第三章-土石坝及堤防.doc

第三章 土石坝与堤防
教学要求：掌握土坝的工作原理、工作特点和分类；掌握作用在土坝坝顶高程计算方法和土坝的剖面拟定的方法；掌握土坝渗流计算的水力学方法和稳定分析的基本方法；掌握土坝地基的处理方法；熟悉土坝土料选用和施工要求、土坝排水设施构造和坝基处理方法。
第一节 概述
土石坝是指由土料、石料或土石混合料，采用抛填、碾压等方法堆筑成的挡水坝。堤坊是沿河岸构筑的护岸建筑物，大多数采用土石坝的结构形式，在许多方面土石坝与堤坊都存在共性。由于结构简单、施工方便、可就地取材和投资低等特点，因而土石坝是应用最为广泛和发展最快的一种坝型，也是历史最为悠久的坝型。
一、土石坝的工作原理
土石坝是土石材料的堆筑物，主要利用土石颗粒之间的摩擦、粘聚特性和密实性来维持自身的稳定、抵御水压力和防止渗透破坏。一般来说，土石坝为维持自身稳定需要较大的断面尺寸，因而有足够的能力抵御水压力。因此，土石坝工程主要面对两个问题：确保自身稳定和防止渗透破坏。其中自身稳定包括滑坡、沉陷和冲刷问题。
1、滑坡
由于土石材料为松散体，抗剪强度低，主要依靠土石颗粒之间的摩擦和粘聚力来维持稳定，没有支撑的边坡是填筑体稳定问题的关键。所以，土石坝失稳的型式，主要是坝坡的滑动或坝坡连同部分坝基一起滑动，影响坝体的正常工作，甚至导致工程失事。为确保土石填筑体的稳定，土石坝断面一般设计成梯形或复合梯形，而且边坡较缓，通常1:1.5～1:3.5。
此外，渗流也是影响坝体稳定的重要因素。
2、渗流
水库蓄水后，土石坝迎水面与背水面之间形成一定的水位差，在坝体内形成由上游向下游的渗流。渗流不仅使水库损失水量，还会使背水面的土体颗粒流失、变形，引起管涌和流土等渗透破坏。在坝体与坝基、两岸以及其他非土质建筑物的结合面，还会产生集中渗流现象。
防止渗流破坏的原则是“前堵后排”，在坝前（迎水面）采取防渗、防漏的工程措施，减少渗流量，同时要尽量排除渗入坝体的水量，降低渗流对坝体的不利影响。
3、沉陷
由于土石颗粒之间存在较大的孔隙，在外荷载的作用下，易产生移动、错位，细颗粒填充部分孔隙，使坝体产生沉降，也使土体逐步密实、固结。如果土石坝颗粒级配不合理，沉降变形、不均匀会产生裂缝，破坏坝体结构，也会降低坝顶高程，使坝的高度不足。土石坝的沉陷与坝体、坝基的土石材料有关，因此，土石坝设计需要考虑土石材料选用、坝基处理、填筑工艺等因素，筑坝时应有适量的超填。
4、冲刷
土石坝为散粒结构，抗冲能力低，受到波浪、雨水和水流作用，会造成冲刷破坏。因此，土石坝坝坡要设置护面结构，特别是迎水面要防止波浪影响，是护面的重点。背水坡面要设置排水沟，防止雨水对坝面的冲刷。土石坝的溢洪道和引水涵一般远离坝区布置，以面冲刷坝体。土石堤防还要采用各种护脚措施，例如抛石和模袋混凝土护脚，或设置丁坝。
二、土石坝的类型
（一）按坝高分类
根据我国SL274—2001《碾压式土石坝设计规范》的规定：土石坝按其坝高可分为低坝、中坝和高坝。高度在30以下的为低坝，高度在30～70m为中坝，高度在70m以上为高坝。
（二）按施工方法分类
1、碾压式土坝
碾压式土坝的施工方法是用适当的土料、以合理的厚度分层填筑，逐层压实而成的坝。碾压填筑是应用最广的土坝施工方法，本章主要讲述这类型土坝。
2、水力冲填坝
以水力为动力完成土料的开采、运输和填筑全部筑坝工序而建成的土坝。利用水力冲刷泥土形成泥浆，通过泵或沟槽将泥浆输送到土坝填筑面，泥浆在土坝填筑面沉淀和排水固结形成新的填筑层，这样逐层向上填筑，直至完成整个坝体填筑。
3、定向爆破堆石坝
利用定向爆破方法，将河两岸山体的岩石爆出、抛向筑坝地点，形成堆石坝体，经过人工修整，浇筑防渗体，即可完成坝体建筑。
（三）按坝体材料的组合和防渗体的材料、相对位置分类
按坝体材料可分为土坝、土石混合坝和堆石坝三种，见图3－1。
1、土坝
土坝是用土料填筑而成的挡水坝。根据土料的分布情况，土坝还可分为均质坝、粘土心墙坝或斜墙坝、人工材料心墙坝或斜墙坝和多种土质坝。均质坝采用单一土料填筑，要求土料具有一定的防渗性能。粘土心墙坝或斜墙坝是采用防渗能力强的粘土作防渗体，设在坝体中上游位置，两边用透水性较大但抗剪强度较大的土料填筑。人工材料心墙坝或斜墙坝则是采用防渗能力强的人工材料，如沥青混凝土、钢筋混凝土作防渗体，设在坝体中上游位置，两边用土料填筑。多种土质坝采用多种土料填筑，一般要设防渗心墙或斜墙。
2、土石混合坝
多种土质坝的下游部分采用砂砾石料时，就构成土石混合坝。
3、堆石坝
坝体绝大部分采用石料堆筑的坝，需要设置防渗心墙或斜墙。
堤坊大多选用土石材料，其形式与土石坝类似，后文均称土石坝。

图3－1 土石坝的类型
第二节 土石坝剖面设计
土坝剖面设计是土坝设计的主要内容，包括坝顶高程、坝顶宽度、上下游坝坡、防渗结构、排水结构及其细部构造。设计步骤：计算坝顶高程，根据具体要求和经验拟定剖面，进行渗流计算，最后进行坝坡稳定分析，根据稳定分析的结果判断坝剖面的合理性。一般需要多次重复以上步骤，直至得到合理的剖面。本节主要介绍土坝剖面尺寸拟定，渗流和稳定分析在后面介绍。
一、坝顶高程
坝顶高程要保证挡水需要，同时要防止波浪超越坝顶，有些海堤允许波浪越顶，但也需要控制。坝顶高程按水库静水位加上防浪超高来确定，碾压式土石坝设计规范（SL274－2001）规定，按下列运用条件计算，取其大者：
（1）设计洪水位加正常运用条件的坝顶超高；
（2）正常蓄水位加正常运用条件的坝顶超高；
（3）校核洪水位加非常运用条件的坝顶超高；
（2）正常蓄水位加非常运用条件的坝顶超高，再加地震安全超高。
当上游设防浪墙时，以上确定的坝顶高程改为防浪墙顶高程。此时，在正常运用情况下，坝顶高程应高于静水位0.5m；在非常运用情况下，坝顶高程应高于静水位。
堤防堤顶高程按设计洪水位或设计高潮位加超高，且1、2级堤防的超高不应小于2.0m。
超高的计算公式如下：
（3－1）
式中R为波浪在坝坡上的爬高，m；e为最大风壅水面高度，m；A为安全加高，m。
1、波浪爬高R（Rp）
波浪爬高与累积频率有关，一般用Rp表示，P为累积频率（％）。对于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级土石坝取累积频率P＝1％的波浪爬高值R1%，对于Ⅳ、Ⅵ级土石坝取累积频率P＝5％的波浪爬高值R15。对于不允许越浪的堤防取累积频率P＝2％的波浪爬高值R2%；对于允许越浪的堤防取累积频率P＝13％的波浪爬高值R31%。
当坝坡为m=1.5～5.0时，Rp的计算公式为
（3－2）
式中为斜坡的糙率及渗透系数，见表3－1；为经验系数，与有关，见表3－2；为计算风速，见第二章；Hm为坝前水域平均水深，m；为爬高累积频率换算系数，见表3－3；、为平均波高和波长，由式（3－3）～（3－6）计算。
表3－1 斜坡的糙率及渗透系数
护面类型

护面类型

光滑不透水护面（沥青混凝土）
1.0
砌石护面
0.75～0.85
混凝土板护面
0.9
抛填两层块石（不透水地基）
0.6～0.85
草皮护面
0.85～0.90
抛填两层块石（透水地基）
0.5～0.55
表3－2 经验系数

≤1
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
>5.0

1.0
1.02
1.08
1.16
1.22
1.25
1.28
1.30
表3－3 爬高累积频率换算系数
P（％）

1
2
5
13
<0.1
2.23
2.07
1.84
1.54
0.1～0.3
2.08
1.94
1.75
1.48
>0.3
1.86
1.76
1.61
1.40
平均波高和波长采用莆田试验站的计算公式。
1）平均波高hm用式（3－3）计算
（3－3）
式中D为风区长度，见第二章；其余同前。
2）平均波长Lm采用式（3－4）～（3－6）计算
当时，为深水波，其波长计算公式为
（3－4）
其中
（3－5）
当时，为浅水波，其波长计算公式为
（3－6）
2、最大风壅水面高度e
最大风壅水面高度用式（3－7）计算
（3－7）
式中K为综合摩阻系数，其值在（1.5～5.0）×10-6之间，计算时可取3.6×10-6；为风向与坝轴法线的夹角；其余同前。
3、安全加高A
（1）土石坝安全加高，根据坝等级和运行情况确定，见表3－4。
表3－4 土石坝安全加高（m）
运行情况
坝的级别
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ、Ⅴ
正常
1.5
1.0
0.7
0.5
非常
0.7
0.5
0.4
0.3
（2）堤防工程安全加高，根据堤防等级（见表3－5）和是否允许越浪来确定，见表3－6。
表3－5 堤防工程等级
防洪标准［重限期（年）］
≥100
<100，且≥50
<50，且≥30
<30，且≥20
<20，且≥10
堤防工程级别
1
2
3
4
5
表3－6 堤防工程安全加高（m）
堤防工程级别
1
2
3
4
5
不允许越浪堤防工程的安全加高
1.0
0.8
0.7
0.6
0.5
允许越浪堤防工程的安全加高
0.5
0.4
0.4
0.3
0.3
二、坝顶宽度
坝顶宽度主要满足运行、施工、交通和人防等要求。无特殊要求时，高坝的最小坝顶宽度一般为10～15m，中低坝为50～10；有交通要求时，应按交通规定确定。
堤防工程最小堤顶宽度见表3－7。
表3－7 堤防工程堤顶宽度（m）
堤防工程级别
1
2
3～5
堤防工程的堤顶宽度
>8.0
>6.0
>3.0
三、坝坡
坝坡应根据坝型、坝高、坝体材料和坝基情况，还要考虑坝体承受的荷载、施工和运用条件等因素，通过技术经济分析比较确定。一般方法是：根据经验初步拟定坝坡，再进行渗流和稳定分析，根据分析计算结果修改坝坡，直至获得合理的坝坡。
较高的土石坝采用边坡方式，一般每隔10～30m高度边坡，边坡处设马道，宽度1.5～2.0m。
一般坝坡为1:2.0～1:4.0，初拟坝坡时，可参照表3－8和3－9。
表3－8 均质坝坝坡经验数据
坝高（m）
马道
坝坡
宽度（m）
级数
上游坡
下游坡
<15.0
1.5
1
1:2.50（上）
1:2.75（下）
1:2.25（上）
1:2.50（下）
15～25
2.0
2
1:2.75（上）
1:3.00（下）
1:2.50（上）
1:2.75（下）
25～35
2.0
3
1:2.75（上）
1:3.00（中）
1:3.50（下）
1:2.50（上）
1:2.75（中）
1:3.00（下）
表3－9 心墙坝坝坡经验数据

坝壳部分
心墙部分
坝高（m）
马道
坝坡
顶宽（m）
边坡
宽度
（m）
级数
上游坡
下游坡
<15.0
1.5
1
1:2.25（上）
1:2.50（下）
1:2.0（上）
1:2.25（下）
1.5
1:0.2
15～25
2.0
1～2
1:2.50（上）
1:2.75（下）
1:2.25（上）
1:2.50（下）
2.0
1:0.15～0.25
25～35
2.0
3
1:2.75（上）
1:3.00（中）
1:3.50（下）
1:2.50（上）
1:2.75（中）
1:3.00（下）
2.5
1:0.15～0.25
此外，对于面板堆石坝，上游坝坡采用1:1.4～1:1.7，下游坝坡为1:1.3～1:1.6。
第三节 渗流分析
一、渗流分析的概述
1、渗流分析的目的
土石坝基本剖面确定后，需要通过渗流分析检验坝体及坝基的安全性，并为坝坡稳定分析提供依据。计算内容有坝：体浸润线、渗流出逸点的位置、渗透流量和各点的渗透压力或渗透坡降，并绘制坝体及坝基内的等势线分布图或流网图等。

2、计算工况
根据土石坝的运行情况，渗流计算的工况应能涵盖各种不利运行条件及其组合，一般需要计算的工况有：（1）上游正常蓄水位与下游相应的最低水位；（2）上游设计洪水位与下游相应的水位；（3）上游校核洪水位与下游相应的水位；（4）库水位降落时上游坝坡稳定最不利的情况。

3、计算方法
渗流分析的依据是大西定律和连续方程，各向同性的三维渗流分析基本方程为：
（3－8）
稳定流基本方程为：
（3－9）
方程（3－8）或（3－9）在简单渗流区域内，可以解析求解，但绝大部分情况是难于解析求解的。比较成熟的计算方法是数值计算法，但需要专用程序计算。近似计算方法主要有水力学法，计算公式简单，便于应用，但精度较差。一般对于1、2级坝和高坝应采用数值法计算确定渗流场各因素，其它可采用水力学公式法计算。

二、渗流分析的水力学法
假设铅直线上各点的渗流坡降均相等，并可用浸润线导数来表示，即。那么，渗流的达西定律可以写成微分方程表达式：
（3－10）
式中x为渗流沿程坐标；y为浸润线高度坐标；k为渗透系数；v为渗透流速。
设渗流单宽流量为q，则由式（3－）可得：
（3－11）
式（3－11）为浸润线微分方程，其解为
（3－12）
式中H1为上游水深；q1为坝体单宽渗流流量。对于心墙坝和斜墙坝，上式变为：
（3－13）
式中h为防渗体后水深。
土坝浸润线基本公式为式（3－12）或式（3－13），其中q1、h为待定常数，其求解方程见表3－10。
单宽渗流量，q2为坝基渗流量，见表3－10。
水力学公式计算法对边界条件进行近似处理得到的，各种教科书提供的公式都有一定的差异，引用时需要仔细分析选用。对于特殊情况，可以按照以上基本原理和边界条件进行推求。

表3－10 渗流计算基本方程
坝型
计算简图
基本方程
备注
均质坝，无排水设施

，
，
先求解a0。
L0为坝底宽度。
均质坝，棱体排水

，
L0为上游坝脚至棱体上游点D的宽度。
均质坝，褥垫排水

，

心墙坝

，
先求解h。
带截水墙的斜墙坝

，
先求解h。
带水平铺盖的斜墙坝

，
先求解h。
表中k、ke、kT分别为坝体、防渗体和坝基的渗透系数；T为透水地基深度；L0为排水体上游起点前的坝底宽度；n为坝基渗径修正系数，见表3－12；；m1、m2、m3分别是上游坝坡、下游坝坡和排水棱体上游边坡坡比；。
表3－12 坝基渗径修正系数
L0/T
20
5
4
3
2
1
n
1.15
1.18
1.23
1.30
1.44
1.87

二、渗流分析的数值计算法
（一）边界条件
渗流的数值计算法，就是用数值方法求解方程（3－8）或（3－9），待求函数为渗流水头：
（3－14）
式中z为计算点位置高程；p为渗透水压力；γ为水容重。
求解边界条件为：上下游水面以下的坝面是等水头面，渗流水头为常数，即
（3－15）
；不透水地基是流面，渗透水透的法向导数为0，即
（3－16）
；浸润线满足式（3－16）和；自由渗出段也满足。
利用专用程序计算，直接输出浸润线计算结果和等势线图。例如某土坝计算输出的等势线图，见图3－2。

图3－2 某土坝浸润线和渗流等势线图
图中上下游水头差为H，则。
（二）流网的应用
（1）渗透坡降
渗透坡降是判别渗流安全与否的重要参数。设计算点等势线的距离为，相应两等势线的水头（势能）差为，则渗透坡降为
（3－17）
一般需要计算渗流出逸点、坝脚附近的渗透坡降。
（2）渗流量
渗流量是衡量土石坝防渗的重要指标。计算时，取一等势线量取流线的距离和相应相交点等势线的，那末单宽流量为
（3－18）
三、土石坝的渗流变形及其防治措施
土坝及地基中的渗流，由于其机械或化学作用，可能使土体产生局部破坏，称为“渗透破坏”。严重的渗透破坏可能导致工程失事，因此必须加以控制。
（一）渗透变形的型式（分类）
（一）
渗透变形的型式及其发生、发展、变化过程，与土料性质、土粒级配、水流条件以及防渗、排渗措施等因素有关，一般可归纳为：管涌、流土、接触冲刷、接触流土、接触管涌等类型。最主要的是管涌和流土两种类型。

n 1、管涌

坝体或坝基中的细土壤颗粒被渗流带走，逐渐形成渗流通道的现象称为管涌或机械管涌。
管涌一般发生在坝的下游坡或闸坝的下游地基面渗流逸出处。没有凝聚力的无粘性砂土、砾石砂土中容易发生管涌；粘性土的颗粒之间存在有凝聚力（或称粘结力），渗流难以将其中的颗粒带走，一般不易发生管涌。
管涌开始时，细小的土壤颗粒被渗流带走；随着细小颗粒的大量流失，土壤中的孔隙加大，较大的土壤颗粒也会被带走；如此逐渐向内部发展，形成集中的渗流通道。使个别小颗粒土在孔隙内开始移动的水力坡降，称为管涌的临界坡降；使更大的土粒开始移动从而产生渗流通道和较大范围破坏的水力坡降，称为管涌的破坏坡降。
n 单个渗流通道的不断扩大或多个渗流通道的相互连通，最终将导致大面积的塌陷、滑坡等破坏现象。

2、流土

在渗流作用下，成块的土体被掀起浮动的现象称为流土。
流土主要发生在粘性土及均匀非粘性土体的渗流出口处。发生流土时的水力坡降，称为流土的破坏坡降。

3、接触冲刷

当渗流沿两种不同土壤的接触面或建筑物与地基的接触面流动时，把其中细颗粒带走的现象称为接触冲刷。

4、接触管涌

当渗流垂直作用于两种不同土壤的接触面时，渗流可能将其中一层的细颗粒带到另一层的粗颗粒中去的现象成为接触管涌。
接触管涌一般发生在粘土心（斜）墙与坝壳砂砾料之间、坝体或坝基与排水设施之间、坝基内不同土层之间的渗流中。

5、接触流土、

当渗流垂直作用的两种不同土壤中的一层为粘性土时，渗流可能将粘性土成块地移动，从而导致隆起、断裂或剥蚀等现象成为接触流土。
（二）渗透变形的判别
渗流类型与土体的颗粒分布及其含量有关，是由内在因素决定的；至于会不会发生渗透变形还要根据外部因素—渗透坡降来判别。因此，渗透变形的判别包括两个方面：渗透类型与发生条件。

1、渗透变形型式的判断
1、
判断土体可能产生何种型式的渗透变形是比较困难的，目前尚无严格意义上的理论计算方法，主要是根据实验资料和工程经验得出的一些经验性的判断方法。

水利部和交通部共同管辖的南京水利科学研究院提出的也是以土体中的细粒（粒径小于2mm的）含量作为判断依据的方法，并提出了界限值的计算公式：
（3－19）

式中：n为土体孔隙率；为修正系数，一般取为0.95～1.00。
判据：当土体中的细粒含量大于上式计算出的时，可能产生流土；当土体中的细粒含量小于上式计算出的时，可能产生管涌。
本方法在实用上比较简便，相对较准确。
2、渗透变形的临界坡降

（1）管涌的临界坡降
对于大中型工程，应通过管涌试验来确定管涌的临界坡降。对于中小型工程及初步设计时，且当渗流方向由下向上时，可用南京水利科学研究院的经验公式计算：
（3－20）
式中 d3为相应于粒径曲线上含量为3％的粒径，cm；其余同前。
容许渗透坡降［J］，可由渗透变形的临界坡降除以安全系数来确定。安全系数应根据建设物的级别和土壤的类别选定，一般为2～3。
容许渗透坡降［J］也可参照不均匀系数选用：10<<20的非粘性土，［J］＝0.2；>20的非粘性土，［J］＝0.1。其中d60为土体的粒径，表示土体中小于该粒径的土体占总土重的60%；d10表示土体中小于该粒径的土体占总土重的10%；

（2）流土的临界坡降
当渗流方向由下向上时，常采用沙太基公式：
（3－21）
式中G为土粒比重；其余同前。
南京水利科学院建议上式再乘上1.17。
容许渗透坡降也要采用一定的安全系数，一般来说，对于粘性土，取1.5；对于非粘性土，取2.0～2.5。
第四节 土石坝稳定分析
一、概述
土石坝是由散颗粒体堆筑而成，依靠土体颗粒之间的摩擦力来维持其整体性，为此必须采用比较平缓的边坡，因而形成肥大的断面，以致有足够的强度抵挡上游水压力。所以，土石坝的稳定性主要是指边坡稳定问题，如果土石坝的边坡稳定性能得到保证，则其整体稳定性也就能得到保证。
摩尔认为：土体的破坏，主要是剪切破坏，即：一旦土体内任一平面上的剪应力达到或超过了土体的抗剪强度时，土体就发生破坏。土石坝边坡稳定性就是边坡的抗剪强度问题。土石坝结构、土料和地基的性质以及工况条件等因素决定边坡的失稳形式。通常主要有滑坡、塑性流动和液化形式。其中滑坡主要
以下几种形式：
（1）
曲线滑动（如图3－3所示）
。曲线滑动的滑动面是一个顶部稍陡而底部渐缓的曲面，多发生在粘性土坝坡中。在计算分析时，通常简化为一个圆弧面。

图3－3 曲线滑动示意图
（2）直线和折线滑动面（如图3－4所示）
。在均质的非粘性土边坡中，滑动面一般为直线；当坝体的一部分淹没在水中时，滑动面可能为折线。在不同土料的分界面，也可能发生直线或折线滑动。

图3－4 直线滑动示意图
（3）复式滑动面（如图3－5所示）。
复式滑动面是同时具有粘性土和非粘性土的土坝中常出现的滑动面型式。复式滑动面比较复杂，穿过粘性土的局部地段可能为曲线面，穿过非粘性土的局部地段则可能为平面或折线面。在计算分析时，通常根据实际情况对滑动面的形状和位置进行适当的简化。

图3－5 复式滑动示意图
二、荷载及其组合和稳定安全系数的标准
（一）荷载及其组合
1、基本荷载
土石坝的荷载主要包括自重、水压力、渗透力、孔隙压力、浪压力、地震惯性力等，大多数荷载的计算与重力坝相似，详见第二章。其中土石坝主要考虑的荷载有：自重、渗透力、空隙压力等，分述如下。
（1）自重
土坝坝体自重分三种情况来考虑，即：在浸润线以上的土体，按湿容重计算；在浸润线以下、下游水面线以上的土体，按饱和容重计算；在下游水位以下的土体，按浮容重计算。
（2）渗透力
渗透力是在渗流场内作用于土体的体积力。沿渗流场内各点的渗流方向，单位土体所受的渗透力，其中γ为水的容重；J为该点的渗透坡降。
（3）孔隙压力
粘性土在外荷载的作用下产生压缩，由于土体内的空气和水一时来不及排出，外荷载便由土粒和空隙中的空气与水来共同承担。其中，由土粒骨架承担的应力称为有效应力，它在土体产生滑动时能产生摩擦力；由空隙中的水和空气承担的应力称为孔隙压力u，它不能产生摩擦力。因此，孔隙压力是粘性土中经常存在的一种力。
土壤中的有效应力为总应力σ与孔隙压力u之差，因此土壤的有效抗剪强度为：
（3－22）
式中：为内摩擦角，c为凝聚力。
孔隙压力的存在使土的抗剪强度降低，从而使坝坡的稳定性也降低。因此在土坝坝坡稳定分析时，应予以考虑。
孔隙压力的大小与土料性质、土料含水量、填筑速度、坝内各点荷载、排水条件等因素有关，且随时间而变化。因此，孔隙压力的计算一般比较复杂，且多为近似估计。具体计算可参考有关文献。
2、荷载组合
根据《SL274－2001 碾压式土石坝设计规范》，土石坝施工、建设、蓄水和水库水位降落的各个时期在不同荷载作用下，应分别计算其稳定性。土石坝稳定分析的荷载组合主要有：
（1）正常工作条件。①水库上游水位处于正常蓄水位和设计洪水位与死水位之间的各种水位的稳定渗流期；②水库水位在上述范围内经常性的正常降落情况；③抽水蓄能电站的水库水位的经常性变化和降落。
（2）非常运用情况。①施工期；②校核洪水位有可能形成稳定渗流的情况；③水库水位的非常降落，如自校核洪水位降落、降落至死水位以下、大流量快速泄空等。
（二）土石坝坝坡稳定安全系数标准
根据《SL274－2001 碾压式土石坝设计规范》第8.3.9条规定：对于均质坝、厚斜墙坝和厚心墙坝，宜采用计及条间作用的简化毕肖普法；对于有软弱夹层、薄斜墙坝的坝坡稳定分析及其他任何坝型，可采用满足力和力矩平衡的摩根斯顿－普赖斯等滑楔法。
表3－13 按简化毕肖普法计算时的容许最小抗滑稳定安全系数
运用条件
工程等级
1
2
3
4、5
正常运用
1.50
1.35
1.30
1.25
非常运用
1.30
1.25
1.20
1.15
正常运用+地震
1.20
1.15
1.15
1.10
《SL274－2001 碾压式土石坝设计规范》第8.3.11条还规定：采用不计条间作用力的瑞典圆弧法计算坝坡抗滑稳定安全系数时，对1级坝正常运用条间最小安全系数应不小于1.30，对其他情况应比表3－13规定值减小8％。
《SL274－2001 碾压式土石坝设计规范》第8.3.12条还规定：采用滑楔法进行稳定计算时，如假设滑楔之间作用力平行于坡面和滑底斜面的平均坡度，安全系数应满足上表中的规定；若假设滑楔之间作用力为水平方向，安全系数应满足上述第8.3.11条的规定。
三、土料抗剪强度指标
土的抗剪强度指标主要指总抗剪强度指标（凝聚力c和内摩擦角）和有效抗剪强度指标（凝聚力和内摩擦角）。通常可以采用室外原位测试方法测定，或室内剪切试验方法确定。
《SL274－2001 碾压式土石坝设计规范》规定了不同时期（施工期、稳定渗流期和水库水位降落期）、不同土类的抗剪强度指标的测定方法和计算方法，见表3－14。
表3－14 抗剪强度指标的测定和应用
控制稳定的时期
强度计算方法
土类
使用仪器
试验方法与代号
强度指标
试样起始状态
施工期
有效应
力法
无粘性土
直剪仪
慢剪
，
填土用填筑含水量和填筑密度的土,地基用原状土
三轴仪
排水剪（ S或CD）
粘性土
饱和度小于80%
直剪仪
慢剪
三轴仪
不排水剪测孔隙压力(Q或uu)
饱和度大于80%
直剪仪
慢剪
三轴仪
固结不排水剪测孔隙压力(Q或cu)
总应
力法
粘性土
滲透系数＜10-7 cm/s
直剪仪
快剪
Cu，
任何滲透系数
三轴仪
不排水剪(Q或uu)
稳定滲流期和水库水位降落期
有效应
力法
无粘性土
直剪仪
慢剪
，
Ccu，
同上,但要预先饱和,而清润线以上的土不需饱和
三轴仪
排水剪（ S或CD）
粘性土
直剪仪
慢剪
水库水位降落期
总应
力法
粘性土
三轴仪
固结不排水剪测孔隙压力(Q或cu
三、土石坝边坡稳定计算
目前所采用的土石坝坝坡稳定分析方法的理论基础是极限平衡理论，即：将土看作是理想的塑性材料，当土体超过极限平衡状态时，土体将沿着某一破裂面产生剪切破坏，出现滑动失稳现象。
所谓极限平衡状态是指土体某一面上导致土体滑动的滑动力，刚好等于抵抗土体滑动的抗滑力。计算的关键是滑动面的形式的选定，一般有圆弧、直线、折线和复合滑动面等。对粘性土填筑的均质坝或非均质坝多为圆弧；对非粘性土填筑的坝，或以心墙、斜墙为防渗体的砂砾石坝体，一般采用直线法或折线法；对粘性土与非粘性土填筑的坝，则为复合滑动面。
（一）圆弧法
1、瑞典圆弧法
瑞典圆弧法是目前土石坝设计中坝坡稳定分析的主要方法之一。该方法简单、实用，基本能满足工程精度要求，特别是在中小型土石坝设计中应用更为广泛。
假设滑动面为一个圆柱面，在剖面上表现为圆弧面。将可能的滑动面以上的土体划分成若干铅直土条，不考虑土条之间作用力的影响，作用在土条上的力主要包括：土条自重、土条底面的凝聚力和摩擦力。
瑞典圆弧法安全系数定义为：土条在滑动面上所提供的抗滑力矩与滑动力矩之比。

图3－6 圆弧滑动法条分示意图
按有效应力法计算时，瑞典圆弧法安全系数KC为
（3－23）
式中：Wi为第i土条的自重；Q、V为水平和垂直地震惯性力；u为作用于土条上的孔隙水压力；、Ci’分别为按总应力法计算时采用的抗剪强度指标摩擦系数和凝聚力；αi为第i土条沿滑动面的坡角；bi为土条宽度；Mc为水平地震惯性力对圆心的力矩；R为圆弧半径。
按总应力法计算时，上式中、Ci’i应改为、C， 同时令ui为0。《SL274－2001 碾压式土石坝设计规范》第8.3.2条规定：土石坝各种工况，土体的抗剪强度均应采用有效应力法；粘性土施工期和粘性土库水位降落期，应同时采用总应力法。
2、简化的毕肖普法
瑞典圆弧法的主要缺点是没有考虑土条间的作用力，因而不满足力和力矩的平衡条件，所计算出的安全系数一般偏低。
毕肖普法是对瑞典圆弧法的改进。其基本原理是：考虑了土条水平方向的作用力（与，即≠），忽略了竖直方向的作用力（切向力，与，即令==0）。如图。由于忽略了竖直方向的作用力，因此称为简化的毕肖普法。

图3－7 考虑条间作用力的毕肖普法土坝坝坡稳定计算示意图
毕肖普法是目前土坝坝坡稳定分析中使用得较多的一种方法。毕肖普法的安全系数计算公式为：
（3－24）
式中符号同前。
上式中，两端均含有KC，必须用试算法或迭代法求解。
3、最危险圆弧位置确定
圆弧法计算需要选定圆弧位置——圆心位置和圆弧半径，但很难确定最危险圆弧位置（对应最小安全系数），一般是在一定范围内搜索，经过多次计算才能找到最小安全系数。确定搜索范围有两种方法：
（1）B.B方捷耶夫法。最小安全系数范围见图3－8中的bcdf，a点为边坡中点，ca为垂直线；R内、R外见表3－15。
（2）费兰钮斯法。最小安全系数范围在M1M2连线上，参数、见表3－16。

图3－8 最小安全系数范围图
表3－15 R内、R外值
坝坡
1:1
1:2
1:3
1:4
1:5
1:6

R内
0.75
0.75
1.0
1.5
2.2
3.0
R外
1.50
1.75
2.30
3.75
4.80
5.50
表3－16 、值
坝坡
1:1.5
1:2.0
1:3.0
1:4.0

26
25
25
25

35
35
35
36
（三）折线滑动面的稳定分析
1．折线滑动部位
可能发生直线、或折线、或复合面滑动的部位包括：
① 发生在非粘性土的坝坡中。例如：心墙坝的上、下游坝坡，斜墙坝的下游坝坡，等；
② 发生在两种不同材料的接触面。例如：斜墙坝的上游保护层滑动，斜墙坝的上游保护层连同斜墙一起滑动，等。
2．稳定计算方法
采用滑楔法分析计算。
如图3-11，ADC为滑动面（对上游坝坡，折点一般在上游水位对应处），从折点铅直向DE将滑动土体分为两部分：BCDE楔形体和ADE楔形体。
① 对BCDE楔形体
其作用力主要有：楔形体自重W1、平行于DC的两土块之间的作用力P（ADC楔形体对BCDE楔形体的抗滑力）、土体自重在滑动面DC上产生的摩擦力。
则BCDE楔形体沿DC滑动方向的极限平衡方程为
（3－27）
② 对ADE楔形体
其作用力主要有：楔形体自重W2、平行于DC的两土块之间的作用力P（BCDE楔形体作用在ADC楔形体上的滑动力）、土体自重在滑动面AD上产生的摩擦力。
则ADE楔形体沿AD滑动方向的极限平衡方程为
（3－28）
联立式（3－27）和式（3－28），可求得滑动体的安全系数KC和土块间的作用力P。

图3－9 滑楔法计算示意图
（四）复合滑动面的稳定分析
当滑动面通过不同土料时，常有直线与圆弧组合的型式。
例如：厚心墙坝的滑动面，通过砂性土的部分为直线，通过粘性土的部分为圆弧；
当坝基下不深处存在软弱夹层时，滑动面可能通过软弱夹层而形成复合滑动面，等。

图3－10 坝基有软弱夹层时的稳定计算示意图
如图，将滑动土体划分为abf、bcef、cde三个区。
取bcef为脱离体，土体abf作用于土体bcef的推力为Pa，土体cde作用于土体bcef的推力为Pn，土体bcef产生的抗滑力为Gtgψ+cl，则滑动面的稳定安全系数为
（3－29）
求Pa和Pn，可以采用试算法。
（1）将土体abf和土体cde分别分成若干条块（图中分为3块），假设各条块间的推力近似为水平。
（2）先拟定一个安全系数KC，推求各条块对下一条块的推力。土体abf作用于土体bcef的推力为Pa；土体cde作用于土体bcef的推力为Pn。
对Pa，从左边开始推求，因为最左边的条块的Pa=0；
对Pn；从右边开始推求，因为最右边的条块的Pn =0。
（3）将Pa和Pn代入式（8－5－7）中，求出滑动面的安全系数KC。如果求得的安全系数KC与假设的安全系数KC不同，则重新假设KC，重复计算，直至两者相等为止。
（4）为了得出最危险滑动面上的最小安全系数，一般要多假设几个ab弧和cd弧的位置，进行多次试算。
第五节 土石坝的坝基处理
土坝对地基的要求比混凝土坝低，一般不必挖除地表透水土壤和砂砾石等。但是，为了满足渗透稳定、静力和动力稳定、容许沉降量和不均匀沉降等方面的要求，保证坝的安全经济运行，也必须根据需要对地基进行处理。
对所有土石坝的坝基，首先应完全清除表面的腐殖土，可能形成集中渗流和可能发生滑动的表层土石，然后根据不同的地基情况采用不同的处理措施。
一、岩基处理
针对土石坝的特点，岩基的处理，主要应注意以下几点：
1．岩基上的覆盖层
对中、低土石坝，只需将防渗体坐落在基岩上，形成截水槽以隔断渗流即可。对高土石坝，最好挖除全部覆盖层，使防渗体和坝壳均建在基岩上。
2．防渗体与基岩的连接
防渗体与基岩的接触面应紧密结合。以前多要求在防渗体的基岩面上浇筑混凝土垫层或混凝土齿墙。
但是，研究表面，混凝土垫层和齿墙的作用并不明显，受力条件不佳，易产生裂缝，因此，现在的发展趋势是将防渗体直接建在基岩上。

图3－11 心墙与基岩地连接型式
3．基岩内部防渗处理
主要是防渗帷幕。
4．对不良地质构造的处理
对断层、破碎带等不良地基构造，主要考虑起渗透稳定性和抗溶蚀性能，而不太看重其承载力和不均匀沉降。处理方法主要有：水泥灌浆或化学灌浆、混凝土塞、混凝土防渗墙、设置防渗铺盖等。
二、砂砾石地基处理
砂砾石具有足够的承载能力，压缩性不大，干湿变化对体积的影响也不大。但砂砾石地基的透水性很大，渗漏现象严重，而且可能发生管涌、流土等渗透变形。
因此，砂砾石地基的处理，主要是对地基的防渗处理。
（一）垂直防渗设施
垂直防渗是解决坝基渗流问