基于离散元强度折减法的峡江右岸边坡加固效应评价方法研究

林太清 陈芳

摘要：为分析峡江水利枢纽右岸边坡的加固效应，评价该边坡的稳定性，利用基于离散元的强度折减法，选取不同的边坡范围分别建立数值模型，分析了削坡减荷和预应力锚索加固处理后的边坡稳定性。结果表明：对峡江右岸边坡的削坡减荷处理和预应力锚索加固处理是有效的，削坡减荷对减小边坡变形有明显效果，预应力锚索加固使边坡安全系数较明显提高。研究成果可为类似工程处理提供借鉴。

关键词：岩质边坡加固;预应力锚索;离散元强度折减法;峡江水利枢纽

中图法分类号：TV223 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.12.009

文章編号：1006 - 0081（2021）12 - 0054 - 05

0 引 言

目前，边坡稳定的分析方法主要分为定性和定量两大类[1-2]。定性评价的方法包括自然历史分析法、工程地质类比法和图解法等[3];定量评价的方法包括极限平衡法、数值模拟法等[4]，其中数值模拟法包括了有限元法[5]、有限差分法[6]和离散元法[7]等。定量评价法中，极限平衡法不能反映岩体内部的应力应变关系，随着计算机技术的发展，数值模拟法得到了广泛应用。虽然数值模拟法中有限元法和有限差分法的应用比较广泛[8-11]，但由于节理岩体的不连续性，与离散元法相比，这两种方法难以真实地反映实际边坡结构。在离散元法中，边坡岩体被视为块体和接触面的组合体，基于离散元的强度折减法则是对可变形块体和接触面的强度参数c，φ值进行折减，当折减系数进一步增加，若系统进入不平衡状态，则此时的折减系数就被认为是边坡的安全系数Fs。

[c′=c/Fsφ=arctan（tanφ/Fs）]

Cundall[12]于20世纪70年代提出离散元法后，有学者开始将强度折减法与离散元相结合进行运用。雷远见、董金玉等[13-14]采用二维离散元与强度折减法的结合方法，进行复杂节理岩质边坡的稳定性问题分析;孔不凡等[15]则进一步对土质边坡的稳定性分析进行了研究;宁宇等[16]应用离散元强度折减法在3DEC软件中模拟了某水电站边坡的三维应力场，并对其稳定性进行了评价。

根据前述研究可以发现，利用基于离散元的强度折减法进行边坡问题研究是可行的。因此，本文采用这一方法，通过数值计算分析了峡江右岸边坡加固效应。

1 工程概况

峡江水利枢纽工程是赣江中游峡江老县城巴邱镇上游4 km处峡谷河段一座综合利用的大（1）型水利枢纽工程，以防洪、发电、航运为主，兼顾灌溉、养殖等，是江西境内赣江流域水电建设规划中的骨干工程之一[17]。

峡江水利枢纽右岸边坡的坡顶高程为147 m，坡角为20°～35°，呈上陡下缓状态，边坡走向与坝轴线大致垂直。边坡表层积土厚度在2.0～5.0 m范围，强风化带厚度在3.7～5.3 m内，弱上风化带厚度在11.0～13.0 m范围内，弱上风化带顶板高程一般为31～48 m。边坡岩层产状总体为北东东向，倾向为北西向，其中上部较缓，倾角约15°左右，接近坝基以下部分倾角为26°～40°。

F3断层自右坝肩斜向北东东向延伸，至右岸坡顶桩号K0+030，断层带宽度6.0～9.1 m，上宽下窄，产状N70°～75°E/SE∠56°～63°，两侧为断层泥，中部为糜棱岩、碎裂岩。F3下盘岩体除坡顶覆盖3.0～5.0 m厚的土层外，其余基本为弱上风化岩体，褶皱两翼岩层倾角30°～50°。F3上盘岩体风化强烈，全强风化带深且厚，全强风化带自坡面垂直厚度16～30 m。上盘岩层呈向斜构造，西北翼岩层产状N70°E/SE∠40°～47°（侧滑面），南东翼岩层呈舒缓波状，产状N70°E/NW或SE∠10°～25°，上游为冲沟切割。

右岸边坡岩体揭露4组密集发育的节理裂隙：①劈理PJ1产状N70°～75°E/SE∠70°～80°;②J1节理产状N70°～75°E/SE∠70°～80°;③节理J2产状N3°～10°W/SW∠70°～80°;④节理J6产状N20°～40°E/NW∠33°～63°。

2 峡江右岸边坡加固设计

峡江右岸边坡走向与岩层走向近垂直，边坡整体基本稳定。考虑到边坡岩体风化破碎，对右岸边坡采取护坡处理，分级设马道进行边坡开挖。初步设计右岸开挖边坡高程51.20～105.40 m，坡高54.20 m，每隔约15.00 m设一级马道，马道设计高程分别为66.00，81.00 m及96.00 m，宽2.00 m。高程66.00 m马道处以上设计坡比1∶1.25，其以下设计坡比1∶1。

监测资料显示，边坡开挖过程中，在右坝肩边坡高程96.00 m马道附近出现2～8 cm宽的裂缝，向下已发展至高程71.00 m，向上已发展至滑坡后缘约高程105.86 m处。高程81.00～96.00 m段层面向坡外有约1～5 cm剪切滑移。滑坡体是由产状为N70°E/SE∠40°～47°和产状为N20°～40°E/NW∠60°～80°的两组结构面组成的坡体，斜向河床上游侧滑移。

如图1所示，针对开挖边坡出现的裂缝情况，进行了削坡减荷和护坡加固处理：在高程71.00 m和61.00 m处分别增设5.00 m和2.00 m宽的马道;此外采用预应力锚索框格梁对高程71.00～96.00 m范围的滑坡体进行加固，同时辅以截排水和喷播草灌等措施加以处理。

图2的K0+022.489加固断面为加固边坡的典型断面，由图2可知，加固边坡共设计了5级锚索，锚索长分别为30，30，35，45 m和50 m，锚索与设计坡面大致呈10°俯角布设。

3 边坡加固效应数值分析

为评价加固效果，首先选取削坡开挖范围的边坡建立数值模型进行分析，然后选取预应力锚索加固边坡对其加固效果进行局部分析。数值计算过程中，岩体采用经典的摩尔-库伦塑性本构模型，节理面采用接触面的库伦滑移模型。由于缺乏实测地应力资料，因此本文仅考虑将自重应力场作为地应力场。

3.1 削坡减荷效应分析

选取加固设计范围内的边坡建立数值模型，得到右岸开挖边坡模型如图3所示，并计算分析削坡减荷后边坡的变形情况。

由图4可知，进行削坡减荷处理后，边坡的位移明显降低，位移较大的部位主要分布在96.00 m高程的马道以上。根据强度折减法计算，右岸边坡进行削坡减荷处理后的安全系数为K=3.06。

如图5所示，得到边坡削坡减荷后的状态，由图5可知边坡岩体主要发生拉裂破坏和剪切破坏，且主要发生在桩号K0+000～K0+031.563边坡的表层岩体。这与边坡实际开挖后出现张拉裂缝的现象相符，表明边坡开挖对边坡岩体稳定性有重要的影响。

3.2 预应力锚索框格梁加固效应分析

护坡加固主要采用预应力锚索框格梁进行。研究选取K0+000.00～K0+022.489锚索加固范围间的边坡，考虑适当边界效应，建立如图6所示的锚索加固模型进行分析。

由图7可知，进行预应力锚索框格梁加固处理后，边坡的位移变化不大（位移数量级与削坡减荷后相同），最大变形依旧在高程96.00 m的马道以上。但是根據强度折减法计算，预应力锚索框格梁加固后局部边坡的安全系数为K=4.43，有明显提高。

3.2.1 锚索变形分析

图8反映了预应力锚索的轴向应变特征，由图8可知，1～14号预应力锚索的轴向应变明显高于其他锚索，表明1～14号锚索受岩体张拉应力作用较大。

图9反映了预应力锚索的变形特征，锚索变形程度总体上随高程的降低而减小，其中变形较大的1～7号锚索最大变形达到13 cm左右，最小约为4.8 cm。

锚索的变形特征进一步表明，未进行锚索加固的情况下，高程81.00 m马道以上的坡体变形较大，而据图7可知，锚索加固后高程81.00～96.00 m范围的变形显著下降。因此预应力锚索对减小边坡变形有较为显著的效果。

3.2.2 框格梁变形分析

根据计算结果，得到框格梁位移云图如图10所示。框格梁的变形特征总体上反映了锚索的受力情况，高程越高，框格梁变形程度越大。由图10可知，变形较大的1～7号锚索所在的框格梁混凝土最大变形达11.3 cm。

4 结 论

峡江右岸边坡是由于开挖卸荷导致了坡顶后缘拉裂，拉裂缝逐渐向下发展形成剪切滑移面产生的失稳破坏，可采取削坡减荷和预应力锚索框格梁加固等措施进行处理。通过数值模型计算，详细分析了两种加固措施效应，得出如下结论。

（1）右岸边坡初期开挖坡度陡及其卸荷作用是边坡出现后缘拉裂缝的主要原因，增设马道实现削坡减荷能够有效增加边坡的稳定性。

（2）预应力锚索框格梁加固措施在提高边坡的稳定性上效果显著，边坡的安全系数得到了明显增加。

（3）基于离散元的强度折减法在边坡稳定性分析评价中是合理可行的，反映了边坡的实际情况，可为类似边坡工程的评价提供经验参考。

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（编辑：高小雲）

Evaluation of right slope reinforcement effect of Xiajiang River by

Strength Reduction based on DEM

LIN Taiqing， CHEN Fang

（Jiangxi Academy of Water Science and Engineering， Nanchang 330029， China）

Abstract：In this paper， the reinforcement effect and the stability of the right slope of the Xiajiang River are analyzed with the different models built by DEM-based Strength Reduction Method for different sideslope scopes. The deformation under different conditions are studied， including the natural slope cut and the slope reinforce with the cables. It is showed that the slope cut and the reinforcement with the cables worked. The deformation of the slope decreased obviously after the slope cut for reducing load and prestressed cable reinforcement. This research result can provide a reference for similar projects.

Key words：rocky slope; prestressed cable; discrete element strength reduction method; XiajiangWater Conservancy Project