基于有限元計(jì)算的邊坡穩(wěn)定性分析

呂耀成 牛軍賢

(1.中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710065； 2.中國(guó)有色金屬工業(yè)西安勘察設(shè)計(jì)研究院,陜西 西安 710065)

基于有限元計(jì)算的邊坡穩(wěn)定性分析

呂耀成1牛軍賢2

(1.中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710065； 2.中國(guó)有色金屬工業(yè)西安勘察設(shè)計(jì)研究院,陜西 西安 710065)

采用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和有限元分析方法，對(duì)羊曲水電站的廠房邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，經(jīng)分析認(rèn)為，因受開挖卸荷的影響，坡體表部應(yīng)力發(fā)生明顯的分異，最大主應(yīng)力總體為壓應(yīng)力，廠房外側(cè)開挖邊坡坡腳出現(xiàn)應(yīng)力集中，坡腳至坡頂位移呈增大的趨勢(shì)。

邊坡，穩(wěn)定性分析，有限元

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施的大規(guī)模建設(shè)，以及西部大開發(fā)戰(zhàn)略的進(jìn)一步深化，西部一大批水利水電工程相繼啟動(dòng)，水電工程所帶來的環(huán)境地質(zhì)工程問題隨即出現(xiàn)，其中最主要的一個(gè)環(huán)境問題即為邊坡的穩(wěn)定性問題。這一問題是土木工程和巖土工程中的重要研究課題，在巖土工程或土木工程領(lǐng)域占據(jù)相當(dāng)重要的地位[1]。

目前，研究邊坡穩(wěn)定的傳統(tǒng)方法主要有：極限平衡法，極限分析法，滑移線場(chǎng)法等。這些建立在極限平衡理論基礎(chǔ)上的各種穩(wěn)定分析方法沒有考慮土體內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，無(wú)法分析邊坡破壞的發(fā)生和發(fā)展過程，在求安全系數(shù)時(shí)通常需要假定滑裂面形狀和位置等[2，3]。隨著計(jì)算機(jī)軟件、硬件的飛速發(fā)展，采用理論體系更為嚴(yán)格的方法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定分析已經(jīng)成為可能。有限單元法全面滿足了靜力許可、應(yīng)變相容和應(yīng)力、應(yīng)變之間的本構(gòu)關(guān)系。使有限元分析邊坡穩(wěn)定成為近年來的新趨勢(shì)，有限元方法不僅能計(jì)算出土體內(nèi)的應(yīng)力場(chǎng)分布，還可以了解邊坡逐步破壞機(jī)理，跟蹤邊坡內(nèi)塑性區(qū)的開展情況[4-8]。這樣既可判定整體穩(wěn)定性，又預(yù)測(cè)在不同的條件下哪些重要部位會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)，通過提前支護(hù)或加固防止邊坡失穩(wěn)，減少人們財(cái)產(chǎn)損失。因此，對(duì)水利水電工程的邊坡穩(wěn)定性采用有限元分析研究有著重要的經(jīng)濟(jì)效益。

1 邊坡工程概況

該邊坡位于青海省興?？h與貴南縣交界的黃河上，羊曲水電站的廠房邊坡。廠房邊坡走向NE75°，開挖邊坡高約110 m；側(cè)向邊坡走向SE165°，開挖邊坡高約60 m～70 m。廠房邊坡基巖主要為二疊系深灰～黑灰色砂質(zhì)板巖(P1-Sb)，巖層產(chǎn)狀NW315°/NE∠78°，物質(zhì)組成為碎石土，結(jié)構(gòu)松散，厚約5 m～32 m不等，平均堆積厚15 m。

2 廠房邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 廠房邊坡穩(wěn)定性定性分析

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查表明，該邊坡部位無(wú)一定規(guī)模的崩塌、滑坡及不穩(wěn)定斜坡發(fā)育，邊坡整體穩(wěn)定性較好。但因開挖坡面陡、高度較大，斷層及節(jié)理裂隙較發(fā)育。因此，開挖邊坡不僅存在結(jié)構(gòu)面組合塊體穩(wěn)定問題，而且也存在變形穩(wěn)定問題。廠房開挖邊坡面產(chǎn)狀為324°/SW∠34°～73°。結(jié)合廠房邊坡部位的結(jié)構(gòu)面的發(fā)育特征，進(jìn)行該邊坡可能的組合塊體的穩(wěn)定性計(jì)算，在分析的可能的組合塊體中，邊坡開挖過后，部分塊體在地震、暴雨及其二者組合工況條件下處于極限平衡～不穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2 廠房邊坡穩(wěn)定性有限元分析

2.2.1 計(jì)算模型的建立及參數(shù)選取

廠房邊坡有限元計(jì)算模型以圖1為依據(jù), 邊坡開挖高程介于2 553.5 m～2 665 m，開挖高度約111.5 m，開挖部位坡體以弱風(fēng)化～微新的砂質(zhì)板巖為主，僅2 650 m高程以上分布有少量的碎石土覆蓋層，建立的有限元計(jì)算模型如圖1所示。選取的計(jì)算參數(shù)同前。

2.2.2 計(jì)算結(jié)果分析

1)應(yīng)力場(chǎng)特征。

圖2為開挖邊坡的最大主應(yīng)力特征云圖，受邊坡內(nèi)斷層及風(fēng)化分帶的影響，最大主應(yīng)力分布不均勻，且開挖邊坡范圍內(nèi)應(yīng)力較低：弱風(fēng)化帶巖體的最大主應(yīng)力一般小于1.5 MPa，至廠房邊坡開挖面底部附近應(yīng)力達(dá)1.5 MPa～3.0 MPa。邊坡開挖后，因受開挖卸荷的影響，坡體表部應(yīng)力發(fā)生明顯的分異，最大主應(yīng)力總體為壓應(yīng)力，拉應(yīng)力分布不顯著，在開挖邊坡坡腳、馬道內(nèi)側(cè)坡腳部位應(yīng)力有明顯的集中，其應(yīng)力最大值約3.0 MPa～1.5 MPa。

圖3為計(jì)算的開挖邊坡的最小主應(yīng)力云圖。邊坡開挖后，廠房外側(cè)開挖邊坡坡腳出現(xiàn)應(yīng)力集中，應(yīng)力值為0.75 MPa，內(nèi)側(cè)邊坡坡腳為0.25 MPa，洞臉邊坡部位應(yīng)力總體小于0.25 MPa，開挖邊坡表面拉應(yīng)力分布不明顯。

2)邊坡的最大剪應(yīng)變能特征。

開挖邊坡的最大剪應(yīng)變能特征如圖4所示。邊坡開挖后，裂隙L1及第四系坡、洪積物附近最大剪應(yīng)變能均有所增大，其值在0.002～0.004左右，斷層F14，F(xiàn)20處最大剪應(yīng)變值略有減小，其值為0.004～0.01。

3)坡體位移場(chǎng)及破壞區(qū)分布特征。

計(jì)算的開挖邊坡的位移分布如圖5所示。廠房邊坡開挖后總位移分布特征受斷層F14及F20的影響較大，在斷層F14，F(xiàn)20部位位移值為3 cm～3.45 cm；廠房外側(cè)開挖邊坡坡腳位移為1.5 cm，坡腳至坡頂位移呈增大的趨勢(shì)，至2 616 m處位移增大至2.4 cm；內(nèi)側(cè)邊坡坡腳位移較外側(cè)大，約為2.1 cm，各級(jí)馬道部位的位移介于1.65 cm～2.1 cm。

3 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)合有限元分析，對(duì)廠房邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了定性和定量分析。廠房邊坡開挖面陡，最大邊坡開挖高度達(dá)110 m，邊坡地帶發(fā)育有 F14，F(xiàn)20等斷層。邊坡開挖后，沿?cái)鄬蛹捌溆绊憥б约斑吰律喜康谒南蹈采w層分布處有張、剪破壞區(qū)；此外，開挖面與結(jié)構(gòu)面的組合可形成不同規(guī)模的塊體穩(wěn)定問題，部分塊體在天然或暴雨、地震條件下處于極限平衡不穩(wěn)定狀態(tài)。受開挖卸荷的影響，邊坡開挖后坡體位移受斷層影響較大，斷層發(fā)育部位最大位移可達(dá)3 cm～3.45 cm；坡面上馬道以及坡腳部位位移值相對(duì)較大，可達(dá)1.5 cm～2.4 cm。

[1] 陽(yáng)克青,范育青.ANSYS在高速公路邊坡穩(wěn)定分析中的應(yīng)用[J].華東公路,2008(6)：11-13.

[2] 陳祖煜.土質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析:原理方法程序[M].北京:中國(guó)水利水電出版社，2003.

[3] 陳士軍.滑坡穩(wěn)定分析方法研究[D].武漢:武漢大學(xué),2003.

[4] 羅啟北,萬(wàn)海濤,張艷霞.ANSYS在邊坡穩(wěn)定分析中的應(yīng)用[J].貴州工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2006,35(6)：78-81.

[5] Griffith D V, Lane P A.Slope stability analysis by finite element[J].Geotechnique,1999,49(3):387-403.

[6] 鄭穎人,趙尚毅,張魯渝.用有限元強(qiáng)度折減法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析[J].中國(guó)工程科學(xué),2002,4(10)：57-61.

[7] 鄭穎人,趙尚毅,時(shí)衛(wèi)民,等.邊坡穩(wěn)定分析的一些進(jìn)展[J].地下空間，2001,21(4)：262-271.

[8] 張孟喜,陳熾昭.土坡穩(wěn)定分析的有限元追蹤法[J].巖土工程學(xué)報(bào),1991,13(6)：51-52.

Analysisofslopestabilitybasedonfiniteelementcalculation

LVYao-cheng1NIUJun-xian2

(1.POWERCHINAXibeiEngineeringCorporationLtd,Xi’an710065,China；2.Xi’anEngineeringInvestigationandDesignResearchInstituteofChinaNationalNon-ferrousMetalsIndustry,Xi’an710065,China)

Based on site investigation and finite element analysis method, the slope stability be analysised for Yangqu Hydropower Station Powerhouse. By the analysis that for the influence of excavation unloading, slope surface stress obvious differentiation, the maximum principal stress overall compressive stresses, excavation slope toe lateral stress concentration, the toe of the slope to the top of slope displacement increases.

slope， stability analysis， finite element

1009-6825(2014)36-0046-03

2014-10-15

呂耀成(1981- )，男，碩士，工程師

TU413.62

A