基于有限元計算的邊坡穩定性分析

呂耀成 牛軍賢

(1.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，陜西 西安 710065； 2.中國有色金屬工業西安勘察設計研究院,陜西 西安 710065)

基于有限元計算的邊坡穩定性分析

呂耀成1牛軍賢2

(1.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，陜西 西安 710065； 2.中國有色金屬工業西安勘察設計研究院,陜西 西安 710065)

采用現場調查和有限元分析方法，對羊曲水電站的廠房邊坡的穩定性進行了分析，經分析認為，因受開挖卸荷的影響，坡體表部應力發生明顯的分異，最大主應力總體為壓應力，廠房外側開挖邊坡坡腳出現應力集中，坡腳至坡頂位移呈增大的趨勢。

邊坡，穩定性分析，有限元

0 引言

隨著經濟的發展、國家基礎設施的大規模建設，以及西部大開發戰略的進一步深化，西部一大批水利水電工程相繼啟動，水電工程所帶來的環境地質工程問題隨即出現，其中最主要的一個環境問題即為邊坡的穩定性問題。這一問題是土木工程和巖土工程中的重要研究課題，在巖土工程或土木工程領域占據相當重要的地位[1]。

目前，研究邊坡穩定的傳統方法主要有：極限平衡法，極限分析法，滑移線場法等。這些建立在極限平衡理論基礎上的各種穩定分析方法沒有考慮土體內部的應力應變關系，無法分析邊坡破壞的發生和發展過程，在求安全系數時通常需要假定滑裂面形狀和位置等[2，3]。隨著計算機軟件、硬件的飛速發展，采用理論體系更為嚴格的方法進行邊坡穩定分析已經成為可能。有限單元法全面滿足了靜力許可、應變相容和應力、應變之間的本構關系。使有限元分析邊坡穩定成為近年來的新趨勢，有限元方法不僅能計算出土體內的應力場分布，還可以了解邊坡逐步破壞機理，跟蹤邊坡內塑性區的開展情況[4-8]。這樣既可判定整體穩定性，又預測在不同的條件下哪些重要部位會出現失穩，通過提前支護或加固防止邊坡失穩，減少人們財產損失。因此，對水利水電工程的邊坡穩定性采用有限元分析研究有著重要的經濟效益。

1 邊坡工程概況

該邊坡位于青海省興海縣與貴南縣交界的黃河上，羊曲水電站的廠房邊坡。廠房邊坡走向NE75°，開挖邊坡高約110 m；側向邊坡走向SE165°，開挖邊坡高約60 m～70 m。廠房邊坡基巖主要為二疊系深灰～黑灰色砂質板巖(P1-Sb)，巖層產狀NW315°/NE∠78°，物質組成為碎石土，結構松散，厚約5 m～32 m不等，平均堆積厚15 m。

2 廠房邊坡穩定性分析

2.1 廠房邊坡穩定性定性分析

現場調查表明，該邊坡部位無一定規模的崩塌、滑坡及不穩定斜坡發育，邊坡整體穩定性較好。但因開挖坡面陡、高度較大，斷層及節理裂隙較發育。因此，開挖邊坡不僅存在結構面組合塊體穩定問題，而且也存在變形穩定問題。廠房開挖邊坡面產狀為324°/SW∠34°～73°。結合廠房邊坡部位的結構面的發育特征，進行該邊坡可能的組合塊體的穩定性計算，在分析的可能的組合塊體中，邊坡開挖過后，部分塊體在地震、暴雨及其二者組合工況條件下處于極限平衡～不穩定狀態。

2.2 廠房邊坡穩定性有限元分析

2.2.1 計算模型的建立及參數選取

廠房邊坡有限元計算模型以圖1為依據, 邊坡開挖高程介于2 553.5 m～2 665 m，開挖高度約111.5 m，開挖部位坡體以弱風化～微新的砂質板巖為主，僅2 650 m高程以上分布有少量的碎石土覆蓋層，建立的有限元計算模型如圖1所示。選取的計算參數同前。

2.2.2 計算結果分析

1)應力場特征。

圖2為開挖邊坡的最大主應力特征云圖，受邊坡內斷層及風化分帶的影響，最大主應力分布不均勻，且開挖邊坡范圍內應力較低：弱風化帶巖體的最大主應力一般小于1.5 MPa，至廠房邊坡開挖面底部附近應力達1.5 MPa～3.0 MPa。邊坡開挖后，因受開挖卸荷的影響，坡體表部應力發生明顯的分異，最大主應力總體為壓應力，拉應力分布不顯著，在開挖邊坡坡腳、馬道內側坡腳部位應力有明顯的集中，其應力最大值約3.0 MPa～1.5 MPa。

圖3為計算的開挖邊坡的最小主應力云圖。邊坡開挖后，廠房外側開挖邊坡坡腳出現應力集中，應力值為0.75 MPa，內側邊坡坡腳為0.25 MPa，洞臉邊坡部位應力總體小于0.25 MPa，開挖邊坡表面拉應力分布不明顯。

2)邊坡的最大剪應變能特征。

開挖邊坡的最大剪應變能特征如圖4所示。邊坡開挖后，裂隙L1及第四系坡、洪積物附近最大剪應變能均有所增大，其值在0.002～0.004左右，斷層F14，F20處最大剪應變值略有減小，其值為0.004～0.01。

3)坡體位移場及破壞區分布特征。

計算的開挖邊坡的位移分布如圖5所示。廠房邊坡開挖后總位移分布特征受斷層F14及F20的影響較大，在斷層F14，F20部位位移值為3 cm～3.45 cm；廠房外側開挖邊坡坡腳位移為1.5 cm，坡腳至坡頂位移呈增大的趨勢，至2 616 m處位移增大至2.4 cm；內側邊坡坡腳位移較外側大，約為2.1 cm，各級馬道部位的位移介于1.65 cm～2.1 cm。

3 結語

根據現場調查結合有限元分析，對廠房邊坡的穩定性進行了定性和定量分析。廠房邊坡開挖面陡，最大邊坡開挖高度達110 m，邊坡地帶發育有 F14，F20等斷層。邊坡開挖后，沿斷層及其影響帶以及邊坡上部第四系覆蓋層分布處有張、剪破壞區；此外，開挖面與結構面的組合可形成不同規模的塊體穩定問題，部分塊體在天然或暴雨、地震條件下處于極限平衡不穩定狀態。受開挖卸荷的影響，邊坡開挖后坡體位移受斷層影響較大，斷層發育部位最大位移可達3 cm～3.45 cm；坡面上馬道以及坡腳部位位移值相對較大，可達1.5 cm～2.4 cm。

[1] 陽克青,范育青.ANSYS在高速公路邊坡穩定分析中的應用[J].華東公路,2008(6)：11-13.

[2] 陳祖煜.土質邊坡穩定分析:原理方法程序[M].北京:中國水利水電出版社，2003.

[3] 陳士軍.滑坡穩定分析方法研究[D].武漢:武漢大學,2003.

[4] 羅啟北,萬海濤,張艷霞.ANSYS在邊坡穩定分析中的應用[J].貴州工業大學學報(自然科學版),2006,35(6)：78-81.

[5] Griffith D V, Lane P A.Slope stability analysis by finite element[J].Geotechnique,1999,49(3):387-403.

[6] 鄭穎人,趙尚毅,張魯渝.用有限元強度折減法進行邊坡穩定性分析[J].中國工程科學,2002,4(10)：57-61.

[7] 鄭穎人,趙尚毅,時衛民,等.邊坡穩定分析的一些進展[J].地下空間，2001,21(4)：262-271.

[8] 張孟喜,陳熾昭.土坡穩定分析的有限元追蹤法[J].巖土工程學報,1991,13(6)：51-52.

Analysisofslopestabilitybasedonfiniteelementcalculation

LVYao-cheng1NIUJun-xian2

(1.POWERCHINAXibeiEngineeringCorporationLtd,Xi’an710065,China；2.Xi’anEngineeringInvestigationandDesignResearchInstituteofChinaNationalNon-ferrousMetalsIndustry,Xi’an710065,China)

Based on site investigation and finite element analysis method, the slope stability be analysised for Yangqu Hydropower Station Powerhouse. By the analysis that for the influence of excavation unloading, slope surface stress obvious differentiation, the maximum principal stress overall compressive stresses, excavation slope toe lateral stress concentration, the toe of the slope to the top of slope displacement increases.

slope， stability analysis， finite element

1009-6825(2014)36-0046-03

2014-10-15

呂耀成(1981- )，男，碩士，工程師

TU413.62

A