基于Midas/GTS軟件的巖質邊坡穩定性分析及支護方案研究

楊建華，趙東雷，鄧杰文，張俊建，甘小迎

(中國電建集團貴州電力設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550002)

0 引言

巖質邊坡的穩定性評價、治理一直是邊坡工程研究的重點。近年來計算機在巖質邊坡穩定性評價[1-4]及破壞模式分析[5-9]中得到了廣泛應用，具有許多傳統計算手段無可比擬的優勢。目前為止許多有限元分析軟件在巖質邊坡穩定性分析中的應用主要還是針對均質巖體，對于復雜邊坡仍無較好的模擬方法[9]。

Midas/GTS軟件具有高效的前處理、強大的后處理功能，為數值模擬的實際工程應用提供了可能。

為考慮上部荷載及多組巖體裂縫對巖質邊坡穩定性的影響并對支護方案進行研究，本文依托某礦山開采形成的巖質邊坡勘察與治理項目，基于Midas/GTS軟件對該邊坡及上方輸電線路桿塔進行數值建模，從計算結果出發分析不同工況下邊坡的穩定性及變形破壞發展趨勢，并對格構錨桿的支護方式合理性進行探討，從有限元分析的角度提出有效建議，說明有限元分析在工程實際中的合理性。

1 工程概況

某邊坡崩塌為礦山開采形成的陡崖，下部為斜坡，陡崖總長約60 m，走向140°，總體積約1.26×104m3，規模屬中型。危巖帶主要分布在陡斜坡上，最高高程為1 347 m，前緣最低高程為1 312 m左右，相對高差約35 m；地形坡度較陡，一般為70°～85°，局部為直立狀或懸掛狀，下部地形坡度較緩，一般為10°～30°。危巖帶主要由薄至厚層白云巖構成，巖石風化差異大，巖溶較發育，受礦山開采爆破影響，巖石節理裂隙發育，巖體內部自上而下發育有4～5條裂隙，長度約50～100 m，傾角約85°～90°，將巖體切割成大小不一的塊體，在長期風化、溶蝕作用下形成危巖體，目前受大氣降雨的沖刷、巖體溶蝕及風化作用等因素影響，變形有加劇趨勢。邊坡上方有多座電壓等級為500 kV輸電線路鐵塔，若崩塌繼續發展將會危及鐵塔安全，崩塌區概況如圖1所示。崩塌范圍內出露地層為第四系殘坡積粉質黏土(Qdl+el)及三疊系中統楊柳井組白云巖(T2yl)，分述如下。

圖1 崩塌區概況

1)第四系殘坡積粉質黏土(Qdl+el)，在崩塌范圍表層大面積分布。組成物質為黃色、黃褐色粉質黏土和塊碎石混雜堆積，稍濕—濕，結構松散；碎石巖性多為白云巖塊體，呈次棱角—棱角狀，含量約10%～20%，粒徑0.5～2 cm，該層層厚不均，約0.1～0.5 m，分布主要為基巖表層覆蓋及裂隙充填。

2)三疊系中統楊柳井組白云巖(T2yl)，灰色，薄至厚層狀。巖體節理裂隙發育，巖溶較發育，出露于危巖帶陡崖及陡斜坡地帶。

2 數值模型

2.1 計算剖面選取

該處崩塌區陡崖總長約60 m，坡頂分布有4～5條裂縫，裂縫總體豎向發育，東北側有一鐵塔，根開約17 m，為考慮后緣裂縫對邊坡穩定性最不利的影響，在裂縫數量最多的東北側中部選取剖面進行數值模擬，為研究鐵塔與邊坡的相互影響，將剖面延長至鐵塔后側，計算剖面為1-1′，剖面位置如圖2所示。

圖2 1-1′剖面位置圖

2.2 模型建立

Midas/GTS軟件能夠滿足數值模型的建模要求。由于在巖質邊坡穩定性分析中穩定系數對黏聚力和內摩擦角的變化最為敏感[10]，而裂隙的存在主要對巖體的力學參數造成劣化，因此通過將巖體裂縫進行實體建模并選用填充黏土的力學參數，可以對裂縫進行合理模擬。由于研究區域表層粉質黏土層較薄且分布不均，對該邊坡穩定性影響甚小，為方便建模計算，除裂隙內部粉質黏土填充部分外，未對該土層做單獨分層。為消除邊界效應的影響，并考慮到塔基對邊坡的影響，對邊坡前側35 m、后側100 m、底部30 m范圍內的巖土體進行建模分析。

本文使用AutoCAD 2007建立1-1′剖面線框，導入Midas/GTS軟件進行模型建立、網格劃分和參數賦值。所建數值模型中，白云巖、裂縫、鐵塔基礎均采用實體模型建立，鐵塔上部結構采用Midas/GTS軟件自帶的梁單元進行模擬。在網格劃分時單元類型采用三角形+四邊形，在坡體、裂縫及鐵塔基礎處網格劃分稍密，網格尺寸約1 m，在邊界處網格稍疏，網格尺寸約2 m。模型建立完成后，節點數共4 521個，單元數共4 874個，數值模型如圖3所示。

圖3 1-1′剖面數值模型

模型的約束方式為對底面邊界施加x、y方向約束，對左、右邊界施加x方向約束，上部邊界為自由面。

2.3 計算參數選取

粉質黏土及白云巖的力學參數由室內試驗結合當地工程經驗選取，裂隙部分選用粉質黏土參數，鐵塔塔材、基礎參數根據工程經驗選取，參數見表1所列。

表1 穩定性計算參數表

3 邊坡穩定性分析

3.1 天然工況分析

選取的計算方式為強度折減法，該方法在巖質邊坡塑性區搜尋中的應用已得到了陳建宏[11]和王紅梅[12]等的驗證。為模擬邊坡在天然工況下的變形情況，計算時白云巖取天然重度，求解其在重力作用下的位移云圖。由于該處崩塌的主要破壞模式為傾倒式，由內而外發生破壞，故重點分析其橫向位移。經過模擬計算，得到天然工況下該邊坡的水平位移云圖如圖4所示。

圖4 天然工況水平位移云圖

通過圖4可以看出，由于裂隙的發育破壞了巖體的完整性，折減了裂隙發育部位的黏聚力和內摩擦角，故在裂縫外側靠近坡面部分發生了較大的橫向位移，該向外變形趨勢在裂縫處有明顯分界，位移最大值發生在邊坡上部，該發展趨勢將導致巖體在裂縫中下部薄弱部分發生折斷，繼而造成傾倒式崩塌。計算結果與實際破壞機理相符，對實際情況有著較為合理的反映和預測。

通過Midas/GTS軟件后處理系統中的結果標記功能，可以直接讀取邊坡上方鐵塔基礎處的沉降差，根據數值模擬結果，兩塔腿沉降差為0.17 mm，可見該處崩塌若不繼續發展，對上方鐵塔安全運行暫無影響。

在計算結果的后處理中可直接讀取穩定性系數。結果顯示，邊坡天然工況下的穩定性系數為1.34。根據DZ/T 0218—2016《滑坡防治工程勘查規范》所推薦的穩定性評價標準，可以得出天然工況下該邊坡處于基本穩定狀態，但安全系數較低，若不對坡頂、坡面加以保護，隨著降水對裂縫及坡面的持續沖刷，裂縫進一步擴展，安全系數持續降低，邊坡有可能轉為欠穩定狀態，危及坡腳處崩塌影響范圍內居民的人身財產安全。

3.2 暴雨工況分析

邊坡在暴雨工況下的穩定性計算，白云巖取飽和重度，黏聚力和內摩擦角也按表1進行折減，調整參數后其余條件與天然工況分析中保持不變。根據計算結果，得到暴雨工況下邊坡的橫向位移云圖如圖5所示。

圖5 暴雨工況水平位移云圖

將圖5與圖4進行對比分析，可發現暴雨工況與天然工況下邊坡水平位移的分布趨勢大體相同，均為在裂隙發育區域發生破壞，橫向位移最大值發生在坡體上部，隨變形增加最終在裂縫中下部發生巖體折斷導致傾倒式崩塌。兩者區別在于考慮降雨作用時，邊坡的位移值及其分布區域均明顯大于天然工況，這與實際情況吻合。

在暴雨工況下，邊坡上方鐵塔基礎的沉降差為0.20 mm，說明若邊坡不繼續垮塌，當前狀態下對鐵塔安全運行暫無影響。

根據計算結果，暴雨工況下邊坡的穩定性系數為1.23，邊坡處于欠穩定狀態。

4 支護方案研究

4.1 支護措施模擬

巖質陡邊坡崩塌治理普遍采用加筋肋板擋土墻和格構+錨桿2種支護方案。經綜合考慮，該巖質邊坡選用格構+錨桿邊坡支護方式，該支護方式造價低，施工難度相對小。其中格構梁截面尺寸500 mm×500 mm，錨桿間距為2.5 m×2.5 m，入射角為20°，錨桿長度27 m，計算參數見表2所列。

表2 支護結構參數表

有限元方法對邊坡支護手段模擬的合理性已經得到了廣泛的論證[13-14]。該巖質邊坡格構采用實體模型建立，錨桿采用梁單元建立，支護結構數值模型如圖6所示。

圖6 支護結構模型

4.2 支護效果評價

選取暴雨工況下的力學參數對施加支護措施后的邊坡進行數值模擬計算，得到的水平位移云圖如圖7所示。

圖7 支護后水平位移云圖

根據圖7可以看出，由于格構錨桿的支擋、錨固作用，邊坡裂縫發育部分的橫向位移有了明顯減小，且位移區分布發生了由坡腳向自然坡面傾斜的趨勢，破壞模式由傾倒式崩塌向均質巖體折線滑動轉變，證明了在錨桿的作用下表層松散巖體得到良好的錨固作用，成為更加穩固、均質的巖體，達到了支護方案的預期效果。

加固后的邊坡穩定性系數為1.52，邊坡在暴雨工況下仍處于穩定狀態，該方案起到了良好的支護作用，可以有效防止崩塌發生。

5 結論

1)利用Midas/GTS軟件對巖質陡邊坡進行數值建模，可以考慮到裂縫等復雜條件對基巖完整性的影響，對邊坡穩定性進行更為貼合實際情況的評價，模擬位移結果與實際破壞機理及發展趨勢相符。

2)根據邊坡上方鐵塔基礎處豎向沉降計算結果，表明天然工況和暴雨工況下兩塔腿沉降差均較小，現階段下邊坡變形暫時不會對鐵塔穩定性造成影響，但若變形繼續發展，則需對鐵塔穩定性進行進一步評估。

3)通過對邊坡格構+錨桿的支護方式進行數值模擬，表明該支護方式可以有效地增加裂縫切割巖體的穩定性，對破碎巖體位移有明顯的控制作用，經加固后的邊坡在暴雨工況下仍處于穩定狀態，支護效果較為理想。