穩定滲流期低均質壩上游壩坡的抗滑穩定性

陳偉恒

摘 要：規范指出，均質壩穩定滲流期上游壩坡的抗滑穩定安全系數最小值出現在1/3壩高水位附近。文章總結了四座均質壩上游壩坡的穩定性，發現規范的結論成立是有條件的，并對計算上游壩坡穩定性提出建議。

關鍵詞：均質壩；上游壩坡；抗滑穩定

由單一土料填筑的土石壩即為均質壩。均質壩在土石壩中占的比重很大。一般地，壩高低于30m的土石壩為低壩，壩高在30m～70m的土石壩為中壩，壩高大于70m的土石壩為高壩。本文所討論的對象為低均質壩。

碾壓式土石壩設計規范SDJ218-84（簡稱“舊規范”）和文獻[2]、[4]均指出，穩定滲流期只需核算下游壩坡的穩定性即可。而碾壓式土石壩設計規范SL274-2001（簡稱“新規范”）則要求計算大壩穩定滲流期的上游壩坡穩定性，并指出，穩定滲流期的上游壩坡存在不利水位，在不利水位時，會出現穩定安全系數比正常蓄水位或空庫時低的情況。對于均質土壩，不利水位約為壩高的1/3。規范不斷總結經驗，對不利水位的規定是合理的。但容易使人覺得，穩定滲流期均質壩只需核算不利水位時上游壩坡，則其他水位不必另行計算。本文結合工程實踐，總結四座均質壩的上游壩坡穩定性，發現僅計算不利水位是不夠的。

四座均質壩壩高分別為24.3m、14.7m、14.9m、26.3m，壩體填土、壩基試驗指標見下表：

表1

大壩編號 A B C D

壩體填土 γ/kN·m-3 18.10 18.9 17.84 18.54

γ′/kN·m-3 9.31 9.58 8.77 9.91

c′/kPa 23.20 16.10 21.30 11.00

φ′/° 25.70 30.80 19.60 36.90

壩基 γ/kN·m-3 18.50 19.40 17.25 20.11

γ′/kN·m-3 9.49 10.21 8.19 11.50

c′/kPa 27.50 15.50 17.80 16.10

φ′/° 22.60 19.20 15.60 36.00

計算方法采用瑞典圓弧法，公式如下：

孔隙水壓力采用簡化處理，土條重量W按新規范確定的原則執行。計算過程：先采用軟件Autobank計算某一水位下的穩定滲流，然后利用計算出來的浸潤線，用軟件hhSlope計算該水位下的上游壩坡穩定安全系數最小值K。在不同水位（變化范圍為正常蓄水位～死水位）下重復上述過程，得到水位Z～安全系數K曲線，計算成果如下圖：

圖1 壩基為可滑動土層時水位～安全系數曲線

從圖1可以看出，大壩A～C隨著水位降低，安全系數是遞減的，降低速度逐漸變慢，但是并沒有出現拐點，在1/3壩高水位附近安全系數不是最小值。大壩D的安全系數則出現了拐點，在1/3壩高水位附近安全系數達到最小值與規范一致。

新規范未給出，穩定滲流期均質壩上游壩坡安全系數，總是出現在1/3壩高水位附近結論成立的條件。

分析四個壩的滑弧情況、壩基土層參數，發現大壩D壩基抗剪強度指標較大，最危險圓弧均只穿過壩體，未進入壩基土層。故本次更改大壩A、B、C的壩基抗剪指標為不可剪切破壞土層，即令指標取值很大，取c′=1000kPa，φ′=45°。采用同樣的辦法，計算水位～安全系數曲線，成果如下圖：

圖2 壩基為不可滑動土層時水位～安全系數曲線

圖2中所有大壩水位～安全系數曲線都出現了拐點，即安全系數都出現了最小值，且最小值都出現在1/3壩高水位附近，與新規范是完全一致。

從以上討論可以看出：（1）若壩基土層抗剪強度很高，滑裂面不能從其中穿過，則均質壩上游壩坡最小安全系數發生在不利水位處，這就是新規范的結論；（2）若壩基土層抗剪強度不高，滑裂面可以從壩基穿過，則最小安全系數發生在1/3壩高水位以下。新規范結論成立的條件是：壩基土良好，不會發生剪切破壞，或只考慮壩體填土自身的抗滑穩定性，不考慮壩基土層的影響。

壩基處理要滿足滲流控制、靜力和動力穩定、允許沉降量和不均勻沉降量等方面的要求。由于大壩建設年代的條件限制，筆者遇到的低均質壩大部分壩基處理都未清理到抗剪強度很高的巖土層上，多建在沖積層、殘積土甚至軟粘土上，因此，核算上游壩坡穩定滲流期的抗滑穩定性時，認為只需計算1/3壩高水位時的安全系數就找到了最小的安全系數是不妥當的。

土質邊坡的抗滑穩定問題是相當復雜的問題，目前沒有公式概括和指出最小安全系數的位置和大小。通過STAB、hhSlope、GeoSlope等軟將進行邊坡穩定大量的計算尋求最小安全系數被證明是可行、可靠的。對于粗略計算，可以用軟件計算1/3壩高水位附近及以下水位的抗滑穩定安全系數，從中篩出最小值；對于重要的工程，應該制作上游水位～安全系數曲線，尋找最小安全系數的位置和大小。

參考文獻

[1] 水利行業標準.碾壓式土石壩設計規范（SL 274-2001）.

[2] 陳祖煜.土質邊坡穩定分析—原理·方法·程序[M].中國水利水電出版社，2003.

[3] 水利行業標準.碾壓式土石壩設計規范（SDJ 218-84）.

[4] 水利水電規劃設計總院.碾壓式土石壩設計手冊.1989.

摘 要：規范指出，均質壩穩定滲流期上游壩坡的抗滑穩定安全系數最小值出現在1/3壩高水位附近。文章總結了四座均質壩上游壩坡的穩定性，發現規范的結論成立是有條件的，并對計算上游壩坡穩定性提出建議。

關鍵詞：均質壩；上游壩坡；抗滑穩定

由單一土料填筑的土石壩即為均質壩。均質壩在土石壩中占的比重很大。一般地，壩高低于30m的土石壩為低壩，壩高在30m～70m的土石壩為中壩，壩高大于70m的土石壩為高壩。本文所討論的對象為低均質壩。

碾壓式土石壩設計規范SDJ218-84（簡稱“舊規范”）和文獻[2]、[4]均指出，穩定滲流期只需核算下游壩坡的穩定性即可。而碾壓式土石壩設計規范SL274-2001（簡稱“新規范”）則要求計算大壩穩定滲流期的上游壩坡穩定性，并指出，穩定滲流期的上游壩坡存在不利水位，在不利水位時，會出現穩定安全系數比正常蓄水位或空庫時低的情況。對于均質土壩，不利水位約為壩高的1/3。規范不斷總結經驗，對不利水位的規定是合理的。但容易使人覺得，穩定滲流期均質壩只需核算不利水位時上游壩坡，則其他水位不必另行計算。本文結合工程實踐，總結四座均質壩的上游壩坡穩定性，發現僅計算不利水位是不夠的。

四座均質壩壩高分別為24.3m、14.7m、14.9m、26.3m，壩體填土、壩基試驗指標見下表：

表1

大壩編號 A B C D

壩體填土 γ/kN·m-3 18.10 18.9 17.84 18.54

γ′/kN·m-3 9.31 9.58 8.77 9.91

c′/kPa 23.20 16.10 21.30 11.00

φ′/° 25.70 30.80 19.60 36.90

壩基 γ/kN·m-3 18.50 19.40 17.25 20.11

γ′/kN·m-3 9.49 10.21 8.19 11.50

c′/kPa 27.50 15.50 17.80 16.10

φ′/° 22.60 19.20 15.60 36.00

計算方法采用瑞典圓弧法，公式如下：

孔隙水壓力采用簡化處理，土條重量W按新規范確定的原則執行。計算過程：先采用軟件Autobank計算某一水位下的穩定滲流，然后利用計算出來的浸潤線，用軟件hhSlope計算該水位下的上游壩坡穩定安全系數最小值K。在不同水位（變化范圍為正常蓄水位～死水位）下重復上述過程，得到水位Z～安全系數K曲線，計算成果如下圖：

圖1 壩基為可滑動土層時水位～安全系數曲線

從圖1可以看出，大壩A～C隨著水位降低，安全系數是遞減的，降低速度逐漸變慢，但是并沒有出現拐點，在1/3壩高水位附近安全系數不是最小值。大壩D的安全系數則出現了拐點，在1/3壩高水位附近安全系數達到最小值與規范一致。

新規范未給出，穩定滲流期均質壩上游壩坡安全系數，總是出現在1/3壩高水位附近結論成立的條件。

分析四個壩的滑弧情況、壩基土層參數，發現大壩D壩基抗剪強度指標較大，最危險圓弧均只穿過壩體，未進入壩基土層。故本次更改大壩A、B、C的壩基抗剪指標為不可剪切破壞土層，即令指標取值很大，取c′=1000kPa，φ′=45°。采用同樣的辦法，計算水位～安全系數曲線，成果如下圖：

圖2 壩基為不可滑動土層時水位～安全系數曲線

圖2中所有大壩水位～安全系數曲線都出現了拐點，即安全系數都出現了最小值，且最小值都出現在1/3壩高水位附近，與新規范是完全一致。

從以上討論可以看出：（1）若壩基土層抗剪強度很高，滑裂面不能從其中穿過，則均質壩上游壩坡最小安全系數發生在不利水位處，這就是新規范的結論；（2）若壩基土層抗剪強度不高，滑裂面可以從壩基穿過，則最小安全系數發生在1/3壩高水位以下。新規范結論成立的條件是：壩基土良好，不會發生剪切破壞，或只考慮壩體填土自身的抗滑穩定性，不考慮壩基土層的影響。

壩基處理要滿足滲流控制、靜力和動力穩定、允許沉降量和不均勻沉降量等方面的要求。由于大壩建設年代的條件限制，筆者遇到的低均質壩大部分壩基處理都未清理到抗剪強度很高的巖土層上，多建在沖積層、殘積土甚至軟粘土上，因此，核算上游壩坡穩定滲流期的抗滑穩定性時，認為只需計算1/3壩高水位時的安全系數就找到了最小的安全系數是不妥當的。

土質邊坡的抗滑穩定問題是相當復雜的問題，目前沒有公式概括和指出最小安全系數的位置和大小。通過STAB、hhSlope、GeoSlope等軟將進行邊坡穩定大量的計算尋求最小安全系數被證明是可行、可靠的。對于粗略計算，可以用軟件計算1/3壩高水位附近及以下水位的抗滑穩定安全系數，從中篩出最小值；對于重要的工程，應該制作上游水位～安全系數曲線，尋找最小安全系數的位置和大小。

參考文獻

[1] 水利行業標準.碾壓式土石壩設計規范（SL 274-2001）.

[2] 陳祖煜.土質邊坡穩定分析—原理·方法·程序[M].中國水利水電出版社，2003.

[3] 水利行業標準.碾壓式土石壩設計規范（SDJ 218-84）.

[4] 水利水電規劃設計總院.碾壓式土石壩設計手冊.1989.

摘 要：規范指出，均質壩穩定滲流期上游壩坡的抗滑穩定安全系數最小值出現在1/3壩高水位附近。文章總結了四座均質壩上游壩坡的穩定性，發現規范的結論成立是有條件的，并對計算上游壩坡穩定性提出建議。

關鍵詞：均質壩；上游壩坡；抗滑穩定

由單一土料填筑的土石壩即為均質壩。均質壩在土石壩中占的比重很大。一般地，壩高低于30m的土石壩為低壩，壩高在30m～70m的土石壩為中壩，壩高大于70m的土石壩為高壩。本文所討論的對象為低均質壩。

碾壓式土石壩設計規范SDJ218-84（簡稱“舊規范”）和文獻[2]、[4]均指出，穩定滲流期只需核算下游壩坡的穩定性即可。而碾壓式土石壩設計規范SL274-2001（簡稱“新規范”）則要求計算大壩穩定滲流期的上游壩坡穩定性，并指出，穩定滲流期的上游壩坡存在不利水位，在不利水位時，會出現穩定安全系數比正常蓄水位或空庫時低的情況。對于均質土壩，不利水位約為壩高的1/3。規范不斷總結經驗，對不利水位的規定是合理的。但容易使人覺得，穩定滲流期均質壩只需核算不利水位時上游壩坡，則其他水位不必另行計算。本文結合工程實踐，總結四座均質壩的上游壩坡穩定性，發現僅計算不利水位是不夠的。

四座均質壩壩高分別為24.3m、14.7m、14.9m、26.3m，壩體填土、壩基試驗指標見下表：

表1

大壩編號 A B C D

壩體填土 γ/kN·m-3 18.10 18.9 17.84 18.54

γ′/kN·m-3 9.31 9.58 8.77 9.91

c′/kPa 23.20 16.10 21.30 11.00

φ′/° 25.70 30.80 19.60 36.90

壩基 γ/kN·m-3 18.50 19.40 17.25 20.11

γ′/kN·m-3 9.49 10.21 8.19 11.50

c′/kPa 27.50 15.50 17.80 16.10

φ′/° 22.60 19.20 15.60 36.00

計算方法采用瑞典圓弧法，公式如下：

孔隙水壓力采用簡化處理，土條重量W按新規范確定的原則執行。計算過程：先采用軟件Autobank計算某一水位下的穩定滲流，然后利用計算出來的浸潤線，用軟件hhSlope計算該水位下的上游壩坡穩定安全系數最小值K。在不同水位（變化范圍為正常蓄水位～死水位）下重復上述過程，得到水位Z～安全系數K曲線，計算成果如下圖：

圖1 壩基為可滑動土層時水位～安全系數曲線

從圖1可以看出，大壩A～C隨著水位降低，安全系數是遞減的，降低速度逐漸變慢，但是并沒有出現拐點，在1/3壩高水位附近安全系數不是最小值。大壩D的安全系數則出現了拐點，在1/3壩高水位附近安全系數達到最小值與規范一致。

新規范未給出，穩定滲流期均質壩上游壩坡安全系數，總是出現在1/3壩高水位附近結論成立的條件。

分析四個壩的滑弧情況、壩基土層參數，發現大壩D壩基抗剪強度指標較大，最危險圓弧均只穿過壩體，未進入壩基土層。故本次更改大壩A、B、C的壩基抗剪指標為不可剪切破壞土層，即令指標取值很大，取c′=1000kPa，φ′=45°。采用同樣的辦法，計算水位～安全系數曲線，成果如下圖：

圖2 壩基為不可滑動土層時水位～安全系數曲線

圖2中所有大壩水位～安全系數曲線都出現了拐點，即安全系數都出現了最小值，且最小值都出現在1/3壩高水位附近，與新規范是完全一致。

從以上討論可以看出：（1）若壩基土層抗剪強度很高，滑裂面不能從其中穿過，則均質壩上游壩坡最小安全系數發生在不利水位處，這就是新規范的結論；（2）若壩基土層抗剪強度不高，滑裂面可以從壩基穿過，則最小安全系數發生在1/3壩高水位以下。新規范結論成立的條件是：壩基土良好，不會發生剪切破壞，或只考慮壩體填土自身的抗滑穩定性，不考慮壩基土層的影響。

壩基處理要滿足滲流控制、靜力和動力穩定、允許沉降量和不均勻沉降量等方面的要求。由于大壩建設年代的條件限制，筆者遇到的低均質壩大部分壩基處理都未清理到抗剪強度很高的巖土層上，多建在沖積層、殘積土甚至軟粘土上，因此，核算上游壩坡穩定滲流期的抗滑穩定性時，認為只需計算1/3壩高水位時的安全系數就找到了最小的安全系數是不妥當的。

土質邊坡的抗滑穩定問題是相當復雜的問題，目前沒有公式概括和指出最小安全系數的位置和大小。通過STAB、hhSlope、GeoSlope等軟將進行邊坡穩定大量的計算尋求最小安全系數被證明是可行、可靠的。對于粗略計算，可以用軟件計算1/3壩高水位附近及以下水位的抗滑穩定安全系數，從中篩出最小值；對于重要的工程，應該制作上游水位～安全系數曲線，尋找最小安全系數的位置和大小。

參考文獻

[1] 水利行業標準.碾壓式土石壩設計規范（SL 274-2001）.

[2] 陳祖煜.土質邊坡穩定分析—原理·方法·程序[M].中國水利水電出版社，2003.

[3] 水利行業標準.碾壓式土石壩設計規范（SDJ 218-84）.

[4] 水利水電規劃設計總院.碾壓式土石壩設計手冊.1989.