基于Slide軟件的人工高邊坡有限元分析

潘永膽，袁國棟，和麗清，安可君

(1.長江工程職業技術學院，湖北 武漢 430212； 2.中國葛洲壩集團，湖北 宜昌 443002；3.云南農業大學 熱帶作物學院,云南 普洱 665099；4.華能瀾滄江水電股份有限公司 糯扎渡水電廠，云南 普洱 665005)

1 基本資料

1.1 項目概況

烏干達卡永加水電站主要致力于發電，其主體結構包括大壩、廠房和泄洪建筑物.該水電站發電裝機容量900 MW，正常蓄水位70 m，最大壩高80 m，總庫容5.08×108m3.該水電站建設項目屬于大型水利工程，建筑物主要由大壩、泄洪建筑物、輸水和發電結構等組成；主要建筑物安全性級別為二級.

烏干達高型混凝土重力壩一期水電站項目壩址位于卡永加村莊上游約9.3 km處.壩址屬于高中山區，兩側山脈高程均超過400 m，河谷相對呈現U形，通過綜合考慮地形、地質條件以及項目布局，在壩址范圍內確定壩軸位置.卡永加河水向170°方向流動，正常蓄水位70 m時的水面寬度約為379.5 m.河岸上樹木繁茂，較多地區覆蓋著第四紀松散地層，局部基巖裸露.壩址基巖為大塊角礫晶體凝灰巖，巖性簡單，地質構造損傷小，巖體風化均勻，壩區內無斷層和斷裂.

1.2 工程地質條件

左岸壩肩為人工陡坡，現場鉆孔數據和地質繪圖揭示：海拔39.0 m～63.8 m主要由微風化巖體和弱風化帶下段組成，伴有塊狀或次塊狀結構；海拔63.8 m～95.8 m人工陡坡主要由鑲嵌結構的弱風化帶上段組成；海拔95.8 m以上人工陡坡主要由崩積層(崩積與坡積混合層)和碎石組成，其中崩積層厚8.5 m～10.0 m，并伴有泥土.邊坡處現場踏勘無明顯斷裂構造，其地下水主要是基巖裂縫水，地下水水位為4.00 m～24.20 m，其頂層約有8 m(部分10 m)厚的覆巖，其主要為伴有泥土的碎石(巨礫)，結構疏松，穩固性差.在覆巖底部，有軟塑型粉質黏土.人工邊坡中下部為巖石，巖石局部裂縫發育但無明顯方向性.

右岸壩肩為人工陡坡，現場鉆孔數據和地質繪圖揭示：海拔11 m～114.5 m人工陡坡主要由弱風化帶下段和微新巖體組成，伴有塊狀或次塊狀結構；海拔114.5 m以上的人工陡坡主要為弱風化帶上段，鑲嵌結構.邊坡處的地下水主要是基巖裂縫水，地下水水位為11.3 m～18.8 m.右岸人工邊坡主要是巖石，巖石局部裂縫發育但無明顯方向性.

2 計算方法和力學參數

現階段用于邊坡穩定性計算的專業軟件比較多，通用軟件Ansys和Adina建模計算過程比較復雜，這給工程的實際應用帶來諸多不便.Rocscience公司開發的邊坡穩定性計算軟件Slide，是通過與各種極限平衡方法的結果比較，用上、下界限法和極限平衡法分析非均質土體的幾何不規則邊坡剖面，給出有限元分析法產生的安全系數、臨界滑動面位置，準確模擬邊坡穩定性的軟件.因其建模過程方便，計算快捷，在邊坡穩定性計算中應用廣泛[1].

本文結合工程實例成果，采用Rocscience Slide二維邊坡穩定分析軟件[2]，首先建立計算模式，并確定左右岸人工陡坡破壞模式，其次定義幾何、材料、地下水三個邊界條件，并進行材料特性值和滑移面設置和不同工況條件的計算，最后比較分析計算結果K值與安全系數規范值[K]，判斷左右岸邊坡不同工況的最危險滑動面和安全系數，參考類似工程項目措施提出左右岸人工陡坡加固處理措施.

根據現場鉆孔取樣、力學實驗、地質資料和經驗數據，確定本次計算參數.為保證計算參數取值的可靠性[3]，壩址處邊坡的主要物理力學參數，如表1所示.

表1 土體物理力學計算參數

3 計算結果分析

3.1 左岸壩肩陡坡

根據左岸邊坡高度和地質條件，選擇左岸壩肩高邊坡進行穩定性2D數值計算和分析.使用Rocscience Slide軟件評估施工期間和運行期間不同計算工況下的邊坡穩定性和安全系數[4].計算結果數據，如表2所示.

表2 左岸邊坡計算工況和安全系數

計算結果表明，左壩肩邊坡穩定性主要受上部夾雜石頭(卵石)和土壤的崩積物影響，短暫狀況(施工期)安全系數1.18，大于規范值1.15(最大值)，巖石坡的整體穩定性能夠滿足規范要求.持久狀況(運行期)安全系數1.18，小于規范值1.25(最大值)，需采用加固和支護措施后方能滿足安全要求.

3.2 右岸壩肩陡坡

根據右岸邊坡最大開挖坡度和地質條件，選擇典型橫截面，采用2D平面數值有限元分析.計算結果數據，如表3所示.

表3 右岸邊坡計算工況和安全系數

計算結果表明，右岸邊坡短暫狀況(施工期)安全系統3.49，大于規范值1.15(最大值)，整體穩定性良好；持久狀況(運行期)邊坡的安全系數5.01，大于規范值1.25(最大值)，整體穩定性良好.

4 結論與建議

1)左岸壩肩陡坡每隔10 m～15 m設置高度不同的3 m寬馬道，開挖坡度為1∶0.5～1∶0.75.考慮到左岸交通需求，高程75 m處應設置8 m寬馬道，左壩肩上應擴大到18 m，便于纜索起重機卸載材料.為防止開挖坡面巖塊的不穩定和石塊掉落，邊坡上應設置邊坡系統錨桿及鋼筋網加強型噴射混凝土支護和排水設施.開挖邊坡應采用邊坡系統錨桿(直徑25 mm，每個長6.0 m)支護，間距2.5 m×2.5 m.每層坡頂應設置兩排邊坡系統錨桿(直徑28 mm，每個長9.0 m，間距2.5 m×2.5 m).坡面應采用12 cm厚的鋼筋網加強型噴射混凝土進行保護，排水孔應按次序排列，每個排水孔長6.0 m，直徑56 mm，間距3.0 m×3.0 m.較大的不穩定巖塊上應布置長25 m～45 m、預應力1500 kN或2000 kN的預應力錨索.左壩肩頂部大部分地區分布著崩積物，夾雜著石頭(卵石)和土壤.崩積物較厚，應在馬道上方105 m高程處設置一排深25 m的防滑樁.防滑樁埋入微風化巖體內2 m深，防滑樁斷面尺寸為3.0 m×3.0 m，間隔5.0 m.邊坡上應提供排水溝、截水溝、排水孔和其他設施進行排水.

2)右岸壩肩陡坡每隔15 m～20 m應設置高度不同的3 m寬馬道，并且開挖坡度為1∶ 0.3～1∶0.5.考慮到右岸的交通需求，應在75 m高程處設置10 m寬馬道.為防止開挖坡面巖塊的不穩定和石塊掉落，邊坡上應設置邊坡系統錨桿及鋼筋網加強型噴射混凝土支護和排水設施.開挖邊坡應采用邊坡系統錨桿(直徑25 mm，每個長6.0 m)支護，間距2.5 m×2.5 m.每層坡頂應設置兩排邊坡系統的錨桿(直徑28 mm，每個長9.0 m，間距2.5 m×2.5 m).坡面應采用12 cm厚的鋼筋網加強型噴射混凝土進行保護，排水孔應按次序排列，每個排水孔長6.0 m，直徑56 mm，間距3.0 m×3.0 m.較大的不穩定巖塊上應布置長25 m～45 m、預應力1000 kN或2000 kN的預應力錨索.