石洞水庫壩肩邊坡開挖后穩(wěn)定性分析

(江西省贛撫平原水利工程管理局，江西 南昌 330096)

目前常用的邊坡開挖后穩(wěn)定性分析法為極限平衡分析法、數(shù)值分析法。隗錦濤、楊志剛[1-2]提出基于“地形、邊坡開挖及巖土類型組合特征”的邊坡地質(zhì)分類方法，對不同類邊坡的穩(wěn)定性進行分析評價；張江偉[3]提出基于地震邊坡穩(wěn)定性分析，將其分為定性和定量兩類；楊志剛、靳付成等[4-7]應用三維彈塑性有限元數(shù)值法對邊坡開挖后的位移、應力狀況進行分析模擬，并提出了支護建議；韓萬東、谷明宇等[8]簡述了3種基于極限平衡理論分析邊坡穩(wěn)定性的方法，并提出水對邊坡穩(wěn)定性有很大的影響；高濤、毛巨省等[9]基于FLAC3D建立邊坡數(shù)值模型，對邊坡的穩(wěn)定性進行數(shù)值模擬，研究邊坡的應力和位移。

1 工程地質(zhì)條件

石洞水庫共有1座主壩、7座副壩、3座溢洪道，8座大壩均為均質(zhì)土壩。主壩為碾壓式均質(zhì)土壩，壩頂高程78.63m(其中最大壩高33.38m)，壩頂長468m，壩寬10.20m。水庫大壩肩邊坡主要包括右岸肩坡和左岸溢洪道高邊坡。大壩兩岸為低山區(qū)，其中右岸坡為坡度較大的懸坡，且高度最高達到472.90m。根據(jù)壩址兩岸地勢以及山區(qū)高度，其右岸肩邊坡最高在110m以上。

采用極限平衡分析法對右岸肩坡的剖面(見圖1)進行分析，右岸肩邊坡為一懸坡，邊坡的成分主要為安山玢巖，肩坡頂部主要為礫巖。由于地勢的影響，安山玢巖主要呈現(xiàn)弱風化，且?guī)r體中裂縫較多，且裂縫表面有鐵銹斑跡；礫巖由于處于肩坡頂部，常年的風蝕使巖體呈現(xiàn)弱風化，強度低，抗沖性差，同時頂部巖體的土壤質(zhì)地黏粒含量達到了45%～50%。河床表面有卵石覆蓋層，厚度達15～30m。

圖1 右岸肩邊坡剖面

2 肩坡穩(wěn)定性分析

2.1 計算模型

選擇計算機仿真軟件FLAC3D，采用顯示拉格朗日算法模擬出邊坡的具體變化情況。FLAC3D利用強度折減換算方法模擬邊坡的破壞程度及進程，便于為分析邊坡的穩(wěn)定性提供依據(jù)。前坪壩址右岸山體陡立、表面巖層外漏。主壩從右岸沿西北45°方向延伸至左岸，右岸壩軸線與天然邊坡軸線之間成45°夾角。計算三維模型時設定河道方向為Y軸，與之垂直方向為X軸，豎直方向為Z軸。模型中原點為前坪0+600剖面與壩軸線的交點，沿河道下游延伸500m；以大壩表面為原點，沿豎直方向向下延伸150m。

計算參數(shù)主要為重力、水壓力、地震影響力，四個方向均為豎向位移，底面約束為三向位移。計算模型中共有52660個單元、27459個節(jié)點(見圖2)。計算中的材料采用安山玢巖、卵石及礫巖，由于水位對水庫的蓄水量有著重要影響，設計和優(yōu)化過程中均要考慮水位的影響，因此在計算過程中需要考慮水的作用，其中地表水考慮水壓力，地下水考慮滲透力。根據(jù)水庫邊坡的材料成分以及有關(guān)資料，巖石的力學參數(shù)密度、彈性模量、黏聚力等見表1，考慮地震的影響，計算時增加防地震值，加速度按a=0.20g計。在邊坡開挖的過程中，實際上主要從上向下進行。對水庫右壩肩開挖，坡度采用1∶0.6，通過優(yōu)化將壩肩坡度提高到1∶0.2，同時坡面設置柔性防護網(wǎng)。

表1 巖石力學計算參數(shù)

圖2 右壩肩計算模型

2.2 結(jié)果分析

2.2.1 無水情況下右岸肩坡開挖后的位移

在無水情況下，計算右壩肩完全開挖后的位移。結(jié)果表明：在開挖面附近產(chǎn)生一定的位移，其中位移最大部位在底部，位移值為2.45cm，位移最小部位在頂部；邊坡頂部的位移延伸量最小，底部向下的位移延伸量相對于其他地方較大。開挖后的位移見圖3。

圖3 原設計方案邊坡位移

在無水情況下，按照優(yōu)化后的設計方案計算右壩肩完全開挖后的位移。結(jié)果表明：在開挖面附近產(chǎn)生一定的位移，其中位移最大部位在底部，位移值為2.16cm，位移最小部位在頂部。與原設計方案相比優(yōu)化后位移值有所減少。此外位移相對較大的地方還有河道附近。優(yōu)化方案開挖后的位移見圖4。

圖4 優(yōu)化方案邊坡位移

2.2.2 正常水位情況下右岸肩坡開挖后的最大主應力

在正常水位情況下對水庫右壩肩完全開挖后，根據(jù)設計方案計算其河道以及開挖面上主要壓力。結(jié)果表明最大主應力主要分布在河道和開挖面上，且全部為壓應力。同時在同一高度處，非開挖表面的最大主應力明顯低于開挖表面。按設計方案開挖后右岸肩坡的最大主應力見圖5。

圖5 原設計方案最大主應力

根據(jù)優(yōu)化方案計算水庫河道以及開挖面上主要壓力。結(jié)果表明最大主應力主要分布在河道和開挖面上，且全部為壓應力。同時在同一高度處，非開挖表面的最大主應力明顯低于開挖表面。按設計方案開挖后右岸肩坡的最大主應力見圖6。

圖6 優(yōu)化方案最大主應力

2.3 不同方案對比

原方案在無水、正常水位以及附加地震的情況下，最大主應力為正值，主要表現(xiàn)為拉應力；優(yōu)化方案下，邊坡經(jīng)過完全開挖后，無論在何種工況下最大主應力值均為負值，說明在優(yōu)化方案下，最大主應力均不顯示拉應力；對比分析邊坡的最大位移，優(yōu)化方案的最大位移比原方案在無水、正常水位以及附加地震的情況下相對差分別為0.21cm、0cm、1.02cm，相對差較少，同時優(yōu)化方案的工程量較原方案小(見表2)。

表2 不同方案下最大應力與位移對比值

3 開挖后邊坡安全系數(shù)

3.1 模型與參數(shù)

利用邊坡穩(wěn)定性分析軟件SLOPE/W，采用極限平衡分析法分析計算右岸肩邊坡的安全系數(shù)。根據(jù)右岸肩邊坡的剖面圖(見圖1)建立邊坡的開挖模型，計算模型長度和寬度分別選取230m和185m，計算中的材料采用安山玢巖、卵石及礫巖。由于水位對水庫的蓄水量有著重要影響，設計和優(yōu)化過程中均要考慮水位的影響，因此在計算過程中需要考慮水的作用，其中地表水考慮水壓力，地下水考慮滲透力。

3.2 計算結(jié)果

在無水工況下，利用軟件計算得到邊坡開挖后的安全系數(shù)。用原方案開挖后邊坡的安全系數(shù)為1.51(見圖7)，用優(yōu)化方案開挖后邊坡的安全系數(shù)為1.49(見圖8)，二者安全系數(shù)相差值為0.015。

圖7 原設計方案安全系數(shù)

圖8 優(yōu)化方案安全系數(shù)

原設計方案與優(yōu)化設計方案在不同工況下的安全系數(shù)值見表3。在原設計方案下，邊坡經(jīng)過開挖后在無水情況下安全系數(shù)為1.51；洪水時期正常水位時的安全系數(shù)為1.46；在極端情況下考慮地震的影響，邊坡在正常蓄水位下的安全系數(shù)為1.20。采用優(yōu)化方案后，邊坡在不同工況下的安全系數(shù)均有所降低，開挖后邊坡的安全系數(shù)為1.49，考慮地震影響時，邊坡正常蓄水位下的安全系數(shù)為1.11，坡體相對較為穩(wěn)定。

表3 不同方案下各工況的安全系數(shù)

4 結(jié) 論

本文采用數(shù)值分析法對石洞水庫右岸肩剖面圖進行分析，利用極限平衡分析法法計算開挖后邊坡的安全系數(shù)，對比分析原方案和優(yōu)化方案肩坡的最大主應力與最大位移以及開挖后邊坡的安全系數(shù)。由于原方案開挖坡度采用1∶0.6，通過優(yōu)化將壩肩坡度提高到1∶0.2，優(yōu)化方案的開挖坡度高于原方案，因此安全系數(shù)低于原方案，但在邊坡穩(wěn)定性允許范圍內(nèi)，且與原方案安全系數(shù)最大差為0.05；兩種方案最大位移差為1.02cm。原方案開挖面上的最大主應力主要為拉應力，而優(yōu)化方案無論在何種工況下均不顯示拉應力。

優(yōu)化方案相比原方案可以減少邊坡開挖量14.70萬m3，大大減少了施工量，壓縮了施工時間，降低了施工投資費用。