第13章 近坝岸坡稳定

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1、第十三章 近坝岸坡稳定目录第一节 概述一、水电工程边坡等级划分二、水电工程边坡设计基本任务三、水电工程边坡设计安全系数 第二节 水电工程边坡分类一、边坡的工程地质分类二、边坡的设计分类 第三节 水工建筑物边坡一、简述二、质量监督要点 第四节 泄水消能区边坡一、简述二、泄流雾化边坡三、质量监督要点 第五节 近坝库岸边坡 一、简述 二、高速滑坡形成机制三、滑速计算四、滑坡涌浪计算及模型试验五、滑坡涌浪防范六、质量监督要点第十三章 近坝岸坡稳定第一节 概述水电工程多修建在深山峡谷和山地丘陵区。在枢纽建筑物布置地段，水库区和下游泄洪消能 区以及移民安置区，常常有不同类型的边坡稳定问题需要解决。边坡工程

2、是水电工程的重要 组成部分，甚至成为控制工程安全、经济效益和造价、工期的重要因素。因此，评价和预测 这些边坡的稳定性并提出必要的治理方案是设计工作的重要组成部分。水电工程边坡有其特殊性。首先是水工建筑物多布置在山地峡谷区，组成边坡的地质体 和人工结构物共同组成了边坡工程，并以岩体边坡为主要研究对象，人工高边坡和临时边坡 问题非常突出；第二是水电工程强烈改变了自然岸坡稳定平衡条件，例如库、坝区地下水位 大幅度抬升；泄流水雾形成长时间强降水，强烈影响了边坡稳定性；第三是边坡所在部位不 同对工程修建和运行的影响也不同，与之相应其治理原则和设计标准也不同。鉴于国内外水电工程界尚无现成的边坡工程设计规范

3、、导则和标准，因此在编写本章教 材时除依托水电站基本建设工程验收规程SDJ275-1988和水利水电工程地质勘测规范 GB50287-1999以及水工建筑物设计规范有关条款外，边坡工程的“设计任务”和“标准” 是在总结我国水电工程实践的基础上编写的。教材内容则按本章题名“近坝岸坡稳定”涉及 的范围：包括“近坝库岸边坡”，“水工建筑物边坡”和“泄洪消能区边坡”三个部分。一、水电工程边坡等级划分根据水电工程边坡的位置、重要性和事故风险程度，将边坡分为三类，每类各三等 （表13.1）。表13.1水电工程边坡类别和等级表.类别等级甲类枢纽建筑物区边坡乙类 水库区边坡丙类 其它边坡一等水工建筑物地基边坡

4、坝前区边坡特殊情况，如交通干线边 坡二等建筑物上方边坡库岸重要建筑物和居民 区及航道邻近边坡重要建筑物、交通线和居 民区边坡三等下游消能区边坡库岸一般边坡一般边坡本章述及的“近坝岸坡”在上述分类中属于甲类枢纽建筑物一、二、三等边坡和乙类坝前区（近坝库岸）一等边坡，它们都是水电工程设计中重要的和事故风险程度突出的边坡。二、边坡工程设计基本任务边坡工程设计是在边坡工程地质勘察的基础上进行的。（一）边坡工程地质勘察 边坡工程地质勘察应提出边坡的工程地质条件和工程地质评价。主要内容是：1、边坡地形、地貌、基本地质条件；2、岩土体的组成成份和结构，岩土体及其中的结构面，尤其是变形主控界面的物理力学 特性

5、；3、边坡地应力场和渗流场特征；4、边坡的工程地质分类，边坡变形与破坏机制分析，边坡的稳定性及危害性评价和预测， 建议治理方案。（二）边坡工程设计边坡工程设计可分为边坡稳定分析和边坡治理设计两大部分。主要内容是：1、根据边坡的类别和等级建立边坡的力学模型，选择稳定分析方法，进行稳定和变形分 析计算，必要时还可进行地质力学模型试验，对边坡稳定性作出评价。2、对近坝库岸和下游泄水消能区边坡，必要时还须进行边坡失稳风险分析，即预测下滑 机制，下滑方量、滑速、水库滑坡涌浪危害及对河道淤积的影响等。3、针对不同类别或级别的边坡及不同治理目的，确定边坡治理的原则和方案。包括有 设计治理标准（施工期、运行期

6、或临时和永久）设计边坡的坡形和尺寸，减少滑动力的增稳措 施，增加滑动力的加固措施，坡面保护及排水措施等。4、确定施工程序和方法，必要时提出边坡监测设计方案。三、水电工程边坡设计安全系数 边坡设计安全系数是边坡稳定分析和处理设计中表征边坡稳定程度的一项重要指标。 目前水利水电工程普遍采用“材料强度储备安全系数”。边坡工程也不例外。这可能与水 利水电工程界求解坝基抗滑稳定问题的传统有关。由于设计的坝体重量和水荷载可以确知， 其它荷载变化较有规律，超载情况极少；而地质体存在复杂的不均一性、不连续性，控制岩（土） 体强度的岩石、结构面、和地下水等条件，尤其是在水库蓄水后水文地质条件剧变等，引起 的强度

7、弱化效应，难以全面查清，因此在使用强度参数时必须留有一定余地。在岩土工程界 和铁道、交通等部门则习惯采用“超载安全系数”。这是因为，地基、铁道边坡工程对边坡岩 体的改造基本是卸荷和排水，对岩体强度影响较小；边坡失稳常常是切穿坡脚，使下部失去 支撑，导致坡体上部剪应力剧增，超过抗剪强度而下滑。边坡失稳因素主要是超载，计算时 采用超载安全系数是较为接近实际情况的。考虑到水电工程边坡失稳条件不同，对与地下水 条件变化联系密切的边坡，即水工建筑物边坡，近坝库岸边坡及下游消能区边坡仍采用材料 强度储备安全系数是合适的。对于道路和其它一些临建工程边坡也可采用超载安全系数。在水利水电界，尽管已有大量的工程实

8、践，各勘测设计单位也都有类似的安全系数控制 标准，但一直没有统一规定。为提出一个可供参考的安全系数标准，我们调查研究了许多与边坡设计安全系数有关的 文献及一些相关规程规范。如岩土工程勘察规范（GB50021-94）,水工预应力锚固设计规 范（SL212-98）,水利水电边坡地质勘察技术规定（送审稿）；铁路系统的规定；八五科技 攻关期间水利水电工程边坡实例登录资料（有34个边坡提出有“允许安全系数”）；小浪底、 三峡船闸边坡等重点工程设计采用的安全系数；香港土木工程署关于边坡设计安全系数的有 关规定；以及国内学者的一些研究成果。经研究后认为水电工程边坡在安全系数讨论和确定 时应考虑下列因素：（一

9、）安全系数应随设计要求的目标不同而不同。在表13.1“水电工程边坡类别和等级”中,安全系数的概念主要用于甲类二等和部分三 等边坡。甲类一等边坡不但要用安全系数,应该与坝基、坝肩抗滑稳定的要求相一致,由于 该边坡的稳定和建筑物安全密切相关还要求用变形控制；乙类一等和部分甲类三等边坡,即 近坝库岸边坡和部分消能区边坡是允许有限度失稳和变形的,安全系数只表征边坡的稳定程 度,对工程的危害则主要受下滑方量和速度控制。（二）安全系数仅限用于边坡的滑动破坏方式。只有当边坡出现整体位移,或因边坡岩土 结构特征可能出现整体性位移时,方可用安全系数来表征边坡的稳定程度,否则易发生混乱。 例如安全系数就不适合对溃

10、屈、拉裂、倾倒变形岩体作稳定性评价,其稳定性评价方法可另 作专题研究。（三）安全系数计算不应区分“纯摩”和“剪摩”。这种套用坝基抗稳定分析方法到边坡稳 定计算的作法（纯摩安全系数一般要求为1.01.1,剪摩一般要求为2.53.0）,并同时满足 纯摩和剪摩的要求，在自然边坡和人工边坡中都是很难做到的。实际上水电系统许多勘测设 计院在计算边坡稳定安全系数时，已采用包括摩擦系数和凝聚力的实际抗剪或抗剪断强度。（四）安全系数与计算方法密切相关边坡稳定分析一般采用各种刚体极限平衡法。刚体极限平衡方法中最简单的是单面滑动 （单块滑动）和双面滑动（楔体滑动）,无须多谈。对较为复杂的滑体则采用条分法。这些方法

11、 在滑体中采用垂直的或其它形式的分条,假定分条之间的相互作用,计算这些分条和滑体达 到极限稳定时的安全系数。安全系数采用“材料强度储备系数”,表现为降低强度参数时的 除数；有些简化方法则采用“超载系数”,表现为增大荷载时的乘数。潘家铮在其专著建筑 物的抗滑稳定和滑坡分析中,对这些方法的基本假定及其适用性作了系统性的分析,简括 如下：1、瑞典条分法：假定剪切面是圆弧，不考虑分条间作用力；2、毕晓普法：不考虑分条间剪力，只考虑其间的水平作用力；3、传递系数法：假定分条间推力方向平行于上一分条的底面；4、詹布法：假定分条间推力作用点的位置（取在条块界面的下三分点）；5、假定分条间剪力分布方式的分析法

12、：毕晓普、摩根斯坦普来斯等都曾提出此类方法， 潘家铮也提出了较为简单的计算方法；6、分块极限平衡法：假定底滑面和分条间界面都达到极限平衡，潘家铮提出了简单情况 的计算方法。萨尔玛法属此类。潘家铮对刚体极限平衡计算的各种方法作原理分析和说明后， 又以这些方法对同一个具弧形滑面并有地下水位线的边坡，以同样的物理力学参数，对滑体 划分4个垂直条块作安全系数计算。现略去其具体的数据和计算过程，援引其以不同方法得 出的安全系数成果见表13.2表13.2不同计算方法安全系数比较方 法K值方法K值瑞典法1.375瑞典法（近似处理扬压 力）1.522毕晓普法1.385克莱法1.310适当考虑竖直剪力T的 毕晓

13、普法*1.445推力传递法1.475推力传递法（近似法）1.520詹布法1.480分块极限平衡法1.518*实际即潘家铮根据弹性理论提出条块间剪力分布形式的计算方法潘家铮指出：表中“左边部分所列方法，在理论上各有其根据，或其假定较能自圆其说， 它的出入，除瑞典法完全不计分块间的作用力外，主要是对分块间竖向力的假定不同。而且 随着竖向引用程度的增加，所得安全系数也逐渐增大。表的右边部分所列方法，则为一些习 用的近似处理法，在理论上有些欠缺之处，所得成果也不大好评论。就本例的情况来看，安 全系数取在1.451.48之间，可能较为合理。根据实际地质条件，采用最接近真实情况的计算模型和计算方法，才是最

14、合理的作法。 为在同一基础上比较不同边坡或同一边坡不同情况下的稳定性，对于较重要的边坡宜采用两 种或两种以上方法计算。目前，我国水电工程界比较流行的作法是：对土质边坡按园弧计算， 多采用瑞典法；岩质边坡单面滑动、楔体滑动按基本稳定计算公式计算；不规则滑面稳定计 算以传递系数法即表13.2中的推力传递法和萨尔玛法为基本方法。（五）水电工程边坡设计安全系数总结我国水电工程实践经验，在水电工程边坡设计中建议采用的安全系数见表13.3。表13.3水电工程边坡按类别和等级应采用的安全系数表类别及工况等级甲类枢纽建筑物区边坡乙类水库区与河道边坡丙类 其它边坡持久短暂偶然持久短暂偶然持久短暂偶然一等1.31

15、.51.11.3三 1.011.21.31.11.2三 1.011.21.31.11.2三 1.01二等1.21.31.11.2三 1.011.11.21.051.1三1.01.11.21.051.1三1.0三等1.11.21.051.1三1.01.051.11.011.05三1.01.11.21.011.05三1.0说明：1、安全系数应采用“强度储备安全系数”，以刚体极限平衡法确定。岩质边坡中有明显折线状滑面，岩体内有断裂结构面，岩体质量较好，特别是1、11类岩体，宜采用萨尔玛法，其余可采用垂直条分方法，有加固措施的人工边坡宜采用萨尔玛法；土质边坡宜采用圆弧法或垂直条分方法；2、初始稳定和初始变形边坡采用打一定折扣的峰值抗剪断强度，二次变形边坡采用抗剪强度残余值； 不稳定边坡应采用长期强度、屈服强度或临界状态的反算值；3、地下水压力应根据地下水位确定并按水力联系程度进行折减；4、