曹 娜

(阜新蒙古族自治縣凌河保護(hù)區(qū)管理局，遼寧 阜新 123100)

隨著水利工程的大量興建，由于滑坡引起的傷亡人數(shù)居高不下，對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成嚴(yán)重?fù)p失，邊坡的失穩(wěn)破壞問(wèn)題日益突顯[1]。邊坡的失穩(wěn)破壞是一個(gè)復(fù)雜的地質(zhì)問(wèn)題，由巖體的結(jié)構(gòu)類(lèi)型、地貌、風(fēng)化以及地震等因素共同作用[2]，尤其是軟弱夾層的存在使得巖體內(nèi)部應(yīng)力的分布變得更為復(fù)雜。因此，對(duì)含有軟弱夾層的巖質(zhì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定評(píng)價(jià)變得尤為迫切。我國(guó)學(xué)者對(duì)含軟弱夾層的巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析進(jìn)行了大量的改進(jìn)和創(chuàng)新，莫曉華等[3]系統(tǒng)總結(jié)了邊坡穩(wěn)定分析的各種方法，在Morgenstern-Price法的基礎(chǔ)上提出了對(duì)條分法普遍適用的平衡方程式，總結(jié)了最危險(xiǎn)滑裂面的變化規(guī)律。謝紅建等[4]將數(shù)值分析與極限平衡法相結(jié)合，建立了簡(jiǎn)單土坡穩(wěn)定系數(shù)函數(shù)，以武都水庫(kù)壩基為例進(jìn)行邊坡抗滑穩(wěn)定性研究，得到了臨界滑動(dòng)面的位置變化規(guī)律。歐陽(yáng)吉等[5]將有限元應(yīng)力分析與自適應(yīng)遺傳算法相結(jié)合，對(duì)土坡穩(wěn)定性進(jìn)行了大量研究分析，驗(yàn)證了方法的可靠性，精度較高，符合工程實(shí)際。

本文以白石水庫(kù)為例，將剛體極限平衡法和有限元軟件ANSYS相結(jié)合，對(duì)含軟弱夾層的巖質(zhì)邊坡抗滑穩(wěn)定性進(jìn)行分析，探究?jī)A角和主抗滑面起點(diǎn)位置對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律，綜合考慮計(jì)算效率和積分精度，得到邊坡臨界滑裂面的準(zhǔn)確位置及安全系數(shù)最小值，為含軟弱夾層的巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性分析提供理論依據(jù)，有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 工程概況

白石水庫(kù)以供水、灌溉、防洪為主，兼顧養(yǎng)殖、發(fā)電、觀光旅游，水庫(kù)地處錦州、阜新、朝陽(yáng)三市中心地帶。白石水庫(kù)控制流域面積18350平方公里，總投資22.093億元，總庫(kù)容18.21億m3，為遼河三角洲提供農(nóng)業(yè)灌溉用水2.67億m3。水庫(kù)大壩為混凝土重力壩，壩頂長(zhǎng)5l3.25m，壩高50.31m，包括電站壩段、取水壩段、溢流壩段以及擋水壩段。邊坡范圍自電站進(jìn)水口上游100m至壩前總長(zhǎng)約700m，滑坡體為殘坡積層，由碎石和粉質(zhì)粘土組成，含量35%左右，粒徑6～16cm，結(jié)構(gòu)松散，下游向上游砂巖所占比例逐漸減少，區(qū)內(nèi)巖層褶皺較弱。工程區(qū)地下水主要為第四系松散層孔隙水和基巖裂隙水兩種類(lèi)型，地下水的補(bǔ)給以地表水和大氣降雨為主，邊坡清坡、豎井及洞室開(kāi)挖未見(jiàn)地下水出露，地下水活動(dòng)較弱，以裂隙呈滲滴狀流水出現(xiàn)，埋深較大。

2 有限元分析

2.1 邊坡模型

模型為含有多條軟弱夾層的巖質(zhì)邊坡，坡面水平投影為32m，坡角為43.51°，坡高為28.31m，為了便于分析計(jì)算，假定在橫截面內(nèi)邊坡發(fā)生應(yīng)變和位移，邊坡軟弱夾層分為第一滑裂面、第二滑裂面和第三滑裂面，模型范圍為坡腳下垂直延伸78m，坡頂水平延伸106m，坡腳水平延伸68m。邊坡模型如圖1所示，模型參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 邊坡模型

模型位置變形模量/kPa重度/(kN/m3)內(nèi)摩擦角/(°)粘聚力/kPa泊松比ν滑床1.67×10625.9335.64940.50.2376夾層0.038×10621.0716.8369.30.3168滑體0.99×10625.2426.73445.50.2475

2.2 單元選擇

將剛體極限平衡法和有限元軟件ANSYS相結(jié)合，計(jì)算邊坡內(nèi)部應(yīng)力分布規(guī)律，并對(duì)應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到不同滑裂面上的剪切力，最后實(shí)現(xiàn)整體安全系數(shù)的計(jì)算，并完成主抗滑面的搜索[9]。采用PLANE82單元對(duì)巖質(zhì)邊坡進(jìn)行應(yīng)變分析，分析精度相對(duì)較高，單元具有蠕變、塑性及大應(yīng)變等特點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都包含X和Y兩個(gè)方向的自由度，精度損失較小。邊坡彈塑性模擬分析時(shí)，將等效摩爾-庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則和D-P屈服準(zhǔn)則相結(jié)合，材料內(nèi)摩擦角和粘聚力進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

2.3 單元?jiǎng)澐旨凹虞d求解

為減少計(jì)算量并確保計(jì)算精度，對(duì)邊坡模型不同部位進(jìn)行不同尺寸單元的劃分，邊坡模型的下部滑床對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響較小[6- 7]。將軟弱夾層及上部滑體部分作為重點(diǎn)研究對(duì)象，下部滑床單元邊長(zhǎng)控制在1m，軟弱層單元邊長(zhǎng)控制在29cm，上部滑體尺寸控制在49cm，邊坡模型劃分37731個(gè)單元、113790個(gè)節(jié)點(diǎn)。荷載加速度為9.8m/s2，將約束和荷載直接作用在邊坡模型上，模型底部施加豎向和水平方向約束，左右邊界施加水平方向約束。為了減少計(jì)算量同時(shí)提高計(jì)算精度，選定合理的荷載子步數(shù)，選擇靜態(tài)分析類(lèi)型[8]。模型網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 模型網(wǎng)格劃分

3 結(jié)果分析

3.1 有限元計(jì)算結(jié)果

采用彈塑性的分析方法，通過(guò)有限元軟件計(jì)算得到邊坡水平方向和豎直方向的位移云圖，如圖3、圖4所示。

圖3 邊坡水平方向的位移云圖

圖4 邊坡豎直方向的位移云圖

由邊坡位移云圖可知，自坡面至坡內(nèi)深部，豎直方向的位移逐漸增大，軟弱夾層的上下兩側(cè)，豎直及水平位移均出現(xiàn)不連續(xù)現(xiàn)象，當(dāng)達(dá)到一定深度后，位移等值線有變水平的趨勢(shì)，在第三滑裂面邊坡水平方向位移最大為5.132mm，表明軟弱夾層對(duì)邊坡的穩(wěn)定性的影響占據(jù)主導(dǎo)地位。邊坡水平方向和豎直方向的應(yīng)力云圖，如圖5、圖6所示。

圖5 邊坡水平方向應(yīng)力云圖

圖6 邊坡豎直方向應(yīng)力云圖

由邊坡應(yīng)力云圖可知，在滑裂面附近水平方向應(yīng)力大小明顯不同，坡頂處第一滑裂面的局部區(qū)域出現(xiàn)拉應(yīng)力，坡腳處出現(xiàn)水平方向應(yīng)力集中現(xiàn)象，在第一條和第二條滑裂面豎直方向應(yīng)力出現(xiàn)突變。

3.2 滑裂面搜索分析

當(dāng)邊坡失穩(wěn)時(shí)，第三滑裂面與主抗滑面貫通。本文通過(guò)第三滑裂面來(lái)對(duì)主抗滑面的起點(diǎn)位置進(jìn)行搜索，改變X軸坐標(biāo)來(lái)控制起點(diǎn)的位置變換[10]。起點(diǎn)位置及傾角變化對(duì)安全系數(shù)的影響較大，因此通過(guò)控制單一變量法進(jìn)行研究，首先固定起點(diǎn)位置，對(duì)不同傾角的安全系數(shù)規(guī)律進(jìn)行搜索，得到對(duì)應(yīng)的傾角和安全系數(shù)；改變起點(diǎn)位置得到最小安全系數(shù)的變化規(guī)律，進(jìn)而分析得到安全系數(shù)的最小值與主抗滑面的準(zhǔn)確位置。不同傾角條件下，起點(diǎn)X坐標(biāo)對(duì)最小安全系數(shù)K的影響如圖7所示。

圖7 起點(diǎn)X坐標(biāo)對(duì)最小安全系數(shù)的影響

由圖7可知，隨主抗滑面起點(diǎn)位置的變化，最小安全系數(shù)呈規(guī)律性變化，隨著X坐標(biāo)位置的增大，最小安全系數(shù)先減小后增大，并存在最小值，因此能夠準(zhǔn)確找到主抗滑面位置以及最小安全系數(shù)，即主抗滑面的起點(diǎn)位置為(62.3142，71.2063)。為研究?jī)A角對(duì)安全系數(shù)的影響規(guī)律，對(duì)不同傾角條件下點(diǎn)(62.3142，71.2063)的安全系數(shù)變化規(guī)律進(jìn)行研究，傾角變化對(duì)安全系數(shù)的影響曲線如圖8所示。

圖8 傾角變化對(duì)安全系數(shù)的影響曲線

由圖8可知，最小安全系數(shù)呈規(guī)律性變化，隨著傾角的不斷增大，安全系數(shù)先減小后增大，并存在最小值；當(dāng)主抗滑面傾角較大時(shí)，抗滑面較長(zhǎng)，抗滑力增大，不容易滑坡，安全系數(shù)較大；當(dāng)主抗滑面傾角較小時(shí)，主抗滑面相對(duì)較短，受到的法向

表3 有限元應(yīng)力積分結(jié)果分析(kN)

力較大，抗滑力較大，不容易滑坡，安全系數(shù)較大；因此在點(diǎn)(62.3142，71.2063)位置條件下，傾角為155.3125°時(shí)安全系數(shù)達(dá)到最小值K=1.96231。

3.3 應(yīng)力積分精度分析

為研究網(wǎng)格劃分對(duì)積分精度的影響，將模型劃分為以下五種網(wǎng)格單元，并對(duì)不同網(wǎng)格的滑裂面應(yīng)力積分進(jìn)行計(jì)算，不同網(wǎng)格數(shù)量下的應(yīng)力積分結(jié)果，如表2所示。

積分精度通過(guò)計(jì)算結(jié)果與理論值的絕對(duì)誤差來(lái)評(píng)定，理論上Y方向的受力為上部滑體的自重，X方向的受力為零。分別將滑裂面上的切向及法向力投影到豎直Y方向及水平X方向，并與理論值作對(duì)比。網(wǎng)格數(shù)量對(duì)積分精度的影響曲線，如圖9所示。

圖9 網(wǎng)格數(shù)量對(duì)積分精度的影響曲線

由圖9可知，網(wǎng)格劃分4222個(gè)單元時(shí)積分精度為1.5230%，表明有限元應(yīng)力積分的精度較高，雖然水平方向積分精度和豎向積分精度不同，但是隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加積分精度不斷提高。網(wǎng)格數(shù)量較少時(shí)，F(xiàn)ortran程序及ANSYS軟件的運(yùn)算速度較快，計(jì)算效率隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加而不斷降低。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量由4222增加到14915時(shí)，積分精度增加較快；當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量從14915變化到59385時(shí)，積分精度增加速度減緩；網(wǎng)格數(shù)量超過(guò)37731后，積分精度變化曲線基本不變。綜合考慮計(jì)算效率和積分精度，模型網(wǎng)格劃分37731個(gè)單元較為合理，豎直方向的積分精度相對(duì)較高為0.5301%，水平方向應(yīng)力積分精度為0.5521%。精度分析過(guò)程如表3所示。

4 結(jié)論

本文以白石水庫(kù)為例，將剛體極限平衡法和有限元軟件ANSYS相結(jié)合，對(duì)含軟弱夾層的巖質(zhì)邊坡抗滑穩(wěn)定問(wèn)題進(jìn)行分析，探究?jī)A角與主抗滑面起點(diǎn)位置對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律，得出以下結(jié)論：

(1)自坡面至坡內(nèi)深部，豎直方向的位移逐漸增大，軟弱夾層的上下兩側(cè)，豎直及水平位移均出現(xiàn)不連續(xù)現(xiàn)象，當(dāng)達(dá)到一定深度后，位移等值線有變水平的趨勢(shì)，在第三滑裂面邊坡水平方向位移最大為5.132mm。

(2)隨著X坐標(biāo)位置的增大，最小安全系數(shù)先減小后增大，并存在最小值，主抗滑面的起點(diǎn)位置為(62.3142，71.2063)，傾角為155.3125°時(shí)安全系數(shù)達(dá)到最小值K=1.96231。

(3)隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加，積分精度不斷提高，綜合考慮計(jì)算效率和積分精度，模型網(wǎng)格劃分37731個(gè)單元較為合理，豎直方向的積分精度相對(duì)較高為0.5301%，水平方向應(yīng)力積分精度為0.5521%。

[1] 王昊. 含軟弱夾層巖質(zhì)邊坡開(kāi)挖模擬及穩(wěn)定性分析[J]. 江西建材, 2017(04): 138- 139．

[2] 馬志勇. 抗滑樁不同加固部位對(duì)巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性影響研究——以某含軟弱夾層的巖質(zhì)邊坡為例[J]. 甘肅水利水電技術(shù), 2017(02): 23- 25．

[3] 莫曉華, 趙雙祥. 基于正交設(shè)計(jì)的軟弱夾層巖質(zhì)邊坡影響因素分析[J]. 北方交通, 2014(10): 66- 68．

[4] 謝紅建, 萬(wàn)力. 含軟弱夾層的邊坡穩(wěn)定性及加固分析[J]. 東北水利水電, 2014(07): 1- 3+71．

[5] 歐陽(yáng)吉, 鄭爽英, 張繼春, 等. 爆破作用對(duì)軟弱夾層巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性影響試驗(yàn)研究[J]. 爆破, 2009(01): 10- 14．

[6] 石海榮, 楊作恒, 王軍. 某電站邊坡卸荷巖體工程地質(zhì)研究與穩(wěn)定性分析[J]. 水利規(guī)劃與設(shè)計(jì), 2012(03): 23- 27．

[7] 孫紅麗. ATS水電站廠房高邊坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算及分析[J]. 水利規(guī)劃與設(shè)計(jì), 2016(10): 89- 90．

[8] 劉大群. 砂嶺子隧洞進(jìn)口邊坡穩(wěn)定性分析及評(píng)價(jià)[J]. 水利技術(shù)監(jiān)督, 2009, 17(01): 51- 53．

[9] 謝東明. 緩傾角巖層邊坡失穩(wěn)分析與治理[J]. 水利技術(shù)監(jiān)督, 2004, 12(05): 59- 61．

[10] 周德培, 鐘衛(wèi), 楊濤. 基于坡體結(jié)構(gòu)的巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2008, 27(04): 687- 695．