營上變電站滑坡暴雨工況下穩(wěn)定性分析及支護(hù)方案研究

摘" 要：為研究營上110 kV變電站滑坡在暴雨工況下的穩(wěn)定性參數(shù)，該文采用Midas GTS/NX軟件建立營上變電站三維邊坡模型，在系統(tǒng)地分析營上變電站滑坡區(qū)域地質(zhì)背景、發(fā)生滑坡的影響因素、滑坡的基本情況和滑坡的穩(wěn)定性特征等的基礎(chǔ)上，提出針對營上變電站滑坡治理的工程支護(hù)措施。該文對營上變電站滑坡的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并將最終的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行工程論證。

關(guān)鍵詞：滑坡穩(wěn)定性；Midas GTS/NX；數(shù)值模擬；支護(hù)措施；優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號：P642.22" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）01-0091-06

Abstract： In order to study the stability parameters of Yingshang 110 kV Substation landslide under heavy rain conditions， this paper uses Midas GTS/NX software to establish a three-dimensional slope model of Yingshang Substation. Based on systematic analysis of the geological background of the Yingshang Substation landslide area， the influencing factors of the landslide， the basic conditions of the landslide， and the stability characteristics of the landslide， the engineering support measures for the landslide management of Yingshang Substation are proposed. This paper optimally designs the support parameters of the landslide in Yingshang are optimized， and the final support parameters were also demonstrated in engineering.

Keywords： landslide stability; Midas GTS/NX; numerical simulation; support measure; optimal design

我國領(lǐng)土面積廣闊，包含多種復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境，貴州屬于山地省份，滑坡作為最常見的地質(zhì)災(zāi)害類型之一，對全省的基礎(chǔ)設(shè)施和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展構(gòu)成巨大的危害。據(jù)統(tǒng)計(jì)，90%以上的滑坡事故是水的作用造成的。因此，在暴雨工況下的滑坡穩(wěn)定性分析和災(zāi)害治理一直都是巖土工程極為重要的研究方向。

隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，工程地質(zhì)問題發(fā)生得越來越頻繁，滑坡災(zāi)害作為一種常見、多見的地質(zhì)災(zāi)害類型，滑坡災(zāi)害一旦發(fā)生將嚴(yán)重影響工程建設(shè)及生命安全。貴州屬于山地省份，極端天氣如暴雨等較為常見，導(dǎo)致滑坡等地質(zhì)災(zāi)害時(shí)常發(fā)生。凱里西江營上110 kV變電站區(qū)域受持續(xù)強(qiáng)降雨影響，地表開始出現(xiàn)不同程度的裂縫，站區(qū)東南側(cè)填方邊坡（片石菱形骨架護(hù)坡）及磚砌圍墻、進(jìn)站公路擋土墻局部出現(xiàn)較大變形。

古今中外學(xué)者雖已研究出多種滑坡穩(wěn)定性分析計(jì)算方法，但極限平衡法作為邊坡穩(wěn)定性分析的主要代表方法之一，是應(yīng)用推廣范圍最大的計(jì)算分析方法。1974年，由Hoek和Londe[1]首先提出了通過劃分條塊穩(wěn)定性分析方法針對巖體類滑坡進(jìn)行理論研究。20世紀(jì)90年代，Chen和Morgenstern[2]進(jìn)一步發(fā)展和豐富了極限平衡法理論研究。Zienkiewicz等[3]是首先將有限元強(qiáng)度折減法應(yīng)用到邊坡穩(wěn)定性領(lǐng)域的。趙尚毅、鄭穎人等[4-9]學(xué)者將有限元強(qiáng)度折減法應(yīng)用于多個(gè)國內(nèi)邊坡項(xiàng)目工程實(shí)踐中后，國內(nèi)才開始普遍地應(yīng)用這一方法。劉其琛等[10]運(yùn)用強(qiáng)度折減法，分析其采用3DEC創(chuàng)建的關(guān)嶺大寨滑坡三維模型在暴雨發(fā)生前后的安全性系數(shù)，得出暴雨是誘導(dǎo)滑坡災(zāi)害發(fā)生的關(guān)鍵因素。郭子正等[11]運(yùn)用Morgenstern-Price法計(jì)算出麻柳林滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)，得出滑坡穩(wěn)定性對降雨情況更為敏感。計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展導(dǎo)致數(shù)值模擬技術(shù)逐漸變?yōu)檫吰路€(wěn)定性分析的重點(diǎn)方法之一，其中，應(yīng)用最為廣泛的是有限元法數(shù)值分析方法。潘國林等[12]針對鳥雀坪古滑坡采用離散元方法進(jìn)行了反演模擬，將鳥雀坪古滑坡的失穩(wěn)過程分成了4個(gè)階段進(jìn)行描述。雍睿等[13]采用了FLAC3D與模型試驗(yàn)聯(lián)合分析的方法，運(yùn)用了動態(tài)數(shù)值模擬技術(shù)對推移式滑坡演化過程進(jìn)行了分析，得出了穩(wěn)定性系數(shù)在推移式滑坡演化過程中的遞減規(guī)律是非線性的。隨著滑坡穩(wěn)定性問題在工程實(shí)踐中得到越來越多的關(guān)注，滑坡災(zāi)害的治理技術(shù)和支護(hù)加固措施也得到了快速的發(fā)展。20世紀(jì)80—90年代初，預(yù)應(yīng)力錨索作為代表的新型支護(hù)技術(shù)在滑坡災(zāi)害治理工程中得到了廣泛的研究和應(yīng)用。隨著科學(xué)及經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，滑坡防治運(yùn)用的支護(hù)措施也迅速得到完善。目前，抗滑樁、削方等措施是運(yùn)用在滑坡支護(hù)工程領(lǐng)域較多的防治措施。

隨著邊坡穩(wěn)定性分析理論研究的快速發(fā)展和計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的不斷完善，傳統(tǒng)的極限平衡方法已經(jīng)不能滿足某些滑坡災(zāi)害防治工程的需求。為了保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和合理性，1989年Zienkiewicz等[14]第一次提出強(qiáng)度折減系數(shù)的理論。與傳統(tǒng)極限平衡法相比，在理論體系上更為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膹?qiáng)度折減法逐漸受到越來越多學(xué)者的關(guān)注和運(yùn)用。

貴州省是我國發(fā)生滑坡地質(zhì)災(zāi)害頻次最高的省份，且具有規(guī)模大、數(shù)量多、分布廣等特點(diǎn)。凱里西江營上110 kV變電站區(qū)域受持續(xù)強(qiáng)降雨影響，引起了滑坡地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。本文以凱里西江營上110 kV變電站滑坡作為例子，首先針對營上變電站滑坡的變形特征進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)查，后采用Midas GTS/NX有限元軟件對滑坡的滑動面位置、滑坡的穩(wěn)定性、支護(hù)措施進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。模擬分析結(jié)果可以為當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)地貌條件相似的滑坡提供防治設(shè)計(jì)參考依據(jù)。

1" 滑坡概況

1.1" 滑坡基本特征

110 kV營上變電站東南側(cè)滑坡位于黔東南州雷山縣西江苗寨西北側(cè)1.5 km處，滑坡后側(cè)邊界位于110 kV營上變電站內(nèi)東南角及進(jìn)站公路處，滑坡前緣剪出口為景區(qū)西門至北門的聯(lián)絡(luò)公路，場地交通便利。場地巖土體地表以含碎石粉質(zhì)黏土為主，下部基巖為全—中風(fēng)化砂質(zhì)板巖，受持續(xù)強(qiáng)降雨影響（據(jù)西江氣象站降雨資料，2018年6月20日24 h降雨量達(dá)到87.8 mm，6月22日24 h降雨量達(dá)到89.3 mm，以上降雨量均達(dá)到暴雨級別），變電站于2018年6月份地表開始發(fā)現(xiàn)不同程度的裂縫，站區(qū)東南側(cè)填方邊坡（片石菱形骨架護(hù)坡）及磚砌圍墻、進(jìn)站公路擋土墻局部出現(xiàn)較大變形，滑坡全貌如圖1所示。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，該滑坡整體地形上呈現(xiàn)出3級臺階狀，滑動周邊界線較為明顯，滑坡后緣可以看到明顯的拉張裂縫，裂縫寬為2～20 cm不等，同時(shí)下部公路擋土墻及前緣可見明顯的鼓脹裂縫。該滑坡主滑方向?yàn)?30°，坡體主要由上覆素填土，含碎石粉質(zhì)黏土組成，滑體平均厚度為10～13 m，滑動模式整體上呈折線型滑動，滑坡后緣滑帶存在于土體內(nèi)，以土體內(nèi)部圓弧滑動為主；根據(jù)現(xiàn)場鉆探，巖體強(qiáng)風(fēng)化層中存在一層較薄軟弱帶，其泥質(zhì)成分較高，與深部測斜儀獲取滑帶深度完全吻合，故推測滑坡中下部滑帶為巖體內(nèi)存在軟弱結(jié)構(gòu)面。

1.2" 地層巖性

根據(jù)滑坡專項(xiàng)調(diào)查及勘察資料顯示，滑坡所在地巖土結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，場地地層由新至老依次為：雜填土、含碎石粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化砂質(zhì)板巖、強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)板巖及中風(fēng)化砂質(zhì)板巖，現(xiàn)分述如下。

1）雜填土（Q4ml）：雜色，濕—飽和，松散狀，主要成分是粉質(zhì)黏土、強(qiáng)—中風(fēng)化砂質(zhì)板巖碎石、塊石，級配一般，分選性差，均勻性較差，為修建變電站平場回填所致，一般厚度0～10 m，平均厚度6.0 m，主要分布于滑坡后緣，滑坡中下部無雜填土層，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，因施工要求，在修筑變電站期間對雜填土進(jìn)行過夯實(shí)處理。

2）第四系殘坡積含碎石粉質(zhì)黏土（Q4el+al）：黃褐色，主要為可塑狀，手捻有砂感，含強(qiáng)—中風(fēng)化砂質(zhì)板巖碎石、塊石，粒徑2～20 mm，為殘坡積形成，滑坡體均有分布，平均厚度5.6 m，分布上呈上厚下薄。

3）震旦系板溪群清水江組第二段（Ptbnbq2）全風(fēng)化砂質(zhì)板巖：黃褐色，原巖結(jié)構(gòu)基本破壞，錘擊聲啞，錘擊后有較深的凹痕，無回彈現(xiàn)象，原巖手可捏碎，浸水后，可以捏成團(tuán)狀，綜合判斷為極軟巖，巖芯為土柱狀，稍具可塑性，干鉆可以鉆進(jìn)，巖體基本質(zhì)量等級判定為V級。

4）震旦系板溪群清水江組第二段（Ptbnbq2）強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)板巖：黃褐色，變余結(jié)構(gòu)，泥質(zhì)膠結(jié)，鐵錳質(zhì)渲染，節(jié)理裂隙發(fā)育，原巖巖體破碎，錘擊聲不清脆，無回彈現(xiàn)象，容易擊碎，判斷為較軟巖，巖體為層狀結(jié)構(gòu)，鉆進(jìn)比較快，巖芯為碎塊狀或砂礫狀，巖體基本質(zhì)量等級判定為V級。

5）震旦系板溪群清水江組第二段（Ptbnbq2）中風(fēng)化砂質(zhì)板巖：灰色，變余結(jié)構(gòu)，鐵錳質(zhì)渲染，泥質(zhì)膠結(jié)，錘擊較清脆，有輕微回彈現(xiàn)象，稍震手，比較難擊碎，判定為較堅(jiān)硬巖，巖體節(jié)理裂隙比較發(fā)育，較破碎，巖體基本質(zhì)量等級判定為IV級，為層狀結(jié)構(gòu)巖體，鉆進(jìn)較慢，巖芯呈碎塊狀、短柱狀，巖芯采取率70%～80%。巖層產(chǎn)狀為132°∠25°。

2" 有限元強(qiáng)度折減法原理

有限元強(qiáng)度折減法是SRM法的基本方法原理，在使用Midas GTS/NX軟件中的SRM法對邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析時(shí)，通過不斷折減強(qiáng)度參數(shù)來分析邊坡內(nèi)部塑形區(qū)域的演變情況，SRM法的計(jì)算結(jié)果可以模擬出邊坡從形成、發(fā)育到最終破壞的完整過程，計(jì)算得到安全系數(shù)，并得出邊坡的最終破壞模式。如果滑坡穩(wěn)定性評價(jià)的本構(gòu)關(guān)系選用的是莫爾-庫倫準(zhǔn)則，那么對后續(xù)滑坡穩(wěn)定性分析過程中起到關(guān)鍵影響因素的是滑坡土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ。在模擬分析滑坡時(shí)，模型里一開始給定的各土體強(qiáng)度參數(shù)c和φ值同時(shí)除以同樣的折減系數(shù)Fs，得出折減后的強(qiáng)度參數(shù)c′和φ′值，用新的c′和φ′值重新代入模型中計(jì)算。以此迭代計(jì)算，通過不斷調(diào)整折減系數(shù)Fs，讓邊坡的穩(wěn)定性逐漸達(dá)到臨界破壞點(diǎn)，當(dāng)?shù)?jì)算已經(jīng)無法收斂的時(shí)候，則認(rèn)為在此狀態(tài)下滑坡體處于極限平衡狀態(tài)并且發(fā)生了剪切破壞，此刻的折減系數(shù)Fs被認(rèn)為是滑坡體在該種狀況下的穩(wěn)定性系數(shù)。上述計(jì)算的公式如下所示

c′= ， （1）

φ′=arctan（） ， （2）

式中：c為黏聚力，MPa；c′為折減后的黏聚力，MPa；φ為內(nèi)摩擦角，°；φ′為折減后的摩擦角，°；Fs為折減系數(shù)。

3" 模型建立

本文采用Midas GTS/NX有限元軟件對營上變電站滑坡在暴雨工況下的滑動面特征和穩(wěn)定性系數(shù)進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際勘測情況，在CAD軟件中繪制出營上110 kV變電站東南側(cè)滑坡的地層結(jié)構(gòu)圖形；將該圖形導(dǎo)入Midas GTS/NX有限元軟件，運(yùn)用軟件生成二維模型；而后，將創(chuàng)建好的二維模型擴(kuò)展成模擬分析所需要的假三維模型。為了提高計(jì)算效率同時(shí)兼顧計(jì)算精度，本文在網(wǎng)格劃分時(shí)單元類型采用混合網(wǎng)格，在粉質(zhì)黏土與中風(fēng)化砂質(zhì)板巖接觸面處網(wǎng)格劃分最密，網(wǎng)格尺寸為1 m，在中風(fēng)化砂質(zhì)板巖邊界處網(wǎng)格稀疏，網(wǎng)格尺寸為5 m，其余網(wǎng)格尺寸為2 m，模型網(wǎng)格劃分如圖2所示，暴雨水位面如圖3所示。

4" 計(jì)算參數(shù)選取

巖土力學(xué)參數(shù)由室內(nèi)巖土試驗(yàn)和當(dāng)?shù)毓こ痰慕?jīng)驗(yàn)值選取，相關(guān)參數(shù)最終選取的結(jié)果見表1。

5" 滑坡穩(wěn)定性分析

GB/T 32864—2016《滑坡防治工程勘查規(guī)范》相關(guān)條文作為營上變電站滑坡穩(wěn)定性狀態(tài)判定依據(jù)，穩(wěn)定性狀態(tài)劃分見表2。

根據(jù)各地層材料賦值參數(shù)計(jì)算分析，暴雨工況下110 kV營上變電站東南側(cè)滑坡主剖面穩(wěn)定性系數(shù)經(jīng)Midas GTS/NX有限元軟件計(jì)算，結(jié)果為1.002，其位移云圖如圖4所示，由表2判斷該滑坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

6" 支護(hù)方案研究

6.1" 支護(hù)措施模擬

針對該滑坡存在滑面較深、剩余下滑力較大及削方空間不大等特點(diǎn)，經(jīng)與其他支護(hù)型式比較，主要通過“抗滑樁+預(yù)應(yīng)力錨索+格構(gòu)梁”的型式來治理的經(jīng)濟(jì)技術(shù)性最優(yōu)。其中1.8 m直徑的圓樁，樁間距4 m；預(yù)應(yīng)力錨索孔徑為150 mm，入射角25°，軸向拉力設(shè)計(jì)值為790 kN，橫向間距為2 m；格構(gòu)梁截面尺寸為400 mm×400 mm，其支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)見表3，支護(hù)結(jié)構(gòu)數(shù)值模型如圖5所示，為了更直觀地顯示支護(hù)模型，對中間2層巖土網(wǎng)格進(jìn)行了隱藏顯示。

6.2" 支護(hù)效果分析

從抗滑樁及格構(gòu)梁軸力分布圖（圖6）、抗滑樁及格構(gòu)梁剪力及彎矩分布圖（圖7—10）、預(yù)應(yīng)力錨索軸力分布圖（圖11）可以看出，由于格構(gòu)、錨索、抗滑樁的支擋、錨固作用，該邊坡整體位移量明顯減小，由Midas GTS/NX有限元軟件對治理后效果進(jìn)行模擬分析及支護(hù)后邊坡位移云圖（圖12），計(jì)算得到治理后滑坡的穩(wěn)定系數(shù)為2.006 3，大于GB 50021—2001《巖土工程勘察規(guī)范（2009年版）》和GB/T 32864—2016《滑坡防治工程勘查規(guī)范》條文中對邊坡要求的安全系數(shù)1.15，因此，采用該治理方案能達(dá)到預(yù)期的治理效果。

7" 結(jié)論

利用Midas GTS/NX軟件對凱里西江營上110 kV變電站滑坡進(jìn)行數(shù)值建模，對暴雨工況下變電站邊坡穩(wěn)定性，結(jié)合工程現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)行了評價(jià)，數(shù)值模擬的滑坡位移結(jié)果與現(xiàn)場勘察的真實(shí)破壞機(jī)理和滑坡發(fā)展演變的趨勢相同。經(jīng)過數(shù)值模擬計(jì)算，營上110 kV變電站滑坡在暴雨工況下的穩(wěn)定性系數(shù)是1.002，該邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，因此需要對其采取支護(hù)措施。

通過對“格構(gòu)+錨索+抗滑樁”的支護(hù)方式進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明該支護(hù)方式有效地增加了暴雨工況下邊坡的穩(wěn)定性，對位移有明顯的控制作用，經(jīng)加固后的營上變電站邊坡在暴雨工況下的穩(wěn)定性系數(shù)是2.006 3，該邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，采用該治理方案能達(dá)到預(yù)期的治理效果。

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