山区大面积场平工程挖方边坡稳定性分析

邵先锋 (国网安徽省电力公司经济技术研究院，安徽 合肥 23000)

李大华，李秋喜 (安徽建筑大学土木工程学院，安徽 合肥 230601)

山区大面积场平工程挖方边坡稳定性分析

邵先锋 (国网安徽省电力公司经济技术研究院，安徽 合肥 23000)

李大华，李秋喜 (安徽建筑大学土木工程学院，安徽 合肥 230601)

为了研究皖南山区复杂工况下的边坡稳定性，结合宣城市±1100kV古泉换流站边坡工程，利用MIDAS GTS软件对选取边坡建立二维模型，并通过对其选用合适的地质参数进行数值计算，得出该原始边坡的安全系数，分析了原始边坡的稳定性。采用大型有限元软件MIDAS GTS对其治理方案进行模拟，验证了加固措施的合理性和有效性,并采取措施对边坡位移进行实时监测。通过边坡位移的监测值与MIDAS GTS软件的模拟值对比分析验证了MIDAS GTS软件的模拟值与监测值高度的一致，为以后同类型工程提供了参考依据。

边坡稳定性；MIDAS GTS；模拟分析；监测值

边坡稳定性是指边坡岩、土体在一定坡高和坡角条件下的稳定程度[1]，各大工程在施工的过程中都面临着边坡稳定性的问题。我国越来越多的工程建设向地形地貌非常复杂的山区发展，而在这些地区在进行工程建设时，不可避免地出现大量的高填土方和深挖土方，因此边坡稳定性越来越受到工程建设方的关注[2]。

为了研究皖南山区复杂地质工况下的边坡稳定性，笔者以±1100kV准东(昌吉)-皖南(古泉)特高压直流工程某代表性边坡为工程背景，运用MIDAS GTS软件对边坡分别进行原始工况、降雨工况、加固后降雨工况的边坡稳定性分析，并把边坡加固后的位移变形监测数值与模拟数值进行对比分析，为以后同类型工程施工提供参考依据，并验证了MIDAS GTS在工程中的实用性。

1 工程概况

±1100kV准东(昌吉)-皖南(古泉)特高压直流工程是目前世界上电压等级最高、输电容量最大、输电距离最远、技术水平最先进的特高压直流输电工程，是特高压直流输电技术创新发展的新高峰。根据初步估算，该工程挖方量约130m3，填方量约128m3，涉及土方工程量极大。工程地貌为构造剥蚀低丘岗地，整体地势由西向东倾斜、降低。丘陵、岗地坡度极缓，坡度7～25°；场地地面标高一般51.0～89.0m,最终场平标高76.1m。场地三维地形图如图1所示。

建设场地呈中部高，南、北两侧低，以东北角最低，为人工水塘。该站外挖方边坡位于站区的西侧、西南侧和东侧中间，总长约1109.6m，最高约13.6m；该临建场地外围挖方边坡长度为341.1m，最高14.6m。其总体设计是放坡+土钉+NF高强植基毯护面，NF高强植基毯采用土钉固定，放坡坡率为1∶1.25，每8.0m坡高设置一宽度为2.0m的马道。皖南山区地质比较复杂，所选边坡地质情况从地表往下依次为卵石、粉质黏土(可塑)、黏土、粉质黏土(硬塑)、泥质粉砂岩。施工期间为宣城地区的雨季，根据往年的天气资料统计，6、7月份为当地的梅雨季节，整个施工周期内雨天和晴天基本相当。

图1 场地三维地形图

2 模型的建立

根据实际边坡运用AutoCAD建立二维边坡模型，边坡模型剖面尺寸为70m(长)×30m(高)，其中边坡高为19m，并按1∶1.25放坡。地质分别为卵石(中密)、粉质黏土(可塑)、黏土(可塑)、粉质黏土(硬塑)、泥质粉砂岩(强风化)，边坡模型如图2所示。宣城古泉山区地质本构模型采用修正莫尔-库伦模型，服从平面应变下的修正莫尔-库伦准则，其稳定性分析采用了有限元法中的强度折减法，表1为各土层物理力学性能指标参数。

图2 二维边坡模型

表1 各土层物理力学性能指标参数

把建好的模型保存为DWG格式，并通过MIDAS GTS NX软件中的导入功能把二维边坡模型导入，然后进行网格划分。网格划分顺序由黏土层开始，依次朝两边进行，其中黏土层播种尺寸为1，粉质黏土播种尺寸为1.5，卵石层与泥质粉砂岩播种尺寸为2，划分后的边坡模型如图3所示。

图3 网格划分后的边坡模型

图4 原始边坡水平方向位移云图

图5 原始边坡竖直方向位移云图

3 边坡计算结果分析

3.1 原始边坡分析

首先分析原始边坡，即只考虑地基支撑与重力作用条件下，运用MIDAS GTS对边坡进行模拟，得出边坡的稳定系数为1.32，在1.30～1.50之间，基本能够达到《岩土工程勘察规范》(GB50021-2001)规定的限值，边坡处于稳定状态，能够达到边坡稳定要求。原始边坡水平方向位移云图如图4所示，原始边坡竖直方向上的位移云图如图5所示。

由图4可知，原始边坡在自重荷载作用下，边坡在水平方向朝着边坡临空面方向发生位移。边坡水平位移主要发生在一级边坡整段和二级边坡的中部位置以下。其中，二级边坡沿水平方向的位移大约在0～0.18cm，在一级边坡的坡脚处边坡发生的水平位移较大，边坡变形范围在0.14～0.36cm，加号代表边坡发生位移变形的方向和X轴方向一致。坡脚的红色区域代表边坡发生最大位移的位置，沿X轴位移变形数值在0.30～0.36cm，这是由于边坡开挖，原本处于平衡状态的土体在边坡临空面处丧失了横向约束造成的，此位置由于位移变形过大，很容易发生边坡失稳破坏。绿色区域范围内是边坡在水平方向上发生位移变形的主要区域，边坡发生失稳破坏的滑裂面为圆弧形。

由图5可知，边坡在竖直方向上的最大变形出现在边坡的顶端，靠近二级边坡临空面的位置，整个边坡在竖直方向上的位移变形大约在-0.74～0cm。其中负号代表边坡的竖直方向的位移变形正好和Y轴相反，即和重力的方向一致，这是因为边坡在竖直方向上的位移变形是由于自重荷载作用引起的。二级边坡顶部的蓝色区域在竖直方向上的位移变形最大，大约在0.61～0.74cm，这是因为边坡开挖造成在边坡临空面的顶端大量土体约束丧失，边坡土体变得松软产生的塌滑现象。

3.2 降雨工况下边坡稳定性分析

边坡施工时期处于皖南多雨季节，考虑边坡在大雨工况下的稳定性有利于提前做好防御措施防止边坡失稳，为安全施工做好准备。在考虑特大降雨工况下，利用MIDASGTS对边坡稳定性进行模拟分析，得出边坡在雨水渗流工况下的稳定安全系数为1.004，小于《岩土工程勘察规范规》(GB50021-2001)规定的1.30～1.50的范围，边坡处于不稳定状态。降雨工况下边坡水平方向位移云图如图6所示，边坡竖直方向位移云图如图7所示。

由图6可知，原始边坡在自重荷载作用下，边坡在水平方向朝着边坡临空面方向发生位移，边坡水平位移主要发生在第1级边坡整段和第2级边坡的中部位置以下。其中，第2级边坡沿水平方向的位移大约在0.11～0.45cm，在一级边坡的坡脚处边坡发生的水平位移较大，边坡变形范围在0.45～0.68cm，坡脚的红色区域代表边坡发生最大位移的位置，沿X轴位移变形数值在0.57～0.68cm，此位置由于位移变形过大，边坡将变形破坏。绿色区域范围内是边坡在水平方向上发生位移变形的主要区域，边坡发生失稳破坏的滑裂面为圆弧形。

由图7可知，边坡在竖直方向上的最大变形出现在边坡的顶端，靠近二级边坡临空面的位置，整个边坡在竖直方向上的位移变形大约在-0.81～0cm。二级边坡顶部的蓝色区域在竖直方向上的位移变形最大，大约在0.74～0.81cm。

图6 降雨工况下边坡水平方向位移云图 图7 降雨工况下边坡坚直方向位移云图

由原始边坡和降雨后的边坡稳定性进行对比分析可知，降雨后和降雨前边坡的应力应变特征基本相似，只是在降雨后边坡位移和边坡应力数值要比降雨前大很多。降雨后边坡土体软化，不能满足边坡稳定性要求，将会沿着滑裂面发生滑坡失稳破坏。

3.3 加固后降雨边坡稳定性分析

经过土钉加固后再用MIDASGTS对边坡进行边坡稳定性分析，其稳定性安全系数达到1.41，能够达到规范限值。加固后的边坡在降雨工况下水平方向位移云图如图8所示，加固后的边坡在降雨工况下沿竖直方向位移云图如图9所示。

由图8和图9可知，加固后的边坡在水平方向上的变形在0.1～0.22cm，变形主要分布在边坡的坡脚处，在竖直方向上的位移在-0.68～0cm,边坡竖直方向上的变形最大值分布在边坡的顶部。与边坡加固前的边坡位移变形相比，边坡在水平方向和竖直方向上的位移变形都得到了很大的改善。

图8 加固后降雨边坡水平方向位移云图

图9 加固后降雨边坡沿坚直方向位移云图

利用MIDASGTS对原始边坡、降雨后的边坡、加固后降雨边坡进行分析，得到3种工况下的边坡安全系数见表2。由表2可知，原始边坡在只受自身自重的天然状态下，边坡安全系数为1.32，边坡基本能够满足稳定性要求，但在降雨工况下，边坡安全系数会骤然下降到1.004，边坡丧失了稳定性，有发生滑坡失稳的风险。为使边坡稳定性能够满足工程需要，对边坡进行土钉放坡+土钉+NF高强植基毯护面的加固措施，在加固降雨工况下边坡安全系数为1.41，能够满足边坡稳定性要求，这说明边坡加固措施取得了良好成效。

表2 各工况下边坡安全系数

4 监测值与模拟值的对比分析

运用LEICA全站仪与Quikslpoe软件相结合，对边坡进行监测，Quikslpoe软件能够将监测到的数据转换为图表，很形象地显示出监测点的位移和变化规律。把监测到的边坡位移结果与MIDASGTS模拟结果进行对比分析，监测点布置在各级边坡上，每级监测点不少于5个，监测点间距为15～30m，对可能形成的滑动带、重点监测部位加密布点，在MIDASGTS模型中提取相应监测点的位置如图10所示。

在开始监测前，用全站仪对各测点反复测量多次，待数值稳定后取平均值作为初始坐标值，以后每次测量时用全站仪强制对中测出各个观测点的即时坐标，记录在专用观测表内，与初始坐标相比，计算出累计位移量。前后2次累计位移量之差，即得前后2次的位移量。以边坡X方向的监测值与模拟值为例，对边坡进行对比分析，结果如图11所示。

由图10和图11可知，边坡在水平方向的位移变形由坡顶到坡脚逐渐增大，在二级边坡处沿X方向边坡位移变形增加的比较缓慢，在一级边坡上边坡位移变形沿X方向的位移变形开始急剧增加，到坡脚处边坡位移变形达到最大值，再往下到坡底处，边坡的水平位移变形快速减小并趋于稳定。边坡X方向最大位移出现在坡脚处，监测值与MIDASGTS的模拟值呈现出高度的一致性。

5 结论

1)通过运用MIDASGTS对复杂地质工况下的边坡进行模拟，选用合适的地质参数进行模拟计算，得出该原始边坡的安全系数为1.32，基本能够满足边坡稳定性要求。在降雨工况下，边坡稳定安全系数降为1.004，边坡稳定性急剧下降，存在边坡失稳的安全隐患。

2)边坡容易发生变形失稳的部位在边坡的坡脚处，尤其在降雨工况下边坡坡脚将发生向临空面方向的位移变形，边坡顶部也会发生较大的边坡沉降,边坡沿着圆弧形的滑裂面发生滑动失稳破坏。

3)通过运用大型有限元软件MIDASGTS对加固后的边坡进行建模分析，经过放坡+土钉+NF高强植基毯护面加固后的边坡稳定性安全系数提高为1.41，边坡的稳定性得到明显改善。通过边坡加固前后的对比分析验证了其加固措施的有效性及其在边坡加固中的价值。

4)由MIDASGTS软件的模拟值与监测值高度的一致性验证了MIDASGTS在该工程中的实用性，值得在工程中推广应用，同时对以后的同类型工程提供了参考依据。

[1]张菊连,沈明荣.高速公路边坡稳定性评价新方法[J].岩土力学,2011,32(12):3623～3629+3636.

[2]吕群财.土质边坡的稳定性分析与治理技术研究[D].南京:南京大学,2014.

[编辑] 计飞翔

2016-12-01

国家电网安徽省电力公司资助项目(1P12001500010681000000)。

邵先锋(1983-)，男，高级工程师,现主要从事建设工程项目管理方面的研究工作。

李秋喜(1989-), 男，硕士生，现主要从事边坡工程方面的研究工作,823133343@qq.com。

TU470

A

1673-1409(2017)05-0054-06

[引著格式]邵先锋，李大华，李秋喜.山区大面积场平工程挖方边坡稳定性分析[J].长江大学学报(自科版)，2017,14(5)：54～59.