極限平衡法在某水電站邊坡穩定性分析中的應用

黃培杰 房敬年 左旭軍

(黃河勘測規劃設計有限公司，河南 鄭州 450003)

極限平衡法在某水電站邊坡穩定性分析中的應用

黃培杰 房敬年 左旭軍

(黃河勘測規劃設計有限公司，河南 鄭州 450003)

通過運用三種常見的極限平衡法對某工程邊坡穩定性進行計算，得到邊坡潛在滑面以及邊坡安全系數，對邊坡的穩定性進行評價，并結合強度折減法計算結果進行對比分析。

極限平衡法，邊坡穩定性，安全系數

極限平衡法是目前邊坡穩定性分析中采用的最常用的方法，極限平衡法是基于力平衡的觀念來分析邊坡的整體穩定性，經由力的平衡計算，可計算出邊坡的整體安全系數。多數情況下，邊坡穩定性的問題是非靜定的，其解決方法是引入一些簡化假定，使問題變得靜定可解。極限平衡法的優點是可以快速、簡便地得到滑動面的位置與安全系數，但是這種方法只能提供宏觀的穩定性，并沒有考慮巖土體的應力—應變關系，因此無法對邊坡的應力分布、變形大小作全面的分析[1-4]。

極限平衡法中的Bishop法、Janbu法和Morgenstern-Price法等都是基于條分法理論[5]。這些方法的基本出發點都是一樣，即假定滑動體是理想塑性材料(以Mohr-Coulomb準則為基礎)，同時把滑體作為一個剛體，按極限平衡的原則進行力的平衡分析，而不考慮滑動體本身的應力—應變關系。上述各種方法最大的不同之處在于相鄰條塊間的內力作用假定有差異，也就是如何增加已知條件使超靜定問題變成靜定問題。

1 計算模型及巖土體物理力學參數的選取

選取某水電站工程邊坡的典型剖面進行分析，該二維計算邊坡剖面坐標系X軸方向約為：N107°E，坐標軸Y方向以鉛直方向為正向。剖面計算范圍為：X向取311 m，Y向自高程587.5 m至高程為853.9 m。結合邊坡工程地質特點，建立如圖1所示的數值模型，模型左右邊界采用X方向約束的邊界，底部采用固定邊界，邊坡涉及的巖土體材料采用摩爾庫侖強度準則。

該邊坡穩定分析考慮的主要荷載有：自重、地下水滲透力、車荷載和地震荷載等，計算工況共考慮六種荷載組合，分別為：

工況一：自重+地下水+車荷載(未加支護)。工況二：自重+地下水(暴雨時)+車荷載(未加支護)。工況三：自重+地下水(暴雨時)+車荷載+地震(未加支護)。工況四：自重+地下水+車荷載(支護加上)。工況五：自重+地下水(暴雨時)+車荷載(支護加上)。工況六：自重+地下水(暴雨時)+車荷載+地震(支護加上)。

2 邊坡巖土體物理力學參數及錨桿、錨索特性

計算剖面所涉及的巖土體主要有：河床沖、洪積物，坡積土，強風化、弱風化紫紅色鈣質粉砂巖，粉砂質泥巖，微風化紫紅色鈣質粉砂巖以及粉砂質泥巖。其物理力學參數指標如表1所示。

表1 邊坡巖土體力學指標建議值

對于坡面系統錨桿，主要采用兩種方法進行處理。一種是直接施加錨桿支護，不考慮巖土體抗剪強度的加強；另一種是采用等效的方法進行處理，即認為系統錨桿增強了加錨巖體的抗剪強度，增強后的抗剪強度計算參數的選取按照下式的經驗公式進行：

其中,C0，φ0分別為加錨前巖體的粘聚力和內摩擦角；C1，φ1分別為加錨后巖體的粘聚力和內摩擦角；τ為錨桿材料的抗剪強度，120 MPa；s為錨桿的截面積；a，b分別為錨桿的縱、橫向間距；η為綜合系數，一般取10～15，為反映錨桿作用效應大小的參數，對于軟巖取大值，硬巖取小值，對于此處擾動的坡面巖體取中值12.5。

預應力錨索結構分成錨固段、自由段和錨頭段。根據錨索的結構特點，錨索的自由段只承受拉力作用，錨索的錨頭段固定于錨墩。所采用的錨索設計方案為：1 000 kN級和1 500 kN級，水平下俯15°。錨索的幾何與力學參數分別為：彈性模量為200 GPa，抗拉強度為2 215 kN，鋼絞線的公稱直徑為15.2 mm，錨索鉆孔直徑為130 mm，錨固段長度8 m。

3 極限平衡法計算結果及分析

圖2和圖3分別為極限平衡法條件下邊坡工況三(未施加支護)和工況六(施加錨索支護后)的滑動面示意圖。從圖中可以看出，在施加預應力錨索及錨桿后，由于錨索對邊坡體的加固作用，改變了潛在滑面的形式，潛在滑動面的范圍變大，由原本比較脆弱的表層強度較低的坡積土及強風化巖向基巖內部轉移，但是可以看出，大大降低了滑坡的風險。

表2為施加支護和不施加支護兩種情況共六種工況下邊坡安全系數計算結果，天然工況、暴雨工況以及暴雨+地震工況下的邊坡安全系數呈遞減趨勢，即影響邊坡穩定性的主要因素是地震和暴雨。此外，從表2中可以看出，強度折減法求得的安全系數和極限平衡法求得的安全系數很接近，說明兩種計算邊坡穩定性方法的可行性。由計算結果可以明顯看出，極限平衡法求得的邊坡安全系數要大于強度折減法計算出的邊坡安全系數，極限平衡法求得的結果偏于不安全，因此在利用極限平衡法計算邊坡穩定性時要有一定的安全儲備。同時從表2可以看出，Bishop法、Janbu法和M-P法的安全系數逐漸增大，可見Bishop法計算邊坡安全系數最為安全。

表2 各工況下邊坡安全系數表(以公路以上邊坡為例)

4 結語

運用極限平衡法得到了邊坡潛在滑動面形態及邊坡安全系數，對比分析了極限平衡法中常用的三種方法Bishop法、Janbu法和M-P法所求得的安全系數，并與強度折減法進行對比。得出極限平衡法求得的邊坡安全系數要大于強度折減法計算出的邊坡安全系數，并且Bishop法、Janbu法和M-P法的安全系數逐漸增大，可見Bishop法計算邊坡安全系數最為安全。

[1] 方建瑞,朱合華,蔡永昌.邊坡穩定性研究方法與進展[J].地下空間與工程學報,2007(2):343-349.

[2] 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(4):262-271，337-338.

[3] 陳祖煜,彌宏亮,汪小剛.邊坡穩定三維分析的極限平衡方法[J].巖土工程學報,2001(5):525-529.

[4] 林 峰,黃潤秋.邊坡穩定性極限平衡條分法的探討[J].地質災害與環境保護,1997(4):9-13.

[5] 陳昌富,朱劍鋒.基于Morgenstern-Price法邊坡三維穩定性分析[J].巖石力學與工報,2010(7):1473-1480.

Theapplicationoflimitequilibriummethodinslopestabilityanalysisofahydropowerstation

HuangPeijieFangJingnianZuoXujun

(TheYellowRiverSurveyandDesignLimitedCompany,Zhengzhou450003,China)

Through the application of three common limit equilibrium methods calculated the slope stability of a engineering, gained the slope potential slide surface and slope safety coefficient, evaluated the slope stability, and combining with the strength reduction calculation results made comparison and analysis.

limit equilibrium method, slope stability, safety coefficient

1009-6825(2017)23-0078-02

2017-06-07

黃培杰(1984- ),男,工程師； 房敬年(1982- ),男,工程師； 左旭軍(1981- ),男,工程師

TU413.62

：A

="emphasis_italic">Zhengzhou 450003,

China

)

Through the application of three common limit equilibrium methods calculated the slope stability of a engineering, gained the slope potential slide surface and slope safety coefficient, evaluated the slope stability, and combining with the strength reduction calculation results made comparison and analysis.

limit equilibrium method, slope stability, safety coefficient

1009-6825(2017)23-0078-02

2017-06-07

黃培杰(1984- ),男,工程師； 房敬年(1982- ),男,工程師； 左旭軍(1981- ),男,工程師

TU413.62

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