有关土石坝坝坡稳定分析的方法探索研究【摘要】本文主要深入分析研究了土石坝坝坡稳定分析的方法。

即刚体极限平衡法和有限元法的基本原理，并对刚体极限平衡法和有限元方法的优缺点进行了比较，得出有限元法可以克服刚体极限平衡法所存在的缺陷。

本文是个人提出的一些见解和观点，可与同行共同探讨。

【关键词】土石坝；坝坡；稳定；刚体极限平衡法；有限元法前言
如何更合理、更准确地开展土石坝的坝坡稳定分析工作是工程界普遍关注的问题。

目前土石坝坝坡稳定分析的方法主要有刚体极限平衡法和有限元法。

一、刚体极限平衡法分析研究
1）刚体条件：在分析滑坡的受力和变形过程中，忽略滑体的内部变形，认为滑体为不可变形的刚体。

2）极限强度条件：假定滑体处于极限强度状态。

3）力的平衡条件：在考虑安全系数后，滑体在所受各种力的作用下处于平衡状态。

目前通用的刚体极限平衡法主要指的是条分法。

采用条分法来分析稳定问题一般为高次的超静定问题，要使问题有解就必须建立新的条件方程。

对条块间作用力作出各种简化假定，以减少未知量或增加方程数。

根据简化假定的条件相同，条分法发展为各种计算方法，这些方法主要有：一是瑞典圆弧滑动法。

瑞典圆弧
滑动法（简称瑞典法或费伦纽斯法）是条分法中最古老而又最简单的方法。

除了假定滑裂面是个圆柱面（剖面图上是个圆弧）外，还假定不考虑土条两侧的作用力，安全系数定义按式计算。

由于不考虑条间力的作用，严格地说，对每一土条力的平衡条件是不满足的，对土条本身的力矩平衡也不满足，仅能满足整个滑动土体的整体力矩平衡条件。

由此产生的误差，一般使求出的安全系数偏低 10% ， 20% ，这种误差随着滑裂面圆心角和孔隙压力的增大而增大。

二是毕肖普法。

毕肖普法考虑了条块间的法向作用力，但忽略了条块间的切向作用力。

其安全系数定义为沿整个滑裂面的抗剪强度与实际产生的剪应力之比，即：
（ 1）
毕肖普法满足整体力矩平衡条件，满足各条块间力的多边形闭合条件，但不满足条块的力矩平衡条件。

假设条块间作用力只有法向力没有切向力，满足极限平衡条件。

由于考虑了条块间水平力的作用，得到的安全系数较瑞典法略高一些。

由于计算不很复杂，精度较高，所以是目前工程中常用的一种方法。

三是简布的普遍条分法。

普遍条分法假定： a. 整个滑裂面上稳定安全系数是一样的，其定义表达式为式（ 1）； b. 土条上所有垂直荷载的合力，其作用线和滑裂面的交点与滑裂面上作用力的作用点为同一点； c. 推力线的位置假定已知普遍条分法中每个条块都满足全部静力平衡条件和极限平衡条件，滑动土体的整体力矩平衡条件也自然得到满足，而且它适用于任何滑动面而不必规定滑动面是
一个圆弧面。

用普遍条分法不仅可以计算出沿滑裂面的平均安全系数及滑裂面上应力的分布，还可以求出各土条分界面上抵抗剪切的安全系数。

二、有限元法分析研究
有限元法是将一个连续体结构离散成有限个单元，这些单元体在结点处互相铰接，把荷载简化到结点上，计算在外荷载作用下各结点的位移，进而计算各单元的应力和应变。

用离散体的解答近似地代替原连续体解答。

当单元划分得足够密时，它与真实解是接近的。

关于有限元法在土石坝坝坡稳定分析应用方面，目前主要是基于土石坝非线性有限元应力变形计算结果，对坝坡进行稳定分析，常用的方法有以下几种： 1）根据应力水平 s 的分布情况进行分析。

认为应力水平 s> i 的区域系为极限平衡区。

当极限平衡区的范围足够大，且与自由边界相通时，就应当分析坝坡失稳的可能性。

该方法在理论上比较合理，可以探讨坝坡、地基稳定的大致情况，但由于受到刚体极限平衡法的长期约束，使用经验不多，加上土体本身和边界处理的复杂性，目前还没有公认的评价标准，仍是一种定性的分析方法。

2）结合圆弧滑动法进行分析。

假定滑动面为圆弧面，仍采用条分法进行计算，所不同的是滑裂面处的内力系由该处的应力转化而成，这和土体的实际工作状态是相符的。

但关于最危险滑弧仍采用试算法。

一般在实际工程的稳定分析中，如果试算的滑弧数目过多，则会出现工作量大、效率低的现象。

3）根据最大剪应变值进行分析。

利用最大剪
应变 max等值线图和安全系数fs等值线图进行分析计算，确定滑动面的位置，再利用安全系数 fs等值线图，即可定量地求出滑裂面的安全系数，即加权平均安全系数。

从理论上来说，该方法是可行的，但有可能出现按fs等值线和按 max等值线所确定的滑动面位置不一致的情况。

这时就必须结合其他稳定分析方法进行比较后才能确定其是否稳定。

同时，对于滑动面位置的确定一般是借助人眼的判断，不同的人可能会得到不同的结论。

用有限元法进行坝坡稳定分析时，不仅能计算出土体内各个单元的应力、应变及每个结点的结点力、位移，而且还可以考虑土体的非均匀性，各种材料的分区特性及变形特性以及各种荷载的分级施加。

三、各方法优缺点分析
刚体极限平衡法与有限元法对边坡稳定进行分析，其优缺点如下： 1）刚体极限平衡法将滑动土体作为理想的刚塑性体对待，完全不考虑土体的应力）应变关系，而土体是变形体，用分析刚体的办法，不满足变形协调条件，因而计算出滑动面上的应力状态不真实。

2）刚体极限平衡法不进行应力分析，其滑动面上的正应力、剪应力一般由条块的自重来确定，这不符合土质边坡工程的实际应力状态。

3）有限元法可以克服刚体极限平衡法的上述缺陷。

同时，实践经验表明，稳定和变形有着相当密切的关系，一个土坡在发生整体稳定破坏之前，往往伴随着较大的垂直沉降和侧向变形。

这就在一定程度上表明：利用有限元的应力变形结果进行边坡稳定分析在理论上是可行的，更是合理的。

4）目前在
应用有限元法进行土石坝坝坡稳定分析时，仍主要停留在定性分析方面，且定量分析也未脱离通过试算确定最危险滑弧的范畴。

由于试算时一般总是按经验预选可能的滑弧，试算滑弧数量就必定有限，且所获得的稳定安全系数最小的滑弧不一定就是最危险的滑弧。

这样，其计算结果的合理性及准确性往往不能令人满意。

综上分析，有限元法不仅可以克服刚体极限平衡法所存在的缺陷，而且实践经验表明，稳定和变形有着相当密切的关系，一个土坡在发生整体稳定破坏之前，往往伴随着较大的垂直沉降和侧向变形。

因此，用有限元的应力变形结果进行边坡稳定分析在理论上较刚体极限平衡法更合理。

针对有限元通过试算确定最危险滑弧的范畴的缺点“试算滑弧数量有限，且所获得的稳定安全系数最小的滑弧不一定就是最危险的滑弧”的缺点，随着计算机及电算技术的发展，能通过其他算法进行解决的，如最危险的滑弧自动搜索法。

四、结语
土石坝具有造价低、结构简单、对自然条件适应强、抗震性能好、工作可靠、寿命长、施工管理简便等优点，因而被广泛采用。

在水库安全鉴定中，大坝安全至关重要，而稳定问题又是大坝安全的关键之一。

特别是土石坝，稳定问题更是影响其安全的关键。

因此，本文就此谈了谈自己的一些建议。

参考文献：
[1]李明新，蒋艳君. 大良水库岁修工程坝坡稳定计算[ j] .
吉林水利， 2006
[2]魏瑛莺. 复杂土坡稳定问题的非线性有限元分析[ d] . 福州：福州大学， 2001。