有限元局部強度折減法在反傾巖質庫岸邊坡中的應用

陳 園

(新疆水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊 830000)

0 引 言

不同類型的邊坡有著不同的特點，邊坡的變形方式不同導致其破壞方式也不同，根據坡體結構來選擇合適的分析方法極其重要[1-3]。

傳統的有限元強度折減法是全局強度折減法，通過對坡體進行單元劃分，將每個單元體的抗剪強度參數進行強度折減，直至坡體達到極限平衡狀態。但在實際工程中，坡體也有可能由于外部荷載的作用發生失穩滑移破壞，巖土體的弱化可能只是失穩因素的一部分，而對于復雜的巖土體結構，巖土體弱化性能有很大差異，如果對所有巖土體進行全局折減，勢必會對坡體的穩定性分析造成很大的誤差[4-7]。

本文利用有限元軟件Phase2對該反傾巖質邊坡采用全局強度折減法分析坡體穩定性，再根據其塑形變形范圍選擇合適的強度折減區域，即利用有限元局部強度折減法分析庫岸穩定性。

1 有限元局部強度折減法

1.1 局部強度折減法的定義

通常情況下，結構復雜的坡體其巖土體的性能有很大的差別，局部強度折減法是只對其中抗剪強度低且易弱化的巖土體進行強度折減，而對抗剪強度高且不易弱化的巖土體計算過程中保持不變。

1.2 局部折減土體的選取原則

在局部強度折減法中，最重要的就是要選擇局部折減的巖土體和折減區域。通常情況下，該部分區域對坡體的穩定性起著決定性的作用，根據實際工程進行選擇，一般選擇局部折減土體有以下幾種情況：①計算分析人員所關心的區域；②巖質邊坡中的層面或者軟弱結構面；③坡體內的潛在滑裂帶；④水滲流區域或者浸潤線以下部分。

1.3 局部強度折減法的計算流程

本文采用有限元軟件Phase2進行有限元局部強度折減計算，Rocscience公司研制的Phase2程序是一款能夠全面快速簡便地計算巖土體二維邊坡穩定性的軟件，具體計算流程如下：

1) 建立邊坡模型。在折減區域未知時，先利用全局強度折減法試算，求解出邊坡的潛在滑移面的大致區域。如果預先知道局部折減區域，該步可跳過。

2) 重新建立邊坡模型。定義強度折減區域，再進行網格劃分，注意不要在網格劃分后再確定局部折減區域。

3) 進行有限元局部折減計算。求解出坡體的安全系數和滑移面，觀察該滑移面是否處于折減區域內，如果滑移面不在該折減區域內，重新定義局部折減區域。此時因擴大折減區域，再進行有限元強度折減計算，直至最終滑移面在所定義的折減區域內。此時的折減系數為坡體安全系數，對于的位移為臨界位移。

2 模型的建立及模型參數

以某滑坡為例，該滑坡在自然條件等因素影響下，長期處于不穩定狀態。圖1為滑坡全貌圖。

圖1 邊坡全貌圖

對研究區勘察資料進行整理，選取庫岸的某個典型斷面進行分析，對坡面進行適當簡化，圖2為坡體地質剖面圖。

圖2 坡體地質剖面圖

水庫蓄水后，庫水位在145～175 m之間變化。庫岸邊坡每年都會經歷一次升降水位變化過程，極大地影響了岸坡的水文地質環境，消落帶長期遭受干濕循環作用，巖體強度不斷降低，巖體內部結構發生改變，消落帶巖體的軟化作用將會導致整個坡體的穩定性發生變化。圖3為消落帶全貌圖。

圖3 消落帶全貌圖

消落帶以上的巖體由于長期的風化作用，巖土體物理力學參數也出現一定程度的降低。該庫岸邊坡的巖體結構主要為灰巖，基巖為弱風化灰巖，風化層為強風化灰巖。依據相關試驗以及規范[8]，對巖土體相關物理參數進行經驗取值。表1為壩坡相關的物理力學參數。

表1 坡體相關物理力學參數

對研究區岸坡某個典型斷面進行分析，擬采用有限元軟件Phase2對岸坡進行穩定性分析。

3 有限元坡體穩定性分析

根據研究區現場的監測資料，對該庫岸邊坡的整體變形破壞過程進行分析，認為該岸坡的穩定性主要受消落帶巖土體的物理力學參數弱化作用以及風化層的共同影響，擬對該岸坡采取3種工況進行分析。

工況一：在自然情況下，假定岸坡消落帶不受庫水升降變化的影響，不考慮消落帶巖土體的軟化作用，對岸坡采用全局強度折減法。

工況二：消落帶和風化層弱化。消落帶受到庫水沖刷軟化的影響，風化層受到自然條件下長期風化作用，消落帶和風化層的巖土體參數均降低，對岸坡的穩定性分析中只對消落帶和風化層采用局部強度折減。

工況三：消落帶弱化。消落帶受到庫水位變化的影響，巖土體發生軟化作用，強度降低，對岸坡進行穩定性分析中只對消落帶采用局部強度折減。

3.1 工況一分析

在自然狀況下，假定岸坡消落帶不受庫水升降變化的影響，不考慮消落帶巖土體的軟化作用，利用Phase2軟件對該岸坡進行有限元全局強度折減法，即坡體的所有巖土體強度參數進行折減，計算得到岸坡的安全系數為0.61。圖4為最大剪應變云圖和位移云圖。

由圖4可以看出，當對岸坡進行全局強度折減時，最大剪應變和最大位移均出現在消落帶位置，而基巖位置產生的剪應變和位移均很小。因此，對該坡體進行有限元強度折減法分析時，如果對基巖也進行強度折減，很明顯不對的。

3.2 工況二分析

考慮消落帶受到庫水沖刷軟化的影響，風化層受到自然條件下長期風化作用，消落帶和風化層的巖土體參數均降低，利用Phase2軟件對該岸坡進行有限元局部強度折減法，即只對消落帶和強風化層的巖土體參數進行折減，計算得到岸坡的安全系數為0.73。圖5為最大剪應變云圖和位移云圖。

圖5 工況二計算結果

由圖5可以看出，只對消落帶和強風化層的巖土體參數進行折減時，最大剪應變和最大位移均出現在強風化層位置。圖3與圖4相比，只對消落帶和強風化層的巖土體參數進行折減時，最大剪應變的位置發生改變，最大剪應變明顯增加；產生最大位移的位置也發生了改變，最大位移也明顯增加。雖然最大剪應變和最大位移均增加，但岸坡的安全系數提高了。

3.3 工況三分析

消落帶弱化。消落帶受到庫水位變化的影響，巖土體發生軟化作用，強度降低，對岸坡進行穩定性分析中只對消落帶采用局部強度折減，利用Phase2軟件對該岸坡進行有限元局部強度折減法，即只對消落帶和強風化層的巖土體參數進行折減，計算得到岸坡的安全系數為2.6。圖6為最大剪應變云圖和位移云圖。

圖6 工況三計算結果

當考慮消落帶受庫水沖刷，在干濕循環作用下其巖體結構發生變化，巖體強度降低。由圖6可以看出，只對消落帶進行局部強度折減時，最大剪切應變和位移均只發生在消落帶及以下位置，并且計算得到的安全系數為2.6，這與實際工程是不相符的，在對該岸坡穩定性分析時不應只對消落帶進行局部強度折減。

3.4 小 結

從以上對岸坡的整體強度折減法和局部強度折減法分析中可知，消落帶受庫水沖刷，在干濕循環作用下其巖體結構發生變化，巖體強度降低，而上部的強風化層長期受到雨水氣候等風化作用，其巖土體物理力學參數也降低。消落帶巖體的逐漸損傷，岸坡內發生剪切破壞和張拉破壞的區域不斷增大，由坡腳處逐漸向上延伸，直至崩滑體后緣。同時可以看出，岸坡變形過程中，表層巖體主要發生張拉破壞，而深層巖體主要發生剪切破壞。

當采取工況二分析時，即對強風化層和消落帶進行局部強度折減時，最大剪應變和位移發生在中部的強風化層。這是因為消落帶的巖體強度降低，導致岸坡穩定性降低，岸坡內發生剪切破壞和張拉破壞的區域不斷增大，由坡腳處逐漸向上延伸，直至崩滑體后緣，這與實際工程中的監測數據也是吻合的。

4 結 論

利用有限元Phase2軟件，對反傾巖質庫岸邊坡進行有限元分析，采用有限元全局強度折減法和有限元局部強度折減法，對3種不同工況下的坡體進行穩定性分析。

當采用計算工況二分析時，即對消落帶和強風化層進行局部強度折減時，其計算結果與實際監測數據相吻合。由于庫水位的升降變化，消落帶在長期干濕循環作用下，巖土體結構發生變化，強度降低，岸坡內發生剪切破壞和張拉破壞的區域范圍不斷增發，由坡腳處逐漸向上延伸，直至崩滑體后緣。

不同類型的邊坡有著不同的特點，邊坡的變形方式不同導致其破壞方式也不同，因此針對不同類型的邊坡應選擇合適的分析方法。