董爱明

（上饶市三江导托渠管理有限公司,江西 上饶 334000）

0 引言

随着库岸边坡失稳问题的频发,边坡稳定性这一问题的引发众多学者热议。针对各种因素对边坡稳定性的影响,目前研究者们已经做了大量研究。郭瑞等[1]以甘肃某边坡为研究背景,采用AHP研究分析方法就各种滑坡影响因素对边坡稳定性影响特征做出分析探讨；宋盛渊等[2]以某水电站为研究对象采用理论研究分析方法建立该电站滑坡稳定性分析模型就滑坡危险性进行评价分析；许冲等[3]以青海大地震引发的滑坡问题为研究背景利用回归模型和GIS等技术对该地区的滑坡进行危险性评价；李志平等[4]同样基于突变理论结合强度折减法建立尖点突变模型并确立一种新的边坡失稳判定方法。本文采用FLAC3 D有限元分析软件建立三维库岸边坡模型研究分析不同蓄水位等因素影响下的边坡应力、位移变化以及边坡稳定性特征。

1 工程概况

以某水库的右坝肩区域作为研究对象,该部分区域地形陡峭,主要为安山玢岩,岩体抗压强度较高且基本上呈现裸露状态。水库边坡两侧岩石多为弱风化岩石,边坡上方为强风化岩石,该类岩石抗压强度较低。在边坡上方岩体局部存在2 cm～3 cm裂缝,因此在研究该区域边坡稳定性之前对存在裂缝的岩体进行削坡处理,该水库右坝肩开挖完成后的现场图见图1。

图1 右坝肩开挖完成后现场图

2 右坝肩边坡稳定性分析

2.1 天然状态下稳定性分析

本节采用极限平衡方法对天然状态下右坝肩边坡的稳定性进行分析。图2 为边坡稳定性计算模型,模型长度为215 m,高度为170 m。右坝肩主要岩体分为5 种,其物理力学参数见表1 。利用摩根斯坦-普瑞斯法可分别计算得到仅自重作用下（天然状态下）和地震作用下的边坡最小安全系数,见图3,且表2 给出了天然状态下边坡的安全系数。

表2 天然状态下边坡安全系数

图2 边坡计算模型图

图3 最小安全系数结果图

表1 天然状态下岩体物理力学参数

2.2 原开挖方案稳定性分析

原方案根据右坝肩工程地质条件对边坡进行削坡处理,各层岩体计算参数取值见表1。在边坡开挖设计中主要考虑无地表水作用、正常蓄水位作用、无地表水地震作用和正常蓄水位下地震作用这几种工况下的最小安全系数,图4 为正常蓄水位条件下地震作用最小安全系数图,其余工况最小安全系数在表3 中给出。由图表可知：在无地表水和正常蓄水位两种工况下,右坝肩边坡开挖后的边坡稳定性良好；其余工况下的最小安全系数有所减小,但均在设计规范要求的范围内。

图4 原设计方案正常蓄水位条件下地震作用最小安全系数结果图

表3 边坡开挖原设计方案各工况下安全系数

2.3 优化方案稳定性分析

优化方案是将原设计方案中的坡角由63.5°增加至72.5°并且考虑地下水渗流和孔隙水压力影响,其余岩体物理参数和边界条件均与原设计方案相同。图5 为正常蓄水位和地震共同作用下的最小安全系数结果,表4 为优化设计方案各工况下最小安全系数结果。由图表可知当使用优化方案对边坡进行开挖后,无地表水和正常蓄水位两种工况下的安全系数较地震作用和地震与正常蓄水位共同作用工况下的安全系数大,说明优化方案下右坝肩边坡稳定性良好。此外,本节将原设计方案和优化设计方案进行对比（表5）,结果发现优化设计方案中各工况下的最小安全系数均有所降低,如原方案仅考虑自重且无地表水作用时安全系数为1.51,优化方案工况下的安全系数为1.48。但两种方案各工况下的安全系数整体均满足规范设计要求,即该边坡稳定性较好。

图5 优化设计方案正常蓄水位条件下地震作用最小安全系数结果图

表4 优化设计方案各工况下安全系数结果

表5 优化方案与原设计方案安全系数比较

3 右坝肩边坡数值分析

为进一步分析该水库右坝肩区域边坡稳定性,用有限元分析软件对该边坡区域进行数值计算,并就原开挖方案和优化方案下各工况进行边坡位移场与应力场的分析,判定边坡稳定性。

3.1 计算模型介绍

本研究使用FLAC3D软件建立了三维边坡数值模型,模型图见图6,该模型尺寸为长度（450 m）×宽度（400 m）×高度（400 m）,对其进行网格划分后该模型共有55632个单元和28649 个节点。该模型规定大坝轴线方向即垂直于河流的方向作为坐标系的X方向,顺着河流的方向规定为Y方向,Z方向为竖直向上的方向。考虑到自重作用、正常蓄水位作用以及地震作用的不同工况,在计算时将模型的边界条件设置为底面完全固定、顶面自由、四周仅考虑Z方向位移。本研究在数值计算分析时主要考虑砂卵石、砾岩、安山玢岩三种岩体参数作为模型材料的计算参数,具体岩体计算参数见表6。

表6 右坝肩边坡自然状态计算参数

图6 数值模型图

3.2 原方案正常蓄水位数值模拟结果分析

选取原边坡设计方案下的正常蓄水位工况结果就边坡应力场和位移场变化规律特征进行分析。

（1）应力场

图7 和图8 分别为正常蓄水位作用下右坝肩最大主应力图和轴线方向剖面最大主应力图,由图可知,右坝肩边坡开挖完成后,在正常蓄水位工况下边坡最大主应力比天然状态下的最大主应力大且均为压应力。

图7 正常蓄水位作用下右坝肩最大主应力图

图8 正常蓄水位作用下右坝肩轴线方向剖面最大主应力图

（2）位移场

本节对原开挖方案正常蓄水位作用下右坝肩X方向位移图进行分析。图9 为正常蓄水位作用下右坝肩 X方向位移图,图10 为右坝肩沿坝轴线方向剖面X方向位移图,由图得知在开挖完后右坝肩边坡岩体的最大位移值为12.876 mm。由图结果不难说明边坡的位移变形较小,即边坡稳定性较好。

图9 正常蓄水位作用下右坝肩 X方向位移图

图10 正常蓄水位作用下沿坝轴线方向剖面X方向位移图

3.3 优化方案正常蓄水位数值模拟结果分析

对边坡优化方案正常蓄水位工况下边坡应力场和位移场变化规律特征进行分析。

（1）应力场

图11 和图12 分别为正常蓄水位作用下右坝肩最大主应力图和轴线方向剖面最大主应力图,优化方案主要考虑了地下水和孔隙水压力的作用,增大了边坡角度。由图可知：根据优化方案对边坡进行开挖完成后,在正常蓄水位作用下边坡底部最大主应力比天然状态下有所增大,不同于原方案中得到的最大主应力均为压应力这一结论,在优化方案工况下右坝肩边坡底部出现了拉应力。

图11 优化设计方案正常蓄水位作用下最大主应力图

图12 优化设计方案正常蓄水位作用下坝轴线方向剖面最大主应力图

（2）位移场

对优化方案下的正常蓄水位作用下右坝肩X方向位移进行分析。图13为正常蓄水位作用下右坝肩 X方向位移图,图14为右坝肩沿坝轴线方向剖面X方向位移图,由图可知在使用优化方案开挖完后右坝肩边坡岩体的最大位移值为16.587 mm,说明边坡的位移变形较小,即边坡稳定性较好。

图13 优化设计方案正常蓄水位作用下X方向位移图

图14 优化设计方案正常蓄水位作用下坝轴线剖面X方向位移图

3.3 结果对比分析

本节对比分析无地表水、正常蓄水位、地震作用、正常蓄水位和地震共同作用四种工况的最大主应力值和最大变形值,对比结果见表7。由表可知,在原方案下右坝肩开挖完成后各工况作用下边坡最大主应力均为压应力,但在使用优化方案对边坡进行开挖后各工况在边坡顶部均出现拉应力,由于拉应力值较小因此不会影响到边坡的整体安全性。两种开挖设计方案在位移的最大变形值上相差不大且均在安全范围内。与原方案相比,考虑地下水和孔隙水以及增大坡角的优化方案在石方开挖上使用的较少,大约节约了15.6万m3土石方,大大节省了工程投资。

表7 两种开挖方案不同工况下的结果对比

4 结论

本文以水库右坝肩为研究对象,采用有限元分析方法通过FLAC3 D软件对边坡开挖过程进行数值模拟分析。通过对比自然状态下、各种边坡开挖的工况作用下的边坡稳定性得到了以下结论：

（1）通过原方案和优化方案发现优化方案中各工况下的最小安全系数较原设计方案均有所降低,但两种方案各工况下的最小安全系数满足规范设计要求,即该边坡稳定性较好；

（2）边坡开挖原方案在三种不同工况下边坡最大主应力均为压应力,而优化方案在不同工况下均在边坡顶部出现了数值较小的拉应力,但两种方案下的边坡稳定性均较好；且两种不同开挖设计方案中各工况最大位移变形值均符合要求。