第３４卷第５期 人民黄河 Ｖｏ１．３４．Ｎｏ．５ ２０１２年５月 ＹＥＬＬＯＷ ＲＩＶＥＲ Ｍａｙ，２０１２ 【水利水电工程】 基于Ｇｅｏ．Ｓｌｏｐｅ的坝坡稳定计算 高 倩 ，刘建林 ，雒望余。 （１．西安理工大学，陕西西安７１００４８；２．商洛学院，陕西商洛７２６０００；３．西安市水利规划勘测设计院，陕西西安７１０００５） 摘要：土石坝的不饱和特性使得其渗流特性与匀ｇＬ－＋－￣有较大差异。以赛峪水库为研究对象，针对其土石混合坝的特 性。采用Ｇｅｏ—Ｓｌｏｐｅ软件进行坝坡稳定计算。结果表明：通过参数设置和计算方法的选择，Ｇｅｏ—Ｓｌｏｐｅ软件可以控制并解 决部分常规软件计算出现的浅表滑弧，得到与实际情况更为接近的滑弧。 关键词：土石混合坝；边坡稳定；Ｇｅｏ—Ｓｌｏｐｅ；赛峪水库 中图分类号：ＴＵ４５７ 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００・１３７９．２０１２．０５．０４４ Ｔｈｅ Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｄａｍ Ｓｌｏｐｅ Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｗｉｔｈ Ｇｅｏ－Ｓｌｏｐｅ ＧＡＯ Ｑｉａｎ ，ＬＩＵ Ｊｉａｎ．１ｉｎ ，ＬＵＯ Ｗａｎｇ—ｙｕ （１．Ｘｉ’ａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ’ａｎ ７１００４８，Ｃｈｉｎａ；２．ＳｈａｎｇｌｌｔＯ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｌｕｏ ７２６０００，Ｃｈｉｎａ； ３．Ｘｉ’ａｎ Ｗａｔｅｒ Ｃｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ Ｐｌａｎｎｉｎｇ Ｓｕｒｖｅｙ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｘｉ’ａｎ ７１０００５，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｓｅｅｐａｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ｕｎｓａｔｕｒａｔｅｄ ｓｏｉｌ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｅａｄｙ ｓｅｅｐａｇｅ ｏｆ ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ ｅａｒｔｈ ａｒｅ ｖｅｒｙ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ．Ｔａｋｉｎｇ Ｓａｉｙｕ Ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ ａｓ ａ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｂｊｅｃｔ．ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｅａｆｌｈ—ｒｏｃｋ ｆｉＵ ｍｉｘｅｄ ｄａｍ ａｎｄ ｕｓｉｎｇ Ｇｅｏ－Ｓｌｏｐｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｔｏ ｃａｌｃｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｄａｍ ｓｌｏｐｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｃｈｏｉｃｅ ｏｆ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｓｅｔｔｉｎｇｓ ａｎｄ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ，Ｇｅｏ—Ｓｌｏｐｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｃａｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｓｕｐｅｒｉｆｃｉａｌ ｓｌｉｐ ａｒｃ ｔｈａｔ ｏｃｃｕｒｒｅｄ ｉｎ ｓｏｍｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ，ｓｌｉｄｉｎｇ ａｒｅ ｃｌｏｓｅｒ ｔｏ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｅａｒｔｈ－ｒｏｃｋ ６ｌｌ ｍｉｘｅｄ ｄａｍ；ｓｌｏｐｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ；Ｇｅｏ－Ｓｌｏｐｅ；Ｓａｉｙｕ Ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ 土石坝的不饱和特性使得其渗流特性与匀质土坝有较大 ＳＴＡＢ主要用于土质边坡和土石坝边坡的稳定分析，在实 差异，而我国已建成的大坝中，约有９０％为土石坝，尤其是２０ 际工程中有着广泛应用，但是该软件只进行边坡稳定分析，并 世纪６０—７０年代修建了许多小水库，这些小水库在修建时大 不参与渗流计算，而且孔隙水压力等渗流信息必须由人工计算 多疏于监管，在之后的长期运行中又鲜有维护，存在安全隐患。 或相关软件计算后导入。 如今，在国家大力关注水利事业的背景下，大批病险水库开始 ＧｅｏＳｔｕｄｉｏ软件涵盖内容广泛，包括渗流、渗流（三维）、稳 了除险加固工作，除险加固的主要依据是坝体的渗流与稳定计 定、固结等多个模块，每个模块又可以满足多理论多方法的计 算。针对土石混合坝的特性，可采用Ｇｅｏ－Ｓｌｏｐｅ软件，进行 算，相关软件还可以在同一个平台上进行耦合。在渗透系数的 ｓｅｅｐ／ｗ与ｓｌｏｐｅ／ｗ模块的耦合计算。 输入方式上，考虑影响渗透系数的因素土粒粒径大小、孔隙比、 土体动力黏滞系数等 Ｊ，以土壤粒径曲线和土水特征曲线为基 １常用坝坡稳定计算软件 础，建立预估土体渗流曲线，极大地提高了渗流计算的科学性和 目前，常用的坝坡稳定计算软件有河海大学开发的Ａｕｔｏ． 可靠性。 ＢＡＮＫ、陈祖煜院士开发的ＳＴＡＢ、北京理正开发的岩土系列软 ２ Ｇｅｏ・Ｓｌｏｐｅ滑移面计算 件、加拿大Ｇｅｏ－Ｓｌｏｐｅ开发的仿真岩土软件ＧｅｏＳｔｕｄｉｏｌｉｊ。渗流 计算软件ＡｕｔｏＢＡＮＫ和北京理正岩土渗流计算软件一样，都考 ２．１边坡稳定计算原理 虑到了土体的各向同性和各向异性，渗流系数的输入采取水平 同大多数稳定计算软件一样，Ｇｅｏ—Ｓｌｏｐｅ采用最为通用的极 与竖直两个方向分别输入的方法。土体的渗流虽然存在各向 限平衡法和有限单元法。经过许多学者的研究改进，极限平衡 异性，但是一般差异较小，对计算结果影响不大。但是将非饱 和土体复杂的渗流曲线简化为一般饱和土体的稳定渗流状态 收稿日期：２０１卜ｌ２—１３ 对土石坝的渗流计算结果影响较大。原因是，在饱和土体的渗 基金项目：陕西省教育厅专项（２０１０ＪＫ５３１）；商洛市科技局专项（ＳＫＦ一２）。 流计算中不同渗透性造成的基质吸力以及水头损失影响稳定 作者简介：高倩（１９８６一），女，陕西西安人，硕士研究生，研究方向为水利水电 工程建设与管理。 计算时孔隙水压力的确定，使得坝坡稳定计算结果产生偏差。 Ｅ．ｍａｉｌ：ｋｉｍｔ１２３４５＠１６３．ｃｏｍ ・１２９・ 人民黄河２０１２年第５期 法计算方法已日趋完善。常用的极限平衡法有瑞典圆弧法、简 化毕肖普法、简化简布法、斯宾塞法、摩根斯坦一普拉斯法、沙 尔玛法等 。和平衡条件相对较少且滑弧只为单一圆的瑞典 圆弧法和简化毕肖普法相比，平衡条件多、滑裂面为任意形式 的斯宾塞法和摩根斯坦一普拉斯法应用更为广泛。这些计算 方法在Ｇｅｏ—Ｓｌｏｐｅ软件中都有体现，使用者可根据自己的需求 选取相应的计算方法。 ２．２边坡稳定计算方法 在ｓｌｏｐｅ／ｗ模块中有很多控制模式可以选择，在计算过程 中，它会根据使用者对滑移面范围的定义自动搜索滑移面。 （１）指定栅格与半径。在栅格与半径模式下，试算滑弧由定 义圆心的栅格和定义半径大小的区域确定。圆心栅格位于斜坡 之上，栅格中的每一个点都是定义圆的一个圆心。滑面半径是 由一条切线或若干条切线组成的切线区域。通过对圆心及其切 线的定义，可以在一定范围内设置或多或少的定义圆，然后通过 逐个试算得到不同滑弧的稳定系数。最终计算得到的滑弧就是 试算所有定义圆中与斜坡相交的稳定系数最小的一部分圆弧。 （２）指定入口与出口。在指定入口与半径模式下，试算滑 弧由两段红色线段确定，也就是由滑弧可能开始的地方和滑弧 可能结束的地方确定。通过指定两条线段的增量可以控制进 口、出口的数量，首先软件自动连接进口区域上的一个点和出 口区域上的一个点，并在这条线段的中点自动生成～条垂线， 然后由进口线段上的点、出口线段上的点以及垂线上的点共同 确定试算圆弧，最后通过逐个试算定义圆与斜坡相交的滑弧， 确定最危险滑面。 （３）指定块体滑弧。在指定块体滑弧模式下，试算滑弧由 两个指定的栅格块确定。每个滑弧都由３条线段组成，中间线 段是左栅格和右栅格中任意两点的连线，其余两条线段按照指 定的角度与斜坡相交。通过逐个试算滑弧，确定最危险滑面。 （４）完全指定滑弧。在完全指定滑弧模式下，滑弧由一系 列数据点确定。该方法一般在完全掌握滑弧形状和位置的时 候使用。 （５）自动搜索。自动搜索模式是试图组合以上几种模式的 一种特殊模式。在几何学基础上，确定滑弧的进口和出口，采 用指定出口与入口模式得出大致结果后，进一步进行优化，从 而获取最危险滑弧。 ２．３不同计算方法比较 指定栅格与半径模式原理简单、便于理解。指定入口与出 口模式与指定栅格与半径模式虽然在限制条件的输入形式上不 一样，但其都是通过限制条件的位置与大小来确定定义圆，以控 制计算滑弧的位置，因此可以说入口与出口模式是变化了的栅 格与半径模式。指定块体滑弧模式可以通过简单操作定义相当 多的试算滑弧。对于滑弧的位置与倾角已经基本明确的情况 下，完全指定滑弧模式可以对现状进行分析计算，但是由于完全 指定滑弧时，滑弧的位置与形状必须逐个指定，因此该方法不适 用于通过大量指定滑弧来计算最危险滑面。自动搜索模式通过 自动搜索可以自动在１ ０００个试算滑弧中获取最危险滑弧，然后 进行优化，优化后的滑弧不再是简单的单一圆弧，而是由直线与 一个或多个圆弧组成的复合圆弧，滑弧的形状会更接近实际。 ・１３０・ ３工程实例 ３．１工程概况 陕西蓝田赛峪水库是一座以灌溉为主，兼顾防洪、林业等 综合利用的小（二）型水库 Ｊ。大坝为碾压式土石混合坝，大 坝迎水坡坡比为１：２．２５，坡面干砌石护坡；背水坡为堆石体，坡 比为１：１．３５，设宽为１．５ ｎｌ戗台２处。大坝运行以来，未作过 稳定计算和抗震计算，没有实施位移监测和浸润线观测。 ３．２边坡稳定计算 大坝坝体坐落在基岩上，上游已有淤积。坝体为土石混合 坝，迎水坡主要为粉质黏土，背水坡为堆石。两种材质在渗流 方式、颗粒大小、抗剪强度等方面存在极大差异，因此在模型建 立时要区别对待。背水坡大量堆石使用，使得坝内的总水头在 材料接触面急剧下降，产生的浸润线与匀质土坝有较大差异。 背水坡为堆石体，表现出明显的非黏性土特性，黏聚力为０。 采用匀质土坝常用的稳定计算方法，如指定栅格和半径方法得 到的边坡稳定计算结果见图１，可以看出，计算结果与斜坡平行， 且非常接近斜坡的浅表滑弧，不能呈现出真实的工程现状。 ／ ＼，一坝体浸润线 图１ 普通栅格与半径模式下稳定计算结果 事实上，同样的情况也出现在理正岩土边坡稳定计算软件 和ＳＴＡＢ边坡稳定计算软件中。原因是，在ｓｌｏｐｅ／ｗ的非饱和 土稳定计算中，若没有定义高级参数 ，（负孔隙水压力引起的 抗剪强度增加值），则意味着不考虑基质吸力产生的负孔隙水 压力，也就忽略了负孔隙水压力增加的土体抗剪强度。只要熟 悉 的相关设置并予以输入，ｓｌｏｐｅ／ｗ完全可以解决这个问 题。输入 后的计算结果见图２，可以看出计算得到的滑弧与 实际情况更为接近。 图２修正后栅格与半径模式下稳定计算结果 自动搜索模式下计算得到的最危险滑弧见图３。可以看 出，软件自动优化后，滑弧在不同土层中有了变化，不再是单一 圆弧，而且优化后的安全系数也较修正后栅格与半径模式下得 到的稳定安全系数略小。 １．】４９ ● 图３ 自动搜索模式下的稳定计算结果 （下转第１３３页） 人民黄河２０１２年第５期 泥土颗粒形成较大的团粒 ，在不掺砂的情况下，这种团粒起 土。从经济角度分析，水泥的价格是中粗砂价格的１５～１８倍， 骨架作用 ，而团粒本身的强度相对较低，因此复合土体强度 水泥复合土在保证强度的同时，大大节约了工程成本，因此在 较低。 工程实践方面，水泥复合土有很高的研究价值。 ３结语 掺砂水泥复合土的材料特性取决于各组成材料本身的特性 及各材料的掺入比、龄期、土体周围环境（围压）等，掺人砂后，用 大模量的砂代替小模量的土，可以改善水泥土的力学性能和变 图４水泥土７ ｄ龄期ＳＥＭ电镜扫描照片 形性能。在水泥土中掺入一定量的砂，可以提高水泥土的无侧 限抗压强度，在施加围压的情况下，可有效提高水泥复合土的变 形性能。在有围压作用的情况下，掺砂水泥复合土的偏应力一 应变关系曲线有明显的峰值，偏应力一应变关系曲线属加工软 化型，其残余强度和破坏应变随着围压的增大而增大。 参考文献： 图５复合水泥土７ ｄ龄期ＳＥＭ电镜扫描照片 ［１］ 吕军，赵志忠，王仁权．水泥土截渗墙质量检测技术研究［Ｊ］．人民黄河， 在水泥土中掺砂后，复合土抗压强度明显提高，原因是，掺 ２００９，３１（５）：１０６—１０８ 人粗砾砂后，形成以粗砾砂为骨架的结构，而原来作为骨架的 ［２］郝巨涛．水泥土材料力学特性的探讨［Ｊ］．岩土工程学报，１９９１，１３（３）：５３— ５９． 水泥土凝胶微粒起填充作用，从强度本身比较，粗砾砂的强度 ［３］ 王文军，朱向荣，方鹏飞．纳米硅粉水泥土固化机理研究［Ｊ］．浙江大学学 远比水泥土凝胶微粒相互间吸附而形成的水泥土团粒的强度 报，２００５，３９（１）：１４９—１５３． 高，通过机械压实后，强度较高的砂骨料嵌入水泥土凝胶中，使 ［４］ 范晓秋，洪宝宁，胡昕，等．水泥砂浆固化土物理力学特性试验研究［Ｊ］．岩 复合土体更加密实，强度显著提高。但并不是砂掺得越多复合 土工程学报，２００８，３０（４）：６０５—６１０． 土强度越高，随着掺砂量的增大，砂之间的联结将由原来的黏 ［５］ 叶朝汉，袁聚云．边界条件对土体强度的影响［Ｊ］．土工基础，２００９，２３（２）： 性土的握裹力和黏结力转为砂颗粒之间的咬合力和接触面的 ７７—７９． 摩擦力，容易发生颗粒间的滑移破坏。 ［６］周丽萍，申向东，李学斌，等．天然浮石粉水泥土力学性质的试验研究［Ｊ］． 吉林大学学报：地球科学版，２００９（３）：４９２—４９７． ２．３掺砂水泥复合土经济效益分析 ［７］ 陈帮建，李瑞，陈美芳．水泥土强度试验主要影响因素的探讨［Ｊ］．岩矿测 按质量比掺入１０％水泥和１０％砂的水泥复合土（ＣＴＳ一 试，２００５，２４（２）：１５９—１６０． １０—１Ｏ）、单掺２０％水泥的水泥土（ＣＴＳ一２０—００）的无侧限抗 ［８］ 印长俊，马石城，王星华．浸水条件下水泥砂土力学性能的试验研究［Ｊ］．建 压强度见图６，可以看出水泥复合土无侧限抗压强度高于水泥 筑技术，２００７（２）：１３７—１３９． ［９］马堵贤．夯实水泥土的固化机理及微观结构分析［Ｊ］．探矿工程，２００５（６）： ６５—６８． ｇ ．诎 鼎 ［１Ｏ］廖建春，曾庆军．含砂量对水泥土强度的影响［Ｊ］．广东交通职业技术学院 学报，２００５，４（２）：１—３． 琶 【责任编辑吕艳梅】 龄期ｍ 图６无侧限抗压强度随龄期的变化 （上接第１３０页） 的应用［Ｊ］．水利与建筑工程学报，２０１０，８（１）：７９—８０． ［２］冯国栋．土力学［Ｍ］．北京：中国水利水电出版社，２００８． ４结语 ［３］Ｌｅｅ Ｉ Ｋ，Ｗｈｉｔｅ Ｗ，Ｉｎ￣ｅｓ ０ Ｇ 岩土工程［Ｍ］．俞调梅，叶书麟，曹名葆，等， 译．北京：中国建筑工业出版社，１９８６． 针对土石ｔ昆合坝的特性，可采用Ｇｅｏ—Ｓｌｏｐｅ软件进行坝坡 ［４］黄向向，马斌，高双强，等．赛峪水库大坝安全评价分析研究［Ｊ］．水利与建 稳定计算。工程实例计算结果表明，Ｇｅｏ—Ｓｌｏｐｅ软件通过参数设 筑工程学报，２０１０，８（１）：７１—７４． 置和计算方法选择，可以控制并解决常规软件出现的浅表滑 【责任编辑吕艳梅】 弧，得到与实际情况更为接近的滑弧。 参考文献： ［１］李宁，刘建林，高双强，等Ｇｅｏ－Ｓｌｏｐｅ软件在小型水库大坝结构稳定分析中 ・１３３・