基于Slide軟件的人工高邊坡有限元分析

潘永膽，袁國棟，和麗清，安可君

(1.長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430212； 2.中國葛洲壩集團(tuán)，湖北 宜昌 443002；3.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 熱帶作物學(xué)院,云南 普洱 665099；4.華能瀾滄江水電股份有限公司 糯扎渡水電廠，云南 普洱 665005)

1 基本資料

1.1 項(xiàng)目概況

烏干達(dá)卡永加水電站主要致力于發(fā)電，其主體結(jié)構(gòu)包括大壩、廠房和泄洪建筑物.該水電站發(fā)電裝機(jī)容量900 MW，正常蓄水位70 m，最大壩高80 m，總庫容5.08×108m3.該水電站建設(shè)項(xiàng)目屬于大型水利工程，建筑物主要由大壩、泄洪建筑物、輸水和發(fā)電結(jié)構(gòu)等組成；主要建筑物安全性級(jí)別為二級(jí).

烏干達(dá)高型混凝土重力壩一期水電站項(xiàng)目壩址位于卡永加村莊上游約9.3 km處.壩址屬于高中山區(qū)，兩側(cè)山脈高程均超過400 m，河谷相對呈現(xiàn)U形，通過綜合考慮地形、地質(zhì)條件以及項(xiàng)目布局，在壩址范圍內(nèi)確定壩軸位置.卡永加河水向170°方向流動(dòng)，正常蓄水位70 m時(shí)的水面寬度約為379.5 m.河岸上樹木繁茂，較多地區(qū)覆蓋著第四紀(jì)松散地層，局部基巖裸露.壩址基巖為大塊角礫晶體凝灰?guī)r，巖性簡單，地質(zhì)構(gòu)造損傷小，巖體風(fēng)化均勻，壩區(qū)內(nèi)無斷層和斷裂.

1.2 工程地質(zhì)條件

左岸壩肩為人工陡坡，現(xiàn)場鉆孔數(shù)據(jù)和地質(zhì)繪圖揭示：海拔39.0 m～63.8 m主要由微風(fēng)化巖體和弱風(fēng)化帶下段組成，伴有塊狀或次塊狀結(jié)構(gòu)；海拔63.8 m～95.8 m人工陡坡主要由鑲嵌結(jié)構(gòu)的弱風(fēng)化帶上段組成；海拔95.8 m以上人工陡坡主要由崩積層(崩積與坡積混合層)和碎石組成，其中崩積層厚8.5 m～10.0 m，并伴有泥土.邊坡處現(xiàn)場踏勘無明顯斷裂構(gòu)造，其地下水主要是基巖裂縫水，地下水水位為4.00 m～24.20 m，其頂層約有8 m(部分10 m)厚的覆巖，其主要為伴有泥土的碎石(巨礫)，結(jié)構(gòu)疏松，穩(wěn)固性差.在覆巖底部，有軟塑型粉質(zhì)黏土.人工邊坡中下部為巖石，巖石局部裂縫發(fā)育但無明顯方向性.

右岸壩肩為人工陡坡，現(xiàn)場鉆孔數(shù)據(jù)和地質(zhì)繪圖揭示：海拔11 m～114.5 m人工陡坡主要由弱風(fēng)化帶下段和微新巖體組成，伴有塊狀或次塊狀結(jié)構(gòu)；海拔114.5 m以上的人工陡坡主要為弱風(fēng)化帶上段，鑲嵌結(jié)構(gòu).邊坡處的地下水主要是基巖裂縫水，地下水水位為11.3 m～18.8 m.右岸人工邊坡主要是巖石，巖石局部裂縫發(fā)育但無明顯方向性.

2 計(jì)算方法和力學(xué)參數(shù)

現(xiàn)階段用于邊坡穩(wěn)定性計(jì)算的專業(yè)軟件比較多，通用軟件Ansys和Adina建模計(jì)算過程比較復(fù)雜，這給工程的實(shí)際應(yīng)用帶來諸多不便.Rocscience公司開發(fā)的邊坡穩(wěn)定性計(jì)算軟件Slide，是通過與各種極限平衡方法的結(jié)果比較，用上、下界限法和極限平衡法分析非均質(zhì)土體的幾何不規(guī)則邊坡剖面，給出有限元分析法產(chǎn)生的安全系數(shù)、臨界滑動(dòng)面位置，準(zhǔn)確模擬邊坡穩(wěn)定性的軟件.因其建模過程方便，計(jì)算快捷，在邊坡穩(wěn)定性計(jì)算中應(yīng)用廣泛[1].

本文結(jié)合工程實(shí)例成果，采用Rocscience Slide二維邊坡穩(wěn)定分析軟件[2]，首先建立計(jì)算模式，并確定左右岸人工陡坡破壞模式，其次定義幾何、材料、地下水三個(gè)邊界條件，并進(jìn)行材料特性值和滑移面設(shè)置和不同工況條件的計(jì)算，最后比較分析計(jì)算結(jié)果K值與安全系數(shù)規(guī)范值[K]，判斷左右岸邊坡不同工況的最危險(xiǎn)滑動(dòng)面和安全系數(shù)，參考類似工程項(xiàng)目措施提出左右岸人工陡坡加固處理措施.

根據(jù)現(xiàn)場鉆孔取樣、力學(xué)實(shí)驗(yàn)、地質(zhì)資料和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定本次計(jì)算參數(shù).為保證計(jì)算參數(shù)取值的可靠性[3]，壩址處邊坡的主要物理力學(xué)參數(shù)，如表1所示.

表1 土體物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 左岸壩肩陡坡

根據(jù)左岸邊坡高度和地質(zhì)條件，選擇左岸壩肩高邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性2D數(shù)值計(jì)算和分析.使用Rocscience Slide軟件評(píng)估施工期間和運(yùn)行期間不同計(jì)算工況下的邊坡穩(wěn)定性和安全系數(shù)[4].計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)，如表2所示.

表2 左岸邊坡計(jì)算工況和安全系數(shù)

計(jì)算結(jié)果表明，左壩肩邊坡穩(wěn)定性主要受上部夾雜石頭(卵石)和土壤的崩積物影響，短暫狀況(施工期)安全系數(shù)1.18，大于規(guī)范值1.15(最大值)，巖石坡的整體穩(wěn)定性能夠滿足規(guī)范要求.持久狀況(運(yùn)行期)安全系數(shù)1.18，小于規(guī)范值1.25(最大值)，需采用加固和支護(hù)措施后方能滿足安全要求.

3.2 右岸壩肩陡坡

根據(jù)右岸邊坡最大開挖坡度和地質(zhì)條件，選擇典型橫截面，采用2D平面數(shù)值有限元分析.計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)，如表3所示.

表3 右岸邊坡計(jì)算工況和安全系數(shù)

計(jì)算結(jié)果表明，右岸邊坡短暫狀況(施工期)安全系統(tǒng)3.49，大于規(guī)范值1.15(最大值)，整體穩(wěn)定性良好；持久狀況(運(yùn)行期)邊坡的安全系數(shù)5.01，大于規(guī)范值1.25(最大值)，整體穩(wěn)定性良好.

4 結(jié)論與建議

1)左岸壩肩陡坡每隔10 m～15 m設(shè)置高度不同的3 m寬馬道，開挖坡度為1∶0.5～1∶0.75.考慮到左岸交通需求，高程75 m處應(yīng)設(shè)置8 m寬馬道，左壩肩上應(yīng)擴(kuò)大到18 m，便于纜索起重機(jī)卸載材料.為防止開挖坡面巖塊的不穩(wěn)定和石塊掉落，邊坡上應(yīng)設(shè)置邊坡系統(tǒng)錨桿及鋼筋網(wǎng)加強(qiáng)型噴射混凝土支護(hù)和排水設(shè)施.開挖邊坡應(yīng)采用邊坡系統(tǒng)錨桿(直徑25 mm，每個(gè)長6.0 m)支護(hù)，間距2.5 m×2.5 m.每層坡頂應(yīng)設(shè)置兩排邊坡系統(tǒng)錨桿(直徑28 mm，每個(gè)長9.0 m，間距2.5 m×2.5 m).坡面應(yīng)采用12 cm厚的鋼筋網(wǎng)加強(qiáng)型噴射混凝土進(jìn)行保護(hù)，排水孔應(yīng)按次序排列，每個(gè)排水孔長6.0 m，直徑56 mm，間距3.0 m×3.0 m.較大的不穩(wěn)定巖塊上應(yīng)布置長25 m～45 m、預(yù)應(yīng)力1500 kN或2000 kN的預(yù)應(yīng)力錨索.左壩肩頂部大部分地區(qū)分布著崩積物，夾雜著石頭(卵石)和土壤.崩積物較厚，應(yīng)在馬道上方105 m高程處設(shè)置一排深25 m的防滑樁.防滑樁埋入微風(fēng)化巖體內(nèi)2 m深，防滑樁斷面尺寸為3.0 m×3.0 m，間隔5.0 m.邊坡上應(yīng)提供排水溝、截水溝、排水孔和其他設(shè)施進(jìn)行排水.

2)右岸壩肩陡坡每隔15 m～20 m應(yīng)設(shè)置高度不同的3 m寬馬道，并且開挖坡度為1∶ 0.3～1∶0.5.考慮到右岸的交通需求，應(yīng)在75 m高程處設(shè)置10 m寬馬道.為防止開挖坡面巖塊的不穩(wěn)定和石塊掉落，邊坡上應(yīng)設(shè)置邊坡系統(tǒng)錨桿及鋼筋網(wǎng)加強(qiáng)型噴射混凝土支護(hù)和排水設(shè)施.開挖邊坡應(yīng)采用邊坡系統(tǒng)錨桿(直徑25 mm，每個(gè)長6.0 m)支護(hù)，間距2.5 m×2.5 m.每層坡頂應(yīng)設(shè)置兩排邊坡系統(tǒng)的錨桿(直徑28 mm，每個(gè)長9.0 m，間距2.5 m×2.5 m).坡面應(yīng)采用12 cm厚的鋼筋網(wǎng)加強(qiáng)型噴射混凝土進(jìn)行保護(hù)，排水孔應(yīng)按次序排列，每個(gè)排水孔長6.0 m，直徑56 mm，間距3.0 m×3.0 m.較大的不穩(wěn)定巖塊上應(yīng)布置長25 m～45 m、預(yù)應(yīng)力1000 kN或2000 kN的預(yù)應(yīng)力錨索.