庫水升降作用下岸坡道路安全性的有限元分析

黃強　陽波

摘要：水電站在投入運行后，為滿足防洪、航運、發電的需要，其水庫水位通常處于動態變化之中，這會對庫岸邊坡的穩定性造成影響，危及岸坡上道路的安全。文章為了探究庫水升降作用下岸坡道路的沉降破壞規律，以三峽水庫為例，在獲取庫水升降作用下岸坡巖土參數的基礎上，采用Ansys軟件建立有限元模型進行了模擬分析，提取了路面的沉降參數，同時通過理論驗算證明了數值模擬的可靠性。結果表明：水庫水位升降次數越多，道路的沉降情況越嚴重，這說明庫水升降作用會對路基造成持續損傷;道路中靠近庫區一側的沉降值及其增長幅度大于另一側，說明越靠近庫區的道路受水位升降作用的影響越大。

關鍵詞：庫水升降;道路沉降;有限元分析

中國分類號：U416.01文獻標識碼：A

0 引言

近年來，為滿足三峽庫區經濟社會發展的需要，三峽水庫沿岸城鎮不斷加大道路建設的規模，其中有不少道路修建于水庫岸坡之上。而由于防洪、航運、發電需要，庫區水位在145～175 m之間呈周期性變化，見表1。庫區水位漲落會使邊坡巖土處于飽和-失水-再飽和的循環之中，造成土體物理力學參數的劣化，引起岸坡路基的沉降。據調查，三峽庫區沿岸已經有部分道路因庫水升降作用而產生了沉降裂縫。因此，探究岸坡道路在庫水升降作用下的沉降破壞規律及防治措施，對于保證三峽庫區的道路交通安全至關重要。

在傳統的邊坡地質災害研究中，國內外學者們所關注的焦點幾乎都是滑坡問題，但在滑坡尚未發生時，邊坡穩定性降低所引起的地基沉降也會引發嚴重事故。對于邊坡的安全性研究，常用的傳統計算方法是簡化畢肖普法，但只適用于單級邊坡，用于多級邊坡時存在較多缺陷，而在實際道路工程中多級邊坡卻很常見。

為了彌補上述問題的不足，探究庫水升降作用下的岸坡道路沉降規律，本文在獲取庫水升降作用下岸坡巖土參數的基礎上，通過Ansys軟件建立整體模型進行了仿真計算，并提出了防治道路沉降的改進措施。針對多級邊坡安全系數的確定，本文通過數值模擬以及與對數螺旋機構法的對比，證明了有限元強度折減法的可靠性，以期能夠為類似工程提供借鑒。

1 邊坡土體參數的確定

在三峽庫區，大多數岸坡都是巖質岸坡，主要成分是泥巖和砂巖。泥巖和砂巖屬于軟巖，在天然狀態下能夠維持較好的穩定性，但當外部條件發生變化時，其力學性質波動較大。這些外部條件中影響最大的因素之一就是水，巖土體的含水量及滲流作用等會直接影響邊坡的穩定性。更為重要的是，三峽水庫的水位呈周期性變化，使得邊坡巖土體處于飽和-失水的動態循環之中，這會對巖土體內部結構造成損傷，使岸坡的穩定性發生變化。因此，確定庫水升降作用下岸坡巖土體的物理力學參數是本文研究的基礎，由于邊坡所經受的庫水作用從本質上來看是巖土體的飽和失水作用，因此可以采用飽和失水試驗來確定參數。

為確定邊坡巖土體的物理力學參數，筆者參考了文獻[3]唐小琳所做的飽和失水試驗。該試驗選取的研究對象是泥巖和砂巖（本文僅參考泥巖），采用鉆孔取芯法采集試驗巖樣，取回巖樣后按照規范加工為高100 mm、直徑50 mm和高50 mm、直徑50 mm的圓柱形標準試件，共加工制作12個試件。試驗擬定：以土樣飽水浸泡24 h，再烘干12 h至天然干燥狀態為一次飽和失水試驗，利用CMT5305萬能實驗機測得土體的各項力學參數。其試驗結果見表2，從表中的數據可以看出，隨著庫水升降次數的增加，土體的力學參數不斷劣化。

2 有限元模擬

2.1 多級邊坡安全系數計算

邊坡作為道路地基，其穩定性決定了道路的安全性，因此在研究道路沉降問題之前應該計算邊坡的安全系數。我國現行《邊坡技術規范》中推薦的邊坡安全系數計算方法為畢肖普法，但此方法只適用于單級邊坡，該規范中未提及多級邊坡安全系數的計算方法。而在實際的道路工程中，邊坡往往都是帶臺階的多級邊坡，這在修建盤山公路時最為常見。多級邊坡常用的計算方法為對數螺旋機構法和有限元強度折減法。

有限元強度折減法是直接對邊坡的力學參數進行折減，然后建立有限元模型進行分析，以出現塑性貫通區或運算不收斂為失穩臨界條件，以此確定安全系數。強度折減公式如下：

相比于學者們在邊坡研究中常用的對數螺旋機構法，有限元強度折減法計算簡便，不用考慮邊坡外形影響，也不用分析邊坡是否發生局部破壞還是整體破壞（對數螺旋機構法中局部破壞和整體破壞的計算方法差別較大）。為了證明有限元強度折減法適用于多級邊坡安全系數的計算，現建立一個三級邊坡，模擬計算后與文獻[5]高連生和文獻[6]鄧東平的理論計算結果進行對比，結果見表3。

由表3可知，本文所用折減法求得的安全系數與鄧東平和高連生的計算結果分別相差27.5%和19%。圖1為邊坡即將失穩時的塑性變形云圖，由圖1可知邊坡的塑性貫通區是具有一定寬度的條狀區域，而不是一條線，因此前者的內部功率更大，滑體在重力作用下更難發生滑動，安全系數也更大。綜上所述，本文計算結果與其他理論計算結果的差值處于合理范圍，有限元強度折減法可以用于多級邊坡安全系數的計算。

2.2 有限元整體模型分析

為了進一步分析庫水升降作用下岸坡公路的沉降特性，采用D—P本構模型建立一個帶臺階的三級邊坡，并在一、二級臺階上建立公路，采用實體單元solid45，在公路與邊坡之間建立接觸對，使二者形成整體模型，接觸對的摩擦系數設置為0.8，整體模型見圖2。邊坡采用表2中的材料參數，公路采用C40混凝土。對初始狀態下的邊坡進行強度折減，安全系數>1，因此在庫水升降作用之前邊坡處于穩定狀態，不會滑坡，初始狀態下的邊坡沉降云圖如圖3所示。

在確定了初始邊坡的安全性后，采用表2中的數據進行模擬計算，并提取公路的沉降值。圖2中的黑色區域為公路1，白色區域為公路2。庫水升降1次時沉降值隨庫水升降次數變化的曲線見圖4～5。