和平水庫右壩肩高邊坡施工期穩定性分析

摘 "要：高陡邊坡存在裂隙發育、風化嚴重、卸荷強烈等不良的地質現象，直接影響到高邊坡的穩定性。該文分別采用三維有限元強度折減法和二維剛體極限平衡法，對和平水庫右壩肩邊坡在開挖支護后的穩定性進行分析。研究結果表明，和平水庫右壩肩邊坡在完建工況下的穩定性滿足規范要求，開挖和支護措施合理可行。

關鍵詞：高邊坡；工程地質；穩定性；強度折減法；剛體極限平衡法

中圖分類號：TV223 " " "文獻標志碼：A " " " " "文章編號：2095-2945（2024）20-0115-04

Abstract： There are some bad geological phenomena in high and steep slope， such as crack development， serious weathering， strong unloading and so on， which directly affect the stability of high slope. In this paper， the three-dimensional finite element numerical strength reduction method and the two-dimensional rigid body limit equilibrium method are used to analyze the stability of the right abutment slope of Heping Reservoir after excavation and support. The results show that the stability of the right abutment slope of Heping Reservoir meets the requirements of the code， and the excavation and support measures are reasonable and feasible.

Keywords： high slope; engineering geology; stability; strength reduction method; rigid body limit equilibrium method

西南地區的大壩工程多位于高山峽谷地段，兩岸的高陡邊坡存在裂隙發育、風化嚴重、卸荷強烈等不良的地質條件，在人為開挖擾動的情況下，極易發生邊坡失穩現象。因此，不少學者就高邊坡在開挖過程中的穩定性開展了大量的研究。郭子鈺等[1]采用極限平衡法與有限元法模擬了受弱層影響下的邊坡穩定性，探討了多種評判指標，綜合描述了邊坡的穩定狀態；陳紅如等[2]采用基于連續介質理論和顯式有限差分法的Flac3D軟件，分析某邊坡在4種不同工況下的變形受力特征和破壞區分布規律，并分別采用強度折減法和摩根斯坦－普萊斯法計算邊坡安全系數；廖贊[3]基于極限平衡法和離散元法，分析了某大型水電站壩址區右岸邊坡的危險滑動面及其穩定性；謝璇等[4]基于Flac3D軟件對某碼頭設計邊坡進行開挖模擬，分析了邊坡的應力場和位移場狀態，并用強度折減的方法對開挖后的各級邊坡進行安全系數的求解；馮忠居等[5]采用Flac3D分析邊坡開挖全過程的變形機理，結合Geo-studio研究邊坡開挖各階段的破壞概率變化規律，提出以穩定系數和破壞概率為指標判斷邊坡開挖穩定性的二元評價方法，綜合評估邊坡開挖各階段的穩定性；徐馳[6]使用有限元分析軟件MidasGTS/NX，采用強度折減法（SRM），分析了中洞抽水蓄能電站上水庫高邊坡在自然工況和暴雨工況下的穩定性。

和平水庫大壩右壩肩邊坡較陡，開挖揭示的全風化層較深，施工中發現出露的巖體相當破碎，表層局部甚至呈散粒狀，邊坡存在局部或整體滑動的安全隱患，對邊坡的穩定性不利，直接影響到大壩工程的安全。因此，應當對大壩右壩肩邊坡進行穩定分析，獲得邊坡的安全系數，對加固處理措施的有效性進行評價。

1 "工程概況

和平水庫位于安寧河一級支流茨達河上游沙溝河段，水庫壩址地處茨達鄉上游約4.7 km處的沙溝處，水庫距德昌縣城37 km，德昌縣距西昌65 km。壩址以上流域面積61 km2，水庫正常蓄水位選定為1 820.00 m，對應庫容為2 230萬m3，水庫總庫容為2 327萬m3，調節庫容2 087萬m3，大壩為鋼筋混凝土面板堆石壩，壩頂高程1 823.00 m，最大壩高為89.0 m。和平水庫的開發任務是以農業灌溉為主，兼顧鄉鎮、農村供水。

和平水庫由攔河大壩、溢洪道、放水洞（兼放空洞）等建筑物組成。大壩右岸地形坡度20～45°，大部分覆蓋第四系殘坡積碎礫石土，局部裸露輝長巖，全風化帶厚3.59～5.65 m，強風化帶厚7.56～11.25 m，弱風化帶厚15.90～23.25 m。右壩肩邊坡的上、下部分別采用無黏結錨索和錨桿進行支護，錨索的縱橫間距6.0 m，長L=30 m，預應力為1 000 kN；錨桿的直徑為28 mm，長L=8.0 m，間距4.0 m，拉撥力為250 kN。邊坡表面采用直徑8 mm，間距200 mm的鋼筋掛網，并噴射12 cm厚C20細石混凝土。

右壩肩邊坡開挖與支護的典型剖面圖如圖1所示。

2 "右壩肩邊坡穩定分析

2.1 "三維有限元計算模型

根據設計資料，錨桿的間距4 m，錨索間距6 m，以典型剖面為中心均延伸28 m作為三維計算模型。X方向為水平指向坡內，Y方向為豎直向上，Z方向由右手螺旋法則確定。三維有限元模型所取的計算范圍為1 842.77≤X≤1 966.60，923.19≤Y≤坡頂，-2≤Z≤26。

基于三維彈塑性有限元強度折減法，進行大壩右壩肩邊坡的穩定分析。圖2為右壩肩邊坡的三維有限元計算網格圖，單元數為20 173個，節點數為21 885個。計算時，將模型四周的鉛直面和底部施加法向約束，坡面自由。

本次計算考慮開挖并支護完成的完建工況，暫不考慮地下水、降雨、地震的作用。根據右壩肩邊坡的典型地質剖面，采用三維有限元強度折減法，分析大壩右壩肩邊坡在開挖支護工況下，在不同強度折減系數下的變形及塑性變化過程。通過邊坡表面最大位移是否出現突變以及邊坡內部塑性區是否發展貫通來綜合判斷邊坡的穩定安全性。將邊坡視為理想彈塑性材料，采用Drucker-Prager屈服準則，用三維實體單元模擬，將錨桿和錨索視為線彈性材料，采用三維桿單元模擬。基本計算參數詳見表1。

2.2 "基于有限元強度折減法的右壩肩邊坡穩定分析

有限元強度折減的基本原理即不斷折減巖體材料的抗剪強度參數，即黏聚力c和內摩擦角φ，得到一組新的抗剪強度參數c′和φ′，使邊坡達到極限破壞狀態，此時的折減系數Fs即為邊坡的穩定安全系數。具體計算公式如下

c′=c/Fs，

φ′=arctan（φ/Fs）。

分別取強度折減系數Fs為1.0（不折減）、1.1、1.2、1.3、1.4和1.5，對材料的抗剪強度參數進行折減，得到各強度折減系數情況下邊坡的位移和塑性區分布。

2.2.1 "強度折減過程中的最大位移變化

圖3為右壩肩邊坡在各強度折減系數下的最大位移變化曲線，當強度折減系數Fs為1.0、1.1、1.2、1.3、1.4和1.5時，對應的最大位移分別為24.9、26.1、27.7、29.8、32.5和36.2 cm，最大位移均發生在坡頂附近。

由圖3可知，右壩肩邊坡在強度折減過程中，位移呈逐漸變大的趨勢，當強度折減系數為1.2時，曲線出現了相對明顯的拐點（曲線斜率的突變），因此，右壩肩邊坡的穩定安全系數為1.2左右。圖4為強度折減系數為1.2時的位移分布圖。

2.2.2 "強度折減過程中的塑性屈服區變化

根據計算得到的右壩肩邊坡在各強度折減系數下的塑性區分布情況，其塑性區部位及貫通情況匯總見表2。

由表2可知，右壩肩邊坡在強度折減過程中，塑性區的范圍呈逐漸變大的趨勢，主要發生在全風化層上部及全、強風化層之間及錨索部位，當強度折減系數為1.2時，塑性區基本貫通。因此，右壩肩邊坡的穩定安全系數為1.2左右。圖5為強度折減系數為1.2時的塑性區分布。

2.3 "基于剛體極限平衡法的右壩肩邊坡穩定分析

為進一步驗證三維有限元強度折減法的可行性和成果合理性，采用Slide軟件對右壩肩邊坡在開挖支護后的完建工況進行二維穩定性分析。Slide是一款適用于土質邊坡和巖質邊坡穩定性的分析軟件，它在條分法的基礎上根據極限平衡進行邊坡的穩定性劃分。通過定義一個或幾個圓心半徑搜索區域，采用Slide軟件自動搜索該區域并計算出所有有效滑移面的安全系數，并給出最小安全系數及滑移面。經試算，搜索出的最危險滑動面及計算成果如圖6所示。由圖可知，邊坡最危險滑動面沿全風化層貫穿，最小安全系數Fs為1.129。

2.4 "右壩肩邊坡的穩定安全系數

根據右壩肩邊坡在強度折減過程中最大位移及塑性區變化情況綜合分析，右壩肩邊坡的穩定安全系數為1.2左右，根據剛體極限平衡法的右壩肩邊坡穩定分析，右壩肩邊坡的穩定安全系數為1.13左右。2種方法計算出來的邊坡穩定安全系數均滿足規范要求。分析結果表明，與剛體極限平衡法相比，采用三維彈塑性有限元強度折減法得到的邊坡穩定安全系數略大。分析其原因主要有以下2點：①有限元強度折減法考慮了邊坡材料的彈塑性變形，對邊坡的滑動有一定的抑制作用；②邊坡三維的約束效應，與二維計算模型相比，會對邊坡的滑動起到一定的阻止作用。

3 "結論

本文基于三維有限元強度折減法和二維剛體極限平衡法，對和平水庫右壩肩邊坡在施工完建工況下的穩定性進行了分析，主要結論如下。

1）基于三維有限元強度折減法的計算結果表明，隨著強度折減系數的增大，右壩肩邊坡的整體位移和塑性區的范圍逐漸增大，塑性區也逐漸貫通。右壩肩邊坡穩定安全系數（折減系數）為1.2左右。

2）基于二維剛體極限平衡法的計算結果表明，右壩肩邊坡最危險滑動面的穩定安全系數為1.13左右。

3）基于三維有限元強度折減法和二維剛體極限平衡法計算出來的邊坡穩定安全系數均滿足規范要求，說明和平水庫右壩肩邊坡的開挖和支護方式是合理可行的。

參考文獻：

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[3] 廖贊.基于極限平衡法和離散元法的某水電站高邊坡穩定性

分析[J].人民黃河，2023，45（10）：146-150，157.

[4] 謝璇，謝門東.基于Flac3D軟件的某碼頭設計邊坡穩定性分析[J].中國水運，2023，23（10）：80-82.

[5] 馮忠居，李德，江冠，等.基于可靠度理論的高邊坡二次開挖穩定性分析[J].中國安全生產科學技術，2023，19（8）：130-136.

[6] 徐馳.中洞抽水蓄能電站上水庫高邊坡穩定分析[J].珠江水運，2023（19）：90-93.