基于Slide的水電站高邊坡穩(wěn)定性分析及支護(hù)方案研究

李云波，董 泳，劉肖峰，劉 俊，崔 笑

(1.南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，江蘇 南京 210022；2.中國電建集團(tuán)北京勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100024；3.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210024)

0 引 言

邊坡穩(wěn)定是巖土工程安全的重要評價指標(biāo)，邊坡土體失穩(wěn)下滑引起的坍塌破壞，極大威脅施工及周邊建筑物的安全[1]。特別地，由于水電站所在的庫區(qū)邊坡涉及到水庫的安全，其邊坡穩(wěn)定較一般山體邊坡的安全要求等級更高。因此，對水電站的邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，以及對存在安全隱患的邊坡加強(qiáng)處理十分必要。在邊坡穩(wěn)定分析中，最為常用的方法是極限平衡法，很多學(xué)者基于此方法對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。師志剛等[2]對旬陽水電站魚類增殖站土質(zhì)邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定性分析；馮煒等[3]對獅子山滑坡在天然和暴雨工況下的穩(wěn)定性及相應(yīng)支護(hù)措施進(jìn)行了分析研究；王庭元等[4]分析了某電廠巖質(zhì)邊坡在各種工況下的運(yùn)行穩(wěn)定性。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)和有限元計(jì)算軟件精度的提高，越來越多的工程采用有限元軟件進(jìn)行邊坡穩(wěn)定的計(jì)算和校核[5]。聶緒斯等[6]基于GEO-SLOPE軟件對某露天礦山邊坡穩(wěn)定性分析并對相關(guān)的治理方案進(jìn)行了選擇研究；葉志程等[7]采用MIDAS GTS/NX對文成縣某邊坡的穩(wěn)定性綜合分析；周樂[8]基于FLAC3D軟件對垂直高邊坡工后穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。

高邊坡較一般邊坡的力學(xué)特性復(fù)雜，影響安全穩(wěn)定的因素較多，需要專業(yè)的有限元分析軟件進(jìn)行計(jì)算研究。Rocsciencee公司研發(fā)的Slide有限元分析軟件目前在工程領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛，很多學(xué)者基于此軟件對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。李炳陽等[9]計(jì)算了水閘的滲流并進(jìn)行安全分析；張永貴等[10]對魏家峁露天煤礦邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算分析；茍棟元等[11]對山區(qū)公路路塹邊坡的加固設(shè)計(jì)進(jìn)行穩(wěn)定性分析。但由于高邊坡工程的復(fù)雜性，Slide軟件針對涉水高邊坡工程穩(wěn)定性的計(jì)算研究應(yīng)用較少，其應(yīng)用的可靠性需要進(jìn)一步驗(yàn)證，需要結(jié)合具體工程進(jìn)行進(jìn)一步深入探討。為此，本文以西南某水電站高邊坡為研究對象建立計(jì)算模型，計(jì)算圓弧滑面采用下限解法，通過簡化畢肖普法求解最危險滑面的安全系數(shù)，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果制定相應(yīng)的支護(hù)方案。

1 計(jì)算理論及工況

1.1 計(jì)算理論

邊坡穩(wěn)定分析計(jì)算采用有效應(yīng)力法，抗剪強(qiáng)度應(yīng)力τf按下式確定[12]

τf=c′+σ′tanφ′

(1)

式中，σ′為土體的有效法向應(yīng)力；c′、φ′為土體的有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。采用簡化畢肖普法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算[13-14]，公式為

c′ibisecαi}/(1+tanαitanφ′/K)/

(2)

式中，K為安全系數(shù)；Wi為第i滑動條塊自重；Qi、Vi為分別作用在第i滑動條塊上的外力在水平向和垂直向的分力；ui為第i滑動條塊底面的孔隙壓力；αi為第i滑動條塊底滑面的傾角；bi為第i滑動條塊寬度；c′、φ′為第i滑動條塊底面的有效黏聚力和內(nèi)摩擦角；MQi為第i滑動條塊水平向外力Qi對圓心的力矩；R為圓弧半徑。

1.2 計(jì)算工況

庫區(qū)高邊坡的安全穩(wěn)定分析一般有正常運(yùn)行工況和降雨工況。①正常運(yùn)行工況?？紤]不利組合，計(jì)算時，坡外水位選擇死水位，地下水位按天然水位線考慮。荷載組合為：自重+地下水壓力+邊坡外水壓力(對應(yīng)死水位)。②降雨工況。施工期按暴雨且坡外無水的最不利組合，采用孔壓系數(shù)法，計(jì)算擬通過給定滑面上的孔隙水壓力系數(shù)ru=0.1模擬降雨?？紫端畨毫Ω鶕?jù)浸潤線的位置按簡化原則確定?？紫端畨毫ο禂?shù)說明見圖1。圖1中，h為滑裂面以上浸潤線的高度；H為土體高度，即為降雨時潛在滑裂面以上浸潤線的高度。

圖1 孔隙水壓力系數(shù)說明

假定流場的等勢線鉛直，A點(diǎn)承受的孔隙水壓力μ=rwh，其中，rw為水容重。則A點(diǎn)的孔隙水壓力系數(shù)ru定義為該點(diǎn)的孔隙水壓力μ與相應(yīng)該點(diǎn)滑裂面以上巖柱質(zhì)量的比值，即

(3)

對于降雨工況，若設(shè)定孔隙水壓力系數(shù)ru=0.05，假設(shè)土的容重一般為2.0 g/cm3，根據(jù)式(3)，h與H的比值為0.1，也即假定在連續(xù)降雨的條件下，邊坡內(nèi)的水不能及時排出，潛在滑裂面以上浸潤線的高度約為相應(yīng)土柱高度的10%。若設(shè)定孔隙水壓力系數(shù)ru=0.1，則潛在滑裂面以上浸潤線的高度約為相應(yīng)土柱高度的20%。根據(jù)工程所在地氣候特點(diǎn)，降雨工況取ru=0.1模擬降雨對圖1中浸潤線的影響。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

圖2 典型剖面

圖3 邊坡穩(wěn)定計(jì)算模型(單位：m)

表1 材料力學(xué)參數(shù)

2.2 結(jié)果分析

基于slide有限元軟件，采用畢肖普法對正常運(yùn)行工況及降雨工況下的泄洪排沙洞出口段邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。計(jì)算結(jié)果見圖4。從圖4可知，正常運(yùn)行工況下，邊坡安全系數(shù)為1.245，小于規(guī)范要求的安全系數(shù)下限值1.25。降雨工況下，邊坡安全系數(shù)為1.132，小于規(guī)范要求的安全系數(shù)下限值1.20。由上可知，該邊坡在正常運(yùn)行工況及降雨工況下的安全系數(shù)均不滿足規(guī)范要求。為了安全考慮，應(yīng)采取支護(hù)措施對該邊坡進(jìn)行支護(hù)。

圖4 基于slide有限元軟件的邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

2.3 支護(hù)方案

2.3.1 回填石渣處理方案

考慮從高程1 113 m馬道進(jìn)行回填石渣，回填石渣坡腳延伸至泄槽擋墻墻背高程1 105 m，整體填土坡度近1∶3?；靥钍幚矸桨敢妶D5。計(jì)算模型見圖6。

圖5 回填石渣處理方案(高程：m)

石渣回填后正常運(yùn)用及降雨工況邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見圖7。從圖7可知，回填石渣后正常運(yùn)行及降雨工況下的安全系數(shù)分別為1.398和1.279，均大于規(guī)范要求的安全系數(shù)上限值，說明采取回填石渣支護(hù)措施能有效提高邊坡的穩(wěn)定性。

圖7 石渣回填后邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

2.3.2 增設(shè)土釘處理方案

在高程1 105～1 113 m之間布置長12 m、直徑25 mm的土釘，間距3 m×3 m，梅花形布置，共布置33根。增設(shè)土釘方案邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見圖8。從圖8可知，增設(shè)土釘后正常運(yùn)行及降雨工況下的邊坡安全系數(shù)分別為1.322和1.204，均大于規(guī)范要求的安全系數(shù)上限值，說明采取增設(shè)土釘支護(hù)措施能有效提高邊坡的穩(wěn)定性。

圖8 增設(shè)土釘邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

2.4 方案比選

經(jīng)以上計(jì)算分析，采用回填石渣或增設(shè)土釘處理方案均可滿足規(guī)范要求?？紤]到本工程現(xiàn)場棄渣較多，若全部堆在壩后可能壩后壓坡規(guī)模過大，若使用回填石渣方案進(jìn)行支護(hù)，可消耗掉部分棄渣量，能有效減少壩后壓坡的規(guī)模。采用回填石渣方案后，計(jì)算出的正常運(yùn)行及降雨工況下的安全系數(shù)分別為1.398和1.279，而采用土釘支護(hù)方案下的正常運(yùn)行及降雨工況下的安全系數(shù)分別為1.322和1.204，采用石渣回填后邊坡的安全裕度更高，穩(wěn)定性更好。經(jīng)綜合考慮，最終確定采取回填石渣方案對該邊坡進(jìn)行處理。

3 結(jié) 語

本文基于Slide軟件對我國西南某水電站泄洪排沙洞出口邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定性分析及支護(hù)措施研究，得出以下結(jié)論：

(1)Slide軟件結(jié)合極限平衡法可用來分析水電站庫區(qū)高邊坡的安全穩(wěn)定，可為其他工程提供借鑒。

(2)泄洪排沙洞出口段邊坡在正常運(yùn)用及降雨工況均小于規(guī)范要求安全系數(shù)的下限值，該部位開挖邊坡穩(wěn)定性不滿足規(guī)范要求，需要采取一定的支護(hù)措施。經(jīng)計(jì)算，采取回填石渣和增設(shè)土釘2種支護(hù)方案均滿足規(guī)范要求。經(jīng)綜合比選，確定采取回填石渣方案對該邊坡進(jìn)行處理。

(3)為進(jìn)一步提高庫區(qū)高邊坡的穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，可計(jì)算多組斷面，綜合分析邊坡的安全穩(wěn)定性。