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        有限元法與極限平衡法結(jié)合分析某電站庫(kù)區(qū)滑坡體穩(wěn)定性

        2017-11-15 05:26:56
        四川水利 2017年5期
        關(guān)鍵詞:滑面有限元法滑坡體

        (中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司成都分院,成都,610091)

        有限元法與極限平衡法結(jié)合分析某電站庫(kù)區(qū)滑坡體穩(wěn)定性

        陳琰

        (中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司成都分院,成都,610091)

        將有限元法與極限平衡法相結(jié)合,進(jìn)行滑坡體的穩(wěn)定性分析。由有限元法計(jì)算得到最危險(xiǎn)的滑面以及破壞范圍,為極限平衡法提供計(jì)算模式,提高了滑坡體穩(wěn)定性分析的準(zhǔn)確率及工作效率,不僅確定了滑坡體可能的破壞范圍,還得到相應(yīng)的安全系數(shù),進(jìn)而對(duì)滑坡體的處理措施提供依據(jù)。

        極限平衡法 有限元法 滑坡體 穩(wěn)定性

        水庫(kù)蓄水后,滑坡體前緣水位抬高11m,在庫(kù)水浸泡作用下,將進(jìn)一步惡化坡體前緣的地質(zhì)條件,可能誘發(fā)其前緣局部牽引式失穩(wěn)。滑坡體上有居民分布,且雅安至望魚(yú)旅游公路經(jīng)過(guò)該坡體。通過(guò)對(duì)滑坡體蓄水后的穩(wěn)定性進(jìn)行分析,可為滑坡體的處理措施提供依據(jù)。

        當(dāng)前,傳統(tǒng)的極限平衡法是穩(wěn)定性分析最常用的方法,計(jì)算簡(jiǎn)捷、適用廣泛而又方便。有限元法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析在工程中的應(yīng)用越來(lái)越多,對(duì)于復(fù)雜地形地質(zhì)條件的邊坡,不需事先假定破壞面的形狀或是位置,通過(guò)計(jì)算可以得到可能的滑動(dòng)面以及應(yīng)力應(yīng)變位移等信息,但要計(jì)算安全系數(shù),單一判據(jù)往往得到的結(jié)果不夠準(zhǔn)確,而采用多個(gè)判據(jù)計(jì)算往往工作量較大。將極限平衡法與有限元法相結(jié)合,有限元法為極限平衡法提供滑坡體變形類(lèi)型、破壞范圍和邊界條件,而極限平衡法計(jì)算出滑坡體安全系數(shù),從而更高效、準(zhǔn)確地對(duì)滑坡體穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

        1 滑坡體概況

        某水電站位于青衣江一級(jí)支流周公河中下游,地處四川省雅安市雨城區(qū)沙坪鎮(zhèn)和周河鄉(xiāng)境內(nèi)。庫(kù)區(qū)位于川西平原西部邊緣山區(qū),山脈及河谷走向近南北。陡灘滑坡體位于黃村上游左岸,距壩址直線距離約3.3km,滑坡體在平面上呈一扇形分布,地表有厚3m~27m殘坡積、崩塌堆積土層分布,洪水期受河水沖刷較嚴(yán)重,前緣部分受河水沖刷,形成新的不利邊坡穩(wěn)定的臨空面,并在暴雨時(shí)地下水位壅高等共同作用下,使堆積體前緣產(chǎn)生滑移,形成地裂縫,受滑坡坡體前緣滑移的影響,陡灘村公路兩側(cè)部份民房產(chǎn)生開(kāi)裂變形。

        滑坡體分布區(qū)物質(zhì)成分為坡殘積粘土夾碎石(局部為砂巖塊石),滑坡體下伏基巖為J2sn薄至中厚層棕紅、磚紅色泥巖,粉砂質(zhì)泥巖夾少量鈣泥質(zhì)細(xì)砂巖及J2s薄至中厚層紫紅色泥巖夾灰紅色、灰綠色粉~細(xì)砂巖,長(zhǎng)石石英砂巖。

        2 計(jì)算依據(jù)

        2.1 滑坡體成因及現(xiàn)狀

        根據(jù)地表地質(zhì)測(cè)繪資料反映,滑坡體前緣沿河流方向主要發(fā)育有兩條地裂縫,距現(xiàn)河床邊水平約50m范圍內(nèi),縫寬20cm~50cm,延伸長(zhǎng)度均大于10m,可見(jiàn)深度大于1.0m,沿地裂縫在滑坡體前緣出現(xiàn)拉裂小錯(cuò)臺(tái)。由于附近居民多蓋磚混房屋,基礎(chǔ)置于覆蓋層之上,結(jié)構(gòu)敏感,地基土體的輕微變形對(duì)房屋結(jié)構(gòu)影響較大,甚至公路邊部分民房已見(jiàn)開(kāi)裂變形現(xiàn)象。

        水庫(kù)蓄水后,考慮庫(kù)水抬高和地下水浸潤(rùn)曲線時(shí),滑坡體前緣706.50m高程線以下均存在浸沒(méi)、淹沒(méi)問(wèn)題,殘坡積粘土夾碎石在庫(kù)水浸泡及浸沒(méi)作用下,物理力學(xué)指標(biāo)將進(jìn)一步下降,增加了誘發(fā)滑坡體失穩(wěn)的可能性。

        2.2 計(jì)算參數(shù)

        根據(jù)地質(zhì)專(zhuān)業(yè)現(xiàn)場(chǎng)勘查、土樣試驗(yàn)以及工程經(jīng)驗(yàn)給出滑坡體物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

        表1 滑坡體物理力學(xué)參數(shù)

        根據(jù)滑坡體的地形地貌及現(xiàn)狀,選取典型剖面進(jìn)行穩(wěn)定性分析,見(jiàn)圖1。

        圖1 滑坡體典型計(jì)算剖面

        3 穩(wěn)定性分析

        首先采用ANSYS軟件進(jìn)行有限元法計(jì)算,通過(guò)不斷降低巖土體抗剪強(qiáng)度參數(shù),直至達(dá)到巖土體極限狀態(tài),形成滑坡體破壞面,然后用理正軟件對(duì)有限元計(jì)算得到的破壞面采用傳統(tǒng)極限平衡法進(jìn)行安全系數(shù)的計(jì)算。

        庫(kù)水位抬高、地下水位線上升,持續(xù)暴雨致使巖土體飽和,庫(kù)水位陡降以及地震都是影響滑坡體穩(wěn)定性的主要因素??紤]水庫(kù)蓄水至正常蓄水位,地下水相應(yīng)抬升,將巖土體天然自重狀態(tài)作為持久工況,自重加暴雨作為短暫狀況;將庫(kù)水位陡降為偶然狀況一,自重加地震作用作為偶然狀況二。

        3.1 有限元法

        本次計(jì)算的有限元材料模型采用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型進(jìn)行建立,整個(gè)分析過(guò)程為非線性——小應(yīng)變分析,通過(guò)應(yīng)變值來(lái)確定滑坡體最不利滑面位置,即若應(yīng)變過(guò)大,發(fā)生塑性變形,則計(jì)算不收斂,表明滑坡體將沿該滑面首先出現(xiàn)失穩(wěn)破壞,失穩(wěn)破壞判據(jù)理論為摩爾-庫(kù)倫強(qiáng)度理論。

        有限元模型考慮水庫(kù)蓄水后,汛期持續(xù)降雨情況下,滑坡體內(nèi)地下水位抬升,通過(guò)對(duì)相應(yīng)土體參數(shù)折減,進(jìn)行分析計(jì)算,得到臨界狀態(tài)時(shí)的應(yīng)變?cè)茍D,如圖2所示。分析可知,滑坡體汛期地下水位至基巖頂面均為潛在不穩(wěn)定滑面,破壞模式為滑坡體中前部牽引式破壞失穩(wěn)。

        圖2 滑坡體典型坡面應(yīng)變分析云圖

        3.2 極限平衡法

        極限平衡法的理論基礎(chǔ)是將滑動(dòng)區(qū)域可能的滑動(dòng)體視為剛體,設(shè)在滑動(dòng)面(帶)上的巖土體處于塑性極限平衡狀態(tài),而后利用剛體力學(xué)的觀點(diǎn)分別計(jì)算滑動(dòng)體所受的抗滑力(或力矩)和滑動(dòng)力(或力矩),利用二者的比值作為邊坡穩(wěn)定性的衡量標(biāo)準(zhǔn),其值即為安全系數(shù)。庫(kù)岸滑坡體或堆積體可能沿堆積體或滑坡體底面和覆蓋層內(nèi)部發(fā)生破壞,可采用傳遞系數(shù)法進(jìn)行抗滑穩(wěn)定計(jì)算。本文分析的滑坡體可能的滑動(dòng)面由一些傾角較緩、相互間變化不大的折線段組成,適用該方法。

        采用理正計(jì)算軟件對(duì)滑坡體典型剖面進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算滑面根據(jù)有限元法分析得到的可能滑動(dòng)區(qū)域擬定,并對(duì)剪出面和后緣拉裂面進(jìn)行搜索,得到最不利滑動(dòng)面,如圖3所示。

        圖3 滑坡體典型剖面最不利滑面計(jì)算簡(jiǎn)圖

        通過(guò)計(jì)算得出滑坡體安全系數(shù),見(jiàn)表2。計(jì)算結(jié)果表明,滑坡體在持久狀況和短暫狀況下,均處于基本穩(wěn)定狀態(tài),在偶然狀況下,處于臨界穩(wěn)定狀態(tài),可能失穩(wěn),且不能滿(mǎn)足規(guī)范設(shè)計(jì)要求,需考慮相應(yīng)的處理措施。

        表2 陡灘滑坡體蓄水后安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果

        4 結(jié)論

        (1)在偶然狀況下,滑坡體處于臨界穩(wěn)定狀態(tài),可能失穩(wěn);

        (2)有限元法能夠較準(zhǔn)確地得到滑坡體的破壞面,而極限平衡法可以快速計(jì)算出破壞面的安全系數(shù);

        (3)將有限元法與極限平衡結(jié)合起來(lái)進(jìn)行滑坡體的穩(wěn)定性計(jì)算,前者確定破壞面,后者計(jì)算安全系數(shù),能一定程度降低計(jì)算工作量,且對(duì)邊坡的穩(wěn)定性做出準(zhǔn)確的評(píng)價(jià);

        (4)有效利用兩種方法的優(yōu)點(diǎn),對(duì)解決工程實(shí)際問(wèn)題,提供了高效的途徑。

        P642.22∶TV223

        A

        2095-1809(2017)05-0112-03

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