王康三 司建强 曾国 王元康

摘 要：为了确定切实可行的支护开挖方案，本研究运用Slide软件并分别采用Bishop法、Janbu法、Fellenius法和Spencer法等对云南某大型输水隧洞洞口边坡在正常、暴雨、地震工况下进行稳定性模拟分析。结果表明，对于同一剖面，在相同运行工况下，运用Janbu法分析出的最小安全系数最小;对于同一剖面，在同一分析方法下，最小安全系数最小的为暴雨工况;采用Janbu法对边坡开挖支护的最终方案进行分析模拟，最小安全系数[K]=1.237>1.20，开挖边坡安全系数计算值满足规范要求，隧洞洞口边坡在各运行工况下处于稳定状态。

关键词：稳定性分析;开挖支护;安全系数;水利工程

中图分类号：TV731文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）08-0025-04

Application of Slide in Slope Stability Analysis of Hydraulic Engineering

WANG Kangsan SI Jianqiang ZENG Guo WANG Yuankang

（PowerChina Kunming Engineering Corporation Limined，Kunming Yunnan 650051）

Abstract： In order to determine a feasible support excavation scheme， this study used the Bishop method， Janbu method， Fellenius method and Spencer method to simulate the stability of a large-scale water conveyance tunnel entrance slope by Slide software in Yunnan under normal， heavy rain， and earthquake conditions. The results show that， for the same section， under the same operating conditions， the minimum safety factor analyzed by the Janbu method is the smallest; for the same section， under the same analysis method， the smallest safety factor is the smallest rain condition; the Janbu method is used to analyze and simulate the final scheme of slope excavation and support， the minimum safety factor [K]=1.237>1.20， the calculated value of the safety factor of the excavated slope meets the requirements of the code， and the slope of the tunnel entrance is stable under all operating conditions.

Keywords： stability analysis;excavation and support;safety factor;water conservancy project

隨着我国水利建设的快速发展，越来越多的水利工程项目涉及边坡开挖支护，边坡失稳可能造成较大的工程事故，导致大量人员伤亡和财产损失，故边坡的稳定性分析对工程建设和安全运行具有重大意义，是设计合理的边坡开挖支护方案的基础。国内外专家及学者对边坡稳定性分析做了大量的研究，并取得了一系列成果[1-3]。在研究过程中，人们将数学方法及模型应用于边坡稳定性分析。杜九博[4]等通过建立三维边坡开挖模型，采用基于强度折减法的三维有限元软件对西藏某水利工程边坡进行稳定分析;王俊杰[5]等采用有限元强度折减法对重庆市金佛山水利工程坝址区左岸岩质高边坡进行分析;洪海春[6]等通过建立模糊综合评判模型对贵（阳）遵（义）高等级公路工程边坡进行实例分析。Slide软件由加拿大RocScience公司研发，是一个适用于土质边坡和岩质边坡稳定性的分析软件，它具备一系列全面广泛的分析特性，包括支撑设计、完整的地下水（渗流）有限元分析及随机稳定性分析，计算原理为极限平衡法。本文通过采用Slide软件对拟定设计边坡开挖支护方式在正常、暴雨、地震工况下进行稳定性模拟分析，根据分析结果改进相应的支护方式，以确保工程安全且经济，旨在为类似边坡的稳定性分析和设计提供参考。

1 工程概况

工程区地下水类型有第四系孔隙水、岩溶水和基岩裂隙水。工程区地形起伏不大，物理地质现象以风化为主。非可溶性的砂岩、板岩、粉砂岩和页岩多见于全强风化层。全风化底界垂直埋深一般为5～25 m，强风化界垂直埋深一般为20～50 m。除局部外，可溶性的白云岩、灰岩一般发育表层强烈溶蚀风化岩体，一般处于基覆界线以下15 m以内，裂隙性溶蚀风化底界垂直埋一般超过40 m。受断裂影响，构造附近岩体多形成风化深槽。工程区处于50年超越概率10%的水平地震动峰值0.20 g区内，相应的地震基本烈度为8度。

根据前期勘察室内岩土体物理力学试验成果统计分析，并类比滇中地区的掌鸠河引水工程、牛栏江—滇池补水工程等与本工程类似的地基土层以及相关工程经验，提出该段（地层Q4el+dl）各主要土层的力学参数建议值，详情如表1所示，按岩性、风化程度，提出主要岩体物理力学参数建议值，如表2所示。

2 边坡稳定分析

2.1 建立模型

Slide软件是一个适用于土质边坡和岩质边坡稳定性的分析软件，在不同外界荷载及地下水等条件下迅速建立复杂的模型并计算分析，该软件应用垂直条块极限平衡法，分析方法有Bishop法、Janbu法、Fellenius法和Spencer法等。用户可以定义一个或几个圆心半径搜索区域，软件会自动搜索这些区域并计算出所有有效滑移面的安全系数并给出最小安全系数及滑移面。用户可以手动定义搜索的圆心半径搜索区域，也可以让软件自动获得圆心和半径搜索区域，用户只需花极少的时间和设定就能得到可靠的计算结果。

根据工程区的地质条件，地形地貌、征地范围等，拟定初步方案：隧洞进口边坡采用人工开挖，开挖边坡最大坡高约为36 m，开挖坡比1.0∶1.2，在高程1 917.00 m处设置2 m宽马道，开挖边坡坡面采用喷混凝土+挂网钢筋+锚杆支护进行坡面常规支护，主要措施为洞口设置1 m厚C25贴坡混凝土（锚拉板），边坡喷C20混凝土（厚15 cm），布置挂网钢筋[Φ]6.0@0.2 m×0.2 m;系统锚杆[Φ]25长4.5 m，间排距为3 m×3 m，入岩4.4 m，采用梅花形布置;坡面排水孔孔深为3 m，间排距为3 m，采用梅花形布置;开挖范围线和洞口线外1 m设间距2 m、长9.0 m的锁口锚筋桩3C28，开挖范围线外在3～5 m设截水天沟，断面尺寸为0.5 m×0.5 m，采用C25素混凝土，马道设有0.5 m宽排水沟，末端与截水天沟相连（见图1）。选择该隧洞洞口边坡A-A纵剖面和边坡最高点B-B剖面，通过Slide软件建立数值模型，对这两个典型剖面进行计算分析，如图2至图5所示。

2.2 数值模拟分析

依据该输水线路工程等级、建筑物级别、边坡重要性及失事后的危害程度，开挖边坡级别为1级。查《水利水电工程边坡设计规范》（SL 386—2007），边坡设计安全系数如表3所示。

分析表4可知，同一剖面在同一分析方法下最小安全系数由大到小分别为：正常工况（a）>地震工况（c）>暴雨工况;A-A剖面的正常和地震运行工况下，各种分析方法得出的最小安全系数均大于相应的设计要求，然而暴雨运行工况下得出的最小安全系数均小于相应的设计要求（[K]<1.20），运用Janbu法分析出的最小安全系数[K]=1.066<1.20;B-B剖面的各运行工况下，各种分析方法得出的最小安全系数均大于相应的设计要求;同一剖面在同一运行工况下运用Janbu法分析出的最小安全系数最小。综上，该初步方案通过Slide软件进行稳定性模拟分析得出最小安全系数[K]=1.066<1.20，故无法保证边坡稳定，需要调整方案，使得A-A剖面在暴雨运行工况下采用Janbu法分析得出的最小安全系数大于相应的设计要求，即[K]>1.20可保证整个隧洞洞口边坡在各运行工况下处于稳定状态。

2.3 调整方案

Slide软件可以迅速自动搜索断面区域，计算出所有有效滑移面的安全系数，给出最小安全系数值模型，人们可以利用Slide软件，采用Janbu法分析边坡开挖数及滑移面。隧洞洞口边坡A-A剖面开挖支护方案不断调整，有必要进行动态分析模拟。合理调整后，最终确定的开挖支护方案为：隧洞进口边坡采用人工开挖，开挖边坡最大坡高约为36 m，开挖坡比1.0∶1.2，在高程1 917.00 m设2 m宽马道，对开挖边坡坡面采用喷混凝土+挂网钢筋+锚杆支护+锚索支护进行坡面支护。主要措施为洞口马道上部边坡HI范围内浇筑C25贴坡混凝土并设置两排1 000 kN级锚索@5 m，[L]=30 m，洞口设置1m厚C25贴坡混凝土（锚拉板），其余边坡喷C20混凝土（厚0.5 m），布置挂网钢筋[Φ]6.0@0.2m×0.2m;系统锚杆[Φ]25长6.0 mm，间排距为3 m×3 m，入岩5.9 m，采用梅花形布置;坡面排水孔孔深为3 m，间排距为3 m，采用梅花形布置;开挖范围线和洞口线外1 m设间距2 m、长9.0 m的锁口锚筋桩3C28，开挖范围线外3～5 m设截水天沟，断面尺寸为0.5 m×0.5 m，采用C25素混凝土，马道设有0.5 m宽排水沟，末端与截水天沟相连;对于隧洞洞口，正面贴坡混凝土（锚拉板），设置四排水平锚筋桩3C28，间排距为2.5 m×2.5 m。

最终方案的边坡开挖支护图及数字模拟分析如图6所示，即A-A剖面暴雨运行工况下采用Janbu法分析得出最小安全系数及滑移面，最小安全系数[K]=1.237>1.20，边坡稳定性系数满足工程設计要求。采用Slide软件模拟分析的过程中，边坡增设锚索后，安全系数显著增大，锚索穿过覆盖层埋入岩层内部，这是一种传递支护力至深部稳定岩层的主动支护方式，较大范围内明显增加边坡锚固效应。边坡施工时应自上而下逐级开挖、及时支护，有利于边坡的稳定。此外，方案中，截水天沟和排水沟的设置能够减少岩体的孔隙压力及天然容重，进而减少滑移作用力，增强抗剪强度，提高边坡稳定性。

3 结论

本文以云南某输水隧洞洞口边坡为实例，通过Slide软件建立数值模型，对两个典型剖面进行计算分析评价。其间通过Slide软件建模来进行数值模拟，分别采用

Bishop法、Janbu法、Fellenius法和Spencer法对拟定设计边坡开挖支护方式在正常、暴雨、地震工况下进行稳定性模拟分析。同一剖面在同一运行工况下运用Janbu法分析出的最小安全系数最小，Bishop法分析出的最小安全系数最大;同一剖面在同一分析方法下最小安全系数最小的为暴雨工况。随着方案的不断调整，Slide软件能够快速地进行动态分析模拟，工程设计的实用性强。对隧洞洞口边坡开挖支护方案进行稳定性模拟分析可知，最终方案的最小安全系数满足工程设计要求。本文在边坡稳定分析过程中存在不足，比如，使用Slide软件分析不能有效地反映材料之间复杂的本构关系，并且单一的分析方法存在一定的随机性和不可靠性，今后应采用多种数值模拟方法对边坡进行综合性稳定分析。

参考文献：

[1]陈祖煜.土质边坡稳定分析：原理·方法·程序[M].北京：中国水利水电出版社，2003.

[2]王玉平，曾志强，潘树林.边坡稳定性分析方法综述[J].西华大学学报（自然科学版），2012（2）：101-105.

[3]Griffiths D V，Lame P A.Slope Stability Analysis by Finite Elements[J].Geotechnique，1999（3）：87-403.

[4]杜九博，杨士瑞，吴先敏等.基于三维精细模型的水利工程高边坡稳定分析[J].人民黄河，2019（9）：129-131.

[5]王俊杰，邱珍锋.金佛山水利工程左岸岩质高边坡稳定分析[J].重庆交通大学学报（自然科学版），2013（2）：485-488.

[6]洪海春，徐卫亚，叶明亮.基于模糊综合评判的边坡稳定性分析[J].河海大学学报（自然科学版），2005（5）：557-562.