 |
网络教育学院
本 科 生 毕 业 论 文（设 计）
题 目： 坝坡稳定性研究
学习中心：
层 次： 专科起点本科
专 业： 水利水电工程
年 级： 年 季
学 号：
学 生：
指导教师：
完成日期： 2021 年02月05日
内容摘要
坝坡稳定是水利工程中很受关注问题，坝坡失稳造成的滑坡运动不仅引起局部环境破坏，还危害和威胁人民生命财产的安全及经济建设的发展。本文论文主要对坝坡稳定的破坏原因、形式及防治的措施进行研究。首先针对坝坡稳定破坏进行调查，简单介绍滑坡危害，对坝坡稳定研究进行概述，分析坝坡失稳的原因并提出相应的防治措施。结合清平水库瓦窑堡水利工程坝坡失稳实例，进行具体的原因分析，并针对存在问题提出4条改进建议和防治措施。
关键词：坝坡；稳定；破坏原因；防治措施
目 录
4.1 坝针对滑坡现象，要做好监测工作.............................................................. 8
4.3 对滑坡外形进行改变，并设置一些抗滑的建筑.......................................... 9
5.2 监测仪器种类及布置情况.............................................................................. 13
引 言
边坡稳定性分析一直是岩土工程的一个重要研究内容。目前边坡稳定性的分析评价方法多种多样, 大体上可以将它们分为确定性分析方法和不确定性分析方法两类。尽管这些评价方法已经得到广泛应用, 但由于边坡稳定性受多种因素影响, 且各影响因素又具有复杂性和不确定性(如模糊性、信息的不完全性和未确定性, 因此确定性分析方法的分析结果与实际不能完全吻合, 而不确定性分析方法的准确性与实际情况之间又存在差距。目前,我国正大规模的开展基础设施的建设, 这为边坡工程的研究创造了良好的条件, 同时也需要加强对边坡工程稳定性分析评价方法方面的研究, 以指导工程的设计与施工。
1 坝坡稳定性概述
1.1 坝坡失稳的调查
坝坡失稳是指一定体积的边坡地质体，在荷载作用下失稳，沿着坡体内部一个或多个软弱面带发生的具有一定规模的顺坡下滑现象，多发生在山区、河流沿岸、暴雨区、蓄水区等。水利水电工程边坡、水库岸坡、河道岸坡、道路边坡等每年都会发生一些滑坡事故，甚至造成重大灾难。滑坡运动不仅造成局部环境破坏，而且还危害与威胁人民生命财产的安全及经济建设的发展。
统计资料显示，全球的滑坡灾害与人类活动密切相关，并且呈数量越来越多、规模越来越大、影响越来越广、经济损失越来越严重的趋势。近20年来，仅意大利、日本、美国、俄罗斯、印度、中国、捷克、奥地利、瑞士等国，各国每年因滑坡灾害所造成的经济损失，平均达15亿—20亿美元，总和平均每年达120亿—160亿美元。人类在利用自然和改造自然的过程中，遇到的滑坡问题越来越多，滑坡灾害的影响范围和程度日趋增大，滑坡灾害及其防治工程的分析研究也日益引起普遍关注。
1.2 滑坡的危害
坝坡的失稳将会产生滑坡，滑坡这类地质灾害的发生将给人民生命财产、工程设施、对地质、环境等方面都产生较大的危害。
（1）对人民生命财产的危害：规模较大的滑坡可摧毁城镇，砸毁建筑物，造成人畜伤亡。
（2）公共设施：滑坡可毁坏大坝、水电站、厂房，冲毁渠道和溢流设施等；滑坡是导致溃坝的主要原因，使大坝存在溃坝危险，对下游农田等造成毁坏；对道路交通产生较多不利影响；由于特殊的地形地貌，河流沿岸特别是峡谷地段多为滑坡灾害易发生段，滑坡发生后易阻塞河道，在较大程度地阻碍了航运的开展，甚至形成天然水库，形成洪水灾害。
（3）人民生活：滑坡的产生导致下游生活区供水供电受到影响，交通的破坏也影了救援的开展和物资的输入，严重影响了人民生活的正常开展。
（4）对环境的危害：滑坡使植被遭到破坏，地表涵养水分能力减弱，水土流失增强，导致当地地质环境、生态环境进一步恶化，更加速了滑坡地质灾害的形成与发展。
1.3 研究课题的提出
随着国民经济的不断发展，水利工程建设项目逐渐增多，但大坝建设质量参差不齐，设计施工标准不一。坝坡由于各内在与外在因素常发生跨塌的事故，造成经济损失和人员伤亡。坝坡稳定问题由于其作用因素及运动机理的多变性和复杂性，预测比较困难，一直是世界各国研究的重要地质和工程问题之一。
2 滑坡的原因分析
2.1 滑坡的分类
坝坡失稳造成滑坡，由于滑坡的危害较大，为深入分析滑坡的原因，主要从坝坡失稳的形式来分类。
（1）剪切破坏导致的滑坡
当坝体与坝基土层是高塑性以外的粘性土，或粉砂以外的非粘性土时，土坝滑坡多属剪切破坏。破坏的原因是由于滑动体的滑动力超过了滑动面上的抗滑力所致，滑坡体移动的距离可有数米到数十米不等，直到滑动力和抗滑力经过调整达到新的平衡以后，滑动才停止。
（2）塑性破坏导致的滑坡
坝坡产生显著塑性流动现象时，称为塑性破坏型滑坡。滑坡土体的蠕动一般进行十分缓慢，发展过程较长，较易觉察。但是当高塑性土的含水量高于塑限而接近流限时，或土体几乎达到饱和状态又不能很快排水固结时，塑性流动便会出现较快的速度，危害性较大。水中填土坝在施工期由于水不能很快排泄，坝坡也会出现连续的位移和变形，以致发展成滑坡。
（3）液化破坏导致的滑坡
当坝体或坝基土层是均匀中细砂或粉砂，水库蓄水之后，坝体在饱和状态下突然经受强烈的震动时，砂的体积有急剧收缩的趋势，坝体中的水分无法析出，使砂粒处于悬浮状态，从而向坝趾方向急速流泻，产生滑坡。
2.2 地质原因引起滑坡
岩土体是产生滑坡的物质基础。一般说，各类岩、土都有可能构成滑坡体，其中结构松散，抗剪强度和抗风化能力较低，在水的作用下其性质能发生变化的岩、土，如松散覆盖层、黄土、红粘土、页岩、泥岩、煤系地层、凝灰岩、片岩、板岩、千枚岩等及软硬相间的岩层所构成的斜坡易发生滑坡。
组成斜坡的岩、土体只有被各种构造面切割分离成不连续状态时，才有可能向下滑动的条件。同时、构造面又为降雨等水流进入斜坡提供了通道。故各种节理、裂隙、层面、断层发育的斜坡、特别是当平行和垂直斜坡的陡倾角构造面及顺坡缓倾的构造面发育时，最易发生滑坡。大断层带附近修建土石坝则极有可能发生滑坡体，大断层带附近岩层往往破碎，有利于地下水的浮动和滑坡产生。断层交错部位，则常有大型滑坡或滑坡群分布，断层上部，滑坡产生的几率更大。在倒转褶皱的轴部，由于岩层十分破碎，破碎岩石与堆积土集中分布，也易产生滑坡。
各种软弱结构面上陡下缓的组合是产生滑坡的重要条件 ，各种不同成因的结构面，包括不同风化程度的岩体接触面，在其因各种原因被切割，而暴露了该软弱面时，就极容易产生滑坡。
地下水活动在滑坡形成中起着主要作用。它的作用主要表现在：软化岩、土，降低岩、土体的强度，产生动水压力和孔隙水压力，潜蚀岩、土，增大岩、土容重，对透水岩层产生浮托力等。尤其是对滑面的软化作用和降低强度的作用最突出。
2.3 降雨引起滑坡
大量的雨水使土颗粒表面的水膜加厚，土颗粒之间的距离被拉远。边坡失稳与土的抗剪强度有关。边坡土受到剪应力作用后易发生剪切变形，随着剪切变形的不断发展，剪应力大于边坡土的抗剪强度，致使土体的塑性变形区扩展成一个连续的滑动面，土体之间产生连续滑动，使得土体发生剪切破坏，也就是边坡失稳。降雨入渗引起非饱和土的基质吸力减小，土颗粒间胶结软化，吸附凝聚力减小。同时，降雨强度愈均匀，持续时间愈长，边坡稳定性安全系数愈低。
首先，降雨入渗对非饱和膨胀土边坡的直接影响使得边坡土体中（特别是浅层土）基质吸力降低从而导致土体抗剪强度降低。基质吸力的降低将使得原来非饱和土层在竖向发生膨胀，如果土体随膨胀而发生软化，会导致土体抗剪强度降低。其次，在侧向力约束条件下，非饱和膨胀土吸水（或基质吸力降低）后的膨胀趋势就以膨胀力的形式表现出来，膨胀力的形成将导致边坡土体中水平应力增加。降雨入渗后，局部土体有可能产生破裂面，并可能最后发展成为膨胀土中常见的渐进式滑坡。由此可见，降雨入渗引起的膨胀土体基质吸力降低和内应力比的增加是降雨触发边坡失稳的重要原因。
降雨时如大坝排水系统未设置获知遇到大暴雨，强度大，时间长，排水不及时的情况，会使土石坝坡土含水量达到饱和，增加坝体的土体重量，形成反向渗透压力，降低抗滑力，加大土体滑动力，也将会形成滑坡。
2.4 地震诱发滑坡
强地震作用下的边坡稳定性是一直国内外工程界和学术界共同关注的重大课题。地震诱发的滑坡和坍塌往往分布广、数量多、危害大，国内外曾发生大量因地震造成的边坡失稳事例，2008 年的“5.12”汶川特大地震，触发不同规模的滑坡数万起，具有危害的6000 余起，形成近百个堰塞湖，导致大量人员伤亡和财产损失。
地震是一种强烈的底层活动，大地震动的地震最直观和普遍的现象。水坝发生地震时，由于地震惯性力突然增加，水库大坝在坝体结构本身和库水的动水压力的作用下，大坝坝体将会发生变形，并可能造成坝体的错动和滑动，产生滑坡破坏。我国土石坝因地震滑坡的，据初步统计共有10座，多发生在上游坝坡，但未引起垮坝失事。经分析这些土石坝滑坡，多数是坝体无粘性土受地震振动力产生液化而引起的。
2.5 运行管理方面的原因
大坝运行过程中，由于蓄水、库水位变化、排水等电站运行调度时都可能引起滑坡。
（1）库水位骤降造成滑坡。在水库放水时，库水位下降过快，容易造成滑坡。
（2）蓄水后，随着水位的升高，坝体内浸润线回更高，水库的水位剧降或者连续降雨的雨水侵入坝体，但是坝体的排水能力较差，土体的孔隙水压力增大造成阻滑力减小从而形成滑坡。
（3）未进行及时的监测和分析，对于可能或即将放生的滑坡现象未能进行精确地量测分析，错过最好的除险加固时机，最终导致滑坡。
（4）大坝不合理的附加工程。
在下游坝脚附近挖坑塘养鱼：势必降低坝坡稳定，应加以禁止；
在坝顶或背水坝坡建造引水渠道：有些中、小型水库，为了引水灌溉农田，减少过河建筑物，利用土石坝坝顶或下游坝坡开挖渠道，一旦衬砌破损，大量的水渗入坝体，将会引起滑坡。
形成滑坡的原因较多，除上述已分析的原因外，还包括地下水状态、岩土体性状、地质构造、岩体结构等内在因素，以及施工开挖或回填引起的荷载和应力调整、施工爆破引起的岩体损伤和动力荷载、河流侵蚀等引起的地下水位变化等外在因素可能成为导致坝坡失稳的重要原因。
3 坝体滑坡的监测与分析判断
3.1 滑坡的监测
滑坡对坝的安全至关重要，加强监测力度是有效地防治坝体失稳的重要途径。大坝运行期间，除经常进行检查外，当处在以下情况时，更应严加监视：水库初次蓄水时期、高水位时期、水位骤降时期、持续特大暴雨时、春季解冻时期、发生强裂地震后。
滑坡监测技术方法通常有地面宏观形迹的简易观测、地面仪器监测、空间遥测和遥感监测、综合的实时监测预报系统等。监测指标包括地质宏观形迹监测、地面位移监测、深部位移监测、诱发因素监测、水压力监测和滑坡地球物理、地球化学场监测等。现今，边坡监测技术方法已发展到较高水平，光纤传感器、孔隙压力仪、GPS和GPRS无线传输技术的应用，使监测的精确程度得到了较大的提高。
3.2 滑坡的分析与判断
（1) 通过裂缝进行判断
裂缝的形状：动裂缝主要特征，主裂缝两端有向边坡下部逐渐弯曲的趋势，两侧分布有众多的平行小缝，主缝上下侧有错动。
裂缝的发展规律：滑动性裂缝初期发展缓慢，后期逐渐加快，而非滑动性裂缝则随时间延长而逐渐减慢。
（2) 从坝顶位移观测的规律判断
当坝身在短时间出现持续而显著的位移时，特别是伴随着裂缝出现连续性的位移，而位移量又逐渐加大，边坡下部的水平位移量大于边坡上部的水平位移量，边坡上部垂直位移向下，边坡下部垂直位移向上。
（3) 从浸润线观测资料分析判断：当库水位相近而测压管水位逐渐上升。
（4) 根据孔隙水压力观测成果判断：有孔隙水压力观测资料的土坝，当实测孔隙压力系数高于设计值时。
以上这些都可能是滑坡的前兆，应及时进行坝坡稳定校核。根据核算结果，判断是否可能滑坡。
4 坝坡失稳的防治及边坡稳定性分析与防护加固
4.1 消除和减轻水的灾害
A.排除地表水：排除地表水是整治滑坡不可缺少的辅助措施，而且应是首先采取并长期运用的措施。其目的在于拦截、旁引滑坡区外的地表水，避免地表水流入滑坡区内。主要工程措施有：设置滑坡体外截水沟；滑坡体上地表水排水沟；引泉工程；做好滑坡区的绿化工作等。
B.排除地下水：对于地下水，可疏而不可堵。其主要工程措施有：
截水盲沟——用于拦截和旁引滑坡区外围的地下水；
支撑盲沟——兼具排水和支撑作用；
仰斜孔群——用近于水平的钻孔把地下水引出。
此外、还有盲洞、渗管、垂直钻孔等排除滑坡体内地下水的工程措施。
C.防止河水、库水对滑坡体坡脚的冲刷，主要工程措施有：在滑坡体上游严重冲刷地段修筑促使主流偏向对岸的“丁坝”；在滑坡体前缘抛石、铺设石笼、修筑钢筋混凝土块排管，以使坡脚的土体免受河水冲刷。
4.2 改变滑坡体的外形，设置抗滑建筑物
A.削坡减重：常用于治理处于“头重脚轻”状态而在前方又没有可靠的抗滑地段的滑体，使滑体外形改善、重心降低，从而提高滑体稳定性。
B.修筑支挡工程：因失去支撑而滑动的滑坡或滑坡床陡，滑动可能较快的滑坡，采用修筑支挡工程的办法，可增加滑坡的重力平衡条件，使滑体迅速恢复稳定。支挡建筑物种类有：抗滑片石垛、抗滑桩、抗滑挡墙等。
4.3 改善滑动带的土石性质
改善滑动带的土石性质，一般采用焙烧法、爆破灌浆法等物理化学方法对滑坡进行整治。
由于滑坡成因复杂，影响因素多，因此需要上述几种方法同时使用综合治理，方能达到目的。
4.4 其他措施
A.加大对于存在滑坡等山地灾害的地区的资金投入，加强对于这些地区的排查和监测。历史的经验告诉我们，在自然灾害目前，人的主观能动里极为有限，这时候我们需要“预防为主、防治结合、综合治理”的防治措施，面对我们无法控制和改变的自然灾害，我们唯有“避之以减灾”。
B.民众。加强民众对于灾害认识的力度。加强民众对于灾害本身的认识做出正确判断。当灾害发生时，民众应学习必要的救治措施，共同努力把灾害降低到最少。
4.5 边坡稳定性分析
一、确定性分析方法
1、极限平衡理论
极限平衡理论的主要思想是将滑动土体进行条分, 根据极限状态下土条受力和力矩的平衡来分析边坡的稳定性。根据对平衡方程组增设的边界条件不同, 又分为如下几种方法。
瑞典条分法：该法假定滑裂面为圆弧面,不考虑条间力, 其安全系数为滑裂面上的抗滑力矩与滑裂面以上土体的滑动力矩之比, 用总应力法求得给定滑裂面的安全系数, 再经反复试算比较确定出边坡的最小安全系数。
简化毕肖普( Bishop )法：该方法假定条间力水平, 即只考虑水平推力而不考虑竖向剪力, 故安全系数为整个滑裂面的抗剪强度与实际剪应力之比, 然后用试算- 迭代法求得边坡的最小安全系数。
简布普遍条分法：简布法假定滑体中推力线已知, 利用力矩平衡条件把条间竖向剪力表示成水平推力的函数, 适用于最一般的情况。利用该法不仅可求出滑裂面平均安全系数及应力分布,还可求出各分界面上的抗剪安全系数作为校核。
其它极限平衡计算方法：斯宾塞法( Spen2cer)、摩根斯坦(Morgenstern) ) 普赖斯( Price)法、沙尔玛法( Sarma)以及不平衡推力传递法都属于极限平衡计算法。这些方法以极限平衡理论为基础, 通过力的平衡条件来分析边坡稳定性, 没有考虑材料应力， 应变关系, 所得安全系数只是假定滑裂面上的平均安全度, 求出的条间力和滑条底部反力也不是产生滑动变形时真实存在的力, 故均有待改进。
2、塑性极限分析和模糊极值理论
1952年, 杜拉克(Drucker)和普拉格( Prager)提出塑性极限分析法[ 2] , 其最大优点是考虑了材料应力) 应变关系, 并利用极限状态时自重和外荷载所做的功等于滑裂面上阻力所消耗的功为条件, 结合塑性极限分析的上、下限定理求得边坡极限荷载与安全系数。由于塑性极限分析所得的解为浮动于某一范围的模糊极值解, 所以孙君实提出了滑动机构的概念,并证明了给定滑动机构的耗散功能定理, 即滑坡极限分析的极大值定理。将该定理/模糊化0得到给定滑裂面安全系数的模糊极大值定理, 再把极大的概念模糊化为滑体内力状态的模糊状态条件,
