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1、水工建筑物专题,主 讲：康 飞,大连理工大学 建设工程学部 水利工程学院 水利水电研究所,2019/10/17,第三章 边坡稳定分析与程序实现,第3章 边坡稳定分析与程序实现,本章要点： 1.掌握土石坝边坡稳定分析的要求和主要方法。 2.掌握边坡稳定分析的常用程序或软件。,3.1 概述,一、问题的引入 滑坡是一种重要的地质灾害，对人们的生命财产带来重大威胁。我国目前正处于经济建设高速发展的时期，滑坡给水利、铁路、公路、矿山建设带来巨大损失。 稳定分析是土石坝坡面设计和评价坝体安全的主要依据。稳定分析的可靠程度对坝的经济性和安全性具有重要影响。,世界重大滑坡举例,滑坡发生于2003年7月13日，
2、地处长江三峡支流青干河左岸，距三峡工程坝址约56km。滑坡体积约2400万m3。滑坡体顶高450m，剪出口高程102m，前缘没入青干河。产生的涌浪高达30m。堵江形成堰塞湖，形成堆石坝高程达149178m。 14 人死，10 人失踪，1100 多座房屋被毁。,三峡工程湖北库区秭归千将坪滑坡,地震液化引起圣费尔南多大坝上游坡滑坡（1971）,土坝滑坡实例,看以看出： 1.滑坡具有巨大的危害，因而我们要研究边坡的稳定性问题； 2.在设计土石坝边坡时，需要采用合理的方法评价其安全性和经济性。,土坡及滑坡体组成要素：(a)土坡；(b)滑坡体,二、滑坡及其组成要素 边坡指具有倾斜坡面的岩土体，边坡及滑坡
3、体得组成要素如图所示。 引起滑坡的根本原因在于土体内部某个面上的剪应力达到了抗剪强度，稳定平衡遭到破坏。,三、边坡稳定分析方法 定性分析方法：工程地质类比法、图解法、专家系统方法。 定量分析方法：实质是一种半定量的方法，评价结果为确定的数值，但最终判定仍依赖人为的判断。主要包括有极限平衡法、数值分析方法等。,3.2 摩尔-库伦强度理论,极限平衡法在工程中应用最为广泛，它以摩尔-库伦强度理论为基础，假设达到极限平衡状态时，土体将沿某一滑裂面产生剪切破坏而失稳。,为抗剪强度,为法向应力,分别为土的内摩擦角和粘聚力,摩尔-库伦强度理论：,为土的有效强度参数,土体在承受外力作用时，控制土的强度和变形的
4、是土骨架所承受的那部分应力，称为有效应力。有效应力法表达式：,为孔隙水压力,3.3 无粘性土坡稳定分析,一、一般情况下的无粘性土土坡 由于无粘性土土粒之间无粘聚力，因此，只要位于坡面上的土单元体能够保持稳定，则整个土坡就是稳定的。,一、一般情况下的无粘性土土坡 对于均质无粘性土坡，理论上只要坡角小于土的内摩擦角，土体就是稳定的。FS=1时，土体处于极限平衡状态，此时土坡的坡角就等于无粘性土的内摩擦角，也称休止角。,3.4 粘性土土坡条分法,粘性土由于土粒间存在粘聚力，发生滑坡时是整块土体向下滑动。假定滑坡体和滑面以下土体均为不变形的刚体，滑面为不连续面，滑面上各点的法向应力采用条分法获得，分析
5、每一土条受力，假定整个滑面上各点的安全系数相等，根据滑块刚体极限平衡条件，确定安全系数。,平均抗剪强度,平均剪应力,条分法示意图,条分法受力分析,将土坡作为平面问题，对每个土条可分别列两个正交方向的静力平衡方程和一个力矩平衡方程 ，n个土条共3n个方程，未知数多n-2个，为超静定问题，需增加方程个数或减少未知数。,条分法未知数统计,瑞典条分法：假设滑动面为圆弧面，不考虑条间力，即Ei=Xi=0，减少3n-3个未知数； 简化的Bishop条分法：假设滑动面为圆弧面，切向条间力Xi=0，减少n-1个未知数； 杨布条分法：假设滑动面为任意面，条间法向作用力的作用点在滑面以上1/3土条高度处，减少n-
6、1个未知数； 其他条分法：假设滑面为任意面，法向条间力和切向条间力之间为某种函数关系，减少n-1个未知数。,3.5 瑞典圆弧法,起源：1916年首先由瑞典彼得森提出，后经费伦纽斯(Fellenious)等改进，故简称为瑞典法或费伦纽斯法。,一、基本假设和基本公式 1.基本假设 滑动面为圆弧面 滑动土体为刚体 不考虑土条间的作用力，即认为左右两端作用力的合力为一对平衡力，作用相互抵消。,瑞典条分法受力分析,根据静力平衡条件,根据摩尔-库伦强度理论,整个滑动土体对圆心O取力矩平衡得,安全系数,当已知土条i在滑动面上的孔隙水应力ui时，上式可改写为如下有效应力进行分析的公式：,瑞典圆弧法忽略了条间力
7、的作用，不能满足所有静力平衡条件，计算安全系数一般比其他较严格的方法偏低10%-20%，在滑弧圆心角较大，且孔隙水压力较大时，计算安全系数可能比其他较严格的方法小一半。,二、成层土和坡顶有超载时安全系数计算,成层土计算图示,有超载计算图示,有超载时，只要将超载分别加到有关土条的重量中去即可。,三、有地下水和稳定渗流时安全系数计算,部分浸水土坡的安全系数，其计算公式与成层土坡完全一样，只要将坡外水位以下土的重度用浮重度代替即可。,P1、P2的合力与Gw1大小相等，方向相反，这相当于水下土条按浮重度计算。,当水库蓄水或库水降落，或码头岸坡处于低潮位而地下水位又比较高，或基坑排水时，都要产生渗流而经
8、受渗流力的作用，在进行土坡稳定分析时必须考虑它的影响。,四、考虑地震作用时安全系数计算,在地震区，由于地壳的振动而引起动力作用，将影响到边坡的稳定性，在分析时必须予以考虑。根据规范推荐的方法，采用拟静力法。,假定在地震时每一土条重心处作用着一个水平向的地震惯性力，对于设计烈度为8，9度的建筑物，则同时还要加上一个竖向的地震惯性力。由于这两个惯性力的影响，边坡的安全系数将减小。,3.5 边坡稳定分析程序实现-SLOPE/W,一、GeoStudio软件简介 该软件是全球著名的加拿大岩土软件开发商GEO-SLOPE公司在七十年代开发的面向岩土、采矿、交通、水利等领域的一套仿真分析软件。是全球最知名的
9、岩土工程分析软件之一。共有8个模块，常用的有下面四个。 SLOPE/W-边坡稳定分析 SEEP/W-渗流分析 SIGMA/W-应力变形分析 QUAKE/W-地震反应分析,GeoStudio软件主界面，辅助工具“有道桌面词典”,有道桌面词典主窗口,SLOPE/W主界面,二、瑞典圆弧法边坡稳定分析例1,边坡分为两层，坡面长高比为2:1（水平：竖向）。上层土厚度5m，坡面总高度10m。孔隙水压力条件由图中虚线表示。土层的强度参数如图所示。 目标：采用瑞典圆弧法计算边坡安全系数并确定滑动面位置。,瑞典圆弧法例1,1.创建一个新的项目,2.分析设定,3.设置工作区域尺寸 选择Set下拉菜单中的Page选
10、项，弹出如下对话框,4.设置比例 选择Set下拉菜单中的Set Units and Scale选项，弹出如下对话框,5.设置绘图网格 选择Set下拉菜单中的Grid选项，弹出如下对话框,对齐到网格,选上这两个复选框,设置完以后的窗口,6.绘制坐标轴 选择Sketch下拉菜单中的Axes选项，或点击菜单栏Sketch Axes按钮， 弹出如下对话框,选择OK,鼠标变为十字型，窗口状态中显示出Sketch Axes，表明目前正在进行的操作为绘制坐标轴。,改变坐标轴字体大小 选择View下拉菜单中的Preferences选项，弹出如下对话框,改变字体,7.绘制模型,绘制第一个材料区,绘制第二个材料区
11、,单击右键，结束操作，并点击Zoom Objective按钮,8.定义材料属性 在Keyin下拉菜单中选择Materials选项，在弹出的对话框中点击Add，添加材料。,9.给材料区域赋值 在Draw下拉菜单中选择Materials选项。,同样将Lower赋值给第二个材料区域，单击右键结束操作。,10.绘制孔隙水压力线 在Draw下拉菜单中选择Pore water pressure选项。,11.绘制滑动面入口和出口范围 为了控制滑动面的位置，在滑动面设置中有很多选项可以选择，其中一个方便的选项就是定义滑动面的入口和出口范围。在入口和出口间可以产生无数的滑动面，SLOPE/W能够根据入口和出口范
12、围自动搜索最危险滑动面。,手工计算只能计算某一个或几个滑动面的安全系数，这也是我们用计算机进行边坡稳定分析的原因之一。,选择Draw下拉菜单中的Slip Surface，在弹出的子菜单中选择Entry and Exit。,12.模型检验 所有的模型参数定义完之后，要检查模型是否定义正确，确保以后的计算正常进行。,13.保存模型 现在已经完成了模型的绘制和参数的设置，选择File菜单下的Save来保存文件，或者Save as另存为一个文件。,14.计算求解 用SLOPE/W的求解函数，计算边坡的安全系数。 选择Tools下拉菜单中的Solve analyses，弹出如下对话框,点击Start开始求解，求解完成后显示如下对话框,关闭求解对话框,15.查看结果 Contour函数可以采用图形化的方式查看计算结果。,查看结果按钮,在View下拉菜单中选择method，在弹出的如下对话框中选择Ordinary,显示计算结果,查看土条信息 点击Draw Slip Surfaces按钮,在弹出的对话框中点击View Slice Info，可以看到各土条信息,土条信息,瑞典圆弧法和算例完毕！,
