混凝土护坡对土质边坡稳定的影响.pdf

1引言 混凝土护坡对土质边坡稳定的影响 周 聪 颖 ( 四川大学水利 水电学院 刘 超 四川 成都6 1 0 0 6 5 ) 摘要利用瑞典圆弧法对不同的高度、 不同护坡厚度、 不同边坡系数以及不同坝体材料的土质边坡进 行抗滑稳定分析。结果表明， 与一般计算相比， 考虑护坡作用后， 即使护坡厚度很小， 稳定安全系 数也增加明显， 且随护坡厚度的增加而大幅增加； 坝越低， 稳定安全系数越大， 且随坝高的减小 而明显增加； 不同坝体材料土堤的稳定安全系数明显增加， 且增加幅度相似； 当边坡系数减小 时， 稳定安全系数随之减小。因此， 可从理论 出发， 选择更合适、 更贴切可行的实践方案， 以达到 节省投资的目的， 并且思考边坡在实际工程中的重要意义。 关键词 护坡； 混凝土； 抗滑； 凝聚力； 边坡系数； 稳定分析； 稳定安全系数 中图分 类号 ： 1 、 ， 8 7 1 文献标识码 ： A 混凝土护坡在明渠或堤 防工程的迎水 面使 用比较普遍 ，迎水面护坡 主要是为 了 防止波浪和水流冲刷 、漂浮 物等的撞击 以 及 冻冰挤压的破坏 ，一般采 用厚度不小 于 1 0 e m现浇混凝土 J l 。实际进行稳 定分析 时 一 般仅考虑堤体 自身稳定z F 3 ， 而未 考虑现 浇混凝土对稳定的影响 ；对堤 防护坡稳定 研究也 只集 中在护坡 自身稳定变形 。现 浇混凝土 护坡对 堤防稳 定是 否有影 响 ， 影 响效果如何 ， 是一个值得研究的问题 。 本文 表 3 正常水位 +地震荷载力矩计算表( 逆时针绕塔背公式采用) 重量 k N) 水 平力 力臂 弯矩 k N m) 项 目 名称 + ( k N) ( m) + 1 结 构 自重 6 7 o 0 7 1 1 6 6 2 4 4 3 5 8 7 0 5 2 水 自重 1 5 5 6 9 7 3 8 6 7 1 3 5 O l 2 6 l 3 浮托 力 3 8 4 2 O 4 6 7 4 3 2 8 5 5 6 7 1 9 4 静 水压 力 3 3 2 8 0 0 7 0 7 3 2 4 3 2 0 0 5 5 浪压力 4 2 2 2 O 3 O 1 6 1 2 7 3 4 o o 0 7 5 6 拦污 栅水压 差 3 0 7 3 3 3 5 O l O 7 5 6 5 7 冰压力 O 0 0 O o o 8 风压力 0 0 o 0 0 o 9 地震 惯性力 5 6 9 5 0 1 1 8 7 5 1 o 6 7 6 6 1 8 4 7 1 0 地震 动水压力 1 1 3 7 7 2 6 3 7 7 2 4 7 3 o o 9 6 5 l 1 塔基岩 抗力 O 0 o O 小计 8 2 5 7 6 8 4 3 8 4 2 O 4 6 4 0 8 4 2 3 2 5 7 9 6 7 5 3 1 4 3 6 6 3 47 2 合计 4 4 1 5 6 - 3 8 4 0 8 4 2 3 2 1 4 3 0 4 0 5 9 注 ： 对 竖井距 底板底 层 8 m高处 ( 塔 背基岩 中心点 ) 取距 ， 逆 时针 弯矩为正 。 k N m 。 对上述方程组求解， 可得结果如下： 进水口 塔体底板反力强度值为or。= 6 9 6 k N m 2 , 口2 = 1 6 6 4 4 k N m ；塔 背 基 岩 抗 力 强 度 值 P 。= 1 6 2 3 9 k N m ， P 2=2 1 9 0 2 k N ， m 。数值都在 允许范围之内 ，说 明计人岩体抗力之后， 塔 的整体稳定有保证，无需修正进水口塔体 布置及体 型尺寸 。 3总 结及 分析 根据 上述对 3 8团石 门水库 灌溉 发 电 洞 进水 口塔体 采用 不 同方 法进 行 稳定 分 析 的介 绍 ， 可 以得 到 以下结 论 ： 本 工程 灌 溉发 电洞进水 口型式采用 直立岸 塔式 ， 岸 塔 式进 水 口沿孔 口水流 方 向 的整体 稳 定 问 题 ， 既不 同 于重力 式拦 河 坝 ， 也不 同于 重力式挡土墙。后两者都是一侧受力， 另 一 侧 临 空 ， 完全 靠 自重维 持稳 定 ； 而 岸塔 式进 水 口则是 正 向承 受荷载 ， 背靠 岸坡 岩 体 ，靠 自重 和岸坡岩 体支撑 维持 稳定 ， 即 岸塔 式进 水 口是 镶嵌 在 L形 地 基上 的承 压建 筑物 ，可 将顺 流 向作 用 的荷 载 传递 于平地基和岸坡。其整体稳定 问题不会 像 重 力式 拦河 坝 和挡 土墙 那样 ，有 沿水 平 基 面 滑 动 的可 能 和 绕 趾 点 倾 覆 的 可 能 ，因此 在计算 中应 充分 考虑 进水 口塔 背 的岩 体抗 力 ，只 要基 底 应力 在 岩体 允 许应力或岩体允许抗力范围之 内，塔体 就不致发生整体失稳， 使计算结果与实际 更符合。陕西水利 参考文献 1 】 水 闸设计 ( S L 2 6 5 2 0 0 1 ) I S 北京： 中 国水 利 水 电 出版 社 ， 2 0 0 1 f 2 1 水 利 水 电 工 程 进 水 口 设 计 规 范 ( S L 2 8 5 2 0 0 3 ) 【 s 】 北京 ： 中国水 利水 电出版 社 2 0 0 3 I 3 】 溢洪道设计规 范( S L 2 5 3 2 0 0 0 ) S 北京 ： 中国水利水电 出版社 2 0 0 0 【 4 】 水 工 建 筑 物 荷 载 设 计 规 范 ( DL 5 0 7 7 1 9 9 7 ) I S 北京 ： 中国电力 出版社 ， 1 9 9 8 【 5 】 杨 欣先 ， 李彦硕 水电站进 水 口设 计 M】 大连 ： 大连理 工大学出版社 ， 1 9 9 0 ( 责任编辑 ： 黄灵芝 ) 0 ( ( ) 、 、 _ _ L 0 0 o 一 qi， 1 图 1 计算 滑弧示意 图 表 1 筑坝材料主要物理力学计算指标 非饱和固结快剪 参数 湿 容重 ( k N m 3 ) c( k P a ) 中( o ) 粉质 黏土 1 9 5 8 O l 9 O 坝体 土 粉 土 2 1 0 7 0 2 5 0 粉 砂 2 0 5 5 O 3 6 0 8 】 混凝土 护坡 2 3 O 2 o 0 O 4 3 0 表 2 不同土体和堤高的稳定系数 护坡厚 度( i n ) 高度 H( m) 坝 体土 O 0 0 O 1 O O 2 0 O 3 O 粉 质黏土 1 1 4 1 7 5 2 1 5 2 4 7 1 2 粉土 1 2 8 1 9 8 2 _ 3 5 2 6 3 粉砂 1 6 0 2 4 5 2 9 5 3 - 3 1 粉质 黏土 1 4 6 2 6 O 3 3 9 4 1 8 8 粉 土 1 5 5 2 I 8 0 3 5 3 4 2 6 粉砂 l - 8 5 3 4 3 4 2 O 4 9 6 粉 质黏 土 2 2 4 4 8 6 7 1 7 9 4 8 4 粉土 2 3 2 4 9 4 7 0 3 9 2 3 粉砂 2 6 O 5 7 0 7 9 O 1 O 1 l 图 2 不同堤高稳定 安全 系数随护坡厚度的变化 采用瑞典圆弧法分析了护坡和土体整体的稳 定性 ， 为实际工程提供参考 。 2计算原理方法 如图 1 ， 现浇混凝土护坡不 出现深 层整体 滑动 的前提 下 ，边坡失 稳必然是混凝 土护坡 自身破坏变形 ， 本文主要研究图 1 所示情况下 现浇混凝 土护坡对稳定提供的抗滑力 。 2 1土体 的稳定计算公式 采用瑞典 圆弧法 分析稳定性 ，不计入 护 坡时 ( 图 1 左 ) ， 根据稳 定安 全系数 =抗滑 力 矩 滑动力矩 ， 可得稳定安全系数 F s ： ( c 1 + w c o s “ 。ta n ) F = W Is l ni 2 2考虑护坡的稳定计算公 式 考虑护坡作 用时 ， 如 图 1 右 ， 增加 了护坡 的重力 ( w ) 以及凝 聚力 ( c ) 的影 响 ， 则 上式 可如下表示 ： ( c 。 。+ 。 + ( w + w ： )e o 一 ta n + ，) ( 2 ) ( w ，+ w ) s in c t 式 中， l2 i ， W ； 分别表示混凝 土护坡的凝聚力 产生的抗滑力以及重力。图 1 ( 右 ) 阴影部分的 土条 的 C 应考虑为混凝 土的 C、 中， C 2 0混 凝 土抗剪强度 约取 2 0 o O k P a 。本文 主要研 究考虑该部分 的凝 聚力后对 坝体稳定安 全系 数的影响。 3计算结果分析 3 1不同护坡厚度和土体材料的稳定分析 均 质 堤 坝 ，坝 高 H分 别 为 1 2 m、 8 m 和 4 m，迎水 面 为现 浇混 凝 土护 坡 ，边坡 系数 m= 1 5 ，护坡 厚 度 D分 别 为 0、 0 1 m、 0 2 m和 0 3 m， 分析竣工期无渗流影响时护坡对土质边 坡稳定的影响。各部分材料的主要力学计算 指标， 如表 l 。 按公式 2计 算最危 险滑 弧的相 关各项 ， 计算结 果如表 2 。 如表 2 ， 首先 ， 护坡厚度 的影 响： 考虑护坡 后稳定安 全系数 明显变 大 ， 以粉质黏 土为例 ， H= 1 2 m时 ， 护坡厚 度 D = 0 1 n l 、 0 2 n l 、 0 _ 3 m相 应的F s 在不考虑护坡作用的基础上分别提高 5 3 4 6 ， 8 7 8 4 ， 1 1 6 2 7 。其他两种土质和高 度 的安全 系数均 随护坡厚度的增大而增大 ， 说 明考虑护坡作 用后对土坡 的抗 滑稳定有 积极 作用。 其次 ， 坝体 高度 的影 响 ： 同一材料 、 同一厚 度时 ， 坝 越低 ， 安全 系数越大 ； 考虑 护坡后 ， 安 全系数随坝体高度的减小而变大，且高度越 低， 增加幅度越大。例如， 以粉质黏土为例， 护 坡厚 0 1 m，不 同坝高 H= 1 2m、 H= 81 11 、 H = 411 1 的 增 加 幅 度 分 别 为 ： 5 3 4 6 、 7 8 8 3 、 l 1 6 l4 5 。如图 2 。 第三 ， 坝体材 料 的影 响 ： 同一 高度 、 同一 厚度时 ， 坝 体材料颗粒越 细安全系数越 低 ， 即 F s ( 粉黏 ) F s ( 粉土 ) F s ( 粉砂 ) ， 考虑护坡后三 者增加幅度大致 相似 。护坡厚 度 D = 0 1 I n ， 坝 高 H = 1 2 I T I 时， 粉质黏土 、 粉土和粉砂的稳定 安 全系 数增加 幅度 分别 是： 5 3 4 6 、 5 5 4 1 、 5 2 6 2 。如图 3 。 通 过计算 分析表明 ： 考虑护坡作用 后 ， 即 使 较小厚度 ， 也使得土坡稳定安全 系数明显增 加 ， 且随护坡 厚度的增加 而增 加 ， 随坝体 高度 的减小而增加 ， 而在不 同材料 下 ， 增加 的幅度 大致相似。 3 2不同边坡系数的稳定分析 上述章节提到 ， 考虑护坡作用后稳定安全