和平水庫(kù)右壩肩高邊坡施工期穩(wěn)定性分析

摘 "要：高陡邊坡存在裂隙發(fā)育、風(fēng)化嚴(yán)重、卸荷強(qiáng)烈等不良的地質(zhì)現(xiàn)象，直接影響到高邊坡的穩(wěn)定性。該文分別采用三維有限元強(qiáng)度折減法和二維剛體極限平衡法，對(duì)和平水庫(kù)右壩肩邊坡在開(kāi)挖支護(hù)后的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明，和平水庫(kù)右壩肩邊坡在完建工況下的穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求，開(kāi)挖和支護(hù)措施合理可行。

關(guān)鍵詞：高邊坡；工程地質(zhì)；穩(wěn)定性；強(qiáng)度折減法；剛體極限平衡法

中圖分類號(hào)：TV223 " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A " " " " "文章編號(hào)：2095-2945（2024）20-0115-04

Abstract： There are some bad geological phenomena in high and steep slope， such as crack development， serious weathering， strong unloading and so on， which directly affect the stability of high slope. In this paper， the three-dimensional finite element numerical strength reduction method and the two-dimensional rigid body limit equilibrium method are used to analyze the stability of the right abutment slope of Heping Reservoir after excavation and support. The results show that the stability of the right abutment slope of Heping Reservoir meets the requirements of the code， and the excavation and support measures are reasonable and feasible.

Keywords： high slope; engineering geology; stability; strength reduction method; rigid body limit equilibrium method

西南地區(qū)的大壩工程多位于高山峽谷地段，兩岸的高陡邊坡存在裂隙發(fā)育、風(fēng)化嚴(yán)重、卸荷強(qiáng)烈等不良的地質(zhì)條件，在人為開(kāi)挖擾動(dòng)的情況下，極易發(fā)生邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象。因此，不少學(xué)者就高邊坡在開(kāi)挖過(guò)程中的穩(wěn)定性開(kāi)展了大量的研究。郭子鈺等[1]采用極限平衡法與有限元法模擬了受弱層影響下的邊坡穩(wěn)定性，探討了多種評(píng)判指標(biāo)，綜合描述了邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)；陳紅如等[2]采用基于連續(xù)介質(zhì)理論和顯式有限差分法的Flac3D軟件，分析某邊坡在4種不同工況下的變形受力特征和破壞區(qū)分布規(guī)律，并分別采用強(qiáng)度折減法和摩根斯坦－普萊斯法計(jì)算邊坡安全系數(shù)；廖贊[3]基于極限平衡法和離散元法，分析了某大型水電站壩址區(qū)右岸邊坡的危險(xiǎn)滑動(dòng)面及其穩(wěn)定性；謝璇等[4]基于Flac3D軟件對(duì)某碼頭設(shè)計(jì)邊坡進(jìn)行開(kāi)挖模擬，分析了邊坡的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)狀態(tài)，并用強(qiáng)度折減的方法對(duì)開(kāi)挖后的各級(jí)邊坡進(jìn)行安全系數(shù)的求解；馮忠居等[5]采用Flac3D分析邊坡開(kāi)挖全過(guò)程的變形機(jī)理，結(jié)合Geo-studio研究邊坡開(kāi)挖各階段的破壞概率變化規(guī)律，提出以穩(wěn)定系數(shù)和破壞概率為指標(biāo)判斷邊坡開(kāi)挖穩(wěn)定性的二元評(píng)價(jià)方法，綜合評(píng)估邊坡開(kāi)挖各階段的穩(wěn)定性；徐馳[6]使用有限元分析軟件MidasGTS/NX，采用強(qiáng)度折減法（SRM），分析了中洞抽水蓄能電站上水庫(kù)高邊坡在自然工況和暴雨工況下的穩(wěn)定性。

和平水庫(kù)大壩右壩肩邊坡較陡，開(kāi)挖揭示的全風(fēng)化層較深，施工中發(fā)現(xiàn)出露的巖體相當(dāng)破碎，表層局部甚至呈散粒狀，邊坡存在局部或整體滑動(dòng)的安全隱患，對(duì)邊坡的穩(wěn)定性不利，直接影響到大壩工程的安全。因此，應(yīng)當(dāng)對(duì)大壩右壩肩邊坡進(jìn)行穩(wěn)定分析，獲得邊坡的安全系數(shù)，對(duì)加固處理措施的有效性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 "工程概況

和平水庫(kù)位于安寧河一級(jí)支流茨達(dá)河上游沙溝河段，水庫(kù)壩址地處茨達(dá)鄉(xiāng)上游約4.7 km處的沙溝處，水庫(kù)距德昌縣城37 km，德昌縣距西昌65 km。壩址以上流域面積61 km2，水庫(kù)正常蓄水位選定為1 820.00 m，對(duì)應(yīng)庫(kù)容為2 230萬(wàn)m3，水庫(kù)總庫(kù)容為2 327萬(wàn)m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容2 087萬(wàn)m3，大壩為鋼筋混凝土面板堆石壩，壩頂高程1 823.00 m，最大壩高為89.0 m。和平水庫(kù)的開(kāi)發(fā)任務(wù)是以農(nóng)業(yè)灌溉為主，兼顧?quán)l(xiāng)鎮(zhèn)、農(nóng)村供水。

和平水庫(kù)由攔河大壩、溢洪道、放水洞（兼放空洞）等建筑物組成。大壩右岸地形坡度20～45°，大部分覆蓋第四系殘坡積碎礫石土，局部裸露輝長(zhǎng)巖，全風(fēng)化帶厚3.59～5.65 m，強(qiáng)風(fēng)化帶厚7.56～11.25 m，弱風(fēng)化帶厚15.90～23.25 m。右壩肩邊坡的上、下部分別采用無(wú)黏結(jié)錨索和錨桿進(jìn)行支護(hù)，錨索的縱橫間距6.0 m，長(zhǎng)L=30 m，預(yù)應(yīng)力為1 000 kN；錨桿的直徑為28 mm，長(zhǎng)L=8.0 m，間距4.0 m，拉撥力為250 kN。邊坡表面采用直徑8 mm，間距200 mm的鋼筋掛網(wǎng)，并噴射12 cm厚C20細(xì)石混凝土。

右壩肩邊坡開(kāi)挖與支護(hù)的典型剖面圖如圖1所示。

2 "右壩肩邊坡穩(wěn)定分析

2.1 "三維有限元計(jì)算模型

根據(jù)設(shè)計(jì)資料，錨桿的間距4 m，錨索間距6 m，以典型剖面為中心均延伸28 m作為三維計(jì)算模型。X方向?yàn)樗街赶蚱聝?nèi)，Y方向?yàn)樨Q直向上，Z方向由右手螺旋法則確定。三維有限元模型所取的計(jì)算范圍為1 842.77≤X≤1 966.60，923.19≤Y≤坡頂，-2≤Z≤26。

基于三維彈塑性有限元強(qiáng)度折減法，進(jìn)行大壩右壩肩邊坡的穩(wěn)定分析。圖2為右壩肩邊坡的三維有限元計(jì)算網(wǎng)格圖，單元數(shù)為20 173個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為21 885個(gè)。計(jì)算時(shí)，將模型四周的鉛直面和底部施加法向約束，坡面自由。

本次計(jì)算考慮開(kāi)挖并支護(hù)完成的完建工況，暫不考慮地下水、降雨、地震的作用。根據(jù)右壩肩邊坡的典型地質(zhì)剖面，采用三維有限元強(qiáng)度折減法，分析大壩右壩肩邊坡在開(kāi)挖支護(hù)工況下，在不同強(qiáng)度折減系數(shù)下的變形及塑性變化過(guò)程。通過(guò)邊坡表面最大位移是否出現(xiàn)突變以及邊坡內(nèi)部塑性區(qū)是否發(fā)展貫通來(lái)綜合判斷邊坡的穩(wěn)定安全性。將邊坡視為理想彈塑性材料，采用Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則，用三維實(shí)體單元模擬，將錨桿和錨索視為線彈性材料，采用三維桿單元模擬?；居?jì)算參數(shù)詳見(jiàn)表1。

2.2 "基于有限元強(qiáng)度折減法的右壩肩邊坡穩(wěn)定分析

有限元強(qiáng)度折減的基本原理即不斷折減巖體材料的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，即黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ，得到一組新的抗剪強(qiáng)度參數(shù)c′和φ′，使邊坡達(dá)到極限破壞狀態(tài)，此時(shí)的折減系數(shù)Fs即為邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)。具體計(jì)算公式如下

c′=c/Fs，

φ′=arctan（φ/Fs）。

分別取強(qiáng)度折減系數(shù)Fs為1.0（不折減）、1.1、1.2、1.3、1.4和1.5，對(duì)材料的抗剪強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行折減，得到各強(qiáng)度折減系數(shù)情況下邊坡的位移和塑性區(qū)分布。

2.2.1 "強(qiáng)度折減過(guò)程中的最大位移變化

圖3為右壩肩邊坡在各強(qiáng)度折減系數(shù)下的最大位移變化曲線，當(dāng)強(qiáng)度折減系數(shù)Fs為1.0、1.1、1.2、1.3、1.4和1.5時(shí)，對(duì)應(yīng)的最大位移分別為24.9、26.1、27.7、29.8、32.5和36.2 cm，最大位移均發(fā)生在坡頂附近。

由圖3可知，右壩肩邊坡在強(qiáng)度折減過(guò)程中，位移呈逐漸變大的趨勢(shì)，當(dāng)強(qiáng)度折減系數(shù)為1.2時(shí)，曲線出現(xiàn)了相對(duì)明顯的拐點(diǎn)（曲線斜率的突變），因此，右壩肩邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)為1.2左右。圖4為強(qiáng)度折減系數(shù)為1.2時(shí)的位移分布圖。

2.2.2 "強(qiáng)度折減過(guò)程中的塑性屈服區(qū)變化

根據(jù)計(jì)算得到的右壩肩邊坡在各強(qiáng)度折減系數(shù)下的塑性區(qū)分布情況，其塑性區(qū)部位及貫通情況匯總見(jiàn)表2。

由表2可知，右壩肩邊坡在強(qiáng)度折減過(guò)程中，塑性區(qū)的范圍呈逐漸變大的趨勢(shì)，主要發(fā)生在全風(fēng)化層上部及全、強(qiáng)風(fēng)化層之間及錨索部位，當(dāng)強(qiáng)度折減系數(shù)為1.2時(shí)，塑性區(qū)基本貫通。因此，右壩肩邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)為1.2左右。圖5為強(qiáng)度折減系數(shù)為1.2時(shí)的塑性區(qū)分布。

2.3 "基于剛體極限平衡法的右壩肩邊坡穩(wěn)定分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證三維有限元強(qiáng)度折減法的可行性和成果合理性，采用Slide軟件對(duì)右壩肩邊坡在開(kāi)挖支護(hù)后的完建工況進(jìn)行二維穩(wěn)定性分析。Slide是一款適用于土質(zhì)邊坡和巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的分析軟件，它在條分法的基礎(chǔ)上根據(jù)極限平衡進(jìn)行邊坡的穩(wěn)定性劃分。通過(guò)定義一個(gè)或幾個(gè)圓心半徑搜索區(qū)域，采用Slide軟件自動(dòng)搜索該區(qū)域并計(jì)算出所有有效滑移面的安全系數(shù)，并給出最小安全系數(shù)及滑移面。經(jīng)試算，搜索出的最危險(xiǎn)滑動(dòng)面及計(jì)算成果如圖6所示。由圖可知，邊坡最危險(xiǎn)滑動(dòng)面沿全風(fēng)化層貫穿，最小安全系數(shù)Fs為1.129。

2.4 "右壩肩邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)

根據(jù)右壩肩邊坡在強(qiáng)度折減過(guò)程中最大位移及塑性區(qū)變化情況綜合分析，右壩肩邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)為1.2左右，根據(jù)剛體極限平衡法的右壩肩邊坡穩(wěn)定分析，右壩肩邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)為1.13左右。2種方法計(jì)算出來(lái)的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。分析結(jié)果表明，與剛體極限平衡法相比，采用三維彈塑性有限元強(qiáng)度折減法得到的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)略大。分析其原因主要有以下2點(diǎn)：①有限元強(qiáng)度折減法考慮了邊坡材料的彈塑性變形，對(duì)邊坡的滑動(dòng)有一定的抑制作用；②邊坡三維的約束效應(yīng)，與二維計(jì)算模型相比，會(huì)對(duì)邊坡的滑動(dòng)起到一定的阻止作用。

3 "結(jié)論

本文基于三維有限元強(qiáng)度折減法和二維剛體極限平衡法，對(duì)和平水庫(kù)右壩肩邊坡在施工完建工況下的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，主要結(jié)論如下。

1）基于三維有限元強(qiáng)度折減法的計(jì)算結(jié)果表明，隨著強(qiáng)度折減系數(shù)的增大，右壩肩邊坡的整體位移和塑性區(qū)的范圍逐漸增大，塑性區(qū)也逐漸貫通。右壩肩邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)（折減系數(shù)）為1.2左右。

2）基于二維剛體極限平衡法的計(jì)算結(jié)果表明，右壩肩邊坡最危險(xiǎn)滑動(dòng)面的穩(wěn)定安全系數(shù)為1.13左右。

3）基于三維有限元強(qiáng)度折減法和二維剛體極限平衡法計(jì)算出來(lái)的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，說(shuō)明和平水庫(kù)右壩肩邊坡的開(kāi)挖和支護(hù)方式是合理可行的。

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