水電站進(jìn)場公路邊坡有限元與極限平衡綜合分析

孟凡成，彭坤杰，孟 云，嚴(yán) 雨，謝壽平

(1.貴州高速公路集團(tuán)有限公司，貴州 貴陽 550004；2. 中交第二公路勘察設(shè)計研究院有限公司，湖北 武漢 430056)

0 引 言

重慶市石柱縣萬勝壩水庫工程電站廠房位于方斗山北西麓趕家橋煤礦下游，行政隸屬于石柱縣沿溪鎮(zhèn)。該電站進(jìn)場公路位于傍山斜坡地形，公路施工不可避免地對斜坡坡腳進(jìn)行開挖，形成深挖路塹邊坡，這些工程邊坡的穩(wěn)定性狀況，直接關(guān)系到進(jìn)場道路的正常建設(shè)和安全運(yùn)營，并在一定程度上影響著水電站進(jìn)場公路的通行安全問題[1]。邊坡一旦發(fā)生變形破壞，就會導(dǎo)致處治工程失效甚至產(chǎn)生災(zāi)難性的后果，即增加了投資，又延誤了工期，還給運(yùn)營安全留下了隱患[2,3]。因此，如何通過綜合研究，對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行合理的評價和科學(xué)的預(yù)測[4]，提出科學(xué)合理的設(shè)計方案，對加快施工進(jìn)度，降低工程造價，減少施工和運(yùn)營期間的邊坡地質(zhì)災(zāi)害，保證萬勝壩水庫工程電站順利建成具有十分重要的作用。

目前，在邊坡勘察設(shè)計中大多采用地質(zhì)分析與剛體極限平衡方法[5]，這類分析方法主要依賴于地質(zhì)環(huán)境條件的分析，而邊坡穩(wěn)定性的影響因素很多且復(fù)雜[6,7]，單一的分析方法遠(yuǎn)不能滿足當(dāng)前邊坡勘察設(shè)計的需求，然而綜合的研究方法已成為當(dāng)前邊坡穩(wěn)定性分析的必然趨勢。

以水電站進(jìn)場公路深挖路塹邊坡為例，采用有限元與極限平衡相結(jié)合的綜合分析方法，對路塹邊坡開挖過程的穩(wěn)定性進(jìn)行研究，弄清路塹邊坡施工開挖穩(wěn)定性和滑移面的演化規(guī)律，提出科學(xué)合理的設(shè)計施工方案，對于保證電站進(jìn)場公路邊坡施工和運(yùn)營安全具有十分重要的工程實踐意義。

1 邊坡概況及有限元分析模型建立

1.1 邊坡工程地質(zhì)概況

該電站進(jìn)場公路K0+000～K3+125.276段存在深挖路塹，其中K2+210～K280段公路挖方高度最大為54.18m。地貌上屬中山侵蝕地貌，地形起伏較大。

根據(jù)鉆探揭露和區(qū)域地質(zhì)資料揭示，K2+210～K280段進(jìn)場公路邊坡地層由表及里分別為④粉質(zhì)黏土層、⑤強(qiáng)風(fēng)化泥巖層和⑦中風(fēng)化砂巖層(見圖1)。

圖1 路塹邊坡地質(zhì)剖面圖Fig.1 Geological profile of cutting slope

根據(jù)勘察成果，泥巖屬于軟質(zhì)巖石，是陸源碎屑沉積的最細(xì)粒部分，主要由黏土礦物(如水云母、高嶺石、蒙脫石等)和碎屑礦物(石英、長石、云母等)組成，具有遇水崩解、易風(fēng)化的工程特點。坡體開挖后一旦長時間暴露于地表，在日照、溫差和降雨的綜合作用下風(fēng)化強(qiáng)烈，導(dǎo)致坡體裂隙增多、巖體強(qiáng)度降低，坡面易發(fā)生崩解、剝落，會對邊坡的穩(wěn)定性造成影響。

根據(jù)勘察試驗成果，結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)情況，對邊坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行綜合取值，詳見表1。

表1 邊坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 physical and mechanics parameters of rock-soil mass for cutting slope

1.2 深挖方邊坡設(shè)計概況

本段路塹采用臺階式放坡，典型斷面設(shè)計見圖2。

圖2 深挖路塹邊坡設(shè)計圖Fig.2 Design scheme of deep cutting slope

除第一階邊坡高度8 m外，第二至第五級邊坡高度均為10 m，平臺寬度2 m，第六級邊坡高度為6.4 m，宜分層、分級開挖、防護(hù)。

邊坡開挖坡率是根據(jù)邊坡的工程地質(zhì)條件，參考相關(guān)規(guī)范綜合確定。采用坡率如下：第一級坡比1∶0.5，采用光面爆破施工；第二～第五級坡比為1∶0.75，第六級坡比為1∶1.25，邊坡防護(hù)根據(jù)邊坡的地質(zhì)條件確定。

1.3 有限元分析模型建立

根據(jù)路塹邊坡的工程地質(zhì)條件，采用有限元建模建立邊坡的數(shù)值分析模型，共剖分了4 258個單元，4 367個節(jié)點，見圖3。

圖3 邊坡有限元分析模型Fig.3 Finite element analysis model for cutting slope

模型左右邊界約束X方向位移，底面邊界約束X和Y方向位移。

2 邊坡有限元強(qiáng)度折減分析

2.1 有限元強(qiáng)度折減法

有限元強(qiáng)度系數(shù)折減法[8]的基本原理是將坡體強(qiáng)度參數(shù)(黏聚力和內(nèi)摩擦角值)同時除以一個折減系數(shù)F，得到一組新的值，然后作為新的材料參數(shù)輸入，再進(jìn)行試算，利用相應(yīng)的穩(wěn)定判斷準(zhǔn)則，確定相應(yīng)的F值為坡體的最小穩(wěn)定安全系數(shù)，此時坡體達(dá)到極限狀態(tài)，發(fā)生剪切破壞，同時又可得到坡體的破壞滑動面，具體計算步驟可參考文獻(xiàn)[9,10]。

2.2 邊坡有限元強(qiáng)度折減分析結(jié)果

對建立的路塹邊坡地質(zhì)模型進(jìn)行有限元分析，得到不同開挖階段路塹邊坡的有限元強(qiáng)度折減計算結(jié)果，見表2和圖4。

表2 深挖路塹邊坡穩(wěn)定性強(qiáng)度折減計算結(jié)果Tab.2 Calculation results of deep cutting slope stability for SSR

圖4 深挖路塹邊坡有限元強(qiáng)度折減計算成果圖Fig.4 Plots of deep cutting slope for SSR

從表2可以看出：隨著邊坡逐級開挖，邊坡的穩(wěn)定性也逐步增大，尤其是第二級和第一級邊坡開挖后，邊坡的穩(wěn)定性有較大幅度提高。這是由于隨著邊坡的開挖，淺表層的粉質(zhì)黏土層被挖除了，坡體為強(qiáng)風(fēng)化泥巖層，邊坡巖土層的物理力學(xué)性質(zhì)也逐步提高了。因此，邊坡的穩(wěn)定性也逐步提高了，與工程地質(zhì)定性判斷一致。

從圖4可以看出：邊坡可能的滑移面隨著邊坡逐級開挖施工逐步發(fā)生調(diào)整，且均為圓弧形滑動，原始邊坡、第三級至第六級邊坡開挖時從殘坡積層發(fā)生圓弧滑動，第二級邊坡開挖時從殘坡積層和強(qiáng)風(fēng)化泥巖層發(fā)生圓弧滑動，第一級邊開挖時從強(qiáng)風(fēng)化泥巖層發(fā)生圓弧滑動。

3 邊坡穩(wěn)定性剛體極限平衡分析

為了與強(qiáng)度折減法計算的結(jié)果進(jìn)行對比，采用邊坡剛體極限平衡分析方法對邊坡原始坡形、不同開挖條件下的穩(wěn)定性進(jìn)行了計算，計算結(jié)果見表3。各施工工況條件下路塹邊坡可能滑移面見圖5。

從表3可以看出：隨著邊坡的開挖，邊坡的穩(wěn)定性有逐步提高，尤其是第二級和第一級邊坡開挖后，邊坡的穩(wěn)定性提高幅度較大，與路塹邊坡開挖有限元折減分析結(jié)果一致。

從圖5可以看出：隨著邊坡逐級開挖施工，邊坡可能的滑移面也逐步調(diào)整，而且原始邊坡、第六級至第二級邊坡開挖時，邊坡可能的滑移面在殘坡積層，第一級邊坡開挖時，邊坡可能的滑移面發(fā)生第二級邊坡以上。因此，路塹邊坡第二級與第四級邊坡應(yīng)采取適當(dāng)?shù)募庸檀胧?，避免邊坡從第二級邊坡頂發(fā)生從強(qiáng)風(fēng)化泥巖層圓弧滑動。

表3 深挖路塹邊坡穩(wěn)定性剛體極限計算結(jié)果Tab.3 Calculation results of deep cutting slope stability for rigid limit equilibrium method

4 邊坡穩(wěn)定性綜合評價

對路塹邊坡開展強(qiáng)度折減和剛體極限平衡分析，綜合兩種計算結(jié)果，得到路塹邊坡穩(wěn)定性隨逐級施工開挖的演化過程，見圖6。

從圖6可以看出：有限元強(qiáng)度折減法得到路塹邊坡的穩(wěn)定性演化規(guī)律與剛體極限平衡法一致，路塹邊坡的穩(wěn)定性隨著逐級開挖，穩(wěn)定性系數(shù)逐步有所提高，尤其是第二級和第一級邊坡開挖，穩(wěn)定性提高的幅度較大。對比兩種方法得到的路塹邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果基本一致，且有限元強(qiáng)度折減法得到的穩(wěn)定性系數(shù)略大于剛體極限平衡法。

圖5 深挖路塹邊坡剛體極限平衡計算成果圖Fig.5 plots of deep cutting slope for rigid limit equilibrium method

圖6 深挖路塹邊坡穩(wěn)定性演化Fig.6 Stability evolution of deep cutting slope

對比圖4和圖5，兩種計算方法得到的路塹邊坡原始坡形、逐級開挖時，邊坡可能滑移面的位置和形狀基本一致，且均為圓弧形滑動，尤其是第一級邊坡開挖后，路塹邊坡的滑移面從殘坡積層滑出變化為從第三級邊坡坡腳位置滑出。

綜合分析以上成果，路塹邊坡在施工開挖過程中始終處于穩(wěn)定狀態(tài)，表明了根據(jù)坡體的工程地質(zhì)性質(zhì)提出的坡率是能夠滿足邊坡整體穩(wěn)定性。鑒于強(qiáng)風(fēng)化泥巖層長期暴露于坡面，受到自然條件(降雨、溫差等)的長期作用下風(fēng)化強(qiáng)烈，導(dǎo)致坡體裂隙增多、巖石強(qiáng)度降低，坡面易發(fā)生崩解、剝落，力學(xué)性質(zhì)會逐步惡化，邊坡的穩(wěn)定性將逐步降低，有可能從第二級邊坡坡頂發(fā)生圓弧形滑動。因此，邊坡的防護(hù)應(yīng)根據(jù)坡面巖體的工程特性和滑移面的變化提出針對性的措施，即建議第二級～第四級邊坡應(yīng)采取錨桿框架植草防護(hù)措施，第一級邊坡采用漿砌片石護(hù)面墻防護(hù)，第五～第六級邊坡采取擬掛網(wǎng)混植防護(hù)措施，并且開挖一級后應(yīng)立即進(jìn)行防護(hù)施工，及時封閉坡面,即能夠有效阻止日曬雨淋導(dǎo)致的風(fēng)化加劇，不僅避免表層風(fēng)化剝落的發(fā)生、發(fā)展，而且能保證坡體長期穩(wěn)定。

5 結(jié) 論

采用有限元強(qiáng)度折減法和剛體極限平衡法對水電站進(jìn)場深挖路塹邊坡逐級開挖施工的穩(wěn)定性進(jìn)行了計算分析，綜合評價了邊坡的穩(wěn)定性，所得結(jié)論如下：

(1)隨著深挖路塹邊坡的逐級開挖施工，邊坡的穩(wěn)定性逐步提高，尤其是第二級和第一級邊坡開挖后，邊坡的穩(wěn)定性有較大幅度提高，邊坡可能的滑移面也隨著開挖過程逐步調(diào)整。

(2)兩種計算方法得到的路塹邊坡原始坡形、逐級開挖時，邊坡可能滑移面的位置和形狀基本一致。原始邊坡、第六級至第二級邊坡開挖時可能從殘坡積層發(fā)生圓弧滑動，第一級邊坡開挖時可能從強(qiáng)風(fēng)化泥巖層發(fā)生圓弧滑動，可能滑動面的調(diào)整為防護(hù)措施選擇提供了依據(jù)。

(3)鑒于強(qiáng)風(fēng)化泥巖坡面在日照、溫差和降雨的綜合作用下風(fēng)化強(qiáng)烈，導(dǎo)致坡體裂隙增多、巖體強(qiáng)度降低，坡面易發(fā)生崩解、剝落，力學(xué)性質(zhì)會逐步惡化，邊坡的穩(wěn)定性將逐步降低，有可能從第二級邊坡坡頂發(fā)生圓弧形滑動。為了確保路塹邊坡的長期穩(wěn)定性，建議第二級至第四級邊坡應(yīng)采取錨桿框架植草防護(hù)措施，第一級邊坡采取漿砌片石護(hù)面墻，第五～第六級邊坡擬掛網(wǎng)混植防護(hù)，并且開挖一級后應(yīng)立即進(jìn)行擬掛網(wǎng)混植防護(hù)施工，及時封閉坡面。