王康三 司建強(qiáng) 曾國(guó) 王元康

摘 要：為了確定切實(shí)可行的支護(hù)開挖方案，本研究運(yùn)用Slide軟件并分別采用Bishop法、Janbu法、Fellenius法和Spencer法等對(duì)云南某大型輸水隧洞洞口邊坡在正常、暴雨、地震工況下進(jìn)行穩(wěn)定性模擬分析。結(jié)果表明，對(duì)于同一剖面，在相同運(yùn)行工況下，運(yùn)用Janbu法分析出的最小安全系數(shù)最小;對(duì)于同一剖面，在同一分析方法下，最小安全系數(shù)最小的為暴雨工況;采用Janbu法對(duì)邊坡開挖支護(hù)的最終方案進(jìn)行分析模擬，最小安全系數(shù)[K]=1.237>1.20，開挖邊坡安全系數(shù)計(jì)算值滿足規(guī)范要求，隧洞洞口邊坡在各運(yùn)行工況下處于穩(wěn)定狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：穩(wěn)定性分析;開挖支護(hù);安全系數(shù);水利工程

中圖分類號(hào)：TV731文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）08-0025-04

Application of Slide in Slope Stability Analysis of Hydraulic Engineering

WANG Kangsan SI Jianqiang ZENG Guo WANG Yuankang

（PowerChina Kunming Engineering Corporation Limined，Kunming Yunnan 650051）

Abstract： In order to determine a feasible support excavation scheme， this study used the Bishop method， Janbu method， Fellenius method and Spencer method to simulate the stability of a large-scale water conveyance tunnel entrance slope by Slide software in Yunnan under normal， heavy rain， and earthquake conditions. The results show that， for the same section， under the same operating conditions， the minimum safety factor analyzed by the Janbu method is the smallest; for the same section， under the same analysis method， the smallest safety factor is the smallest rain condition; the Janbu method is used to analyze and simulate the final scheme of slope excavation and support， the minimum safety factor [K]=1.237>1.20， the calculated value of the safety factor of the excavated slope meets the requirements of the code， and the slope of the tunnel entrance is stable under all operating conditions.

Keywords： stability analysis;excavation and support;safety factor;water conservancy project

隨著我國(guó)水利建設(shè)的快速發(fā)展，越來越多的水利工程項(xiàng)目涉及邊坡開挖支護(hù)，邊坡失穩(wěn)可能造成較大的工程事故，導(dǎo)致大量人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，故邊坡的穩(wěn)定性分析對(duì)工程建設(shè)和安全運(yùn)行具有重大意義，是設(shè)計(jì)合理的邊坡開挖支護(hù)方案的基礎(chǔ)。國(guó)內(nèi)外專家及學(xué)者對(duì)邊坡穩(wěn)定性分析做了大量的研究，并取得了一系列成果[1-3]。在研究過程中，人們將數(shù)學(xué)方法及模型應(yīng)用于邊坡穩(wěn)定性分析。杜九博[4]等通過建立三維邊坡開挖模型，采用基于強(qiáng)度折減法的三維有限元軟件對(duì)西藏某水利工程邊坡進(jìn)行穩(wěn)定分析;王俊杰[5]等采用有限元強(qiáng)度折減法對(duì)重慶市金佛山水利工程壩址區(qū)左岸巖質(zhì)高邊坡進(jìn)行分析;洪海春[6]等通過建立模糊綜合評(píng)判模型對(duì)貴（陽）遵（義）高等級(jí)公路工程邊坡進(jìn)行實(shí)例分析。Slide軟件由加拿大RocScience公司研發(fā)，是一個(gè)適用于土質(zhì)邊坡和巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的分析軟件，它具備一系列全面廣泛的分析特性，包括支撐設(shè)計(jì)、完整的地下水（滲流）有限元分析及隨機(jī)穩(wěn)定性分析，計(jì)算原理為極限平衡法。本文通過采用Slide軟件對(duì)擬定設(shè)計(jì)邊坡開挖支護(hù)方式在正常、暴雨、地震工況下進(jìn)行穩(wěn)定性模擬分析，根據(jù)分析結(jié)果改進(jìn)相應(yīng)的支護(hù)方式，以確保工程安全且經(jīng)濟(jì)，旨在為類似邊坡的穩(wěn)定性分析和設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

工程區(qū)地下水類型有第四系孔隙水、巖溶水和基巖裂隙水。工程區(qū)地形起伏不大，物理地質(zhì)現(xiàn)象以風(fēng)化為主。非可溶性的砂巖、板巖、粉砂巖和頁巖多見于全強(qiáng)風(fēng)化層。全風(fēng)化底界垂直埋深一般為5～25 m，強(qiáng)風(fēng)化界垂直埋深一般為20～50 m。除局部外，可溶性的白云巖、灰?guī)r一般發(fā)育表層強(qiáng)烈溶蝕風(fēng)化巖體，一般處于基覆界線以下15 m以內(nèi)，裂隙性溶蝕風(fēng)化底界垂直埋一般超過40 m。受斷裂影響，構(gòu)造附近巖體多形成風(fēng)化深槽。工程區(qū)處于50年超越概率10%的水平地震動(dòng)峰值0.20 g區(qū)內(nèi)，相應(yīng)的地震基本烈度為8度。

根據(jù)前期勘察室內(nèi)巖土體物理力學(xué)試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)分析，并類比滇中地區(qū)的掌鳩河引水工程、牛欄江—滇池補(bǔ)水工程等與本工程類似的地基土層以及相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，提出該段（地層Q4el+dl）各主要土層的力學(xué)參數(shù)建議值，詳情如表1所示，按巖性、風(fēng)化程度，提出主要巖體物理力學(xué)參數(shù)建議值，如表2所示。

2 邊坡穩(wěn)定分析

2.1 建立模型

Slide軟件是一個(gè)適用于土質(zhì)邊坡和巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的分析軟件，在不同外界荷載及地下水等條件下迅速建立復(fù)雜的模型并計(jì)算分析，該軟件應(yīng)用垂直條塊極限平衡法，分析方法有Bishop法、Janbu法、Fellenius法和Spencer法等。用戶可以定義一個(gè)或幾個(gè)圓心半徑搜索區(qū)域，軟件會(huì)自動(dòng)搜索這些區(qū)域并計(jì)算出所有有效滑移面的安全系數(shù)并給出最小安全系數(shù)及滑移面。用戶可以手動(dòng)定義搜索的圓心半徑搜索區(qū)域，也可以讓軟件自動(dòng)獲得圓心和半徑搜索區(qū)域，用戶只需花極少的時(shí)間和設(shè)定就能得到可靠的計(jì)算結(jié)果。

根據(jù)工程區(qū)的地質(zhì)條件，地形地貌、征地范圍等，擬定初步方案：隧洞進(jìn)口邊坡采用人工開挖，開挖邊坡最大坡高約為36 m，開挖坡比1.0∶1.2，在高程1 917.00 m處設(shè)置2 m寬?cǎi)R道，開挖邊坡坡面采用噴混凝土+掛網(wǎng)鋼筋+錨桿支護(hù)進(jìn)行坡面常規(guī)支護(hù)，主要措施為洞口設(shè)置1 m厚C25貼坡混凝土（錨拉板），邊坡噴C20混凝土（厚15 cm），布置掛網(wǎng)鋼筋[Φ]6.0@0.2 m×0.2 m;系統(tǒng)錨桿[Φ]25長(zhǎng)4.5 m，間排距為3 m×3 m，入巖4.4 m，采用梅花形布置;坡面排水孔孔深為3 m，間排距為3 m，采用梅花形布置;開挖范圍線和洞口線外1 m設(shè)間距2 m、長(zhǎng)9.0 m的鎖口錨筋樁3C28，開挖范圍線外在3～5 m設(shè)截水天溝，斷面尺寸為0.5 m×0.5 m，采用C25素混凝土，馬道設(shè)有0.5 m寬排水溝，末端與截水天溝相連（見圖1）。選擇該隧洞洞口邊坡A-A縱剖面和邊坡最高點(diǎn)B-B剖面，通過Slide軟件建立數(shù)值模型，對(duì)這兩個(gè)典型剖面進(jìn)行計(jì)算分析，如圖2至圖5所示。

2.2 數(shù)值模擬分析

依據(jù)該輸水線路工程等級(jí)、建筑物級(jí)別、邊坡重要性及失事后的危害程度，開挖邊坡級(jí)別為1級(jí)。查《水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 386—2007），邊坡設(shè)計(jì)安全系數(shù)如表3所示。

分析表4可知，同一剖面在同一分析方法下最小安全系數(shù)由大到小分別為：正常工況（a）>地震工況（c）>暴雨工況;A-A剖面的正常和地震運(yùn)行工況下，各種分析方法得出的最小安全系數(shù)均大于相應(yīng)的設(shè)計(jì)要求，然而暴雨運(yùn)行工況下得出的最小安全系數(shù)均小于相應(yīng)的設(shè)計(jì)要求（[K]<1.20），運(yùn)用Janbu法分析出的最小安全系數(shù)[K]=1.066<1.20;B-B剖面的各運(yùn)行工況下，各種分析方法得出的最小安全系數(shù)均大于相應(yīng)的設(shè)計(jì)要求;同一剖面在同一運(yùn)行工況下運(yùn)用Janbu法分析出的最小安全系數(shù)最小。綜上，該初步方案通過Slide軟件進(jìn)行穩(wěn)定性模擬分析得出最小安全系數(shù)[K]=1.066<1.20，故無法保證邊坡穩(wěn)定，需要調(diào)整方案，使得A-A剖面在暴雨運(yùn)行工況下采用Janbu法分析得出的最小安全系數(shù)大于相應(yīng)的設(shè)計(jì)要求，即[K]>1.20可保證整個(gè)隧洞洞口邊坡在各運(yùn)行工況下處于穩(wěn)定狀態(tài)。

2.3 調(diào)整方案

Slide軟件可以迅速自動(dòng)搜索斷面區(qū)域，計(jì)算出所有有效滑移面的安全系數(shù)，給出最小安全系數(shù)值模型，人們可以利用Slide軟件，采用Janbu法分析邊坡開挖數(shù)及滑移面。隧洞洞口邊坡A-A剖面開挖支護(hù)方案不斷調(diào)整，有必要進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析模擬。合理調(diào)整后，最終確定的開挖支護(hù)方案為：隧洞進(jìn)口邊坡采用人工開挖，開挖邊坡最大坡高約為36 m，開挖坡比1.0∶1.2，在高程1 917.00 m設(shè)2 m寬?cǎi)R道，對(duì)開挖邊坡坡面采用噴混凝土+掛網(wǎng)鋼筋+錨桿支護(hù)+錨索支護(hù)進(jìn)行坡面支護(hù)。主要措施為洞口馬道上部邊坡HI范圍內(nèi)澆筑C25貼坡混凝土并設(shè)置兩排1 000 kN級(jí)錨索@5 m，[L]=30 m，洞口設(shè)置1m厚C25貼坡混凝土（錨拉板），其余邊坡噴C20混凝土（厚0.5 m），布置掛網(wǎng)鋼筋[Φ]6.0@0.2m×0.2m;系統(tǒng)錨桿[Φ]25長(zhǎng)6.0 mm，間排距為3 m×3 m，入巖5.9 m，采用梅花形布置;坡面排水孔孔深為3 m，間排距為3 m，采用梅花形布置;開挖范圍線和洞口線外1 m設(shè)間距2 m、長(zhǎng)9.0 m的鎖口錨筋樁3C28，開挖范圍線外3～5 m設(shè)截水天溝，斷面尺寸為0.5 m×0.5 m，采用C25素混凝土，馬道設(shè)有0.5 m寬排水溝，末端與截水天溝相連;對(duì)于隧洞洞口，正面貼坡混凝土（錨拉板），設(shè)置四排水平錨筋樁3C28，間排距為2.5 m×2.5 m。

最終方案的邊坡開挖支護(hù)圖及數(shù)字模擬分析如圖6所示，即A-A剖面暴雨運(yùn)行工況下采用Janbu法分析得出最小安全系數(shù)及滑移面，最小安全系數(shù)[K]=1.237>1.20，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)滿足工程設(shè)計(jì)要求。采用Slide軟件模擬分析的過程中，邊坡增設(shè)錨索后，安全系數(shù)顯著增大，錨索穿過覆蓋層埋入巖層內(nèi)部，這是一種傳遞支護(hù)力至深部穩(wěn)定巖層的主動(dòng)支護(hù)方式，較大范圍內(nèi)明顯增加邊坡錨固效應(yīng)。邊坡施工時(shí)應(yīng)自上而下逐級(jí)開挖、及時(shí)支護(hù)，有利于邊坡的穩(wěn)定。此外，方案中，截水天溝和排水溝的設(shè)置能夠減少巖體的孔隙壓力及天然容重，進(jìn)而減少滑移作用力，增強(qiáng)抗剪強(qiáng)度，提高邊坡穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

本文以云南某輸水隧洞洞口邊坡為實(shí)例，通過Slide軟件建立數(shù)值模型，對(duì)兩個(gè)典型剖面進(jìn)行計(jì)算分析評(píng)價(jià)。其間通過Slide軟件建模來進(jìn)行數(shù)值模擬，分別采用

Bishop法、Janbu法、Fellenius法和Spencer法對(duì)擬定設(shè)計(jì)邊坡開挖支護(hù)方式在正常、暴雨、地震工況下進(jìn)行穩(wěn)定性模擬分析。同一剖面在同一運(yùn)行工況下運(yùn)用Janbu法分析出的最小安全系數(shù)最小，Bishop法分析出的最小安全系數(shù)最大;同一剖面在同一分析方法下最小安全系數(shù)最小的為暴雨工況。隨著方案的不斷調(diào)整，Slide軟件能夠快速地進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析模擬，工程設(shè)計(jì)的實(shí)用性強(qiáng)。對(duì)隧洞洞口邊坡開挖支護(hù)方案進(jìn)行穩(wěn)定性模擬分析可知，最終方案的最小安全系數(shù)滿足工程設(shè)計(jì)要求。本文在邊坡穩(wěn)定分析過程中存在不足，比如，使用Slide軟件分析不能有效地反映材料之間復(fù)雜的本構(gòu)關(guān)系，并且單一的分析方法存在一定的隨機(jī)性和不可靠性，今后應(yīng)采用多種數(shù)值模擬方法對(duì)邊坡進(jìn)行綜合性穩(wěn)定分析。

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