基于Midas/GTS軟件的巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析及支護(hù)方案研究

楊建華，趙東雷，鄧杰文，張俊建，甘小迎

(中國電建集團(tuán)貴州電力設(shè)計研究院有限公司，貴州 貴陽 550002)

0 引言

巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性評價、治理一直是邊坡工程研究的重點。近年來計算機(jī)在巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性評價[1-4]及破壞模式分析[5-9]中得到了廣泛應(yīng)用，具有許多傳統(tǒng)計算手段無可比擬的優(yōu)勢。目前為止許多有限元分析軟件在巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用主要還是針對均質(zhì)巖體，對于復(fù)雜邊坡仍無較好的模擬方法[9]。

Midas/GTS軟件具有高效的前處理、強(qiáng)大的后處理功能，為數(shù)值模擬的實際工程應(yīng)用提供了可能。

為考慮上部荷載及多組巖體裂縫對巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的影響并對支護(hù)方案進(jìn)行研究，本文依托某礦山開采形成的巖質(zhì)邊坡勘察與治理項目，基于Midas/GTS軟件對該邊坡及上方輸電線路桿塔進(jìn)行數(shù)值建模，從計算結(jié)果出發(fā)分析不同工況下邊坡的穩(wěn)定性及變形破壞發(fā)展趨勢，并對格構(gòu)錨桿的支護(hù)方式合理性進(jìn)行探討，從有限元分析的角度提出有效建議，說明有限元分析在工程實際中的合理性。

1 工程概況

某邊坡崩塌為礦山開采形成的陡崖，下部為斜坡，陡崖總長約60 m，走向140°，總體積約1.26×104m3，規(guī)模屬中型。危巖帶主要分布在陡斜坡上，最高高程為1 347 m，前緣最低高程為1 312 m左右，相對高差約35 m；地形坡度較陡，一般為70°～85°，局部為直立狀或懸掛狀，下部地形坡度較緩，一般為10°～30°。危巖帶主要由薄至厚層白云巖構(gòu)成，巖石風(fēng)化差異大，巖溶較發(fā)育，受礦山開采爆破影響，巖石節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體內(nèi)部自上而下發(fā)育有4～5條裂隙，長度約50～100 m，傾角約85°～90°，將巖體切割成大小不一的塊體，在長期風(fēng)化、溶蝕作用下形成危巖體，目前受大氣降雨的沖刷、巖體溶蝕及風(fēng)化作用等因素影響，變形有加劇趨勢。邊坡上方有多座電壓等級為500 kV輸電線路鐵塔，若崩塌繼續(xù)發(fā)展將會危及鐵塔安全，崩塌區(qū)概況如圖1所示。崩塌范圍內(nèi)出露地層為第四系殘坡積粉質(zhì)黏土(Qdl+el)及三疊系中統(tǒng)楊柳井組白云巖(T2yl)，分述如下。

圖1 崩塌區(qū)概況

1)第四系殘坡積粉質(zhì)黏土(Qdl+el)，在崩塌范圍表層大面積分布。組成物質(zhì)為黃色、黃褐色粉質(zhì)黏土和塊碎石混雜堆積，稍濕—濕，結(jié)構(gòu)松散；碎石巖性多為白云巖塊體，呈次棱角—棱角狀，含量約10%～20%，粒徑0.5～2 cm，該層層厚不均，約0.1～0.5 m，分布主要為基巖表層覆蓋及裂隙充填。

2)三疊系中統(tǒng)楊柳井組白云巖(T2yl)，灰色，薄至厚層狀。巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，巖溶較發(fā)育，出露于危巖帶陡崖及陡斜坡地帶。

2 數(shù)值模型

2.1 計算剖面選取

該處崩塌區(qū)陡崖總長約60 m，坡頂分布有4～5條裂縫，裂縫總體豎向發(fā)育，東北側(cè)有一鐵塔，根開約17 m，為考慮后緣裂縫對邊坡穩(wěn)定性最不利的影響，在裂縫數(shù)量最多的東北側(cè)中部選取剖面進(jìn)行數(shù)值模擬，為研究鐵塔與邊坡的相互影響，將剖面延長至鐵塔后側(cè)，計算剖面為1-1′，剖面位置如圖2所示。

圖2 1-1′剖面位置圖

2.2 模型建立

Midas/GTS軟件能夠滿足數(shù)值模型的建模要求。由于在巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析中穩(wěn)定系數(shù)對黏聚力和內(nèi)摩擦角的變化最為敏感[10]，而裂隙的存在主要對巖體的力學(xué)參數(shù)造成劣化，因此通過將巖體裂縫進(jìn)行實體建模并選用填充黏土的力學(xué)參數(shù)，可以對裂縫進(jìn)行合理模擬。由于研究區(qū)域表層粉質(zhì)黏土層較薄且分布不均，對該邊坡穩(wěn)定性影響甚小，為方便建模計算，除裂隙內(nèi)部粉質(zhì)黏土填充部分外，未對該土層做單獨分層。為消除邊界效應(yīng)的影響，并考慮到塔基對邊坡的影響，對邊坡前側(cè)35 m、后側(cè)100 m、底部30 m范圍內(nèi)的巖土體進(jìn)行建模分析。

本文使用AutoCAD 2007建立1-1′剖面線框，導(dǎo)入Midas/GTS軟件進(jìn)行模型建立、網(wǎng)格劃分和參數(shù)賦值。所建數(shù)值模型中，白云巖、裂縫、鐵塔基礎(chǔ)均采用實體模型建立，鐵塔上部結(jié)構(gòu)采用Midas/GTS軟件自帶的梁單元進(jìn)行模擬。在網(wǎng)格劃分時單元類型采用三角形+四邊形，在坡體、裂縫及鐵塔基礎(chǔ)處網(wǎng)格劃分稍密，網(wǎng)格尺寸約1 m，在邊界處網(wǎng)格稍疏，網(wǎng)格尺寸約2 m。模型建立完成后，節(jié)點數(shù)共4 521個，單元數(shù)共4 874個，數(shù)值模型如圖3所示。

圖3 1-1′剖面數(shù)值模型

模型的約束方式為對底面邊界施加x、y方向約束，對左、右邊界施加x方向約束，上部邊界為自由面。

2.3 計算參數(shù)選取

粉質(zhì)黏土及白云巖的力學(xué)參數(shù)由室內(nèi)試驗結(jié)合當(dāng)?shù)毓こ探?jīng)驗選取，裂隙部分選用粉質(zhì)黏土參數(shù)，鐵塔塔材、基礎(chǔ)參數(shù)根據(jù)工程經(jīng)驗選取，參數(shù)見表1所列。

表1 穩(wěn)定性計算參數(shù)表

3 邊坡穩(wěn)定性分析

3.1 天然工況分析

選取的計算方式為強(qiáng)度折減法，該方法在巖質(zhì)邊坡塑性區(qū)搜尋中的應(yīng)用已得到了陳建宏[11]和王紅梅[12]等的驗證。為模擬邊坡在天然工況下的變形情況，計算時白云巖取天然重度，求解其在重力作用下的位移云圖。由于該處崩塌的主要破壞模式為傾倒式，由內(nèi)而外發(fā)生破壞，故重點分析其橫向位移。經(jīng)過模擬計算，得到天然工況下該邊坡的水平位移云圖如圖4所示。

圖4 天然工況水平位移云圖

通過圖4可以看出，由于裂隙的發(fā)育破壞了巖體的完整性，折減了裂隙發(fā)育部位的黏聚力和內(nèi)摩擦角，故在裂縫外側(cè)靠近坡面部分發(fā)生了較大的橫向位移，該向外變形趨勢在裂縫處有明顯分界，位移最大值發(fā)生在邊坡上部，該發(fā)展趨勢將導(dǎo)致巖體在裂縫中下部薄弱部分發(fā)生折斷，繼而造成傾倒式崩塌。計算結(jié)果與實際破壞機(jī)理相符，對實際情況有著較為合理的反映和預(yù)測。

通過Midas/GTS軟件后處理系統(tǒng)中的結(jié)果標(biāo)記功能，可以直接讀取邊坡上方鐵塔基礎(chǔ)處的沉降差，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，兩塔腿沉降差為0.17 mm，可見該處崩塌若不繼續(xù)發(fā)展，對上方鐵塔安全運行暫無影響。

在計算結(jié)果的后處理中可直接讀取穩(wěn)定性系數(shù)。結(jié)果顯示，邊坡天然工況下的穩(wěn)定性系數(shù)為1.34。根據(jù)DZ/T 0218—2016《滑坡防治工程勘查規(guī)范》所推薦的穩(wěn)定性評價標(biāo)準(zhǔn)，可以得出天然工況下該邊坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，但安全系數(shù)較低，若不對坡頂、坡面加以保護(hù)，隨著降水對裂縫及坡面的持續(xù)沖刷，裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展，安全系數(shù)持續(xù)降低，邊坡有可能轉(zhuǎn)為欠穩(wěn)定狀態(tài)，危及坡腳處崩塌影響范圍內(nèi)居民的人身財產(chǎn)安全。

3.2 暴雨工況分析

邊坡在暴雨工況下的穩(wěn)定性計算，白云巖取飽和重度，黏聚力和內(nèi)摩擦角也按表1進(jìn)行折減，調(diào)整參數(shù)后其余條件與天然工況分析中保持不變。根據(jù)計算結(jié)果，得到暴雨工況下邊坡的橫向位移云圖如圖5所示。

圖5 暴雨工況水平位移云圖

將圖5與圖4進(jìn)行對比分析，可發(fā)現(xiàn)暴雨工況與天然工況下邊坡水平位移的分布趨勢大體相同，均為在裂隙發(fā)育區(qū)域發(fā)生破壞，橫向位移最大值發(fā)生在坡體上部，隨變形增加最終在裂縫中下部發(fā)生巖體折斷導(dǎo)致傾倒式崩塌。兩者區(qū)別在于考慮降雨作用時，邊坡的位移值及其分布區(qū)域均明顯大于天然工況，這與實際情況吻合。

在暴雨工況下，邊坡上方鐵塔基礎(chǔ)的沉降差為0.20 mm，說明若邊坡不繼續(xù)垮塌，當(dāng)前狀態(tài)下對鐵塔安全運行暫無影響。

根據(jù)計算結(jié)果，暴雨工況下邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)為1.23，邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。

4 支護(hù)方案研究

4.1 支護(hù)措施模擬

巖質(zhì)陡邊坡崩塌治理普遍采用加筋肋板擋土墻和格構(gòu)+錨桿2種支護(hù)方案。經(jīng)綜合考慮，該巖質(zhì)邊坡選用格構(gòu)+錨桿邊坡支護(hù)方式，該支護(hù)方式造價低，施工難度相對小。其中格構(gòu)梁截面尺寸500 mm×500 mm，錨桿間距為2.5 m×2.5 m，入射角為20°，錨桿長度27 m，計算參數(shù)見表2所列。

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)表

有限元方法對邊坡支護(hù)手段模擬的合理性已經(jīng)得到了廣泛的論證[13-14]。該巖質(zhì)邊坡格構(gòu)采用實體模型建立，錨桿采用梁單元建立，支護(hù)結(jié)構(gòu)數(shù)值模型如圖6所示。

圖6 支護(hù)結(jié)構(gòu)模型

4.2 支護(hù)效果評價

選取暴雨工況下的力學(xué)參數(shù)對施加支護(hù)措施后的邊坡進(jìn)行數(shù)值模擬計算，得到的水平位移云圖如圖7所示。

圖7 支護(hù)后水平位移云圖

根據(jù)圖7可以看出，由于格構(gòu)錨桿的支擋、錨固作用，邊坡裂縫發(fā)育部分的橫向位移有了明顯減小，且位移區(qū)分布發(fā)生了由坡腳向自然坡面傾斜的趨勢，破壞模式由傾倒式崩塌向均質(zhì)巖體折線滑動轉(zhuǎn)變，證明了在錨桿的作用下表層松散巖體得到良好的錨固作用，成為更加穩(wěn)固、均質(zhì)的巖體，達(dá)到了支護(hù)方案的預(yù)期效果。

加固后的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.52，邊坡在暴雨工況下仍處于穩(wěn)定狀態(tài)，該方案起到了良好的支護(hù)作用，可以有效防止崩塌發(fā)生。

5 結(jié)論

1)利用Midas/GTS軟件對巖質(zhì)陡邊坡進(jìn)行數(shù)值建模，可以考慮到裂縫等復(fù)雜條件對基巖完整性的影響，對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行更為貼合實際情況的評價，模擬位移結(jié)果與實際破壞機(jī)理及發(fā)展趨勢相符。

2)根據(jù)邊坡上方鐵塔基礎(chǔ)處豎向沉降計算結(jié)果，表明天然工況和暴雨工況下兩塔腿沉降差均較小，現(xiàn)階段下邊坡變形暫時不會對鐵塔穩(wěn)定性造成影響，但若變形繼續(xù)發(fā)展，則需對鐵塔穩(wěn)定性進(jìn)行進(jìn)一步評估。

3)通過對邊坡格構(gòu)+錨桿的支護(hù)方式進(jìn)行數(shù)值模擬，表明該支護(hù)方式可以有效地增加裂縫切割巖體的穩(wěn)定性，對破碎巖體位移有明顯的控制作用，經(jīng)加固后的邊坡在暴雨工況下仍處于穩(wěn)定狀態(tài)，支護(hù)效果較為理想。