水电水利工程边坡设计规范编制的若干问题

电力标准化与技术经济

水电水利工程边坡设计规范编制的若干问题

SomeproblemsaboutdraftingoftheDesignSpecificationforSlopesof

HydropowerandWaterConservancyProjects

李天扶

（中国水电顾问集团西北院

西安

710065）

成了一套行之有效而又大致相同的边坡工程设计

1概述

我国水电资源集中在中西部山区，水电工程

原则和方法，采用基本一致的设计标准，而且已经应用于众多的水电站建设中。相应的工程地质勘察规范为建立边坡的力学模型、为选择稳定分析方法和物理力学参数提供了必要条件。在“八五”国家科技攻关水电系统有关边坡工程的项目，特别是“岩质高边坡稳定分析方法和软件系统”中，许多高等院校和科研机构参与科研工作，总结和

引进了国内外先进的理论和技术，促进了边坡工程技术水平的提高。

总结我国水电工程边坡的实践经验，对边坡工程的设计原则、设计标准，作必要的规定，是很有意义的事。它将为水电工程的安全施工和运行、充分发挥经济和社会效益，起保证和促进作用，也将有利于总结实践，提高勘测设计水平。

多修建在深山峡谷和山地丘陵区。在枢纽建筑物布置地段、水库和下游河道以及移民安置区常有各种各样的边坡稳定和变形问题需要解决。边坡工程常常是水电工程的重要组成部分，甚至成为控制整个工程安全、造价和工期的重要因素。

与其它行业边坡工程相比，水电边坡工程具有其特殊性和复杂性。水电工程枢纽建筑物多

布置在高山峡谷区，经常形成规模巨大的岩石高边坡和峡谷堆积体高边坡；水电工程形成的水库区内，大多有第四系堆基物，上面分布有农田和城镇。大坝蓄水使坝址区和水库区水文地质工程地质条件空前改变，打破边坡原有的平衡状态；大坝泄洪时水流冲刷及挑流雨雾，常会影响下游河谷边坡的稳定性。水电工程常常建设规模大，施工期长，人工高边坡和临时边坡问题非常突出。

水电工程界在土坝坝坡设计和混凝土重力坝、拱坝坝基、坝肩变形和稳定分析方面，在基础处理方面，已经形成成熟的设计概念和技术程序。反映在边坡的稳定分析和治理设计方面也形成其特有的专业传统。从岩土力学参数选择、计算方法、安全系数或可靠度指标的确定、治理方案的设计思路等，都与一般岩土工程有较大区别。

由于水电工程的复杂性，其重大的社会与经济效益和对环境的影响，我国水电勘测设计单位投入巨大技术力量，几十年来在水电边坡工程方面积累了丰富的经验与教训。各设计单位已经形

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安全系数

工程布置区和影响区边坡都应划分类别和等

级，在此基础上确定边坡应满足的安全程度。按照《岩土工程基本术语标准》的规定，稳定

系数是说明边坡抗滑稳定性状态的指标，安全系数是设计要求达到的最低稳定系数，二者不应混淆。由于国际上和我国水工界的传统提法分别是实际安全系数和允许安全系数，仍沿袭旧用。

作为边坡设计的允许安全系数，其规定仅适用于抗滑稳定的评价，不适用于边坡的其它变形和破坏形式，例如崩塌、倾倒、溃屈和水库坍岸等。

边坡稳定安全系数按极限平衡法确定。由于除简单的楔形体计算外，三维解法还远未普及，而

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ElectricPowerStandardization&ConstructionCostInformation

总第67期）3/2008（

二维解法得出的稳定系数，一般低于考虑三维效应的稳定系数，普遍仍采用偏于安全的二维解法。在二维解法中，要根据边坡的地质条件和岩土特性选择下限解法或上限解法。计算方法应符合边坡的实际破坏机理。安全系数不应随计算方法改变。

采用材料强度储备安全系数，按传统做法，抗剪强度的c、f(或tanφ)值采用同一安全系数；稳定分析计算以实际抗剪强度参数为基础按有关规范选择参数，不套用水工界为计算坝基（坝肩）抗滑稳定时的纯摩和剪摩概念，安全系数不应随参数选择方法改变。

边坡加固的预应力作为增加的抗滑力处理，而不作为减少的下滑力处理。

安全系数只作为边坡本身稳定裕度的指标，不包括抗滑结构物自身应该具有的安全裕度，安全系数不应随加固措施改变。

安全系数宜取一定的范围值，主要原因是：安全系数与勘察精度有关，与岩土特性和孔隙水压力的变化规律有关；与施工质量有关；与工程风险度、效益投资比等社会、经济因素密切相关。

水电工程中专项工程边坡如铁路、公路或库区一般工民建边坡应按其相应的行业规范确定安全系数。

3边坡结构与失稳模式

3.1以系统工程观点研究边坡

在这一章中，我们以系统工程论的基本观点，即认为任何事物都是有层次、有结构、有相互联系和因果关系的观点，来分析边坡；对复杂事物的分

析都须从正确地建立模型开始，工程地质师把自然原型转化为物理模型，进而设计师又把它转化为力学和数学模型。分析工作要从定性到定量，从宏观到微观，要根据工程地质条件分区分段。对结构面和结构体，要从控制性的软弱结构面开始，逐级对岩体进行分析。这样的建模和分析，为边坡设计工作奠定坚实的基础。3.2边坡结构决定边坡破坏模式

在这一章中，集中反映出我国工程地质界的丰富经验和科研成果，特别是关于岩体结构、断裂结构面分级的一整套工作程序和方法；在研究结构面产状与边坡相对关系的基础上，建立起边坡

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结构模型，进而研究相应的边坡破坏机理和破坏模式。

3.3以动态观点研究滑坡

1）在建立静态的边坡结构模型同时，我们提出要了解边坡的稳定状态，即：根据工程地质评价意见，划分稳定边坡、潜在不稳定边坡、变形边坡、不稳定边坡和失稳后边坡。边坡的稳定状态与滑动面或破坏面上的岩土强度有密切关系，也可以对地下水的作用做大致的判断，这对稳定分析和治理措施有重要参考价值。

2）当边坡的破坏形式对治理决策或工程布置有重要影响时，应进行边坡破坏类型和运动形式分析。例如：是缓慢蠕滑或是高速滑坡，是解体滑动还是整体滑动，一次性下滑方量，滑动后的堆积

方式和形状等。这对于制定监测措施，预测预警，规避风险，减少治理费用，滑动后的土地利用规划等都有重要意义。

3.4对边坡代表性剖面做了规定

由于目前采用的边坡稳定分析方法大多是平面极限平衡法，必须对其计算剖面作规定，以使稳定分析代表边坡的整体稳定性，或者能利用平面分析成果进行准三维分析。

4边坡的可靠度分析

4.1建议对重要边坡做可靠度分析

安全系数方法属于确定性分析方法。由于自然地质体的复杂性，边坡稳定分析中有许多不确定性因素，人们希望了解安全系数的可靠程度。然而，每一个岩土工程都有其独特性，特别是岩土体的强度复杂多变，建立在概率基础上的可靠度理论很难在岩土工程实践中得以应用。

目前比较普遍的认识是：安全系数还不能废除；可以把可靠度或破坏概率看成是对安全系数的补充。为此，我们在继续使用我国水电工程界常用的安全系数的同时，建议对重要边坡采用基于安全系数的简易可靠度分析方法，计算边坡的破坏概率。

4.2关于基于安全系数的简易可靠度分析方法

1）基于安全裕度的方法

安全裕度即抗力超出作用力的差值，若此差值为负则地基或边坡失稳。功能函数Z及其极限状态方程为：

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总第67期）Z=R-S≥0式中：R———结构抗力；S———作用效应。若此二力呈概率分布，则安全裕度也可计算其概率分布。若抗力的下限小于作用力的上限，即可能发生破坏。我国水工统标采用的可靠度设计即采用这种方法。

一般认为安全裕度法适用于抗力与作用力相互独立的情况。对于边坡岩体抗滑稳定来说，抗滑力和滑动力都是岩体自重的函数，以带有量纲的安全裕度绝对值来表征边坡的稳定性不大合适，因为这里有边坡规模的影响，而且脱离了传统的安全系数的概念。

2）基于安全系数的可靠度法

许多学者认为对于边坡稳定分析，可以在传统安全系数基础上定义功能函数：

F(x1,x2,…xn)-1=0

式中：F———安全系数相应的可靠指标为：β=(μF-1)/σF

β=(μF-1)/μFVF

式中：μF、σF和VF分别为安全系数的平均值、标准差和变异系数。

香港的边坡岩土工程导则即采用此方法计算可靠指标（StandardisedReliaindex）。这种做法既有安全系数，又考虑了其可靠度，是比较合适的。

3）推荐Duncan提出的简易可靠度计算方法J.M.Duncan提出一个基于传统安全系数的简易可靠度分析方法，其步骤为：

确定各有关参数的最可能值，并以常规的确定性方法计算安全系数的最可能值FMLV；以“3σ准则”估算各不确定性参数的标准差；所谓“3σ准则”是指：当正态分布的上、下限各为μ+3σ和μ-3σ时，

其分布区间内总概率将达到99.73%。因此可以利用这一特性判断强度参数的平均值和标准差。其具体做法是：以经验判断某一参数的最低和最高可能值，将其差值除以6即可得到该参数的标准差，将其差值除以2再加上最低值即为其平均值，从而简化概率分析。有专家指出这个方法在数学上是不严格的，但是可以用于实际。

在保持其它参数为最可能值不变的情况下，将每一参数的最可能值加一个标准差和减一个标准差分别计算安全系数F+值和F-值。若变化的参数一共有N个，就要进行2N次计算。这将得出

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N个F+值和N个F-值。

根据每个参数的F+值和F-值计算其ΔF值。按以下二式计算安全系数的标准差σF和变异系数VF。

σF=（（ΔF1/2）2+(ΔF2/2)2+…+（ΔFn/2）2）1/2VF=σF/FMLV

式中ΔF1=（F1+-F1-）

F1+：对第一个参数的最可能值增加一个标准差后计算出的安全系数；

F1-：对第一个参数的最可能值减少一个标准差后计算出的安全系数。

4）J.M.Duncan认为：安全系数值按对数正态分布比较合理。这并不意味各独立变量（γef，tanφ，γbf，γc）也按此类型分布，没有必要对这些变量的分布做任何假定。在此情况下，可靠指标βLN可按下式计算：

βLN=（lnFMLV/（（1+VF2）1/2）/（ln（1+VF2））1/2

式中：

FMLV—安全系数最可能值；——

VF—安全系数的变异系数。——

用计算得到的FMLV、VF或βLN可以计算

破坏概率Pf值。

这一简易可靠度方法，我们以规范性附录形式纳入边坡设计规范。

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边坡安全监测和预警

5.1结合水电工程特点进行监测设计

枢纽区边坡监测设计应与大坝监测设计相结合，并纳入大坝监测系统；水库区边坡监测设计应结合库岸保护、土地利用和移民区规划进行。5.2提出安全警戒等级

根据国内外滑坡实例的经验，按照滑坡发生的过程，将警戒等级由轻至重划分为三级比较合适。这三级的基本特征分别是：一级：发现并确认边坡变形异常，个别加固结构发生破坏；二级：边坡变形不收敛，局部区域加固结构破坏，确认边坡已经进入渐进破坏阶段；三级：确认边坡进入加速变形阶段，在3天至5天内将发生滑动。相应这三个警戒等级，警戒范围分别是上级主管部门、地区内部警报和地区公开警报。这种做法比较符合我国国情。

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