李嘯嘯，張 晨（雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川成都，610056）

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巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析方法比較與探討

李嘯嘯，張 晨（雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川成都，610056）

水電工程建設(shè)中，邊坡開挖導(dǎo)致的滑坡事故屢見不鮮，如何科學(xué)分析和評價(jià)工程邊坡的安全穩(wěn)定是亟待解決的重要課題。利用剛體極限平衡法及有限元法對某水電站大壩右岸纜機(jī)平臺(tái)邊坡典型剖面穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，探討了兩種方法計(jì)算結(jié)果的差異，分析了邊坡的靜力特性，為該工程建設(shè)與安全運(yùn)行提供科學(xué)依據(jù)。

巖質(zhì)邊坡；穩(wěn)定；剛體極限平衡法；有限元

0　概述

滑坡災(zāi)害給水利水電工程帶來的損害是非常突出的，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國每年由滑坡、泥石流等災(zāi)害造成的損失超300億元，間接損失更為慘重。隨著水電建設(shè)進(jìn)一步向西部山區(qū)轉(zhuǎn)移，由大壩、廠房、泄洪建筑物等工程開挖帶來的邊坡規(guī)模越來越大，對邊坡施工安全的要求也日益提高，其安全性直接決定了工程的進(jìn)度和經(jīng)濟(jì)效益。

目前邊坡穩(wěn)定性分析與評價(jià)的方法多樣，總體可分為定性分析和定量分析兩類。定性分析法主要是通過專業(yè)人員現(xiàn)場勘察，研究影響邊坡安全的主要因素、已變形體的成因及演化史，分析可能的失穩(wěn)模式，并最終給出定性的結(jié)論和預(yù)測，如：工程地質(zhì)類比法等。

定量分析法能夠更加準(zhǔn)確地評價(jià)邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)。目前，根據(jù)研究出發(fā)點(diǎn)的不同可主要分為模型試驗(yàn)法和數(shù)值模擬方法兩類。數(shù)值模擬方法主要包括傳統(tǒng)的極限平衡法、有限單元法及各類耦合數(shù)值分析方法等。以下簡要介紹Sarma法，并將其計(jì)算結(jié)果與基于強(qiáng)度折減的有限元法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比分析。

1　Sarma法計(jì)算原理

傳統(tǒng)的極限平衡法采用的是垂直條分法，但在大多數(shù)的巖體中都存在一組或多組陡傾角的結(jié)構(gòu)面，邊坡沿某滑裂面滑動(dòng)時(shí)，其內(nèi)部的陡傾角結(jié)構(gòu)面會(huì)產(chǎn)生剪切破壞。1979年Sarma首次提出：邊坡巖土體只有在沿一個(gè)理想的平面或者圓弧面滑動(dòng)時(shí)才可能做出一個(gè)相對完整的剛體運(yùn)動(dòng)，否則，巖土體必先破壞成多塊相對滑動(dòng)的塊體（即巖土體內(nèi)部發(fā)生剪切破壞）才可能發(fā)生滑動(dòng)破壞，因此需要對巖土體進(jìn)行傾斜條分計(jì)算［1-2］。

圖1　Sarma法力學(xué)模型Fig.1 Mechanical model of Sarma

圖1中：KcWi為假設(shè)的構(gòu)造水平力；αi、δi、δi+1為底滑面和水平面夾角、塊體側(cè)面與垂直方向的夾角。該條塊主要受自重、假設(shè)的構(gòu)造水平力（KcWi）、側(cè)面孔隙水壓力、底面水壓力、側(cè)面總法向力、總剪力作用，根據(jù)條塊水平和垂直方向力的平衡條件，有：

根據(jù)摩爾-庫倫（M-C）破壞準(zhǔn)則，在滑塊底面和左右側(cè)面有：

式中：Cbi、Csi——分塊底面、側(cè)面凝聚力；

φbi、φsi——分塊底面、側(cè)面內(nèi)摩擦角；

bi、di——分別為條塊底面寬度和側(cè)面長度。通過代入計(jì)算，可得：

En+1=（αn+αn-1en+αn-2en-1+…第n項(xiàng)）-

Kc（pn+pn-1en+pn-2en-1+第n項(xiàng)） +E1enen-1…e1

如沒有外荷載作用，En+1=E1=0，可以得到：

通過式（7）可以求得Kc，即極限水平加速度。其物理意義是，使條塊達(dá)到極限平衡狀態(tài)時(shí)，必須在條塊上施加一個(gè)臨界水平加速度Kc。在實(shí)際情況中構(gòu)造水平力 KcWi是不存在的，此時(shí)可以用安全系數(shù)F去除抗剪強(qiáng)度參數(shù)，至Kc=0時(shí)，此時(shí)的F值即為所求的滑坡抗滑穩(wěn)定系數(shù)［3-5］。

2　工程實(shí)例驗(yàn)證

2.1工程概況

某水電站工程位于四川省西昌市與鹽源縣交界地區(qū)。電站總體以發(fā)電為主，總庫容7.6億m3，裝機(jī)240萬kW，壩體為碾壓混凝土重力壩。其右岸壩肩纜機(jī)平臺(tái)錯(cuò)動(dòng)帶及節(jié)理裂隙均較發(fā)育，方向分散。平臺(tái)邊坡巖體呈強(qiáng)風(fēng)化～弱風(fēng)化，強(qiáng)卸荷，節(jié)理發(fā)育，巖體完整性差，其主要工程地質(zhì)問題為邊坡巖體破碎問題及受不利結(jié)構(gòu)面組合影響的不利穩(wěn)定塊體問題?，F(xiàn)選取該部位10-10剖面進(jìn)行穩(wěn)定性分析，以確定對所選定剖面起控制性的滑裂面。該剖面存在錯(cuò)動(dòng)帶與裂隙結(jié)構(gòu)面，穩(wěn)定性分析較為復(fù)雜（圖2）。巖體計(jì)算參數(shù)見表1。

圖2　右岸纜機(jī)平臺(tái)邊坡10-10剖面開挖前后搜索滑裂面及錨固設(shè)計(jì)示意圖Fig.2 Sketch of sliding surface and anchorage design

表1　巖體計(jì)算參數(shù)Table 1 Calculating parameters of rock mass

2.2邊坡穩(wěn)定性分析

利用Sarma法及有限元法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定計(jì)算。

2.2.1Sarma法計(jì)算分析

基于Sarma法，利用EMU軟件進(jìn)行計(jì)算。分析時(shí)采用折線滑裂面，在搜索分析時(shí)，采用隨機(jī)搜索的方式尋找最小安全系數(shù)；對于結(jié)構(gòu)面組合的形式，分析時(shí)采用的折線滑裂面通過陡傾結(jié)構(gòu)面與緩傾結(jié)構(gòu)面組合而成進(jìn)行考慮。分析工況為：正常工況（無持續(xù)降雨、持久設(shè)計(jì)工況）和地震工況（偶然設(shè)計(jì)工況）。計(jì)算結(jié)果見表2和表3。

表2　右岸纜機(jī)平臺(tái)邊坡10-10剖面搜索滑裂面穩(wěn)定分析Table 2 Stability analysis of 10-10 section（search for sliding surface）

表2表明，10-10剖面開挖掉的絕大部分為Ⅴ類巖體，開挖前后各工況下搜索得出的滑裂面分布均在Ⅴ類巖體中，且底滑面基本分布在兩類巖體的邊界處。開挖前后滑出位置分別在1 422～1 424 m高程和1 450～1 451 m高程之間，開挖前后搜索得出的滑裂面在地震工況下最小穩(wěn)定安全系數(shù)均不能滿足規(guī)范要求，因此需采用預(yù)應(yīng)力錨索深層支護(hù)的辦法對其進(jìn)行初步錨固設(shè)計(jì)，此處設(shè)計(jì)5排噸位為2 200 kN、間排距為5.0 m×5.0 m的預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行錨固處理，錨固后在各工況下安全系數(shù)能夠滿足規(guī)范要求。對比表2、表3，可看出該剖面是由搜索出的滑裂面起控制作用。

由于Ⅴ類和Ⅳ類巖體的強(qiáng)度參數(shù)相差較大，采用搜索得出的滑裂面基本分布在Ⅴ類巖體中，因此需加強(qiáng)Ⅴ類巖體的后續(xù)變形監(jiān)測工作。

圖3　右岸纜機(jī)平臺(tái)邊坡10-10剖面有限元網(wǎng)格模型Fig.3 Finite element mesh model for the 10-10 section

2.2.2有限元模擬計(jì)算分析

采用MIDAS-GTS軟件對該剖面建模，見圖4。該部位地下水位較低，分析時(shí)僅考慮重力場作用，不考慮地下水位影響。計(jì)算結(jié)果見圖4～9。

圖4　右岸纜機(jī)平臺(tái)邊坡10-10剖面開挖前正常工況潛在滑裂面位置及形狀Fig.4 Position and shape of potential sliding surface on the 10-10 section in normal working condition before excavation

圖5　右岸纜機(jī)平臺(tái)邊坡10-10剖面開挖后正常工況潛在滑裂面位置及形狀Fig.5 Position and shape of potential sliding surface on the 10-10 section in normal working condition after excavation

圖6　右岸纜機(jī)平臺(tái)邊坡10-10剖面開挖前正常工況有效應(yīng)力分布圖Fig.6 Distribution of effective stress of the 10-10 section in normal working condition before excavation

表3　右岸纜機(jī)平臺(tái)邊坡10-10剖面開挖后組合滑裂面模式下穩(wěn)定分析Table 3 Stability analysis of 10-10 section（combined sliding surface）

圖7　右岸纜機(jī)平臺(tái)邊坡10-10剖面開挖后正常工況有效應(yīng)力分布圖Fig.7 Distribution of effective stress of the 10-10 section in normal working condition after excavation

圖8　右岸纜機(jī)平臺(tái)邊坡10-10剖面開挖前正常工況塑性區(qū)分布圖Fig.8 Distribution of plastic zones of the 10-10 section in normal working condition before excavation

圖9　右岸纜機(jī)平臺(tái)邊坡10-10剖面開挖后正常工況塑性區(qū)分布圖Fig.9 Distribution of plastic zones of the 10-10 section in normal working condition after excavation

圖4、圖5分別為開挖前后潛在滑裂面位置。表4為通過GEO-STUDIO軟件計(jì)算上述臨界滑裂面以及采取Sarma法進(jìn)行的支護(hù)設(shè)計(jì)的安全系數(shù)匯總表。

從上述圖表中可看出：

（1）開挖前，邊坡中Ⅴ類巖體上部區(qū)域有較大范圍拉應(yīng)力出現(xiàn)。自然邊坡的塑性區(qū)主要分布在錯(cuò)動(dòng)帶、裂隙等結(jié)構(gòu)面部位，且大部分已貫通，因此巖體在這些部位很有可能發(fā)生剪切破壞。正常工況潛在滑裂面有兩條，該剖面的潛在滑裂面為復(fù)合型滑裂面，其中一部分均處在錯(cuò)動(dòng)帶fxj0304中。安全系數(shù)結(jié)果說明該部位開挖前正常工況下通道1為最危險(xiǎn)滑裂面，該滑裂面完全處在Ⅴ類巖體和錯(cuò)動(dòng)帶的范圍內(nèi)，安全系數(shù)僅為1.043。

表4　右岸纜機(jī)平臺(tái)邊坡10-10剖面開挖前后潛在滑移通道安全系數(shù)表Table 4 Safety factors of potential sliding path of the 10-10 section before and after excavation

（2）開挖后，塑性區(qū)分布相對于開挖前變化不大，仍然分布在錯(cuò)動(dòng)帶和裂隙區(qū)域，需重點(diǎn)加強(qiáng)監(jiān)測。正常工況潛在滑裂面有三條，相對于開挖之前而言，該剖面上的裂隙也可能與纜機(jī)平臺(tái)1 450 m高程坡腳的潛在通道貫通。開挖完成后正常工況下通道1為最危險(xiǎn)滑裂面，該滑裂面完全處在Ⅴ類巖體和錯(cuò)動(dòng)帶的范圍內(nèi)，安全系數(shù)為1.087，由于剛體法設(shè)計(jì)的支護(hù)措施僅在通道3的范圍內(nèi)，因此通道1、2的安全系數(shù)基本不變。

2.2.3計(jì)算結(jié)果比較

（1）開挖前后通過有限元強(qiáng)度折減法找到的潛在滑裂面比剛體極限法找到的滑裂面更為復(fù)雜。實(shí)際情況中，完全存在結(jié)構(gòu)面與巖體內(nèi)部的滑移通道組合成的破壞模式的可能性。

（2）開挖前后，滑裂面均處在或部分處在Ⅴ類巖體中，有限元法得出的滑動(dòng)范圍相對較大，有限元法滑裂面后緣比剛體法得出的滑動(dòng)后緣更高。

（3）從應(yīng)力分析可知，邊坡拉應(yīng)力區(qū)域容易發(fā)生破壞，而有限元法滑動(dòng)后緣正處于拉應(yīng)力區(qū)當(dāng)中，可以看出考慮了實(shí)際工程應(yīng)力變形特征及施工過程的有限元法更加符合實(shí)際情況。

（4）經(jīng)過對比分析，剛體極限平衡法適用于較完整的巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析計(jì)算。通過相關(guān)文獻(xiàn)查得，其計(jì)算精度及工程應(yīng)用性仍非常普遍，比較而言，有限元法計(jì)算更接近實(shí)際情況，但其計(jì)算、建模都較前者復(fù)雜［5］。對于大型工程邊坡，一般均采用兩者結(jié)合的方式進(jìn)行評價(jià)判斷［5］。

3　結(jié)語

從理論入手，簡要介紹了Sarma法的計(jì)算原理，結(jié)合工程實(shí)例，分析研究了其與有限元計(jì)算方法的差異。對于較完整的巖質(zhì)邊坡而言，Sarma法仍具有普遍的適用性，當(dāng)邊坡含有較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)面時(shí)，有限元計(jì)算結(jié)果更加符合實(shí)際情況。

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In construction of hydropower projects，landslide accident caused by slope excavation is very common.How to scientifically analyze and evaluate the safety of engineering slope is an important issue. This paper discusses the difference between the two methods，namely the rigid body limit equilibrium method and the finite element method，and provides scientific basis for project construction.

rock slope；stability；rigid body limit equilibrium method；finite element method

TV698.1

B

1671-1092（2016）02-0014-05

2015-08-25

李嘯嘯（1986-），男，河南南陽人，工程師，主要從事大壩安全管理、監(jiān)測資料整編分析、流域大壩安全信息管理系統(tǒng)研究等工作。

作者郵箱：554106442@qq.com

Title：Comparison and discussion on analysis methods for rock slope stability//by LI Xiao-xiao and ZHANG Chen//Yalong River Hydropower Development Co.，Ltd.