黃強(qiáng)　陽波

摘要：水電站在投入運(yùn)行后，為滿足防洪、航運(yùn)、發(fā)電的需要，其水庫水位通常處于動態(tài)變化之中，這會對庫岸邊坡的穩(wěn)定性造成影響，危及岸坡上道路的安全。文章為了探究庫水升降作用下岸坡道路的沉降破壞規(guī)律，以三峽水庫為例，在獲取庫水升降作用下岸坡巖土參數(shù)的基礎(chǔ)上，采用Ansys軟件建立有限元模型進(jìn)行了模擬分析，提取了路面的沉降參數(shù)，同時通過理論驗(yàn)算證明了數(shù)值模擬的可靠性。結(jié)果表明：水庫水位升降次數(shù)越多，道路的沉降情況越嚴(yán)重，這說明庫水升降作用會對路基造成持續(xù)損傷;道路中靠近庫區(qū)一側(cè)的沉降值及其增長幅度大于另一側(cè)，說明越靠近庫區(qū)的道路受水位升降作用的影響越大。

關(guān)鍵詞：庫水升降;道路沉降;有限元分析

中國分類號：U416.01文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 引言

近年來，為滿足三峽庫區(qū)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的需要，三峽水庫沿岸城鎮(zhèn)不斷加大道路建設(shè)的規(guī)模，其中有不少道路修建于水庫岸坡之上。而由于防洪、航運(yùn)、發(fā)電需要，庫區(qū)水位在145～175 m之間呈周期性變化，見表1。庫區(qū)水位漲落會使邊坡巖土處于飽和-失水-再飽和的循環(huán)之中，造成土體物理力學(xué)參數(shù)的劣化，引起岸坡路基的沉降。據(jù)調(diào)查，三峽庫區(qū)沿岸已經(jīng)有部分道路因庫水升降作用而產(chǎn)生了沉降裂縫。因此，探究岸坡道路在庫水升降作用下的沉降破壞規(guī)律及防治措施，對于保證三峽庫區(qū)的道路交通安全至關(guān)重要。

在傳統(tǒng)的邊坡地質(zhì)災(zāi)害研究中，國內(nèi)外學(xué)者們所關(guān)注的焦點(diǎn)幾乎都是滑坡問題，但在滑坡尚未發(fā)生時，邊坡穩(wěn)定性降低所引起的地基沉降也會引發(fā)嚴(yán)重事故。對于邊坡的安全性研究，常用的傳統(tǒng)計算方法是簡化畢肖普法，但只適用于單級邊坡，用于多級邊坡時存在較多缺陷，而在實(shí)際道路工程中多級邊坡卻很常見。

為了彌補(bǔ)上述問題的不足，探究庫水升降作用下的岸坡道路沉降規(guī)律，本文在獲取庫水升降作用下岸坡巖土參數(shù)的基礎(chǔ)上，通過Ansys軟件建立整體模型進(jìn)行了仿真計算，并提出了防治道路沉降的改進(jìn)措施。針對多級邊坡安全系數(shù)的確定，本文通過數(shù)值模擬以及與對數(shù)螺旋機(jī)構(gòu)法的對比，證明了有限元強(qiáng)度折減法的可靠性，以期能夠?yàn)轭愃乒こ烫峁┙梃b。

1 邊坡土體參數(shù)的確定

在三峽庫區(qū)，大多數(shù)岸坡都是巖質(zhì)岸坡，主要成分是泥巖和砂巖。泥巖和砂巖屬于軟巖，在天然狀態(tài)下能夠維持較好的穩(wěn)定性，但當(dāng)外部條件發(fā)生變化時，其力學(xué)性質(zhì)波動較大。這些外部條件中影響最大的因素之一就是水，巖土體的含水量及滲流作用等會直接影響邊坡的穩(wěn)定性。更為重要的是，三峽水庫的水位呈周期性變化，使得邊坡巖土體處于飽和-失水的動態(tài)循環(huán)之中，這會對巖土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成損傷，使岸坡的穩(wěn)定性發(fā)生變化。因此，確定庫水升降作用下岸坡巖土體的物理力學(xué)參數(shù)是本文研究的基礎(chǔ)，由于邊坡所經(jīng)受的庫水作用從本質(zhì)上來看是巖土體的飽和失水作用，因此可以采用飽和失水試驗(yàn)來確定參數(shù)。

為確定邊坡巖土體的物理力學(xué)參數(shù)，筆者參考了文獻(xiàn)[3]唐小琳所做的飽和失水試驗(yàn)。該試驗(yàn)選取的研究對象是泥巖和砂巖（本文僅參考泥巖），采用鉆孔取芯法采集試驗(yàn)巖樣，取回巖樣后按照規(guī)范加工為高100 mm、直徑50 mm和高50 mm、直徑50 mm的圓柱形標(biāo)準(zhǔn)試件，共加工制作12個試件。試驗(yàn)擬定：以土樣飽水浸泡24 h，再烘干12 h至天然干燥狀態(tài)為一次飽和失水試驗(yàn)，利用CMT5305萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)測得土體的各項(xiàng)力學(xué)參數(shù)。其試驗(yàn)結(jié)果見表2，從表中的數(shù)據(jù)可以看出，隨著庫水升降次數(shù)的增加，土體的力學(xué)參數(shù)不斷劣化。

2 有限元模擬

2.1 多級邊坡安全系數(shù)計算

邊坡作為道路地基，其穩(wěn)定性決定了道路的安全性，因此在研究道路沉降問題之前應(yīng)該計算邊坡的安全系數(shù)。我國現(xiàn)行《邊坡技術(shù)規(guī)范》中推薦的邊坡安全系數(shù)計算方法為畢肖普法，但此方法只適用于單級邊坡，該規(guī)范中未提及多級邊坡安全系數(shù)的計算方法。而在實(shí)際的道路工程中，邊坡往往都是帶臺階的多級邊坡，這在修建盤山公路時最為常見。多級邊坡常用的計算方法為對數(shù)螺旋機(jī)構(gòu)法和有限元強(qiáng)度折減法。

有限元強(qiáng)度折減法是直接對邊坡的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行折減，然后建立有限元模型進(jìn)行分析，以出現(xiàn)塑性貫通區(qū)或運(yùn)算不收斂為失穩(wěn)臨界條件，以此確定安全系數(shù)。強(qiáng)度折減公式如下：

相比于學(xué)者們在邊坡研究中常用的對數(shù)螺旋機(jī)構(gòu)法，有限元強(qiáng)度折減法計算簡便，不用考慮邊坡外形影響，也不用分析邊坡是否發(fā)生局部破壞還是整體破壞（對數(shù)螺旋機(jī)構(gòu)法中局部破壞和整體破壞的計算方法差別較大）。為了證明有限元強(qiáng)度折減法適用于多級邊坡安全系數(shù)的計算，現(xiàn)建立一個三級邊坡，模擬計算后與文獻(xiàn)[5]高連生和文獻(xiàn)[6]鄧東平的理論計算結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果見表3。

由表3可知，本文所用折減法求得的安全系數(shù)與鄧東平和高連生的計算結(jié)果分別相差27.5%和19%。圖1為邊坡即將失穩(wěn)時的塑性變形云圖，由圖1可知邊坡的塑性貫通區(qū)是具有一定寬度的條狀區(qū)域，而不是一條線，因此前者的內(nèi)部功率更大，滑體在重力作用下更難發(fā)生滑動，安全系數(shù)也更大。綜上所述，本文計算結(jié)果與其他理論計算結(jié)果的差值處于合理范圍，有限元強(qiáng)度折減法可以用于多級邊坡安全系數(shù)的計算。

2.2 有限元整體模型分析

為了進(jìn)一步分析庫水升降作用下岸坡公路的沉降特性，采用D—P本構(gòu)模型建立一個帶臺階的三級邊坡，并在一、二級臺階上建立公路，采用實(shí)體單元solid45，在公路與邊坡之間建立接觸對，使二者形成整體模型，接觸對的摩擦系數(shù)設(shè)置為0.8，整體模型見圖2。邊坡采用表2中的材料參數(shù)，公路采用C40混凝土。對初始狀態(tài)下的邊坡進(jìn)行強(qiáng)度折減，安全系數(shù)>1，因此在庫水升降作用之前邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，不會滑坡，初始狀態(tài)下的邊坡沉降云圖如圖3所示。

在確定了初始邊坡的安全性后，采用表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬計算，并提取公路的沉降值。圖2中的黑色區(qū)域?yàn)楣?，白色區(qū)域?yàn)楣?。庫水升降1次時沉降值隨庫水升降次數(shù)變化的曲線見圖4～5。