有限元法與極限平衡法結(jié)合分析某電站庫區(qū)滑坡體穩(wěn)定性

(中國電建集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司成都分院，成都，610091)

有限元法與極限平衡法結(jié)合分析某電站庫區(qū)滑坡體穩(wěn)定性

陳琰

(中國電建集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司成都分院，成都，610091)

將有限元法與極限平衡法相結(jié)合，進(jìn)行滑坡體的穩(wěn)定性分析。由有限元法計(jì)算得到最危險(xiǎn)的滑面以及破壞范圍，為極限平衡法提供計(jì)算模式，提高了滑坡體穩(wěn)定性分析的準(zhǔn)確率及工作效率，不僅確定了滑坡體可能的破壞范圍，還得到相應(yīng)的安全系數(shù)，進(jìn)而對滑坡體的處理措施提供依據(jù)。

極限平衡法 有限元法 滑坡體 穩(wěn)定性

水庫蓄水后，滑坡體前緣水位抬高11m，在庫水浸泡作用下，將進(jìn)一步惡化坡體前緣的地質(zhì)條件，可能誘發(fā)其前緣局部牽引式失穩(wěn)。滑坡體上有居民分布，且雅安至望魚旅游公路經(jīng)過該坡體。通過對滑坡體蓄水后的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，可為滑坡體的處理措施提供依據(jù)。

當(dāng)前，傳統(tǒng)的極限平衡法是穩(wěn)定性分析最常用的方法，計(jì)算簡捷、適用廣泛而又方便。有限元法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析在工程中的應(yīng)用越來越多，對于復(fù)雜地形地質(zhì)條件的邊坡，不需事先假定破壞面的形狀或是位置，通過計(jì)算可以得到可能的滑動(dòng)面以及應(yīng)力應(yīng)變位移等信息，但要計(jì)算安全系數(shù)，單一判據(jù)往往得到的結(jié)果不夠準(zhǔn)確，而采用多個(gè)判據(jù)計(jì)算往往工作量較大。將極限平衡法與有限元法相結(jié)合，有限元法為極限平衡法提供滑坡體變形類型、破壞范圍和邊界條件，而極限平衡法計(jì)算出滑坡體安全系數(shù)，從而更高效、準(zhǔn)確地對滑坡體穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià)。

1 滑坡體概況

某水電站位于青衣江一級支流周公河中下游，地處四川省雅安市雨城區(qū)沙坪鎮(zhèn)和周河鄉(xiāng)境內(nèi)。庫區(qū)位于川西平原西部邊緣山區(qū)，山脈及河谷走向近南北。陡灘滑坡體位于黃村上游左岸，距壩址直線距離約3.3km，滑坡體在平面上呈一扇形分布，地表有厚3m～27m殘坡積、崩塌堆積土層分布，洪水期受河水沖刷較嚴(yán)重，前緣部分受河水沖刷，形成新的不利邊坡穩(wěn)定的臨空面，并在暴雨時(shí)地下水位壅高等共同作用下，使堆積體前緣產(chǎn)生滑移，形成地裂縫，受滑坡坡體前緣滑移的影響，陡灘村公路兩側(cè)部份民房產(chǎn)生開裂變形。

滑坡體分布區(qū)物質(zhì)成分為坡殘積粘土夾碎石(局部為砂巖塊石)，滑坡體下伏基巖為J2sn薄至中厚層棕紅、磚紅色泥巖，粉砂質(zhì)泥巖夾少量鈣泥質(zhì)細(xì)砂巖及J2s薄至中厚層紫紅色泥巖夾灰紅色、灰綠色粉～細(xì)砂巖，長石石英砂巖。

2 計(jì)算依據(jù)

2.1 滑坡體成因及現(xiàn)狀

根據(jù)地表地質(zhì)測繪資料反映，滑坡體前緣沿河流方向主要發(fā)育有兩條地裂縫，距現(xiàn)河床邊水平約50m范圍內(nèi)，縫寬20cm～50cm，延伸長度均大于10m，可見深度大于1.0m，沿地裂縫在滑坡體前緣出現(xiàn)拉裂小錯(cuò)臺(tái)。由于附近居民多蓋磚混房屋，基礎(chǔ)置于覆蓋層之上，結(jié)構(gòu)敏感，地基土體的輕微變形對房屋結(jié)構(gòu)影響較大，甚至公路邊部分民房已見開裂變形現(xiàn)象。

水庫蓄水后，考慮庫水抬高和地下水浸潤曲線時(shí)，滑坡體前緣706.50m高程線以下均存在浸沒、淹沒問題，殘坡積粘土夾碎石在庫水浸泡及浸沒作用下，物理力學(xué)指標(biāo)將進(jìn)一步下降，增加了誘發(fā)滑坡體失穩(wěn)的可能性。

2.2 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)專業(yè)現(xiàn)場勘查、土樣試驗(yàn)以及工程經(jīng)驗(yàn)給出滑坡體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 滑坡體物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)滑坡體的地形地貌及現(xiàn)狀，選取典型剖面進(jìn)行穩(wěn)定性分析，見圖1。

圖1 滑坡體典型計(jì)算剖面

3 穩(wěn)定性分析

首先采用ANSYS軟件進(jìn)行有限元法計(jì)算，通過不斷降低巖土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)，直至達(dá)到巖土體極限狀態(tài)，形成滑坡體破壞面，然后用理正軟件對有限元計(jì)算得到的破壞面采用傳統(tǒng)極限平衡法進(jìn)行安全系數(shù)的計(jì)算。

庫水位抬高、地下水位線上升，持續(xù)暴雨致使巖土體飽和，庫水位陡降以及地震都是影響滑坡體穩(wěn)定性的主要因素?？紤]水庫蓄水至正常蓄水位，地下水相應(yīng)抬升，將巖土體天然自重狀態(tài)作為持久工況，自重加暴雨作為短暫狀況；將庫水位陡降為偶然狀況一，自重加地震作用作為偶然狀況二。

3.1 有限元法

本次計(jì)算的有限元材料模型采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型進(jìn)行建立，整個(gè)分析過程為非線性——小應(yīng)變分析，通過應(yīng)變值來確定滑坡體最不利滑面位置，即若應(yīng)變過大，發(fā)生塑性變形，則計(jì)算不收斂，表明滑坡體將沿該滑面首先出現(xiàn)失穩(wěn)破壞，失穩(wěn)破壞判據(jù)理論為摩爾-庫倫強(qiáng)度理論。

有限元模型考慮水庫蓄水后，汛期持續(xù)降雨情況下，滑坡體內(nèi)地下水位抬升，通過對相應(yīng)土體參數(shù)折減，進(jìn)行分析計(jì)算，得到臨界狀態(tài)時(shí)的應(yīng)變云圖，如圖2所示。分析可知，滑坡體汛期地下水位至基巖頂面均為潛在不穩(wěn)定滑面，破壞模式為滑坡體中前部牽引式破壞失穩(wěn)。

圖2 滑坡體典型坡面應(yīng)變分析云圖

3.2 極限平衡法

極限平衡法的理論基礎(chǔ)是將滑動(dòng)區(qū)域可能的滑動(dòng)體視為剛體，設(shè)在滑動(dòng)面(帶)上的巖土體處于塑性極限平衡狀態(tài)，而后利用剛體力學(xué)的觀點(diǎn)分別計(jì)算滑動(dòng)體所受的抗滑力(或力矩)和滑動(dòng)力(或力矩)，利用二者的比值作為邊坡穩(wěn)定性的衡量標(biāo)準(zhǔn)，其值即為安全系數(shù)。庫岸滑坡體或堆積體可能沿堆積體或滑坡體底面和覆蓋層內(nèi)部發(fā)生破壞，可采用傳遞系數(shù)法進(jìn)行抗滑穩(wěn)定計(jì)算。本文分析的滑坡體可能的滑動(dòng)面由一些傾角較緩、相互間變化不大的折線段組成，適用該方法。

采用理正計(jì)算軟件對滑坡體典型剖面進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算滑面根據(jù)有限元法分析得到的可能滑動(dòng)區(qū)域擬定，并對剪出面和后緣拉裂面進(jìn)行搜索，得到最不利滑動(dòng)面，如圖3所示。

圖3 滑坡體典型剖面最不利滑面計(jì)算簡圖

通過計(jì)算得出滑坡體安全系數(shù)，見表2。計(jì)算結(jié)果表明，滑坡體在持久狀況和短暫狀況下，均處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，在偶然狀況下，處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，可能失穩(wěn)，且不能滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求，需考慮相應(yīng)的處理措施。

表2 陡灘滑坡體蓄水后安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

(1)在偶然狀況下，滑坡體處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，可能失穩(wěn)；

(2)有限元法能夠較準(zhǔn)確地得到滑坡體的破壞面，而極限平衡法可以快速計(jì)算出破壞面的安全系數(shù)；

(3)將有限元法與極限平衡結(jié)合起來進(jìn)行滑坡體的穩(wěn)定性計(jì)算，前者確定破壞面，后者計(jì)算安全系數(shù)，能一定程度降低計(jì)算工作量，且對邊坡的穩(wěn)定性做出準(zhǔn)確的評價(jià)；

(4)有效利用兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，對解決工程實(shí)際問題，提供了高效的途徑。

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2095-1809(2017)05-0112-03

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