朱自強，祁 玲，張 林，楊寶全

(1.四川水利職業(yè)技術學院，四川 崇州，611231；2.四川大學水利水電學院，成都，610065)

前言

隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施，西部地區(qū)資源的開發(fā)和基礎設施的建設正在快速開展。在這一地區(qū)開展的工程中，往往需要開挖大量巖體，形成高陡邊坡。而邊坡的穩(wěn)定性狀況，關系到工程建設的安全，并在很大程度上影響著工程建設的投資和使用效益，如果處理不當，往往導致邊坡失穩(wěn)，形成滑坡和崩塌[1]。如天生橋二級水電站進口右岸邊坡開挖導致滑坡，致使48人喪生；小浪底水電站工程的進場公路開挖，發(fā)生30萬m3的滑坡；瀾滄江漫灣水電站左岸纜機平臺邊坡失穩(wěn)的治理工程耗資1.2億元，耗費大量人力和財力，并使延誤工期1年。

因此，對邊坡特別是高邊坡的穩(wěn)定性研究顯得尤為重要。邊坡穩(wěn)定性的分析研究始于上世紀20年代，早期的邊坡研究有兩種方法：一是分析邊坡所處的地質(zhì)條件以及滑坡和滑坡發(fā)生的環(huán)境與機制的影響[2]；二是根據(jù)三個靜力平衡理論以及剛體平衡條件最終計算邊坡極限平衡狀態(tài)下的總穩(wěn)定性。上世紀80年代開始，隨著計算機理論及其科學的發(fā)展，在數(shù)值模擬技術的幫助下，邊坡研究不斷取得新成果，以有限元法為代表的數(shù)值分析法也開始大量應用于邊坡穩(wěn)定性分析中[3]。

雙江口水電站邊坡達到300m以上，穩(wěn)定性是控制工程安全性的關鍵問題之一。本文在實地考察基礎上，重點研究雙江口水電站右岸拱肩槽邊坡穩(wěn)定性，利用現(xiàn)場收集的數(shù)據(jù)和資料，采用剛體極限平衡法與有限元法兩種方法進行分析計算，對前期擬選混凝土雙曲拱壩方案進行拱肩槽邊坡的穩(wěn)定性分析和探討，并給出總體評價和支護建議。研究成果為該水電站雙曲拱壩方案穩(wěn)定性分析與鑒定提供重要參考。

1 工程概況

雙江口水電站地理位置[4]處于四川省阿壩州馬爾康縣與金川縣交界處，位于大渡河上游段，大金川主干水系綽斯甲河及重要支流足木足河交匯處雙江口(可爾因)下游段，壩段位于阿壩州馬爾康縣境內(nèi)的大渡河上源河流足木足河與綽斯甲河匯口以下2km處，是大渡河干流開發(fā)的上游控制性工程。天然邊坡與工程邊坡高度達到300m以上。該水電站設計壩高318m，正常蓄水位2550m，是大渡河流域規(guī)劃擬建的最大庫容水電站之一。

該段河谷呈典型的深切“v”型谷，兩岸岸坡陡峻，相對高差達1000m以上，自然坡度左岸35°～50°、右岸45°～60°，谷底寬100m～200m。右壩肩屬于天然邊坡，基本為巖質(zhì)邊坡，在坡腳存在較厚的覆蓋層，其余基本為基巖裸露，其剖面形態(tài)為“V”字形一邊，天然邊坡坡度約52°，屬于峻坡，右壩肩垂直落差約523m，屬于超高邊坡。該段河谷典型地質(zhì)剖面圖如圖1所示。

圖1 典型地質(zhì)橫剖面

右岸岸巖體向河谷臨空方向卸荷強烈?？碧狡巾辖衣?，巖體卸荷方向為順坡的NW向中陡傾角裂隙方向，并且局部追蹤裂隙密集部位發(fā)現(xiàn)卸荷比較明顯，其卸荷強度一般隨水平深度增加而減弱。壩址區(qū)右岸2250m～2275m高程強卸荷水平深度為6.5m～19m，弱卸荷水平深度為20m～45m；2400m高程左右強卸荷水平深度為3m～10.5m，弱卸荷水平深度為23m～29m。強卸荷帶和弱卸荷帶基本上分別與弱風化帶上段和下段相對應。強卸荷帶內(nèi)巖體松弛嚴重，卸荷裂隙較發(fā)育，裂隙普遍松弛張開0.5cm～5cm、最大達10cm以上，充填碎屑及次生泥，多浸、滴水。

該水電站拱肩槽部位，谷坡高陡，設計壩高達318m，其規(guī)模之巨大，如果出現(xiàn)失穩(wěn)，將對水電站的施工、運行產(chǎn)生重大影響，由此產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟損失和社會影響是不可估量的。

2 極限平衡法分析邊坡穩(wěn)定性

2.1 極限平衡法計算理論

極限平衡法屬于經(jīng)典的確定性分析方法之一[5]，包括如瑞典法、比肖普法、摩根斯坦法等，由彼得森(瑞典)于1912年提出，最大的特點是公式簡捷、模型簡單、各種復雜剖面以及各種加載形式都可以解決。

極限平衡法的基本原理是：

(1)假定邊坡構成的介質(zhì)是完全均勻的，同時抗剪強度τf滿足庫侖定理：

τf=c+σtanφ

(1)

其中：c——粘結力，φ——內(nèi)摩擦角，σ——法向應力。

(2)假設破壞面為圓弧形，在對所有圓弧的安全系數(shù)計算中最危險滑動面為安全系數(shù)最小的。

(3)將每個滑動體劃分為N個條塊并且假定條塊間無作用力。

(4)安全系數(shù)K的計算方法(各圓弧面上的)為：

(2)

2.2 計算參數(shù)

在計算中巖體天然重度取26.8kN/m3，飽和重度取28.5kN/m3，浮重度取16.8kN/m3。地震基本烈度Ⅶ級，水平地震系數(shù)EQH=0.204。

據(jù)統(tǒng)計資料得出計算參數(shù)如表1所示。

表1 計算參數(shù)

2.3 穩(wěn)定性計算結果分析

計算拱肩槽邊坡穩(wěn)定性，首先對橫剖面線橫Ⅰ、橫Ⅱ、橫Ⅲ，三條剖面線在未開挖前的穩(wěn)定性進行極限平衡計算。計算結果如表2所示。

表2 天然邊坡極限平衡法計算結果

(1)結果顯示，穩(wěn)定性受地震的影響不大，暴雨對穩(wěn)定性的影響較大。

(2)橫III剖面的方案1，存在不穩(wěn)定的可能，其得出的數(shù)值趨近于極限平衡狀態(tài)，在部分工況下可能會對工程構成威脅，在條件允許的情況下可以考慮對其進行錨索加固處理。

(3)其他方案均處于穩(wěn)定狀態(tài)。

總體來說，右岸拱肩槽天然邊坡穩(wěn)定性良好，只有極少數(shù)出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況，少數(shù)計算方案得出的安全系數(shù)數(shù)值較低，可考慮進行相應的加固處理。

3 有限元法分析邊坡穩(wěn)定性

3.1 有限元法計算理論

有限元強度折減法[3]就是不斷調(diào)整邊坡巖土體抗剪強度參數(shù)，將粘結力c和內(nèi)摩擦角φ的正切值tanφ，同除以一個強度折減系數(shù)F，得到新的巖土體抗剪強度參數(shù)c′、φ′。

(3)

然后根據(jù)新的巖土體抗剪強度參數(shù)c′、φ′，采用有限元法計算。隨著強度折減系數(shù)F的增大，邊坡巖體強度逐漸降低，變形逐漸增大，邊坡應力分布發(fā)生變化，邊坡逐漸由安全狀態(tài)轉(zhuǎn)變到極限平衡狀態(tài)，進而失穩(wěn)發(fā)生破壞。若邊坡強度折減系數(shù)F剛好使邊坡處于臨界失穩(wěn)的極限平衡狀態(tài)，則此時的強度折減系數(shù)F就是邊坡的穩(wěn)定性安全系數(shù)。有限元強度折減法的任務就是要找出這個使邊坡處于極限平衡狀態(tài)的安全系數(shù)。

3.2 計算依據(jù)與計算參數(shù)用ANSYS軟件分析右岸拱肩槽邊坡穩(wěn)定性，本文選取了橫I剖面在天然工況下采用降強法進行計算。結構面計算參數(shù)見表1，計算剖面見圖1。

本文為計算天然狀態(tài)下的結構變形和破壞過程，因此，在ANSYS軟件中為模型左端下端和右端分別設置法向約束，模擬選取單元與其余巖體的連接，并模擬自然條件下加載重力場(見圖2、圖3)。模型計算采用的是理想的彈塑性模型，屈服準則采用D-P準則。

圖2 ANSYS模型

圖3 建立法向約束并加載重力場

3.3 采用降強法計算

在天然工況下，不增加荷載大小，通過降低結構面強度進行計算，直至計算不收斂。

每次將結構面強度降低10%，通過計算，當結構面強度降低40%時計算結果不收斂，停止計算。

計算結果如圖4-圖7。

圖4 天然狀態(tài)S1主應力圖形

圖5 天然狀態(tài)S3主應力圖形

圖6 天然狀態(tài)X方向(水平)位移圖形

圖7 天然狀態(tài)Y方向(縱向)位移圖形

根據(jù)庫倫定力τfF=CF+σtanφF與計算結果，將第一主應力S1和第三主應力S3，以及最大x方向位移ux和最大y方向位移uy，計算結果如表3所示。

表3 計算結果

由此繪制相應曲線圖8-圖9。

圖8 橫坐標為ux，縱坐標為τ

圖9 橫坐標為uy，縱坐標為τ

3.4 有限元法結果分析

通過選取典型剖面1-1，在天然狀態(tài)下進行降強法計算，計算結果發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律：

(1)結構面強度降低10%到20%初始降強邊坡的變形基本上為線性變化，當強度降低為30%時，應力與位移速度開始加快。當強度降低為原來的40%時，計算結果不收斂。

(2)根據(jù)計算結果及圖8、圖9，得出該曲線計算拐點為2.71，根據(jù)計算公式得到該剖面安全系數(shù)為3.76/2.71=1.3874。

(3)右岸邊坡巖體整體性較好，不存在發(fā)生大規(guī)?；剖Х€(wěn)邊界條件。

(4)邊坡位移較大值出現(xiàn)的位置主要存在于高程為2300m左右的f2斷層臨空面邊緣，隨著強度的降低，位移有增大的趨勢。

(5)天然狀態(tài)下，主應力服從一般應力分布方式。最大主應力位于模型的底部，最大值為3.52MPa，最小主應力位于斷層端部。

4 結論

(1)通過剛體極限平衡法分析得到：天然邊坡總體穩(wěn)定性良好，只有極少數(shù)出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況，少數(shù)計算方案得出的數(shù)值較低，可考慮進行相應的加固處理。然而工程邊坡中低高程穩(wěn)定性相對較差，部分塊體可能會影響到工程邊坡的開挖，其主要的失穩(wěn)方式為滑落失穩(wěn)，可以考慮對其進行相應的加固措施，對于巖體質(zhì)量較差的可考慮開挖去掉。

(2)為了全面分析雙江口水電站雙曲拱壩方案拱肩槽邊坡的穩(wěn)定性，運用ANSYS軟件對邊坡典型的1-1剖面開展了有限元強度折減法計算，通過計算獲得了該坡面在天然工況下的應力場、位移場，并通過強度折減計算獲得其失穩(wěn)破壞區(qū)域、破壞機理和穩(wěn)定安全系數(shù)。

(3)對剛體極限平衡法和有限元強度折減法兩種方法獲得的雙江口水電站雙曲拱壩方案右岸拱肩槽邊坡的失穩(wěn)破壞模式、各滑移塊體的安全系數(shù)、破壞機理、位移場、應力場等結果進行綜合分析表明：右岸拱肩槽邊坡存在部分不穩(wěn)定的情況，特別是一些長大的結構面對工程邊坡的開挖存在一定的威脅，建議對局部不穩(wěn)定的塊體做加固處理，以保證邊坡的穩(wěn)定和工程的順利進行。