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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si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