高陡水墊塘邊坡穩定性分析及加固措施研究

薛一峰，黨 力，解 豪，李 紅，程漢鼎

(陜西省水利電力勘測設計研究院，陜西 西安 710001)

1 概述

東莊水庫水墊塘左、右岸邊坡高程600～900m，坡高均大于200m，地質情況復雜。工程開挖時，極易被結構面切割形成不穩定結構體[1]。一旦遭遇強降雨或水庫泄洪，水墊塘邊坡極易滑坡可能發生失穩滑坡，造成較大的影響和損失[2]。因此，亟需針對東莊水庫高陡水墊塘邊坡穩定性進行分析和加固措施開展研究。

近年來，已經有許多學者對邊坡的穩定性進行了研究：李寧等[3]提出用有限單元法直接求解邊坡穩定性，完善了剛體極限平衡法的不足，克服了強度折減法強度參數c、φ值折減比例的難題；石振明等[4]提出了考慮降雨入滲的多層非飽和土邊坡穩定性分析方法，認為降雨入滲導致邊坡潛在最危險滑面的位置主要在浸潤鋒處或土體與基巖交界處；龍賽瓊等[5]考慮了施工擾動和邊坡全施工周期巖土體抗剪強度的衰減情況，提出了邊坡不同演化階段巖土體抗剪強度參數反分析方法；楊金旺等[6]提出降強法與傾斜抬升超載法相結合的地質力學模型綜合的試驗方法；平曈其等[7]認為地震對邊坡穩定性影響較大，地震后容易引發災害鏈效應。

以上均說明高陡邊坡中亟需開展穩定性分析的迫切性?；诖?，本文充分考慮了垂直側滑面塊體三維效應，基于強度折減法[8- 9]，針對東莊水利樞紐高陡水墊塘邊坡在正常運行、泄水霧化或降雨、地震不同工況下的邊坡穩定性開展研究，并分析了不同工況下邊坡加固措施。

2 高陡水墊塘邊坡

2.1 工程概況

東莊水利樞紐工程以防洪減淤為主，兼顧供水、發電和改善生態等綜合利用。水庫總庫容32.68×108m3，電站裝機規模110MW，工程規模為大(1)型。水墊塘左岸邊坡高程600～900m。高程760m以下為基巖岸坡，邊坡自然坡角70°～80°；760m高程以上自然坡角55°～65°。水墊塘右岸邊坡高程600～820m。高程750m以下為基巖岸坡，自然坡角60°～70°；高程750m以上邊坡部分自然坡角45°～60°。

2.2 邊坡地質條件

水墊塘邊坡存在順層大裂隙L12、L14等，產狀190°～225°∠30°～50°，走向260°～335°，傾向SW為主，傾角30°～50°。結構面J5走向近N～S(350°～25°)為主，傾角65°～80°主要在右岸壩線下游局部分布，各高程零星分布。結構面J6走向NE～NEE(40°～80°)為主，傾角60°～85°各高程相對零星分布。水墊塘兩岸邊坡地質構造如圖1所示，其中L12-L18裂隙如圖2所示。

圖1 水墊塘兩岸邊坡地質構造分布

圖2 水墊塘兩岸邊坡L12-L18裂隙

3 三維有限元模型及參數

3.1 計算模型

根據地質剖面和開挖輪廓線，選取節理分布最密集、最易發生破壞區域，并對其開展三維有限元塊體系統分析，計算模型位置如圖3所示。

圖3 邊坡計算剖面示意圖(單位：m)

塊體模型上游以A剖面為界，下游以B剖面為界，左側邊界取至河流中線，右側邊界為河流中心線向右450m，底部取至495m高程；考慮塊體模型周圍山體影響，下游取至B剖面向下100m，三維模型圖如圖4所示。

圖4 邊坡塊體系統分析三維模型圖

計算中巖體采用SOLID186模擬，結構面采用三維接觸面進行模擬。離散后，開挖前后有限元計算網格如圖5所示。天然狀態坡體單元數為111363，節點個數為211340；開挖完成后單元個數為91824，節點個數為184828。坐標系按照笛卡爾坐標系右手法則建立，順河向為x，垂直河流指向坡體為y向，為豎向垂直方向為z向。

圖5 邊坡塊體系統分析網格圖

3.2 計算參數

分析部位主要為三類圍巖，巖體的物理力學參數見表1。

表1 巖體力學參數

3.3 計算工況

根據SL 386—2007《水利水電工程邊坡設計規范》， 此次邊坡穩定性分析計算分以下3種工況。

工況1(正常運用條件)：工程投入運用后經常發生或持續時間長的情況，水墊塘邊坡主體不臨水，屬于不臨水邊坡，故正常運用條件下不考慮坡外水的影響。

工況2(非常運用條件I)：施工期以及由于降雨、泄水雨霧和其他原因引起的邊坡體飽和及相應的地下水位變化。

工況3(非常運用條件II)：正常運用條件下遭遇地震，地震動峰值加速度為0.152g，相當于設計地震烈度7度，根據SL 203—97《水工建筑物抗震設計規范》[11]，參照土石壩的規定，αi取平均值1.75，水平地震力系數0.152g×0.25×1.75/g=0.0665。

在計算中，將地下水位以下的巖體按照浮容重考慮，同時巖體內聚力c和內摩擦角φ值取值分別考慮水下巖體軟化系數，對于原巖體物理力學參數進行折減[12- 14]；加固采用200t錨索，間距為4.5m，預應力錨索均勻分攤到開挖面上，將錨索荷載模擬為面荷載，其值為98.765kPa。

3.4 結果與分析

三維塊體系統分析擬采用有限強度折減法，針對東莊水利樞紐水墊塘邊坡在正常運行、泄水霧化或降雨、地震不同工況下的邊坡穩定性開展計算，并分析不同工況下邊坡加固措施對穩定性的影響。

分析區域J5發育，綜合考慮結構面的產狀及塊體分布情況，將J5作為垂直滑面，在滑塊兩側設置三維接觸模擬J5，進而考慮兩側山體對塊體模型的約束作用，與實際工程背景相符合。

3.4.1未支護邊坡穩定性分析

3.4.1.1.正常運行

(1) 天然狀態

當J5的黏聚力為60kPa時，結構面連通率為100%，此時坡體無法自穩，不符合實際工程背景。逐步提高J5黏聚力，即降低J5的連通率，計算分析可知，當c為500kPa時自然狀態下的坡體穩定，此時的連通率為40.5%。所以本次計算將遵循該驗證結果，在后續計算中J5的黏聚力均使用500kPa進行計算。分析可知天然未開挖的坡體安全系數F為1.0，如圖6—7所示。

圖6 邊坡總位移云圖(F=1.0)

圖7 邊坡位移矢量圖(F=1.0)

(2) 開挖完成未支護

邊坡開挖完成后，逐步增大折減系數，當F為1.1時，滑體出現位移突變，且當F為1.15時計算不再收斂，如圖8—9所示，分析可知該條件下安全系數為1.1，不滿足SL 386—2007規定的1.3的安全系數標準。與未開挖情況相比，開挖完成后坡體整體卸載且邊坡坡度變緩，因此開挖完成后安全系數增大，符合荷載規律。

圖8 邊坡總位移云圖(F=1.1)

圖9 邊坡位移矢量圖(F=1.1)

3.4.1.2.泄水霧化或降雨

泄水霧化或降雨工況下，結構面充水弱化，安全系數將降低[15]。當折減系數為1.05時滑移體出現位移突變，此時邊坡達到臨界狀態，因此泄水霧化或降雨工況未支護條件下安全系數為1.05，不滿足SL 386—2007規定的1.25的安全系數標準，如圖10—11所示。

圖10 邊坡總位移云圖(F=1.05)

圖11 邊坡位移矢量圖(F=1.05)

3.4.1.3.地震作用

地震條件下，坡體受到朝向坡外的地震慣性力影響，整體向河流方向移動，在地震力的影響下，塊體將更容易產生滑動[16]。該工況未支護條件下，折減系數為1.02時塊體出現位移突變，所以該條件下安全系數為1.02，不滿足SL 386—2007規定的1.15的安全系數標準，如圖12—13所示。

圖12 邊坡總位移云圖(F=1.02)

圖13 邊坡位移矢量圖(F=1.02)

3.4.2加固后邊坡穩定性分析

擬采用200t錨索進行加固，間距為4.5m。計算時通過將錨索力均勻分攤到開挖面上，以面荷載的形式進行模擬，錨索荷載為：2000kN/(4.5m×4.5m)=98.765kPa。

(1)正常運行

開挖完成并進行支護加固，滑移體主要受重力和錨索力作用。隨著折減系數的增大，結構面弱化產生向坡外的滑動，當F為1.3時滑體出現位移突變，因此開挖完成后的安全系數為1.3，滿足SL 386—2007規定的1.3的安全系數標準，如圖14—15所示。

圖14 邊坡總位移云圖(F=1.3)

圖15 邊坡位移矢量圖(F=1.3)

(2)泄水霧化或降雨

錨索支護條件下，塊體受到錨索力和重力共同作用。逐步增大折減系數，飽和結構面繼續弱化導致塊體下滑，當F為1.25時塊體出現位移突變且折減系數繼續增大將導致計算不收斂，所以泄水霧化或降雨工況下安全系數為1.25，滿足SL 386—2007規定的1.25的安全系數標準，如圖16—17所示。

圖16 邊坡總位移云圖(F=1.25)

圖17 邊坡位移矢量圖(F=1.25)

(3)地震作用

地震工況下施加錨索支護，塊體受到重力、地震慣性力和錨索力共同作用。當折減系數為1.2時，塊體產生位移突變且折減系數繼續增大將導致計算不收斂，所以地震工況下安全系數為1.2，不滿足SL 386—2007規定的1.2的安全系數標準，如圖18—19所示。

圖18 邊坡總位移云圖(F=1.2)

圖19 邊坡位移矢量圖(F=1.2)

3.4.3計算結果分析

通過三維塊體有限元系統分析，在考慮垂直側滑面塊體三維效應作用下，基于強度折減法計算獲取的各工況邊坡安全系數見表2。發現在邊坡開挖后若不進行加固，在正常運行、泄水霧化或降雨、地震3種不同工況下安全系數分別為1.1、1.05、1.02，均不滿足規范中安全系數標準要求。進行加固后，3種不同工況下，安全系數均為1.3、1.25、1.2，滿足安全系數標準要求。

表2 水墊塘邊坡各工況安全系數

4 結論

充分考慮垂直側滑面對邊坡塊體的影響，通過構建三維有限元模型，針對東莊水利樞紐高陡水墊塘邊坡模擬施工開挖和支護過程，并選用強度折減法對3種工況下邊坡整體穩定性及其加固措施開展評價，結論如下：

(1)邊坡在未開挖情況下，其坡體安全系數為1.0。

(2)邊坡開挖后，若不進行加固，在正常運行、泄水霧化或降雨、地震3種不同工況下安全系數分別為1.1、1.05、1.02，均不滿足規范中安全系數標準要求。

(3)當施加200t、間距4.5m的系統錨索加固后，在正常運行、泄水霧化或降雨、地震3種不同工況下安全系數分別為1.3、1.25、1.2，滿足規范中安全系數標準要求。

(4)在開挖邊坡的開口、平臺等處均產生了應力集中，部分區域的卸荷變形較大。在這些部位應采用長錨桿、錨筋樁活預應力錨索進行鎖口錨固處理。