《海堤工程设计规范》第十章稳定计算

1、海堤工程设计规范第十章 稳定计算报告内容一、海堤稳定计算的目的和意义 为什么要进行海堤的稳定计算二、介绍工程结构稳定性评价方法 主要介绍工程结构稳定性评价方法的发展方向及海堤工程设计规范采用定值安全系数法进行海堤稳定性评价的原因三、海堤破坏模式的分类 主要介绍海堤稳定性破坏模式的类型，针对不同破坏模式制定相应的稳定性核算内容四、具体条文的解释说明 对具体条文的编制依据、背景资料、注意事项等进行解释说明，方便大家更清楚的掌握条文内容海堤稳定计算的目的和意义海堤稳定计算的意义 海堤在土体自重、水压力等荷载作用下，可能会发生局部或整体破坏，使其挡水功能削弱甚至丧失。 海堤一旦发生破坏，不仅海堤工程本

2、身损失严重，往往还会使堤后人民的生命财产造成巨大损失。 海堤稳定计算是工程设计中的重要环节。海堤稳定计算的目的 分析海堤在各种工作条件下堤身和堤基可能产生的破坏形式，并分别核算其稳定性，确保海堤的安全性达到预定目标。海堤安全性评价方法工程结构安全性评价方法：可靠度设计方法 以概率理论为基础，采用全概率法或近似概率法进行工程结构的可靠性分析。定值安全系数设计法 以安全系数K来表达结构的安全程度。可靠度设计方法简介可靠度 可靠程度的大小在数学上称为可靠度，在工程上是指安全度。工程结构的可靠度 在规定的使用条件下，在预定使用期限内，工程结构不发生破坏或失效的概率。应用领域 近几十年来，由生产实践需要

3、而发展起来的可靠度理论，已被广泛应用于建筑、电力、电子、机械等工程领域。 水利行业的一些规范也逐渐接受可靠度设计理念，采用概率极限状态设计原则，以分项系数极限状态设计表达式替代原有规范采用的定值法的计算原则和方法。水工钢筋混凝土结构设计规范等规范已经采用了该设计方法。可靠度与定值设计法比较定值设计法习惯用单一安全系数K表达结构的安全度，这些安全系数主要是以经验为基础确定的。从定值安全系数出发，人们往往误认为只要设计中采用了规范给定的安全系数，结构就绝对安全，这是不符合实际的。（理论上没有绝对安全的结构）采用定值设计法，不同类型结构的可靠程度不具可比性。如本规范规定正常运用条件下，1级海堤整体抗

4、滑稳定安全系数为1.30，挡土墙、防浪墙抗倾稳定安全系数为1.60。这并不意味着挡土墙、防浪墙的抗倾安全程度比海堤整体抗滑安全程度更大。以概率论为基础的可靠度设计方法可弥补了以上不足，是比较科学合理的设计方法。本规范采用定值设计法的原因目前，我国关于堤防、土石坝的设计规范中，仍惯用经验性的定值法进行安全性评价。 如堤防工程设计规范、碾压式土石坝设计规范、混凝土面板堆石坝设计规范、浆砌石坝设计规范等，均采用安全系数K作为安全性评价指标。由于很难掌握海堤材料强度、荷载等基本变量的真实概率分布，所以目前采用可靠度的概念进行海堤设计存在很大困难。 因此本次制定的海堤工程设计规范，仍采用以安全系数为安全

5、性评价标准的经验性的设计方法。以概率论为基础的可靠度设计方法，是海堤设计标准进一步努力的方向。海堤的破坏模式根据海堤的破坏模式，海堤的稳定性破坏大体可分为两类：第一类：剪切破坏 即在一定的条件下，海堤土体抗剪强度不足，堤身或堤身连同堤基发生滑塌，丧失稳定。第二类：渗透破坏 是水在海堤土体间流动，当局部渗流坡降过大时，土体会发生渗透变形，进而威胁到海堤的安全。 针对这两类稳定性验算的内容，本章特分成两节：“渗流及渗透稳定计算”和“抗滑和抗倾稳定计算”，分别从渗流及渗透稳定、抗滑和抗倾稳定两个方面对海堤稳定性进行核算。条文1解释说明10.1.1 海堤应根据实际情况进行渗流及渗透稳定计算，计算求得渗

6、流场内的水头、压力、坡降和渗流量等水力要素，进行渗透稳定分析。说明：由于大多数海堤堤身高度较小，堤高3m5m是常见的海堤型式。潮位的变动频繁，多属半日潮，即每天涨落两次。海堤内外水位差较小，高水位历时较短。在这种情况下，堤内很难形成稳定的浸润线，发生渗透破坏的可能性也较小。曾有过测量海堤浸润线的试验，但最终并未测到结果。目前，非稳定渗流的计算方法还不成熟，常规的稳定渗流计算与实际情况不符，其计算结果与实际情况自然会差异较大。鉴于上述原因，对于渗流及渗透稳定的内容，可根据海堤的具体情况酌情选用。对于堤内外水位差较大、堤身、堤基含砂量大（渗透系数大）的海堤应注意渗透稳定问题。条文1解释说明10.1

7、.2 应以地形地质条件、断面型式、堤高以及波浪条件基本相同为原则，将全线海堤划分为若干段，每个区段选择一、二个有代表性的断面进行渗流计算。土堤计算方法可按堤防工程设计规范（GB50286-98）附录E，计算内容如下：1 应核算在设计高潮（水）位持续时间内浸润线的位置，当在背海侧堤坡逸出时，应计算出逸点的位置、逸出段与背海侧堤基表面的出逸坡降；2 当堤身或堤基土渗透系数k10-3cm/s时，应计算渗透量；3 应计算潮（水）位降落时临海侧堤身内的自由水位。说明：海堤渗流计算方法可参考堤防工程设计规范（GB50286-98）附录E，该附录篇幅较长，在本规范中不再赘述。由于这些渗流计算方法都是以均质土

8、堤为计算对象，而海堤断面一般较复杂，计算时可适当简化，或者参考其他计算方法，也可采用渗流分析程序进行计算。条文1解释说明10.1.3 受洪水影响较大的海堤渗流计算应计算下列水位的组合：1 临海侧为设计洪水位，背海侧为相应水位、低水位或无水；2 洪水降落时对临海侧堤坡稳定最不利的情况。说明：由于各地传统上划归为“海堤”一类的堤段，有些部分已经距离出海口相当远，受径流洪水影响较大，严格来讲应属于江堤的范畴。对于这类海堤相应的堤段，渗流计算应核算临海侧为设计洪水位、背海侧为相应水位、低水位或无水的计算工况。条文1解释说明10.1.4 受潮水影响较大的海堤渗流计算应计算下列水位的组合：1 临海侧为设计

9、潮水位或台风期大潮平均高潮位，背海侧为相应水位、低水位或无水；潮位降落时对临海侧堤坡稳定最不利的情况；2 以大潮平均高潮位计算渗流浸润线；3 以平均潮位计算渗流量。渗流计算主要是计算渗流场内的水头、坡降、浸润线位置以及渗流量等水力要素，由于不同水力要素计算结果的用途不同，对于受潮水影响较大的海堤，可对各水力要素采用不同的计算工况进行核算。渗流场内各点的渗透坡降的计算结果主要用于判定土的局部渗透稳定性，临海侧水位宜采用设计潮位或台风期大潮平均高潮位，背海侧水位采用相应水位、低水位或无水情况。对于受潮水影响较大的海堤，设计潮位持续时间通常较短，很难形成稳定渗流，因此计算海堤内浸润线位置时，临海侧潮

10、位可取大潮平均高潮位进行计算。计算渗流量的目的是为堤后排水提供参考，该流量应是平均流量概念，因此临海侧水位宜采用平均潮位。条文1解释说明10.1.5 对比较复杂的地基情况可作适当简化，并按下列规定进行：1 对于渗透系数相差5倍以内的相邻薄土层可视为一层，采用加权平均的渗透系数作为计算依据。2 双层结构地基，当下卧土层的渗透系数比上层土层的渗透系数小100倍及以上时，可将下卧土层视为不透水层；表层为弱透水层时，可按双层地基计算。3 当直接与堤底连接的地基土层的渗透系数比堤身的渗透系数大100倍及以上时，可认为堤身不透水，仅对堤基按有压流进行渗透计算，堤身浸润线的位置可根据地基中的压力水头确定。说

11、明：由于渗流计算通常比较复杂，如果不采用计算程序进行计算，必须对计算边界条件等做较大的简化。由于各土层渗透系数试验结果通常比较离散，且地基土层空间分布很难准确描述，因此在计算时做适当简化并不会影响计算结果的准确程度。有条件时尽量采用计算程序进行渗流分析，这样可进一步提高工作效率。条文1解释说明10.1.6 渗透稳定应进行以下判断和计算： 1 土的渗透变形类型；2 堤身和堤基土体的渗透稳定；3 海堤背海侧渗流出逸段的渗透稳定。10.1.7 土的渗透变形类型的判定应按GB50287的有关规定执行。10.1.8 背海侧堤坡及地基表面逸出段的渗流坡降应小于允许坡降；当出逸坡降大于允许坡降，应设置反滤层

12、、压重等保护措施，或防渗措施。10.1.9 无粘性土防止渗透变形的允许坡降应以土的临界坡降除以安全系数确定，安全系数宜取。无试验资料时，无粘性土的允许坡降可按表选用，有反滤层时可适当提高。特别重要的堤段，其允许坡降应根据试验的临界坡降确定。条文1解释说明表10.1.9 无粘性土允许坡降注1：Cu为土的不均匀系数。 注2：表中的数值适用于渗流出口无滤层的情况。条文1解释说明渗流计算堤坡、地基表面逸出段的水力坡降J水利水电工程地质勘察规范附录M判别土的渗透变形类型 (流土、管涌、过渡型)计算、试验、查表允许水力坡降J允许J J允许 : 安全；J J允许 : 应设置反滤层、压重等保护措施条文1解释说

13、明10.2.1 海堤抗滑、抗倾稳定计算包括以下内容：1 海堤整体抗滑稳定计算；2 防洪墙和防浪墙的抗滑、抗倾覆稳定计算及防洪墙的地基承载力计算。计算内容计算方法紧密相关抗滑稳定分析方法应力应变有限元等方法抗滑稳定性破坏准则剪应力水平法刚体极限平衡法两种方法优缺点对比： 剪应力水平法更符合海堤受力、变形的力学机制，可同时计算海堤的稳定性与变形。但这种分析方法在工程实践中应用还较少，目前其经验还不足以指导海堤工程的设计。传统刚体极限平衡法（抗滑、抗倾稳定计算） 应用广泛，方法成熟，经验丰富。安全系数传统抗滑、抗倾稳定计算稳定计算内容海堤整体抗滑稳定刚性结构稳定防洪墙防浪墙抗滑抗倾抗滑抗倾地基承载力

14、条文1解释说明10.2.2 海堤整体抗滑稳定计算可分为正常运用情况和非常运用情况。各种情况下的计算工况及其临海侧、背海侧水位组合可按表采用。计算时应根据工程实际情况确定计算工况和相应的水位组合。表10.2.2 海堤整体抗滑稳定计算工况及其临海侧、背海侧水位组合水位组合对海堤稳定性的影响水位组合对海堤稳定性的影响： 进行海堤稳定计算时，海堤两侧的水位组合对海堤的稳定计算结果有直接影响。国家标准堤防工程设计规范没有对各工况的潮（水）位进行详细的确定，设计人员实际应用时会有一定的困难。 针对不同的计算工况，本规范给出详细的海堤临海侧、背海侧水位组合，供设计人员参考并根据实际情况选用。条文1解释说明1

15、0.2.3 采用瑞典圆弧滑动法进行海堤整体抗滑稳定计算应符合附录N的规定，其整体抗滑稳定安全系数不应小于表10.2.3规定的数值。采用其他稳定分析方法得到的安全系数应另作论证。表10.2.3 海堤整体抗滑稳定安全系数注：地震计算方法按水工建筑物抗震设计规范（SL203）执行。条文1解释说明关于安全系数控制标准，大体有如下几种观点：1）认为我国现行规范的安全设置水准是足够的，并已为长期实践所证明，安全度高了是浪费，除个别需调整外，总体上不必变动。 2）认为我国规范的安全度设置水准尽管不高，但在全面遵守标准规范有关规定，即在正常设计、正常施工和正常使用的“三正常”条件下，据此建成的工程绝大多数至今

16、仍在安全使用，表明这些规范规定的水准仍然适用；但是理想的“三正常”很难做到，在物质供应条件业已改善的市场经济条件下，结构的安全设置水准应适当提高。这种提高只能适度，因为我国目前尚属发展中国家。 3）认为我国规范的安全设置水准需要大幅度提高。这是由于随着我国经济发展和生活水平不断提高，土建工程特别是重大基础设施工程出现事故所造成的风险损失后果将愈益严重，而为了提高工程安全程度所需要的经费投入在整个工程（特别是建筑工程）造价中所占的比重现在已愈来愈低，材料供应也十分充裕。过去的低安全水准只是适应了以往短缺型计划经济年代的需要，但决不是没有风险，如果规范的安全水准较高，曾经发生过的有些安全事故本来是

17、可以避免的。 条文1解释说明安全系数的控制标准1、我国设计规范的安全设置水准较低，与我国以前的经济条件等因素有关。但是，取用较低的安全水准并基本满足了当时的生产与生活需求，而且业已历经了较长时间的考验，这是国内水利科技人员经过巨大努力所取得的重大成就；2、国内发生的水利工程安全事故，主要是由于设计失误、管理不善等严重的人为错误所致，而非安全设置水平过低造成的；3、海堤工程一般投资较大、工期长，当安全标准稍有变动时，材料、人力、投资等都会有相当大的增减。海堤抗滑稳定安全系数控制标准对工程投资有直接影响。 安全系数是工程安全与工程投资妥协的标准，与社会经济发展程度密切相关。尽管我国经济条件有了大幅

18、度的提高，但整体上仍属于发展中国家，投资控制仍是工程建设中的关键问题。因此，抗滑稳定安全系数控制标准仍采用与堤防工程设计规范等一致的标准。计算方法与安全系数的匹配问题计算方法与安全系数的匹配问题目前，抗滑稳定分析有多种方法：瑞典法、Bishop法、Janbu法、Spencer法、Mogenstern-Price法等。抗滑稳定计算结果与分析方法是对应的，不同的分析方法由于其假定不同，所得到的安全系数没有可比性。本规范采用的是与国家标准堤防工程设计规范一致的瑞典圆弧滑动法进行分析。该方法计算简单、应用广泛，在实践中已取得了大量的经验。但该方法理论上有缺陷，不能考虑土条间的作用力，不满足力平衡条件，

19、计算所得的安全系数偏小，在某些情况下计算结果与实际值差异较大。在进行稳定分析时，也可采用其他分析方法，但采用其他方法所得到的安全系数不能直接套用表1所规定的安全系数，应另作论证。条文1解释说明10.2.4 海堤抗滑稳定计算代表性断面的选取原则与渗流计算代表性断面的选取原则相同。海堤抗滑稳定计算与渗流计算的代表性断面的选择原则相同，都是以地形地质条件、断面型式、堤高以及波浪条件基本相同为原则，将全线海堤划分为若干段，每个区段选择一、二个有代表性的断面进行稳定计算。如果进行稳定时采用渗流计算所提供的浸润线，应注意两者计算断面的位置、计算工况应一致。条文1解释说明10.2.5 土的抗剪强度指标可用直

20、剪仪或三轴仪或十字板仪测定，各计算工况下土的抗剪强度指标选取方法应符合附录M的规定。条文1解释说明土的抗剪强度是稳定计算中最为关键的指标孔隙水压力难以确定 在进行圆弧滑动稳定分析时，理论上只有有效应力才对土体抗剪强度有贡献，如能计算出土的有效应力，原则上都应采用有效应力法进行计算。但实际上仅有极少数情况（如水位恒定较长时间，即稳定渗流工况）可通过渗流分析确定土体中的孔隙水压力，进而确定土的有效应力，多数情况下（如施工期、水位骤降、地震等工况）孔压变化及消散过程很难准确计算，在剪切破坏过程中孔压的变化更是无法计算。采用不同试验模拟实际孔压 采用总应力法进行稳定分析时，孔隙水压力对稳定的影响实际上

21、是由控制试验的排水条件得到合适的强度指标完成的。因此，才会有直接快剪、固结快剪、慢剪、不固结不排水、固结不排水、固结排水等多种试验。分析方法和土的抗剪强度指标须对应计算工况与强度指标选取施工期施工速率较快加荷速率较慢分期施工地基设竖向排水设施其他工况固结快剪指标慢剪指标固结不排水剪三轴固结排水指标直接快剪指标三轴不固结不排水指标 十字板强度指标可考虑施工期强度增长条文解释说明在进行海堤圆弧滑动稳定分析时，可采用如下简化处理方法反应浮力和渗透力对抗滑稳定的影响：外坡水位以下的土体取浮重度；浸润线以上的土体取天然重度；浸润线与外坡水位之间的土体，在计算滑动力矩时采用饱和重度，但在计算抗滑力矩时用浮重度。浸润线外坡水位条文1