陳 蕾

（新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，烏魯木齊 830000）

1 前言

水工建筑物邊坡穩(wěn)定性是指邊坡巖、土體在地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造以及設(shè)計開挖坡比條件下形成的具有一定高度和開挖角度的整體穩(wěn)定程度，邊坡穩(wěn)定性涉及面廣泛，只要施工過程中存在基礎(chǔ)開挖均會不同程度的面臨著邊坡穩(wěn)定性的問題。近年來，隨著社會經(jīng)濟技術(shù)的不斷發(fā)展，我國越來越多的建筑工程向地形地貌、地質(zhì)條件復(fù)雜地區(qū)發(fā)展、且設(shè)計結(jié)構(gòu)變化程度也越來越大，而在這些地區(qū)進行工程建設(shè)時，很難避開深基坑、高邊坡、高填方、節(jié)理裂隙多發(fā)育、水位變化大以及地震烈度大等諸多方面的問題，因此邊坡穩(wěn)定性越來越受到工程建設(shè)方的關(guān)注。

某綜合利用水利樞紐工程總庫容6 098萬m3，由大壩、泄水建筑物和灌溉放水建筑物組成，根據(jù)《某水庫地震安全性評價報告》工程區(qū)基巖50年超越概率10%的地震動峰值加速度為256.2gal，對應(yīng)的地震基本烈度為Ⅷ度。

溢洪洞進口邊坡基巖粉砂巖，巖層產(chǎn)狀為280°NE∠25°，進口洞臉邊坡走向94°，巖層與洞臉邊坡夾角6°，為順向坡，巖層緩傾坡外，順層結(jié)構(gòu)面發(fā)育，傾角25°—30°，對岸坡穩(wěn)定不利。根據(jù)現(xiàn)場開挖揭露，洞臉邊坡分布有f1、f10—f14共5條斷層。其中，f1斷層280°NE∠25°—30°，寬2—3m，由斷層泥及碎裂巖組成，斷層泥厚20—30cm；f10、f12、f13斷層分布于洞臉邊坡，產(chǎn)狀295°—340°NE∠35°—50°，破碎帶寬5—10cm，帶內(nèi)充填碎裂巖及糜棱巖；f11位于洞臉邊坡，產(chǎn)狀340°SW∠50°—55°，破碎帶寬5—10cm，帶內(nèi)充填碎裂巖及糜棱巖；f14位于左側(cè)邊坡，產(chǎn)狀330°NE∠43°破碎帶寬5—20cm，帶內(nèi)充填碎裂巖及糜棱巖，在下雨時有水滲出。邊坡分布f10—f13，f11傾向坡內(nèi)，f12、f13緩傾坡外，其中f12走向與邊走向近平行，對開挖邊坡不利。綜合分析，溢洪洞進口洞臉邊坡斷層發(fā)育且地震烈度高，溢洪洞進口引渠和控制段以下部分開挖后，坡腳被挖除，坡腳以下形成不利臨空面，故需對溢洪洞進口邊坡進行穩(wěn)定性分析。

MIDAS GTS是一款新型的解決巖土工程結(jié)構(gòu)分析等領(lǐng)域的有限元軟件，專門設(shè)計用于巖土工程和設(shè)計領(lǐng)域，對幾何建模和網(wǎng)格劃分技術(shù)具有較強的設(shè)計功能，對于用實體單元模擬巖土體的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)以及處理非線性問題更具普適性，同時具有專門對邊坡穩(wěn)定進行分析的模塊，便于設(shè)計人員操作和輸出需要的結(jié)果。其中，邊坡穩(wěn)定性分析采用SRM法，既強度折減法，將輸入的黏聚力和內(nèi)摩擦角不斷折減直至模型失穩(wěn)，而后得出安全系數(shù)，由此得出來的分析結(jié)果更貼近邊坡的真實狀態(tài)[1-2]。故本工程采用有限元強度折減法計算分析邊坡安全系數(shù)，通過位移是否發(fā)生突變和巖體是否出現(xiàn)大范圍塑性區(qū)且有貫通的趨勢來判定是否失穩(wěn)[3-4]。

2 模型建立

（1）材料參數(shù)選取

根據(jù)地質(zhì)勘察及現(xiàn)場實際情況提供地勘資料，選定計算參數(shù)見表1，預(yù)應(yīng)力錨索參數(shù)見表2。

表1 材料力學(xué)參數(shù)表

表2 預(yù)應(yīng)力錨索力學(xué)參數(shù)表[5]

（2）計算工況及荷載

根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，主要對溢洪洞進口邊坡的以下幾種工況的穩(wěn)定性進行計算，模型不考慮表層錨桿及掛網(wǎng)噴護的作用。

工況一：施工期，邊坡處于干燥狀態(tài)，內(nèi)外沒有水，無附屬建筑物；荷載為材料自重，材料取干密度，施加100t級預(yù)應(yīng)力錨索，長25（30）m，間距5m。

工況二：正常運用期，當(dāng)水庫蓄水至正常蓄水位，向材料施加自重，考慮水位以下巖體處于飽和狀態(tài)，施加100t級預(yù)應(yīng)力錨索，長25（30）m，間距5m。

工況三：運行期，受暴雨影響，邊坡飽和，向材料施加自重，全部巖體取飽和容重，施加100t級預(yù)應(yīng)力錨索，長25（30）m，間距5m。

工況四：正常運行期遭遇地震。采用擬靜力法模擬地震荷載，基巖加速度取0.3g。向模型施加的荷載：自重、地震慣性力，施加100t級預(yù)應(yīng)力錨索，長25（30）m，間距5m。

（3）邊坡安全系數(shù)

根據(jù)邊坡規(guī)范規(guī)定，水工建筑物邊坡設(shè)計安全系數(shù)允許值見表3。

表3 水工邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)標準允許值

依據(jù)規(guī)范，該表孔溢洪洞進口邊坡可以劃分為4級邊坡，對應(yīng)正常運用期安全系數(shù)1.15，非常運用期為1.1、1.05。故應(yīng)用有限元強度折減法計算時，正常運用期的安全系數(shù)應(yīng)大于1.15，非常運用條件I（施工期及降雨飽和狀態(tài)）安全系數(shù)應(yīng)大于1.10，非常運用條件II（正常運用期遭遇地震）安全系數(shù)應(yīng)大于1.05。

（4）有限元模型

根據(jù)地勘資料、設(shè)計開挖圖以及現(xiàn)場實際坡體結(jié)構(gòu)特征，選取代表性地質(zhì)剖面洞臉剖面和左側(cè)高邊坡剖面建立二維有限元模型，采用Midas/GTS軟件進行數(shù)值模擬，建立的二維網(wǎng)格模型見圖1—2。分析不同運行工況，需考慮庫水或強降雨作用下對巖體結(jié)構(gòu)的飽和作用，建模忽略外水對邊坡的壓重有利因素，考慮預(yù)應(yīng)力錨索及地震作用。采用四邊形的網(wǎng)格類型，巖土體的本構(gòu)關(guān)系采用理想彈塑性模型，根據(jù)史述昭等學(xué)者根據(jù)試驗數(shù)據(jù)和工程實踐經(jīng)驗提出Mohr-Coulomb屈服準則對巖土體具有較好的適應(yīng)性、破壞行為更接近實際，且該屈服準則在巖土工程領(lǐng)域應(yīng)用的相對廣泛，故本計算模型屈服準則采用Mohr-Coulomb屈服準則[5]。

圖1 洞臉剖面有限元模型

圖2 左側(cè)邊坡有限元模型

影響數(shù)值模擬的一個重要因素是計算邊界條件的選取，避免計算結(jié)果存在“黑箱子”問題，本計算模型y軸方向使用地表地面線，對影響邊坡較大的節(jié)理、裂隙和斷層嚴格按照地勘資料建模，并在劃分網(wǎng)格的時候加密劃分處理，目的就是讓模型計算輸出的結(jié)果精確可靠。

3 有限元計算結(jié)果

限于篇幅限制，本文僅列出等效塑性貫通區(qū)云圖，以期能反映邊坡失穩(wěn)的位置。

3.1 邊坡洞臉剖面塑性貫通區(qū)計算結(jié)果

邊坡洞臉計算結(jié)果見圖3—6。

圖3 完建期洞臉剖面等效塑性區(qū)（FOS=1.54）

圖4 運行期洞臉剖面等效塑性區(qū)（FOS=1.50）

圖5 暴雨飽和洞臉剖面等效塑性區(qū)（FOS=1.39）

圖6 運行期+地震洞臉剖面等效塑性區(qū)（FOS=1.13）

從等效塑性區(qū)云圖圖3—6中可以看出，在各個工況下邊坡洞臉處邊坡在自重、外水、預(yù)應(yīng)力錨索、節(jié)理裂隙及斷層相互作用下，塑性貫通區(qū)主要體現(xiàn)在斷層中，其中施工完建期塑性貫通區(qū)出現(xiàn)在表層f13斷層附近，且邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)最大，為1.54。而運行期、暴雨飽和及地震工況主要出現(xiàn)在f1斷層附近，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)依次減小，分別為1.5、1.39、1.13。說明，增加預(yù)應(yīng)力錨索后，安全系數(shù)均滿足邊坡設(shè)計規(guī)范中“正常運用期安全系數(shù)1.15，非常運用期為1.1、1.05”的要求，說明開挖后按設(shè)計提供的支護方案條件下，該邊坡將處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3.2 左側(cè)邊坡剖面塑性貫通區(qū)計算結(jié)果

左側(cè)邊坡計算結(jié)果見圖7—10。

圖7 完建期左側(cè)邊坡等效塑性區(qū)（FOS=1.38）

從等效塑性區(qū)云圖圖7—10中可以看出，在各個工況下邊坡洞臉處邊坡在自重、外水、預(yù)應(yīng)力錨索、節(jié)理裂隙及斷層相互作用下，各工況下塑性貫通區(qū)出現(xiàn)的位置幾乎一致，未有明顯區(qū)別，均在主要體現(xiàn)在表層強風(fēng)化巖體中，完建期、運行期、暴雨飽和及地震工況邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)依次減小，分別為1.38、1.2、1.17和1.12。說明增加預(yù)應(yīng)力錨索后，安全系數(shù)均滿足邊坡設(shè)計規(guī)范中“正常運用期安全系數(shù)1.15，非常運用期為1.1、1.05”的要求，說明開挖后按設(shè)計提供的支護方案條件下，該邊坡將處于穩(wěn)定狀態(tài)。

為了便于分析，將圖3—10計算成果匯總于表4。

表4 各工況邊坡有限元計算安全系數(shù)結(jié)果匯總表

圖8 運行期左側(cè)邊坡等效塑性區(qū)（FOS=1.20）

圖9 暴雨飽和左側(cè)邊坡等效塑性區(qū)（FOS=1.17）

圖10 運行期+地震左側(cè)邊坡等效塑性區(qū)（FOS=1.12）

根據(jù)表4可知，通過塑性區(qū)范圍及貫通情況，洞臉邊坡在施工期主要存在沿著f13斷層滑動的趨勢，在運行期隨著庫水、雨水及地震等外部環(huán)境影響，f1斷層力學(xué)參數(shù)弱化，主要表現(xiàn)在沿著f1斷層存在滑動趨勢；左側(cè)邊坡在不同工況下，均沿著強風(fēng)化線存在滑動趨勢。但是邊坡安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，塑性區(qū)不存在貫通情況，預(yù)應(yīng)力錨索應(yīng)力最大為880KN，小于允許軸力1 000KN，可以判斷在施做錨索后邊坡整體穩(wěn)定，不存在滑塌現(xiàn)象。

需要指出的是，為了增加安全儲備，本次有限元計算未考慮表層噴錨支護措施的有利作用。本工程采用總長4.5m、入巖4.4m的Φ25鋼筋錨桿，間、排距2m，并掛有φ8、間、排距200mm的鋼筋網(wǎng)片，表層噴射100mm后C25混凝土，且要求錨桿與鋼筋網(wǎng)片必須可靠連接以達到整體受力的目的。通過對兩個邊坡剖面的計算分析，對于洞臉剖面，邊坡失穩(wěn)主要出現(xiàn)在斷層位置，因此增加表層封閉、盡量減少外水對節(jié)理、斷層力學(xué)參數(shù)的弱化作用顯得非常重要。對于左側(cè)洞臉剖面邊坡失穩(wěn)主要出現(xiàn)在表層強風(fēng)化層范圍內(nèi)，因此表層邊坡防護對邊坡的穩(wěn)定性更加具有直觀的作用，因此綜合來看，預(yù)應(yīng)力錨索主要對深層裂隙、斷層的滑動起抗滑作用，而表層防護措施針對表層滑動起一定作用、且對表層邊坡的張開裂隙、斷層具有封閉作用，因此實際邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)較有限元計算結(jié)果會更大一些，充分說明邊坡穩(wěn)定的結(jié)論是正確的。

5 結(jié)論

通過有限元分析溢洪洞進口邊坡在不同工況下按設(shè)計方案進行支護后塑性貫通區(qū)開展情況，判斷出邊坡潛在滑動面及可能出現(xiàn)的位置，并得到不同工況下的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)，為設(shè)計的合理性和可靠性提供理論依據(jù)，同時指導(dǎo)現(xiàn)場施工?！?/p>