董愛明

（上饒市三江導托渠管理有限公司,江西 上饒 334000）

0 引言

隨著庫岸邊坡失穩(wěn)問題的頻發(fā),邊坡穩(wěn)定性這一問題的引發(fā)眾多學者熱議。針對各種因素對邊坡穩(wěn)定性的影響,目前研究者們已經做了大量研究。郭瑞等[1]以甘肅某邊坡為研究背景,采用AHP研究分析方法就各種滑坡影響因素對邊坡穩(wěn)定性影響特征做出分析探討；宋盛淵等[2]以某水電站為研究對象采用理論研究分析方法建立該電站滑坡穩(wěn)定性分析模型就滑坡危險性進行評價分析；許沖等[3]以青海大地震引發(fā)的滑坡問題為研究背景利用回歸模型和GIS等技術對該地區(qū)的滑坡進行危險性評價；李志平等[4]同樣基于突變理論結合強度折減法建立尖點突變模型并確立一種新的邊坡失穩(wěn)判定方法。本文采用FLAC3 D有限元分析軟件建立三維庫岸邊坡模型研究分析不同蓄水位等因素影響下的邊坡應力、位移變化以及邊坡穩(wěn)定性特征。

1 工程概況

以某水庫的右壩肩區(qū)域作為研究對象,該部分區(qū)域地形陡峭,主要為安山玢巖,巖體抗壓強度較高且基本上呈現裸露狀態(tài)。水庫邊坡兩側巖石多為弱風化巖石,邊坡上方為強風化巖石,該類巖石抗壓強度較低。在邊坡上方巖體局部存在2 cm～3 cm裂縫,因此在研究該區(qū)域邊坡穩(wěn)定性之前對存在裂縫的巖體進行削坡處理,該水庫右壩肩開挖完成后的現場圖見圖1。

圖1 右壩肩開挖完成后現場圖

2 右壩肩邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 天然狀態(tài)下穩(wěn)定性分析

本節(jié)采用極限平衡方法對天然狀態(tài)下右壩肩邊坡的穩(wěn)定性進行分析。圖2 為邊坡穩(wěn)定性計算模型,模型長度為215 m,高度為170 m。右壩肩主要巖體分為5 種,其物理力學參數見表1 。利用摩根斯坦-普瑞斯法可分別計算得到僅自重作用下（天然狀態(tài)下）和地震作用下的邊坡最小安全系數,見圖3,且表2 給出了天然狀態(tài)下邊坡的安全系數。

表2 天然狀態(tài)下邊坡安全系數

圖2 邊坡計算模型圖

圖3 最小安全系數結果圖

表1 天然狀態(tài)下巖體物理力學參數

2.2 原開挖方案穩(wěn)定性分析

原方案根據右壩肩工程地質條件對邊坡進行削坡處理,各層巖體計算參數取值見表1。在邊坡開挖設計中主要考慮無地表水作用、正常蓄水位作用、無地表水地震作用和正常蓄水位下地震作用這幾種工況下的最小安全系數,圖4 為正常蓄水位條件下地震作用最小安全系數圖,其余工況最小安全系數在表3 中給出。由圖表可知：在無地表水和正常蓄水位兩種工況下,右壩肩邊坡開挖后的邊坡穩(wěn)定性良好；其余工況下的最小安全系數有所減小,但均在設計規(guī)范要求的范圍內。

圖4 原設計方案正常蓄水位條件下地震作用最小安全系數結果圖

表3 邊坡開挖原設計方案各工況下安全系數

2.3 優(yōu)化方案穩(wěn)定性分析

優(yōu)化方案是將原設計方案中的坡角由63.5°增加至72.5°并且考慮地下水滲流和孔隙水壓力影響,其余巖體物理參數和邊界條件均與原設計方案相同。圖5 為正常蓄水位和地震共同作用下的最小安全系數結果,表4 為優(yōu)化設計方案各工況下最小安全系數結果。由圖表可知當使用優(yōu)化方案對邊坡進行開挖后,無地表水和正常蓄水位兩種工況下的安全系數較地震作用和地震與正常蓄水位共同作用工況下的安全系數大,說明優(yōu)化方案下右壩肩邊坡穩(wěn)定性良好。此外,本節(jié)將原設計方案和優(yōu)化設計方案進行對比（表5）,結果發(fā)現優(yōu)化設計方案中各工況下的最小安全系數均有所降低,如原方案僅考慮自重且無地表水作用時安全系數為1.51,優(yōu)化方案工況下的安全系數為1.48。但兩種方案各工況下的安全系數整體均滿足規(guī)范設計要求,即該邊坡穩(wěn)定性較好。

圖5 優(yōu)化設計方案正常蓄水位條件下地震作用最小安全系數結果圖

表4 優(yōu)化設計方案各工況下安全系數結果

表5 優(yōu)化方案與原設計方案安全系數比較

3 右壩肩邊坡數值分析

為進一步分析該水庫右壩肩區(qū)域邊坡穩(wěn)定性,用有限元分析軟件對該邊坡區(qū)域進行數值計算,并就原開挖方案和優(yōu)化方案下各工況進行邊坡位移場與應力場的分析,判定邊坡穩(wěn)定性。

3.1 計算模型介紹

本研究使用FLAC3D軟件建立了三維邊坡數值模型,模型圖見圖6,該模型尺寸為長度（450 m）×寬度（400 m）×高度（400 m）,對其進行網格劃分后該模型共有55632個單元和28649 個節(jié)點。該模型規(guī)定大壩軸線方向即垂直于河流的方向作為坐標系的X方向,順著河流的方向規(guī)定為Y方向,Z方向為豎直向上的方向?？紤]到自重作用、正常蓄水位作用以及地震作用的不同工況,在計算時將模型的邊界條件設置為底面完全固定、頂面自由、四周僅考慮Z方向位移。本研究在數值計算分析時主要考慮砂卵石、礫巖、安山玢巖三種巖體參數作為模型材料的計算參數,具體巖體計算參數見表6。

表6 右壩肩邊坡自然狀態(tài)計算參數

圖6 數值模型圖

3.2 原方案正常蓄水位數值模擬結果分析

選取原邊坡設計方案下的正常蓄水位工況結果就邊坡應力場和位移場變化規(guī)律特征進行分析。

（1）應力場

圖7 和圖8 分別為正常蓄水位作用下右壩肩最大主應力圖和軸線方向剖面最大主應力圖,由圖可知,右壩肩邊坡開挖完成后,在正常蓄水位工況下邊坡最大主應力比天然狀態(tài)下的最大主應力大且均為壓應力。

圖7 正常蓄水位作用下右壩肩最大主應力圖

圖8 正常蓄水位作用下右壩肩軸線方向剖面最大主應力圖

（2）位移場

本節(jié)對原開挖方案正常蓄水位作用下右壩肩X方向位移圖進行分析。圖9 為正常蓄水位作用下右壩肩 X方向位移圖,圖10 為右壩肩沿壩軸線方向剖面X方向位移圖,由圖得知在開挖完后右壩肩邊坡巖體的最大位移值為12.876 mm。由圖結果不難說明邊坡的位移變形較小,即邊坡穩(wěn)定性較好。

圖9 正常蓄水位作用下右壩肩 X方向位移圖

圖10 正常蓄水位作用下沿壩軸線方向剖面X方向位移圖

3.3 優(yōu)化方案正常蓄水位數值模擬結果分析

對邊坡優(yōu)化方案正常蓄水位工況下邊坡應力場和位移場變化規(guī)律特征進行分析。

（1）應力場

圖11 和圖12 分別為正常蓄水位作用下右壩肩最大主應力圖和軸線方向剖面最大主應力圖,優(yōu)化方案主要考慮了地下水和孔隙水壓力的作用,增大了邊坡角度。由圖可知：根據優(yōu)化方案對邊坡進行開挖完成后,在正常蓄水位作用下邊坡底部最大主應力比天然狀態(tài)下有所增大,不同于原方案中得到的最大主應力均為壓應力這一結論,在優(yōu)化方案工況下右壩肩邊坡底部出現了拉應力。

圖11 優(yōu)化設計方案正常蓄水位作用下最大主應力圖

圖12 優(yōu)化設計方案正常蓄水位作用下壩軸線方向剖面最大主應力圖

（2）位移場

對優(yōu)化方案下的正常蓄水位作用下右壩肩X方向位移進行分析。圖13為正常蓄水位作用下右壩肩 X方向位移圖,圖14為右壩肩沿壩軸線方向剖面X方向位移圖,由圖可知在使用優(yōu)化方案開挖完后右壩肩邊坡巖體的最大位移值為16.587 mm,說明邊坡的位移變形較小,即邊坡穩(wěn)定性較好。

圖13 優(yōu)化設計方案正常蓄水位作用下X方向位移圖

圖14 優(yōu)化設計方案正常蓄水位作用下壩軸線剖面X方向位移圖

3.3 結果對比分析

本節(jié)對比分析無地表水、正常蓄水位、地震作用、正常蓄水位和地震共同作用四種工況的最大主應力值和最大變形值,對比結果見表7。由表可知,在原方案下右壩肩開挖完成后各工況作用下邊坡最大主應力均為壓應力,但在使用優(yōu)化方案對邊坡進行開挖后各工況在邊坡頂部均出現拉應力,由于拉應力值較小因此不會影響到邊坡的整體安全性。兩種開挖設計方案在位移的最大變形值上相差不大且均在安全范圍內。與原方案相比,考慮地下水和孔隙水以及增大坡角的優(yōu)化方案在石方開挖上使用的較少,大約節(jié)約了15.6萬m3土石方,大大節(jié)省了工程投資。

表7 兩種開挖方案不同工況下的結果對比

4 結論

本文以水庫右壩肩為研究對象,采用有限元分析方法通過FLAC3 D軟件對邊坡開挖過程進行數值模擬分析。通過對比自然狀態(tài)下、各種邊坡開挖的工況作用下的邊坡穩(wěn)定性得到了以下結論：

（1）通過原方案和優(yōu)化方案發(fā)現優(yōu)化方案中各工況下的最小安全系數較原設計方案均有所降低,但兩種方案各工況下的最小安全系數滿足規(guī)范設計要求,即該邊坡穩(wěn)定性較好；

（2）邊坡開挖原方案在三種不同工況下邊坡最大主應力均為壓應力,而優(yōu)化方案在不同工況下均在邊坡頂部出現了數值較小的拉應力,但兩種方案下的邊坡穩(wěn)定性均較好；且兩種不同開挖設計方案中各工況最大位移變形值均符合要求。