基于強(qiáng)度折減的洛寧抽水蓄能電站黃土邊坡穩(wěn)定性研究

張學(xué)清，潘福營(yíng)，殷 康，龔振如，賈偉瓏，朱 濤

（1.河南洛寧抽水蓄能有限公司，河南省洛陽(yáng)市 471700；2.國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司，北京市 100161；3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京市 100049）

0 引言

隨著人類活動(dòng)的延伸，越來(lái)越多的大型工程出現(xiàn)，帶來(lái)一些邊坡安全問(wèn)題。邊坡失穩(wěn)往往危及生命及財(cái)產(chǎn)安全，帶來(lái)不可衡量的經(jīng)濟(jì)損失，如交通阻斷、河道淤積堵塞、城鎮(zhèn)掩埋、工程停工等。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)土質(zhì)邊坡失穩(wěn)展開(kāi)研究，土力學(xué)的創(chuàng)始人Terzaghi[1-2]首先用土力學(xué)來(lái)揭示滑坡機(jī)理，并用工程案例進(jìn)行解釋；Morgenstern[3]等提出孔隙水壓力發(fā)生變化揭示形成滑坡的機(jī)理；Skempton[4]提出黏性土的殘余強(qiáng)度理論來(lái)分析滑坡；唐曉松[5]等通過(guò)強(qiáng)度折減法逐步折減迫近極限平衡揭示類均質(zhì)、層狀、軟硬互層邊坡的破壞機(jī)理；張寶龍[6]等通過(guò)力學(xué)分析和數(shù)值模擬來(lái)分析坡高和坡角對(duì)邊坡破壞模式的影響。

關(guān)于黃土邊坡的破壞機(jī)理，許領(lǐng)[7]等對(duì)于黃土滑坡發(fā)生機(jī)制、滑坡遠(yuǎn)程滑動(dòng)機(jī)制和地震作用下誘發(fā)滑坡的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)；文建軍[8]等研究加載速率對(duì)黃土邊坡滑動(dòng)速率的影響；唐東旗[9]等針對(duì)不同坡高、坡面角度、開(kāi)挖進(jìn)尺來(lái)分析對(duì)黃土邊坡的影響；孫萍[10]等通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究不同雨強(qiáng)條件下土壤的參數(shù)變化趨勢(shì)、滲流的特點(diǎn)以及邊坡的變形特點(diǎn)；張子?xùn)|[11]等通過(guò)研究三軸試驗(yàn)中土體的應(yīng)力—應(yīng)變曲線來(lái)分析黃邊坡在開(kāi)挖卸荷中的變形機(jī)理；王杰[12]等通過(guò)尋找最大位移值和塑性區(qū)來(lái)確定潛在滑裂面，并與Bishop法進(jìn)行對(duì)比。

本文以洛寧抽水蓄能電站業(yè)主營(yíng)地區(qū)域五級(jí)黃土邊坡為例，運(yùn)用FLAC 3D有限差分軟件，對(duì)該邊坡分步開(kāi)挖施工及運(yùn)行進(jìn)行數(shù)值模擬，通過(guò)計(jì)算不同工況下邊坡的變形，評(píng)價(jià)邊坡安全狀態(tài)。

1 工程概況

洛寧抽水蓄能電站位于河南省境內(nèi)，屬黃河水系洛河右岸一級(jí)支流白馬澗。業(yè)主營(yíng)地區(qū)域位于下水庫(kù)左岸西北側(cè)，場(chǎng)平高程600～640m。場(chǎng)區(qū)內(nèi)地形總體較開(kāi)闊，地形總體地勢(shì)南低北高，西南側(cè)有山體，西北及東北為沖溝。位于場(chǎng)址東側(cè)約135m 處的白馬澗，該河段水流平緩，常年有流水，場(chǎng)址區(qū)高于河面約100m。

業(yè)主營(yíng)地區(qū)域規(guī)劃用地設(shè)計(jì)高程為637～655m，其內(nèi)主要建筑物有：綜合辦公樓、中控樓、活動(dòng)中心、食堂、設(shè)代監(jiān)理樓、運(yùn)行公寓及業(yè)主公寓、消防站、鍋爐房等。建筑物均為不超過(guò)4 層的多層民用建筑。

1.1 地質(zhì)構(gòu)造

工程場(chǎng)址區(qū)發(fā)育的斷裂構(gòu)造主要有洛河斷裂和一些小規(guī)模斷層。歷史上沒(méi)有破壞性地震的記載，工程區(qū)范圍內(nèi)不存在規(guī)模較大的斷裂，僅分布一些規(guī)模較小的斷層，且都不是活動(dòng)斷層。

1.2 工程地質(zhì)條件

工程區(qū)內(nèi)廣泛分布第四系（Q4）松散堆積物，主要分布在山脊、坡頂及溝底部位，場(chǎng)區(qū)巖土層大致可以分為3層，從上至下依次為：

①層：耕植土，灰褐色，軟塑～可塑狀，稍濕。含少量植物根莖，分布較均一，厚度0.4～0.8m，屬高～中等壓縮性土。

②層：黃土層，黃褐色，可塑～硬塑狀，稍濕。分布較均一，厚度1.0～15.6m，屬高等壓縮性土。

1.3 水文地質(zhì)條件

區(qū)內(nèi)地下水主要有兩種類型：一種是賦存于土層中的孔隙潛水，補(bǔ)給來(lái)源為大氣降水和場(chǎng)區(qū)內(nèi)渠道水的滲漏，受季節(jié)性影響明顯；另一種是基巖裂隙水，主要來(lái)源于地表降水滲透，通過(guò)裂隙向下運(yùn)移，地下水量小，受季節(jié)變化影響較大。

1.4 邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)

在設(shè)代監(jiān)理樓、運(yùn)行公寓及業(yè)主公寓后方有一高邊坡，邊坡高度 40m，坡比從上至下依次為1：1.75、1：1.75、1：1.50、1：1.50、1：1.50，邊坡高度每 8m 設(shè)置 2m 寬?cǎi)R道。邊坡采用C25混凝土網(wǎng)格梁支護(hù)；在網(wǎng)格梁節(jié)點(diǎn)處設(shè)置錨桿，錨桿鋼筋直徑25mm（HRB400），長(zhǎng)度6m，鉆孔直徑90mm；在坡腳處設(shè)置C30混凝土擋墻，墻高5m。對(duì)五級(jí)邊坡需進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)，采用水平位移總量30mm及位移速率3mm/s的雙重控制標(biāo)準(zhǔn)。支護(hù)剖面圖見(jiàn)圖1。

孔老一下水將木桶撈了上來(lái)，坐進(jìn)桶里，木桶穩(wěn)穩(wěn)地在水面上打著轉(zhuǎn)，當(dāng)然，這只木桶要坐進(jìn)兩個(gè)人是不現(xiàn)實(shí)的，他動(dòng)員潘云留在北岸，等他辦完喪事一定回頭找他。

2 數(shù)值模型

2.1 模型建立

根據(jù)業(yè)主營(yíng)地區(qū)域地形圖，先采用Hypermeh軟件建立模型，然后基于限差分方法采用FLAC 3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬。圖2為建立的邊坡數(shù)值模型。模型底部尺寸136m×147m，其中，基巖埋深為22～31m，基巖厚度為64～104m，共劃分134089個(gè)單元，26026個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖2 五級(jí)邊坡數(shù)值模型圖Figure 2 Numerical model diagram of five grade slope

2.2 計(jì)算參數(shù)及工況

巖土體的計(jì)算參數(shù)選取見(jiàn)表1。

表1 巖土體計(jì)算參數(shù)表Table1 Table of calculation parameters of rock and soil mass

計(jì)算工況分別考慮邊坡施工期在無(wú)支護(hù)、錨桿支護(hù)、擋土墻支護(hù)條件下，以及邊坡運(yùn)營(yíng)期等4種工況，如表2所示。

表2 邊坡計(jì)算工況表Table2 Table of slope calculation conditions

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 邊坡開(kāi)挖階段

3.1.1 錨桿支護(hù)效果

圖3、圖4為邊坡開(kāi)挖沒(méi)有進(jìn)行支護(hù)的位移云圖，可以看出：無(wú)錨桿支護(hù)下邊坡整體出現(xiàn)較大的位移，位移最大值出現(xiàn)在坡腳處，位移值約為140mm。圖5、圖6為邊坡開(kāi)挖且進(jìn)行及時(shí)支護(hù)的位移云圖，可以看出：在錨桿支護(hù)下，邊坡位移得到較好的控制，位移最大值出現(xiàn)在坡腳處，位移值約為16mm。

圖3 無(wú)支護(hù)的邊坡水平位移剖面圖Figure 3 Horizontal displacement profile of an unsupported slope

圖4 無(wú)支護(hù)的邊坡水平位移整體展示圖Figure 4 The overall horizontal displacement diagram of the slope without support

圖5 錨桿支護(hù)下邊坡水平位移剖面圖Figure 5 Horizontal displacement profile of slope under bolting support

由圖3～圖6可以看出：邊坡潛在滑動(dòng)面位于土巖分界線處；由于邊坡開(kāi)挖后及時(shí)施加錨桿支護(hù)，邊坡出現(xiàn)的位移最大值得到明顯降低，錨桿支護(hù)對(duì)邊坡位移的抑制作用很大。

圖7、圖8為邊坡開(kāi)挖先進(jìn)行錨桿+擋土墻支護(hù)的位移云圖。將圖6和圖8進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，最大位移值均出現(xiàn)在坡腳處，最大位移值由無(wú)擋土墻16mm降到有擋土墻的6mm，由此可見(jiàn)，擋土墻的鎖腳作用很明顯。

圖6 錨桿支護(hù)下邊坡水平位移整體展示圖Figure 6 The overall horizontal displacement diagram of the slope under bolt support

圖7 擋土墻支護(hù)下邊坡水平位移剖面圖Figure 7 Horizontal displacement profile of slope under retaining wall support

圖8 擋土墻支護(hù)下邊坡水平位移整體展示圖Figure 8 The overall horizontal displacement diagram of the slope under retaining wall support

3.1.3 數(shù)值模型驗(yàn)證

在現(xiàn)場(chǎng)第三級(jí)邊坡頂部682m平臺(tái)設(shè)置了一個(gè)30m深的測(cè)斜孔，通過(guò)將數(shù)值計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算模型的合理性。從圖9中可以看出，數(shù)值計(jì)算結(jié)果和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相差不大，邊坡位移的分布趨勢(shì)是一致的，表明本次計(jì)算采用的數(shù)值模型是合理的。

圖9 數(shù)值計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比Figure 9 Comparison of numerical calculation and field monitoring data

3.2 邊坡運(yùn)行階段

有必要考慮到邊坡在運(yùn)營(yíng)期內(nèi)遇到若干次強(qiáng)降雨以及雨季工況下的安全，采用巖土參數(shù)劣化的形式模擬邊坡在降雨?duì)顟B(tài)下的變形，選取飽和狀態(tài)下土體參數(shù)模擬降雨?duì)顟B(tài)[13-14]。工況1至工況3均在錨桿+擋土墻支護(hù)條件下，對(duì)應(yīng)于巖土參數(shù)受降雨影響產(chǎn)生不同程度的劣化，巖土參數(shù)取值見(jiàn)表3，三種工況均采用錨桿加擋土墻支護(hù)，其中，工況3下的土體參數(shù)與飽和狀態(tài)大致相等，可視為強(qiáng)降雨工況。

表3 模擬降雨工況下的土體的參數(shù)Table 3 Parameters of soil under simulated rainfall conditions

圖10～圖15是各工況下邊坡水平位移剖面圖和水平位移整體展示圖。邊坡位移最大值由14.0mm分別增大到21.3mm及27.9mm，最大位移值仍然出現(xiàn)在坡腳處，位移值從坡頂?shù)狡履_呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)。

圖10 工況1邊坡水平位移剖面圖Figure 10 Working condition 1 section of slope horizontal displacement

圖11 工況2邊坡水平位移剖面圖Figure 11 Working condition 2 section of slope horizontal displacement

圖12 工況3邊坡水平位移剖面圖Figure 12 Working condition 3 section of slope horizontal displacement

圖13 工況1邊坡水平位移整體展示圖Figure 13 Working condition 1 shows the overall horizontal displacement of the slope

圖14 工況2邊坡水平位移整體展示圖Figure 14 Working condition 2 shows the overall horizontal displacement of the slope

圖15 工況3邊坡水平位移整體展示圖Figure 15 Working condition 3 shows the overall horizontal displacement of the slope

以第三級(jí)邊坡馬道處682m平臺(tái)監(jiān)測(cè)點(diǎn)為參考點(diǎn)，對(duì)比四種工況下監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移值，同時(shí)與邊坡最大位移值對(duì)比，見(jiàn)圖16，可以看出，隨著參數(shù)裂化，位移值大致呈線性增加，邊坡位移最大值斜率大，增幅大一些。

圖16 不同工況下監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移變化趨勢(shì)Figure 16 The displacement trend of monitoring points under different working conditions displacement of the slope

由此可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)強(qiáng)降雨或雨季的若干次干濕循環(huán)，邊坡出現(xiàn)的位移值沒(méi)有超過(guò)30mm的控制值，邊坡安全風(fēng)險(xiǎn)處于可控狀態(tài)。

4 結(jié)論

根據(jù)對(duì)五級(jí)邊坡不同工況下的數(shù)值計(jì)算結(jié)果，得出以下結(jié)論：

（1）施工期施加支護(hù)對(duì)邊坡位移的抑制作用明顯。邊坡出現(xiàn)的位移最大值得到明顯降低，錨桿支護(hù)對(duì)邊坡位移的抑制作用很大，擋土墻的鎖腳作用很明顯。

（2）現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果大致吻合，表明本次計(jì)算采用的數(shù)值模型是合理的。

（3）經(jīng)過(guò)強(qiáng)降雨或雨季的若干次干濕循環(huán)，邊坡出現(xiàn)的位移值沒(méi)有超過(guò)控制值，邊坡安全風(fēng)險(xiǎn)處于可控狀態(tài)。