某電廠鐵路邊坡穩(wěn)定性分析

侯連成，王笑二，徐立軍

(1.遼寧電力勘測設(shè)計(jì)院，遼寧沈陽 110005;2.中冶沈勘工程技術(shù)有限公司，遼寧沈陽 110016)

某電廠鐵路邊坡穩(wěn)定性分析

侯連成1，王笑二2，徐立軍2

(1.遼寧電力勘測設(shè)計(jì)院，遼寧沈陽 110005;2.中冶沈勘工程技術(shù)有限公司，遼寧沈陽 110016)

本文以某電廠鐵路沿線邊坡為研究對象，采用有限元法結(jié)合極限平衡法分析了邊坡穩(wěn)定性。通過有限元分析，給出了邊坡巖體應(yīng)力及應(yīng)變分布，分析表明，邊坡巖體加荷后未發(fā)現(xiàn)大剪應(yīng)變的貫通區(qū)。剛體極限平衡法評價了沿節(jié)理滑動的邊坡穩(wěn)定性，三個剖面邊坡穩(wěn)定性系數(shù)均大于1.4。安全系數(shù)均符合相關(guān)規(guī)范要求，計(jì)算結(jié)果為邊坡加固設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)。

有限元法;邊坡穩(wěn)定性;剛體極限平衡法

0 引言

目前邊坡穩(wěn)定性分析常用計(jì)算方法主要有極限平衡法、有限單元法、可靠度分析和模糊極值理論［1］。其中，剛體極限平衡法具有概念清楚、計(jì)算簡便、突出問題主要方面等特點(diǎn)而在工程中廣泛應(yīng)用。但極限平衡法不能得到工程設(shè)計(jì)單位關(guān)注的邊坡變形等數(shù)據(jù)，工程實(shí)踐中常結(jié)合有限元法估算邊坡巖體應(yīng)力和應(yīng)變狀況，再采用極限平衡法計(jì)算邊坡穩(wěn)定性是工程界常用的方法，見文獻(xiàn)［2－4］。本文即采用以上方法對某電廠鐵路沿線邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了穩(wěn)定性分析計(jì)算。

1 邊坡工程地質(zhì)條件

某電廠東側(cè)與新建鐵路專用線之間形成一個臺階，擬建場地開挖整平后將形成最大高差約為15m的巖質(zhì)邊坡，邊坡加固的設(shè)計(jì)方案為下部巖體采用控制爆破后錨噴加固，上部土體采用控制回填后擋土墻加固，形成了由底部巖體和上部擋土墻組成的直立邊坡，圖1為邊坡平面圖及邊坡典型剖面圖。據(jù)場地巖土工程勘察報告，整平后邊坡巖體均為中風(fēng)化石灰?guī)r，坡角近似垂直。石灰?guī)r灰色，成份以碳酸鈣為主，細(xì)粒結(jié)晶結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，層間距約3～4m，豎直節(jié)理裂隙較發(fā)育，水平間距約3～5m。局部方解石脈發(fā)育，中等風(fēng)化，巖質(zhì)較硬，該層鉆進(jìn)困難，巖芯呈柱狀、短柱狀。巖層產(chǎn)狀為20°NW∠25°～35°，基巖頂面平緩，起伏不大，局部可見破碎帶和張性、張扭性裂隙，裂隙寬度300～500mm，裂隙產(chǎn)狀近于直立，多為粘土充填，少數(shù)無充填，整個場地均有分布。

本文選擇以下3個計(jì)算剖面進(jìn)行了分析:(1)1－1′剖面:巖石邊坡高3.0m，上部擋墻高8.8m;(2) 2－2′剖面:巖石邊坡高8.4m，上部擋墻高6.8m;(3) 3－3′剖面:巖石邊坡高12.2m，上部擋墻高1.2m。

2 邊坡分析計(jì)算

2.1 計(jì)算剖面及邊坡邊界條件

場地整平時先采用爆破方式挖除原狀山坡的表土層及強(qiáng)風(fēng)化石灰?guī)r，直至中風(fēng)化石灰?guī)r。整平后中風(fēng)化石灰?guī)r頂面形成中間高兩端低，坡度約為15°的拱形巖面。按設(shè)計(jì)要求，中風(fēng)化巖面上緊鄰邊坡臨空面處設(shè)置1.2～8.4m高重力式擋土墻，墻后回填碎石。墻高8.4m處擋土墻底寬度為6.0m，墻高1.2m處擋土墻底寬度為0.8m。擋土墻墻頂為整平地面設(shè)計(jì)高程。

為簡化計(jì)算，計(jì)算剖面只包括中風(fēng)化巖體，將擋土墻簡化為中風(fēng)化巖層上的荷載考慮。因中風(fēng)化巖體性質(zhì)較好，預(yù)估邊坡開挖后變形小，影響范圍有限，按如下方式確定計(jì)算范圍:坡體水平向計(jì)算范圍取巖質(zhì)邊坡高度3.0倍以上，坡腳前水平計(jì)算范圍取巖質(zhì)邊坡坡高2.0倍以上，豎向計(jì)算高度取為巖質(zhì)邊坡坡高3.0倍以上，計(jì)算剖面荷載簡圖見圖2。

2.2 有限單元法計(jì)算

巖體本構(gòu)關(guān)系采用理想彈塑性模型，破壞準(zhǔn)則采用摩爾庫倫準(zhǔn)則。因本場地典型巖層為層狀結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)面主要為層面和豎向結(jié)構(gòu)面。有限元單元考慮結(jié)構(gòu)面的各向異性，單元考慮了巖層外傾結(jié)構(gòu)面及豎直結(jié)構(gòu)面。x軸為垂直方向，正方向?yàn)樗较蛴?，y軸為水平方向，正方向?yàn)樨Q直向上，壓應(yīng)力、壓應(yīng)變?yōu)槿≌怠?/p>

圖1 邊坡平面圖及邊坡典型剖面圖Fig.1 Slope plan and typical section

圖2 計(jì)算剖面和計(jì)算荷載分布Fig.2 Cross section used for numerical simulation and loading distributions on the sections

2.2.1 邊界條件

有限元邊界條件為:左右邊界采用水平約束，下邊界采用固定約束。

有限元單元采用三角形15節(jié)點(diǎn)單元，網(wǎng)格劃分時考慮了巖層的傾向及分層，分層厚度為3.0～4.0m。限于篇幅，本文只給出了1－1剖面的網(wǎng)格劃分圖(圖3)。

場地巖土勘察報告提供了多組中風(fēng)化巖體及外傾結(jié)構(gòu)面現(xiàn)場大型直剪試驗(yàn)值，結(jié)構(gòu)面內(nèi)聚力為300 ～400kPa，內(nèi)摩擦角24.5°～26.2°。其他巖體參數(shù)由國家標(biāo)準(zhǔn)《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》(GB50218－94)附錄C結(jié)合以往工程經(jīng)驗(yàn)綜合確定，有限元計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 有限元計(jì)算參數(shù)Table 1 Calculation parameters for finite element analysis

圖31-1′剖面有限元網(wǎng)格劃分圖(445個單元，3691個節(jié)點(diǎn))Fig.3 Finite element gridding in section 1－1(445 elements，3691nodes)

有限元分析計(jì)算采用大型巖土工程有限元分析通用軟件MIDAS/GTS進(jìn)行。1－1′剖面坡頂荷載為坡頂0～6m范圍內(nèi)均布豎向荷載250kPa，均布水平向荷載167kPa;坡頂6～40m范圍內(nèi)均布豎向荷載200kPa。2－2′剖面坡頂荷載為由坡頂0～4m范圍內(nèi)均布豎向荷載175kPa，均布水平向荷載122.5kPa;坡頂4～40m范圍內(nèi)均布豎向荷載150kPa。3－3′剖面坡頂荷載為坡頂0～3m范圍內(nèi)均布豎向荷載32.5kPa，均布水平向荷載11.5kPa;坡頂3～40m范圍內(nèi)均布豎向荷載35kPa。

2.2.2 邊坡應(yīng)力應(yīng)變分析

各計(jì)算剖面計(jì)算結(jié)果見圖4～圖9。由邊坡巖體加荷后的位移與應(yīng)變分布可知，邊坡1－1′、2－2′及3－3′剖面均穩(wěn)定，未發(fā)現(xiàn)大剪應(yīng)變的貫通區(qū)，同時邊坡加荷后位移較小，說明邊坡是穩(wěn)定的。

圖41-1′剖面位移矢量場(最大2.90mm)Fig.4 Displacement vector distribution in section 1－1′(maximum value 2.90mm)

2.3 剛體極限平衡法

剛體極限平衡法計(jì)算采用理正巖土計(jì)算軟件進(jìn)行。極限平衡法分析采用簡化畢肖普法，破壞面為折線。計(jì)算參數(shù)見表2。邊坡巖體考慮兩組節(jié)理，一組為巖層層面節(jié)理，順坡向傾角為21°，層間距為3m;另一組為豎直方向節(jié)理，傾角為90°，水平間距為2m。

穩(wěn)定性計(jì)算時分別考慮各剖面最不利的情況:1－1′剖面加荷很大，選擇滑裂面與豎直坡面交點(diǎn)距坡肩豎直距離為3.0m處位置計(jì)算，計(jì)算簡圖見圖10。1－1′剖面極限平衡計(jì)算出穩(wěn)定性系數(shù)為1.42，2－2′剖面穩(wěn)定性系數(shù)為2.03，3－3′剖面穩(wěn)定性系數(shù)為2.96。2－2′剖面滑裂面位置與1－1′類似(圖11);3 －3′剖面加荷較小，其穩(wěn)定性受自重影響較大，選擇滑裂面通過坡腳(圖12)。說明邊坡整體是穩(wěn)定的，具有足夠的安全儲備。

圖51-1′剖面xy方向最大剪應(yīng)變等色圖(單位為10－5，最大－48.25)Fig.5 Maximum shear strain chrominance distribution along x－y direction in section 1－1′(unit in10－5，maximum value－48.25)

圖62-2′剖面位移矢量場(最大3.55mm)Fig.6 Displacement vector distribution in section 2－2′(maximum value 3.55mm)

圖72-2′剖面xy方向最大剪應(yīng)變等色圖(單位為10－5，最大－28.60)Fig.7 Maximum shear strain chrominance distribution along x－y direction in section 2－2′(unit in10－5，maximum value－28.60)

圖83-3剖面位移矢量場(最大0.44mm) Fig.8 Displacement vector distribution insection 3－3(maximum value 0.44mm)

圖93-3′剖面xy方向最大剪應(yīng)變等色圖(單位為10－5，最大－3.33)Fig.9 Maximum shear strain chrominance distribution along x－y direction in section 3－3′(unit in10－5，maximum value－3.33)

表2 極限平衡法計(jì)算參數(shù)Table 2 Calculation parameters for limit equilibrium principle

圖101-1′剖面極限平衡法計(jì)算簡圖Fig.1 0Calculation diagram for section 1－1′by limit equilibrium principle

圖112-2′剖面極限平衡法計(jì)算簡圖Fig.1 1Calculation diagram for section 2－2′by limit equilibrium principle

圖123-3′剖面極限平衡法計(jì)算簡圖Fig.1 2Calculation diagram for section 3－3′by limit equilibrium principle

3 結(jié)論

本文通過有限元法分析，得到邊坡巖體加荷后的應(yīng)力及應(yīng)變分布，可知邊坡1－1′、2－2′及3－3′剖面均穩(wěn)定，未發(fā)現(xiàn)大剪應(yīng)變的貫通區(qū)，同時邊坡加荷后位移較小。通過極限平衡法計(jì)算，1－1′、2－2′及3－3′剖面邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)分別為1.42、2.03及2.96，邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)均符合相關(guān)規(guī)范要求。計(jì)算結(jié)果為邊坡加固設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)。

［1］趙尚毅，鄭穎人，時衛(wèi)民，等.用有限元強(qiáng)度折減法求邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)［J］.巖土工程學(xué)報，2002，24(3):343 －346.

［2］張軍濤，謝建斌，姚激.巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的有限元分析和數(shù)值模擬［J］.云南水利發(fā)電，2007，22(2):31－34.

［3］張貫峰，謝永利，張連成.巖質(zhì)邊坡開挖效應(yīng)的有限元仿真分析［J］.昆明理工大學(xué)學(xué)報(理工版)，2006，31(3): 5－8.

［4］韓春秀，董羽蕙.巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析的非線性有限元解法［J］.水利與建筑工程學(xué)報，2006，4(4):64－67.

Abstract:Based on the finite element method and limit equilibrium principle，the slope stability along railway beside electricity factory was analyzed in this paper.The stress and shear strain distribution in the slope rockmass were obtained through finite analysis.It was discovered that there was no large shear deformations by construction loading. Three safety factors(Fs)were all higher than 1.4 in the three slope sections sliding along joint planes by limit equilibrium evaluation，satisying the specific requirements.The results in the paper could be as an important basis for slope control design.

Key words:finite element method;slope stability analysis;limit equilibrium principle

Slope stability analysis along railway beside an electricity factory

HOU Lian-cheng1，WANG Xiao-er2，XU Li-jun2
(1.Liaoning institute of electricity energy survey and design，Shenyang110005，China; 2.China metallurgy Shenyang Ltd.For reconnaissance techniques，Shenyang110016，China)

1003-8035(2010)03-0033-05

TU443

A

2010-03-31;

2010-05-19

侯連成(1957—)，男，遼寧人，院副總工程師，高級工程師，長期從事巖土工程勘察技術(shù)工作。

E-mail:houliancheng@lepdi.com.cn