岩质边坡稳定性分析方法比较与探讨

李啸啸，张 晨（雅砻江流域水电开发有限公司，四川成都，610056）



岩质边坡稳定性分析方法比较与探讨

李啸啸，张 晨（雅砻江流域水电开发有限公司，四川成都，610056）

水电工程建设中，边坡开挖导致的滑坡事故屡见不鲜，如何科学分析和评价工程边坡的安全稳定是亟待解决的重要课题。利用刚体极限平衡法及有限元法对某水电站大坝右岸缆机平台边坡典型剖面稳定性进行计算，探讨了两种方法计算结果的差异，分析了边坡的静力特性，为该工程建设与安全运行提供科学依据。

岩质边坡；稳定；刚体极限平衡法；有限元

0　概述

滑坡灾害给水利水电工程带来的损害是非常突出的，据不完全统计，我国每年由滑坡、泥石流等灾害造成的损失超300亿元，间接损失更为惨重。随着水电建设进一步向西部山区转移，由大坝、厂房、泄洪建筑物等工程开挖带来的边坡规模越来越大，对边坡施工安全的要求也日益提高，其安全性直接决定了工程的进度和经济效益。

目前边坡稳定性分析与评价的方法多样，总体可分为定性分析和定量分析两类。定性分析法主要是通过专业人员现场勘察，研究影响边坡安全的主要因素、已变形体的成因及演化史，分析可能的失稳模式，并最终给出定性的结论和预测，如：工程地质类比法等。

定量分析法能够更加准确地评价边坡的稳定状态。目前，根据研究出发点的不同可主要分为模型试验法和数值模拟方法两类。数值模拟方法主要包括传统的极限平衡法、有限单元法及各类耦合数值分析方法等。以下简要介绍Sarma法，并将其计算结果与基于强度折减的有限元法计算结果进行对比分析。

1　Sarma法计算原理

传统的极限平衡法采用的是垂直条分法，但在大多数的岩体中都存在一组或多组陡倾角的结构面，边坡沿某滑裂面滑动时，其内部的陡倾角结构面会产生剪切破坏。1979年Sarma首次提出：边坡岩土体只有在沿一个理想的平面或者圆弧面滑动时才可能做出一个相对完整的刚体运动，否则，岩土体必先破坏成多块相对滑动的块体（即岩土体内部发生剪切破坏）才可能发生滑动破坏，因此需要对岩土体进行倾斜条分计算［1-2］。

图1　Sarma法力学模型Fig.1 Mechanical model of Sarma

图1中：KcWi为假设的构造水平力；αi、δi、δi+1为底滑面和水平面夹角、块体侧面与垂直方向的夹角。该条块主要受自重、假设的构造水平力（KcWi）、侧面孔隙水压力、底面水压力、侧面总法向力、总剪力作用，根据条块水平和垂直方向力的平衡条件，有：

根据摩尔-库伦（M-C）破坏准则，在滑块底面和左右侧面有：

式中：Cbi、Csi——分块底面、侧面凝聚力；

φbi、φsi——分块底面、侧面内摩擦角；

bi、di——分别为条块底面宽度和侧面长度。通过代入计算，可得：

En+1=（αn+αn-1en+αn-2en-1+…第n项）-

Kc（pn+pn-1en+pn-2en-1+第n项） +E1enen-1…e1

如没有外荷载作用，En+1=E1=0，可以得到：

通过式（7）可以求得Kc，即极限水平加速度。其物理意义是，使条块达到极限平衡状态时，必须在条块上施加一个临界水平加速度Kc。在实际情况中构造水平力 KcWi是不存在的，此时可以用安全系数F去除抗剪强度参数，至Kc=0时，此时的F值即为所求的滑坡抗滑稳定系数［3-5］。

2　工程实例验证

2.1工程概况

某水电站工程位于四川省西昌市与盐源县交界地区。电站总体以发电为主，总库容7.6亿m3，装机240万kW，坝体为碾压混凝土重力坝。其右岸坝肩缆机平台错动带及节理裂隙均较发育，方向分散。平台边坡岩体呈强风化～弱风化，强卸荷，节理发育，岩体完整性差，其主要工程地质问题为边坡岩体破碎问题及受不利结构面组合影响的不利稳定块体问题。现选取该部位10-10剖面进行稳定性分析，以确定对所选定剖面起控制性的滑裂面。该剖面存在错动带与裂隙结构面，稳定性分析较为复杂（图2）。岩体计算参数见表1。

图2　右岸缆机平台边坡10-10剖面开挖前后搜索滑裂面及锚固设计示意图Fig.2 Sketch of sliding surface and anchorage design

表1　岩体计算参数Table 1 Calculating parameters of rock mass

2.2边坡稳定性分析

利用Sarma法及有限元法进行边坡稳定计算。

2.2.1Sarma法计算分析

基于Sarma法，利用EMU软件进行计算。分析时采用折线滑裂面，在搜索分析时，采用随机搜索的方式寻找最小安全系数；对于结构面组合的形式，分析时采用的折线滑裂面通过陡倾结构面与缓倾结构面组合而成进行考虑。分析工况为：正常工况（无持续降雨、持久设计工况）和地震工况（偶然设计工况）。计算结果见表2和表3。

表2　右岸缆机平台边坡10-10剖面搜索滑裂面稳定分析Table 2 Stability analysis of 10-10 section（search for sliding surface）

表2表明，10-10剖面开挖掉的绝大部分为Ⅴ类岩体，开挖前后各工况下搜索得出的滑裂面分布均在Ⅴ类岩体中，且底滑面基本分布在两类岩体的边界处。开挖前后滑出位置分别在1 422～1 424 m高程和1 450～1 451 m高程之间，开挖前后搜索得出的滑裂面在地震工况下最小稳定安全系数均不能满足规范要求，因此需采用预应力锚索深层支护的办法对其进行初步锚固设计，此处设计5排吨位为2 200 kN、间排距为5.0 m×5.0 m的预应力锚索进行锚固处理，锚固后在各工况下安全系数能够满足规范要求。对比表2、表3，可看出该剖面是由搜索出的滑裂面起控制作用。

由于Ⅴ类和Ⅳ类岩体的强度参数相差较大，采用搜索得出的滑裂面基本分布在Ⅴ类岩体中，因此需加强Ⅴ类岩体的后续变形监测工作。

图3　右岸缆机平台边坡10-10剖面有限元网格模型Fig.3 Finite element mesh model for the 10-10 section

2.2.2有限元模拟计算分析

采用MIDAS-GTS软件对该剖面建模，见图4。该部位地下水位较低，分析时仅考虑重力场作用，不考虑地下水位影响。计算结果见图4～9。

图4　右岸缆机平台边坡10-10剖面开挖前正常工况潜在滑裂面位置及形状Fig.4 Position and shape of potential sliding surface on the 10-10 section in normal working condition before excavation

图5　右岸缆机平台边坡10-10剖面开挖后正常工况潜在滑裂面位置及形状Fig.5 Position and shape of potential sliding surface on the 10-10 section in normal working condition after excavation

图6　右岸缆机平台边坡10-10剖面开挖前正常工况有效应力分布图Fig.6 Distribution of effective stress of the 10-10 section in normal working condition before excavation

表3　右岸缆机平台边坡10-10剖面开挖后组合滑裂面模式下稳定分析Table 3 Stability analysis of 10-10 section（combined sliding surface）

图7　右岸缆机平台边坡10-10剖面开挖后正常工况有效应力分布图Fig.7 Distribution of effective stress of the 10-10 section in normal working condition after excavation

图8　右岸缆机平台边坡10-10剖面开挖前正常工况塑性区分布图Fig.8 Distribution of plastic zones of the 10-10 section in normal working condition before excavation

图9　右岸缆机平台边坡10-10剖面开挖后正常工况塑性区分布图Fig.9 Distribution of plastic zones of the 10-10 section in normal working condition after excavation

图4、图5分别为开挖前后潜在滑裂面位置。表4为通过GEO-STUDIO软件计算上述临界滑裂面以及采取Sarma法进行的支护设计的安全系数汇总表。

从上述图表中可看出：

（1）开挖前，边坡中Ⅴ类岩体上部区域有较大范围拉应力出现。自然边坡的塑性区主要分布在错动带、裂隙等结构面部位，且大部分已贯通，因此岩体在这些部位很有可能发生剪切破坏。正常工况潜在滑裂面有两条，该剖面的潜在滑裂面为复合型滑裂面，其中一部分均处在错动带fxj0304中。安全系数结果说明该部位开挖前正常工况下通道1为最危险滑裂面，该滑裂面完全处在Ⅴ类岩体和错动带的范围内，安全系数仅为1.043。

表4　右岸缆机平台边坡10-10剖面开挖前后潜在滑移通道安全系数表Table 4 Safety factors of potential sliding path of the 10-10 section before and after excavation

（2）开挖后，塑性区分布相对于开挖前变化不大，仍然分布在错动带和裂隙区域，需重点加强监测。正常工况潜在滑裂面有三条，相对于开挖之前而言，该剖面上的裂隙也可能与缆机平台1 450 m高程坡脚的潜在通道贯通。开挖完成后正常工况下通道1为最危险滑裂面，该滑裂面完全处在Ⅴ类岩体和错动带的范围内，安全系数为1.087，由于刚体法设计的支护措施仅在通道3的范围内，因此通道1、2的安全系数基本不变。

2.2.3计算结果比较

（1）开挖前后通过有限元强度折减法找到的潜在滑裂面比刚体极限法找到的滑裂面更为复杂。实际情况中，完全存在结构面与岩体内部的滑移通道组合成的破坏模式的可能性。

（2）开挖前后，滑裂面均处在或部分处在Ⅴ类岩体中，有限元法得出的滑动范围相对较大，有限元法滑裂面后缘比刚体法得出的滑动后缘更高。

（3）从应力分析可知，边坡拉应力区域容易发生破坏，而有限元法滑动后缘正处于拉应力区当中，可以看出考虑了实际工程应力变形特征及施工过程的有限元法更加符合实际情况。

（4）经过对比分析，刚体极限平衡法适用于较完整的岩质边坡稳定性分析计算。通过相关文献查得，其计算精度及工程应用性仍非常普遍，比较而言，有限元法计算更接近实际情况，但其计算、建模都较前者复杂［5］。对于大型工程边坡，一般均采用两者结合的方式进行评价判断［5］。

3　结语

从理论入手，简要介绍了Sarma法的计算原理，结合工程实例，分析研究了其与有限元计算方法的差异。对于较完整的岩质边坡而言，Sarma法仍具有普遍的适用性，当边坡含有较复杂的结构面时，有限元计算结果更加符合实际情况。

［1］黄岩，文江泉.昆明地区土质高边坡稳定性分析［J］.城市道桥与防洪，2006，（1）：16-19.

［2］徐建聪，尚岳全，孙红月.大变形弹塑性有限元与极限平衡法滑坡耦合分析［J］.成都理工大学学报（自然科学版），2009，36（5）：492-497.

［3］袁小飞.锦屏一级水电站泄洪洞出口覆盖层边坡开挖稳定性与处治技术［D］.成都：西南交通大学，2011.

［4］陈军强，党发宁，田威.强度折减有限元法分析边坡失稳判据讨论［J］.西北水电，2009，（2）：6-10.

［5］韩永.水电站坝肩边坡的稳定分析方法及其工程应用［D］.南京：河海大学，2008.

In construction of hydropower projects，landslide accident caused by slope excavation is very common.How to scientifically analyze and evaluate the safety of engineering slope is an important issue. This paper discusses the difference between the two methods，namely the rigid body limit equilibrium method and the finite element method，and provides scientific basis for project construction.

rock slope；stability；rigid body limit equilibrium method；finite element method

TV698.1

B

1671-1092（2016）02-0014-05

2015-08-25

李啸啸（1986-），男，河南南阳人，工程师，主要从事大坝安全管理、监测资料整编分析、流域大坝安全信息管理系统研究等工作。

作者邮箱：554106442@qq.com

Title：Comparison and discussion on analysis methods for rock slope stability//by LI Xiao-xiao and ZHANG Chen//Yalong River Hydropower Development Co.，Ltd.