某电厂铁路边坡稳定性分析

侯连成，王笑二，徐立军

(1.辽宁电力勘测设计院，辽宁沈阳 110005;2.中冶沈勘工程技术有限公司，辽宁沈阳 110016)

某电厂铁路边坡稳定性分析

侯连成1，王笑二2，徐立军2

(1.辽宁电力勘测设计院，辽宁沈阳 110005;2.中冶沈勘工程技术有限公司，辽宁沈阳 110016)

本文以某电厂铁路沿线边坡为研究对象，采用有限元法结合极限平衡法分析了边坡稳定性。通过有限元分析，给出了边坡岩体应力及应变分布，分析表明，边坡岩体加荷后未发现大剪应变的贯通区。刚体极限平衡法评价了沿节理滑动的边坡稳定性，三个剖面边坡稳定性系数均大于1.4。安全系数均符合相关规范要求，计算结果为边坡加固设计提供了重要依据。

有限元法;边坡稳定性;刚体极限平衡法

0 引言

目前边坡稳定性分析常用计算方法主要有极限平衡法、有限单元法、可靠度分析和模糊极值理论［1］。其中，刚体极限平衡法具有概念清楚、计算简便、突出问题主要方面等特点而在工程中广泛应用。但极限平衡法不能得到工程设计单位关注的边坡变形等数据，工程实践中常结合有限元法估算边坡岩体应力和应变状况，再采用极限平衡法计算边坡稳定性是工程界常用的方法，见文献［2－4］。本文即采用以上方法对某电厂铁路沿线边坡稳定性进行了稳定性分析计算。

1 边坡工程地质条件

某电厂东侧与新建铁路专用线之间形成一个台阶，拟建场地开挖整平后将形成最大高差约为15m的岩质边坡，边坡加固的设计方案为下部岩体采用控制爆破后锚喷加固，上部土体采用控制回填后挡土墙加固，形成了由底部岩体和上部挡土墙组成的直立边坡，图1为边坡平面图及边坡典型剖面图。据场地岩土工程勘察报告，整平后边坡岩体均为中风化石灰岩，坡角近似垂直。石灰岩灰色，成份以碳酸钙为主，细粒结晶结构，中厚层状构造，层间距约3～4m，竖直节理裂隙较发育，水平间距约3～5m。局部方解石脉发育，中等风化，岩质较硬，该层钻进困难，岩芯呈柱状、短柱状。岩层产状为20°NW∠25°～35°，基岩顶面平缓，起伏不大，局部可见破碎带和张性、张扭性裂隙，裂隙宽度300～500mm，裂隙产状近于直立，多为粘土充填，少数无充填，整个场地均有分布。

本文选择以下3个计算剖面进行了分析:(1)1－1′剖面:岩石边坡高3.0m，上部挡墙高8.8m;(2) 2－2′剖面:岩石边坡高8.4m，上部挡墙高6.8m;(3) 3－3′剖面:岩石边坡高12.2m，上部挡墙高1.2m。

2 边坡分析计算

2.1 计算剖面及边坡边界条件

场地整平时先采用爆破方式挖除原状山坡的表土层及强风化石灰岩，直至中风化石灰岩。整平后中风化石灰岩顶面形成中间高两端低，坡度约为15°的拱形岩面。按设计要求，中风化岩面上紧邻边坡临空面处设置1.2～8.4m高重力式挡土墙，墙后回填碎石。墙高8.4m处挡土墙底宽度为6.0m，墙高1.2m处挡土墙底宽度为0.8m。挡土墙墙顶为整平地面设计高程。

为简化计算，计算剖面只包括中风化岩体，将挡土墙简化为中风化岩层上的荷载考虑。因中风化岩体性质较好，预估边坡开挖后变形小，影响范围有限，按如下方式确定计算范围:坡体水平向计算范围取岩质边坡高度3.0倍以上，坡脚前水平计算范围取岩质边坡坡高2.0倍以上，竖向计算高度取为岩质边坡坡高3.0倍以上，计算剖面荷载简图见图2。

2.2 有限单元法计算

岩体本构关系采用理想弹塑性模型，破坏准则采用摩尔库伦准则。因本场地典型岩层为层状结构，结构面主要为层面和竖向结构面。有限元单元考虑结构面的各向异性，单元考虑了岩层外倾结构面及竖直结构面。x轴为垂直方向，正方向为水平向右，y轴为水平方向，正方向为竖直向上，压应力、压应变为取正值。

图1 边坡平面图及边坡典型剖面图Fig.1 Slope plan and typical section

图2 计算剖面和计算荷载分布Fig.2 Cross section used for numerical simulation and loading distributions on the sections

2.2.1 边界条件

有限元边界条件为:左右边界采用水平约束，下边界采用固定约束。

有限元单元采用三角形15节点单元，网格划分时考虑了岩层的倾向及分层，分层厚度为3.0～4.0m。限于篇幅，本文只给出了1－1剖面的网格划分图(图3)。

场地岩土勘察报告提供了多组中风化岩体及外倾结构面现场大型直剪试验值，结构面内聚力为300 ～400kPa，内摩擦角24.5°～26.2°。其他岩体参数由国家标准《工程岩体分级标准》(GB50218－94)附录C结合以往工程经验综合确定，有限元计算参数见表1。

表1 有限元计算参数Table 1 Calculation parameters for finite element analysis

图31-1′剖面有限元网格划分图(445个单元，3691个节点)Fig.3 Finite element gridding in section 1－1(445 elements，3691nodes)

有限元分析计算采用大型岩土工程有限元分析通用软件MIDAS/GTS进行。1－1′剖面坡顶荷载为坡顶0～6m范围内均布竖向荷载250kPa，均布水平向荷载167kPa;坡顶6～40m范围内均布竖向荷载200kPa。2－2′剖面坡顶荷载为由坡顶0～4m范围内均布竖向荷载175kPa，均布水平向荷载122.5kPa;坡顶4～40m范围内均布竖向荷载150kPa。3－3′剖面坡顶荷载为坡顶0～3m范围内均布竖向荷载32.5kPa，均布水平向荷载11.5kPa;坡顶3～40m范围内均布竖向荷载35kPa。

2.2.2 边坡应力应变分析

各计算剖面计算结果见图4～图9。由边坡岩体加荷后的位移与应变分布可知，边坡1－1′、2－2′及3－3′剖面均稳定，未发现大剪应变的贯通区，同时边坡加荷后位移较小，说明边坡是稳定的。

图41-1′剖面位移矢量场(最大2.90mm)Fig.4 Displacement vector distribution in section 1－1′(maximum value 2.90mm)

2.3 刚体极限平衡法

刚体极限平衡法计算采用理正岩土计算软件进行。极限平衡法分析采用简化毕肖普法，破坏面为折线。计算参数见表2。边坡岩体考虑两组节理，一组为岩层层面节理，顺坡向倾角为21°，层间距为3m;另一组为竖直方向节理，倾角为90°，水平间距为2m。

稳定性计算时分别考虑各剖面最不利的情况:1－1′剖面加荷很大，选择滑裂面与竖直坡面交点距坡肩竖直距离为3.0m处位置计算，计算简图见图10。1－1′剖面极限平衡计算出稳定性系数为1.42，2－2′剖面稳定性系数为2.03，3－3′剖面稳定性系数为2.96。2－2′剖面滑裂面位置与1－1′类似(图11);3 －3′剖面加荷较小，其稳定性受自重影响较大，选择滑裂面通过坡脚(图12)。说明边坡整体是稳定的，具有足够的安全储备。

图51-1′剖面xy方向最大剪应变等色图(单位为10－5，最大－48.25)Fig.5 Maximum shear strain chrominance distribution along x－y direction in section 1－1′(unit in10－5，maximum value－48.25)

图62-2′剖面位移矢量场(最大3.55mm)Fig.6 Displacement vector distribution in section 2－2′(maximum value 3.55mm)

图72-2′剖面xy方向最大剪应变等色图(单位为10－5，最大－28.60)Fig.7 Maximum shear strain chrominance distribution along x－y direction in section 2－2′(unit in10－5，maximum value－28.60)

图83-3剖面位移矢量场(最大0.44mm) Fig.8 Displacement vector distribution insection 3－3(maximum value 0.44mm)

图93-3′剖面xy方向最大剪应变等色图(单位为10－5，最大－3.33)Fig.9 Maximum shear strain chrominance distribution along x－y direction in section 3－3′(unit in10－5，maximum value－3.33)

表2 极限平衡法计算参数Table 2 Calculation parameters for limit equilibrium principle

图101-1′剖面极限平衡法计算简图Fig.1 0Calculation diagram for section 1－1′by limit equilibrium principle

图112-2′剖面极限平衡法计算简图Fig.1 1Calculation diagram for section 2－2′by limit equilibrium principle

图123-3′剖面极限平衡法计算简图Fig.1 2Calculation diagram for section 3－3′by limit equilibrium principle

3 结论

本文通过有限元法分析，得到边坡岩体加荷后的应力及应变分布，可知边坡1－1′、2－2′及3－3′剖面均稳定，未发现大剪应变的贯通区，同时边坡加荷后位移较小。通过极限平衡法计算，1－1′、2－2′及3－3′剖面边坡稳定性安全系数分别为1.42、2.03及2.96，边坡稳定性安全系数均符合相关规范要求。计算结果为边坡加固设计提供了重要依据。

［1］赵尚毅，郑颖人，时卫民，等.用有限元强度折减法求边坡稳定安全系数［J］.岩土工程学报，2002，24(3):343 －346.

［2］张军涛，谢建斌，姚激.岩质边坡稳定性的有限元分析和数值模拟［J］.云南水利发电，2007，22(2):31－34.

［3］张贯峰，谢永利，张连成.岩质边坡开挖效应的有限元仿真分析［J］.昆明理工大学学报(理工版)，2006，31(3): 5－8.

［4］韩春秀，董羽蕙.岩质边坡稳定性分析的非线性有限元解法［J］.水利与建筑工程学报，2006，4(4):64－67.

Abstract:Based on the finite element method and limit equilibrium principle，the slope stability along railway beside electricity factory was analyzed in this paper.The stress and shear strain distribution in the slope rockmass were obtained through finite analysis.It was discovered that there was no large shear deformations by construction loading. Three safety factors(Fs)were all higher than 1.4 in the three slope sections sliding along joint planes by limit equilibrium evaluation，satisying the specific requirements.The results in the paper could be as an important basis for slope control design.

Key words:finite element method;slope stability analysis;limit equilibrium principle

Slope stability analysis along railway beside an electricity factory

HOU Lian-cheng1，WANG Xiao-er2，XU Li-jun2
(1.Liaoning institute of electricity energy survey and design，Shenyang110005，China; 2.China metallurgy Shenyang Ltd.For reconnaissance techniques，Shenyang110016，China)

1003-8035(2010)03-0033-05

TU443

A

2010-03-31;

2010-05-19

侯连成(1957—)，男，辽宁人，院副总工程师，高级工程师，长期从事岩土工程勘察技术工作。

E-mail:houliancheng@lepdi.com.cn