1500程序安排了四種計(jì)算方式，即計(jì)算一個(gè)指定的滑弧，用優(yōu)選法連續(xù)計(jì)算，用網(wǎng)格法連續(xù)計(jì)算，用混合法連續(xù)計(jì)算[2]。所謂優(yōu)選法，是先給定圓心座標(biāo)X1、Y1，滑弧深度DP和它們各自的變化步長(zhǎng)。第一步，Y1，DP不變，X1變步長(zhǎng)算五次，找出最小安全系數(shù)所對(duì)應(yīng)的X1；第二步，X1，DP不變，Y1變步長(zhǎng)算五次，找出最小安全系數(shù)所對(duì)應(yīng)的Y1；第三步，X1Y1，不變，DP變步長(zhǎng)算五次，找出最小安全系數(shù)所對(duì)應(yīng)的DP，此時(shí)一個(gè)循環(huán)完成，如精度不滿足要求，將上一循環(huán)中最小安全系數(shù)對(duì)應(yīng)的X1Y1，DP為新的初始值，繼續(xù)計(jì)算，向最小安全系數(shù)逼近，直到滿足要求。

所謂網(wǎng)格法，要計(jì)算若干滑弧深度，對(duì)每一滑弧度計(jì)算過(guò)程如下：以給定滑弧圓心為中心，以大步長(zhǎng)向四周由49個(gè)點(diǎn)，逐一計(jì)算，找出安全系數(shù)最小的點(diǎn)，以該點(diǎn)為中心，以小步長(zhǎng)向四周布49個(gè)點(diǎn)，計(jì)算后就找出相應(yīng)該滑弧深度的最小安全系數(shù)。

混合法是先用網(wǎng)格法。將大步長(zhǎng)布下的49個(gè)點(diǎn)算完后，找出安全系數(shù)最小的點(diǎn)，轉(zhuǎn)入優(yōu)選法計(jì)算。混合法吸取了優(yōu)選法和網(wǎng)格法的優(yōu)點(diǎn)，即：滑弧位置分布適當(dāng)，優(yōu)化性強(qiáng)，計(jì)算度高；程序具有劃分土條寬度的功能，可繪出斷面圖及危險(xiǎn)滑弧位置；程序能輸出原始數(shù)據(jù)、中間成果、滑弧圓心位置座標(biāo)，滑弧深度及相應(yīng)的安全系數(shù)。

3 程序初始化設(shè)置

（1）建立坐標(biāo)系：坐標(biāo)原點(diǎn)O放在壩頂上，一般取在壩軸線與壩頂?shù)慕稽c(diǎn)處，規(guī)定X軸水平指向滑動(dòng)體滑動(dòng)方向?yàn)檎?，Y軸鉛直向下為正。

（2）節(jié)點(diǎn)編號(hào)：先壩面后壩內(nèi)，壩坡面節(jié)點(diǎn)編號(hào)必須沿壩坡面自X坐標(biāo)值最大一點(diǎn)到最小一點(diǎn)止。所編第一點(diǎn)的Y坐標(biāo)值即壩高（程序由此值選取地震慣性力分布系數(shù)），壩坡面上第一點(diǎn)和最后一點(diǎn)的X坐標(biāo)值的絕對(duì)值必須取得足夠大，以求保證所有滑弧都能與壩坡線交上，壩內(nèi)節(jié)點(diǎn)號(hào)不受先后限制，但所有編號(hào)必須連續(xù)，計(jì)算壩坡上不允許相鄰節(jié)點(diǎn)相距較大，否則要增加節(jié)點(diǎn)號(hào)。

（3）線條編號(hào)：任一區(qū)域均由封閉折線組成（即區(qū)域邊界），其中X坐標(biāo)最小的初始點(diǎn)和X坐標(biāo)最大的終點(diǎn)將這封閉折線分成上、下兩部分，僅對(duì)本區(qū)域上邊界線條編號(hào)，顯然，這是連續(xù)的、單值的。從第一區(qū)域起到最后一個(gè)區(qū)域，逐一對(duì)線條進(jìn)行編號(hào)。鉛直線條不必編號(hào)或?qū)⑵浞啪徍缶幪?hào)。

（4）編區(qū)域號(hào)：按土質(zhì)指標(biāo)不同劃分區(qū)域，分區(qū)編號(hào)順序?yàn)橄壬虾笙拢雀珊鬂裨偎?。區(qū)域初始點(diǎn)為本區(qū)域中X坐標(biāo)最小的節(jié)點(diǎn)，區(qū)域終點(diǎn)為本區(qū)域中X坐標(biāo)最大的節(jié)點(diǎn)。區(qū)域初始線為本區(qū)域中線條編號(hào)最小的線條。壩內(nèi)的浸潤(rùn)線應(yīng)是區(qū)域的邊界線。

（5）孔隙水壓力網(wǎng)格的繪制：結(jié)點(diǎn)成行列布置，各行必須水平，各列可傾向計(jì)算壩坡一側(cè)，但要求各列平行，將第1行（編號(hào)為0）中各結(jié)點(diǎn)X坐標(biāo)，第一列（編號(hào)為0）各結(jié)點(diǎn)的Y坐標(biāo)，及列線與鉛直線夾角的正切值輸入，并輸入各結(jié)點(diǎn)的孔隙水壓力值，程序即內(nèi)插求出土條底部中心線處的孔隙水壓力值，供有效應(yīng)力法計(jì)算時(shí)使用[3]。

4 程序的使用技巧

為了更好應(yīng)用PC1500程序，應(yīng)從以下幾個(gè)步驟進(jìn)行程序操作，即：（1）擬定壩體剖面和計(jì)算壩體浸潤(rùn)線；（2）確定數(shù)組中的控制變量21個(gè)，主要是確定其中的循環(huán)中心，它對(duì)于整個(gè)程序的運(yùn)行有著至關(guān)重要的作用，可以找到準(zhǔn)確而且最小的安全系數(shù)。（確定最危險(xiǎn)滑裂面圓心的范圍參見(jiàn)《土壩設(shè)計(jì)》上冊(cè)P312。）；（3）將壩體節(jié)點(diǎn)編號(hào)，計(jì)算上游壩體穩(wěn)定按順時(shí)針編號(hào)，X坐標(biāo)方向在上游壩坡，Y坐標(biāo)向下，下游壩體穩(wěn)定計(jì)算按逆時(shí)針編號(hào)，X坐標(biāo)方向在下游壩坡，Y坐標(biāo)向下；（4）線條編號(hào)先Ⅰ區(qū)域再Ⅱ區(qū)域最后Ⅲ區(qū)域，計(jì)算上游壩體穩(wěn)定按順時(shí)針編，下游壩體穩(wěn)定計(jì)算按逆時(shí)針編；（5）區(qū)域編號(hào)初始點(diǎn)是X坐標(biāo)最小點(diǎn)，終點(diǎn)是X坐標(biāo)最大點(diǎn)，然后線條編號(hào)最小點(diǎn)；（6）確定壩體和壩基的三個(gè)區(qū)域中的摩擦角，粘結(jié)力，容重；（7）將以上數(shù)據(jù)編6行數(shù)據(jù)組。運(yùn)行，調(diào)試，得出最小安全系數(shù)。

5 壩體浸潤(rùn)線計(jì)算即土壩滲流計(jì)算

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

6 結(jié)束語(yǔ)

應(yīng)用PC1500程序過(guò)程中，應(yīng)注意以下方面的問(wèn)題：在計(jì)算的過(guò)程中，下游的出逸點(diǎn)與壩體的滲流系數(shù)有很大的關(guān)系，滲流系數(shù)越大，逸出點(diǎn)越高。在壩體穩(wěn)定計(jì)算中，調(diào)試程序的時(shí)候，其他數(shù)據(jù)不可以變化的情況下，增加摩擦角，安全系數(shù)會(huì)增高，同樣的情況對(duì)于粘結(jié)力也是一樣的。總之對(duì)于整個(gè)土壩設(shè)計(jì)工作，土壩滲流和穩(wěn)定計(jì)算是很重要的，對(duì)于后面的設(shè)計(jì)有很大的關(guān)連，所以要作好這部分的工作。

參考文獻(xiàn)

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

[3]黃河水利委員會(huì)勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)院研究院.SL274-2001.碾壓土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)水利水電出版社，2002.

作者簡(jiǎn)介：王銘梅，女，漢族，高級(jí)工程師，學(xué)士學(xué)位，主要從事水文水資源方面工作。