基于Slide的水電站高邊坡穩定性分析及支護方案研究

李云波，董 泳，劉肖峰，劉 俊，崔 笑

(1.南京市水利規劃設計院股份有限公司，江蘇 南京 210022；2.中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司，北京 100024；3.河海大學水利水電學院，江蘇 南京 210024)

0 引 言

邊坡穩定是巖土工程安全的重要評價指標，邊坡土體失穩下滑引起的坍塌破壞，極大威脅施工及周邊建筑物的安全[1]。特別地，由于水電站所在的庫區邊坡涉及到水庫的安全，其邊坡穩定較一般山體邊坡的安全要求等級更高。因此，對水電站的邊坡進行穩定性分析，以及對存在安全隱患的邊坡加強處理十分必要。在邊坡穩定分析中，最為常用的方法是極限平衡法，很多學者基于此方法對邊坡穩定性進行了研究。師志剛等[2]對旬陽水電站魚類增殖站土質邊坡進行了穩定性分析；馮煒等[3]對獅子山滑坡在天然和暴雨工況下的穩定性及相應支護措施進行了分析研究；王庭元等[4]分析了某電廠巖質邊坡在各種工況下的運行穩定性。由于計算機技術和有限元計算軟件精度的提高，越來越多的工程采用有限元軟件進行邊坡穩定的計算和校核[5]。聶緒斯等[6]基于GEO-SLOPE軟件對某露天礦山邊坡穩定性分析并對相關的治理方案進行了選擇研究；葉志程等[7]采用MIDAS GTS/NX對文成縣某邊坡的穩定性綜合分析；周樂[8]基于FLAC3D軟件對垂直高邊坡工后穩定性進行了數值模擬分析。

高邊坡較一般邊坡的力學特性復雜，影響安全穩定的因素較多，需要專業的有限元分析軟件進行計算研究。Rocsciencee公司研發的Slide有限元分析軟件目前在工程領域應用較為廣泛，很多學者基于此軟件對邊坡穩定性進行了研究。李炳陽等[9]計算了水閘的滲流并進行安全分析；張永貴等[10]對魏家峁露天煤礦邊坡的穩定性進行了計算分析；茍棟元等[11]對山區公路路塹邊坡的加固設計進行穩定性分析。但由于高邊坡工程的復雜性，Slide軟件針對涉水高邊坡工程穩定性的計算研究應用較少，其應用的可靠性需要進一步驗證，需要結合具體工程進行進一步深入探討。為此，本文以西南某水電站高邊坡為研究對象建立計算模型，計算圓弧滑面采用下限解法，通過簡化畢肖普法求解最危險滑面的安全系數，并根據計算結果制定相應的支護方案。

1 計算理論及工況

1.1 計算理論

邊坡穩定分析計算采用有效應力法，抗剪強度應力τf按下式確定[12]

τf=c′+σ′tanφ′

(1)

式中，σ′為土體的有效法向應力；c′、φ′為土體的有效應力抗剪強度指標。采用簡化畢肖普法進行邊坡穩定安全系數計算[13-14]，公式為

c′ibisecαi}/(1+tanαitanφ′/K)/

(2)

式中，K為安全系數；Wi為第i滑動條塊自重；Qi、Vi為分別作用在第i滑動條塊上的外力在水平向和垂直向的分力；ui為第i滑動條塊底面的孔隙壓力；αi為第i滑動條塊底滑面的傾角；bi為第i滑動條塊寬度；c′、φ′為第i滑動條塊底面的有效黏聚力和內摩擦角；MQi為第i滑動條塊水平向外力Qi對圓心的力矩；R為圓弧半徑。

1.2 計算工況

庫區高邊坡的安全穩定分析一般有正常運行工況和降雨工況。①正常運行工況。考慮不利組合，計算時，坡外水位選擇死水位，地下水位按天然水位線考慮。荷載組合為：自重+地下水壓力+邊坡外水壓力(對應死水位)。②降雨工況。施工期按暴雨且坡外無水的最不利組合，采用孔壓系數法，計算擬通過給定滑面上的孔隙水壓力系數ru=0.1模擬降雨。孔隙水壓力根據浸潤線的位置按簡化原則確定。孔隙水壓力系數說明見圖1。圖1中，h為滑裂面以上浸潤線的高度；H為土體高度，即為降雨時潛在滑裂面以上浸潤線的高度。

圖1 孔隙水壓力系數說明

假定流場的等勢線鉛直，A點承受的孔隙水壓力μ=rwh，其中，rw為水容重。則A點的孔隙水壓力系數ru定義為該點的孔隙水壓力μ與相應該點滑裂面以上巖柱質量的比值，即

(3)

對于降雨工況，若設定孔隙水壓力系數ru=0.05，假設土的容重一般為2.0 g/cm3，根據式(3)，h與H的比值為0.1，也即假定在連續降雨的條件下，邊坡內的水不能及時排出，潛在滑裂面以上浸潤線的高度約為相應土柱高度的10%。若設定孔隙水壓力系數ru=0.1，則潛在滑裂面以上浸潤線的高度約為相應土柱高度的20%。根據工程所在地氣候特點，降雨工況取ru=0.1模擬降雨對圖1中浸潤線的影響。

2 工程應用

2.1 工程概況

圖2 典型剖面

圖3 邊坡穩定計算模型(單位：m)

表1 材料力學參數

2.2 結果分析

基于slide有限元軟件，采用畢肖普法對正常運行工況及降雨工況下的泄洪排沙洞出口段邊坡穩定性進行了分析。計算結果見圖4。從圖4可知，正常運行工況下，邊坡安全系數為1.245，小于規范要求的安全系數下限值1.25。降雨工況下，邊坡安全系數為1.132，小于規范要求的安全系數下限值1.20。由上可知，該邊坡在正常運行工況及降雨工況下的安全系數均不滿足規范要求。為了安全考慮，應采取支護措施對該邊坡進行支護。

圖4 基于slide有限元軟件的邊坡穩定計算結果

2.3 支護方案

2.3.1 回填石渣處理方案

考慮從高程1 113 m馬道進行回填石渣，回填石渣坡腳延伸至泄槽擋墻墻背高程1 105 m，整體填土坡度近1∶3。回填石渣處理方案見圖5。計算模型見圖6。

圖5 回填石渣處理方案(高程：m)

石渣回填后正常運用及降雨工況邊坡穩定計算結果見圖7。從圖7可知，回填石渣后正常運行及降雨工況下的安全系數分別為1.398和1.279，均大于規范要求的安全系數上限值，說明采取回填石渣支護措施能有效提高邊坡的穩定性。

圖7 石渣回填后邊坡穩定計算結果

2.3.2 增設土釘處理方案

在高程1 105～1 113 m之間布置長12 m、直徑25 mm的土釘，間距3 m×3 m，梅花形布置，共布置33根。增設土釘方案邊坡穩定計算結果見圖8。從圖8可知，增設土釘后正常運行及降雨工況下的邊坡安全系數分別為1.322和1.204，均大于規范要求的安全系數上限值，說明采取增設土釘支護措施能有效提高邊坡的穩定性。

圖8 增設土釘邊坡穩定計算結果

2.4 方案比選

經以上計算分析，采用回填石渣或增設土釘處理方案均可滿足規范要求。考慮到本工程現場棄渣較多，若全部堆在壩后可能壩后壓坡規模過大，若使用回填石渣方案進行支護，可消耗掉部分棄渣量，能有效減少壩后壓坡的規模。采用回填石渣方案后，計算出的正常運行及降雨工況下的安全系數分別為1.398和1.279，而采用土釘支護方案下的正常運行及降雨工況下的安全系數分別為1.322和1.204，采用石渣回填后邊坡的安全裕度更高，穩定性更好。經綜合考慮，最終確定采取回填石渣方案對該邊坡進行處理。

3 結 語

本文基于Slide軟件對我國西南某水電站泄洪排沙洞出口邊坡進行了穩定性分析及支護措施研究，得出以下結論：

(1)Slide軟件結合極限平衡法可用來分析水電站庫區高邊坡的安全穩定，可為其他工程提供借鑒。

(2)泄洪排沙洞出口段邊坡在正常運用及降雨工況均小于規范要求安全系數的下限值，該部位開挖邊坡穩定性不滿足規范要求，需要采取一定的支護措施。經計算，采取回填石渣和增設土釘2種支護方案均滿足規范要求。經綜合比選，確定采取回填石渣方案對該邊坡進行處理。

(3)為進一步提高庫區高邊坡的穩定計算結果的準確性，可計算多組斷面，綜合分析邊坡的安全穩定性。