基于Midas/GTS软件的岩质边坡稳定性分析及支护方案研究

杨建华，赵东雷，邓杰文，张俊建，甘小迎

(中国电建集团贵州电力设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550002)

0 引言

岩质边坡的稳定性评价、治理一直是边坡工程研究的重点。近年来计算机在岩质边坡稳定性评价[1-4]及破坏模式分析[5-9]中得到了广泛应用，具有许多传统计算手段无可比拟的优势。目前为止许多有限元分析软件在岩质边坡稳定性分析中的应用主要还是针对均质岩体，对于复杂边坡仍无较好的模拟方法[9]。

Midas/GTS软件具有高效的前处理、强大的后处理功能，为数值模拟的实际工程应用提供了可能。

为考虑上部荷载及多组岩体裂缝对岩质边坡稳定性的影响并对支护方案进行研究，本文依托某矿山开采形成的岩质边坡勘察与治理项目，基于Midas/GTS软件对该边坡及上方输电线路杆塔进行数值建模，从计算结果出发分析不同工况下边坡的稳定性及变形破坏发展趋势，并对格构锚杆的支护方式合理性进行探讨，从有限元分析的角度提出有效建议，说明有限元分析在工程实际中的合理性。

1 工程概况

某边坡崩塌为矿山开采形成的陡崖，下部为斜坡，陡崖总长约60 m，走向140°，总体积约1.26×104m3，规模属中型。危岩带主要分布在陡斜坡上，最高高程为1 347 m，前缘最低高程为1 312 m左右，相对高差约35 m；地形坡度较陡，一般为70°～85°，局部为直立状或悬挂状，下部地形坡度较缓，一般为10°～30°。危岩带主要由薄至厚层白云岩构成，岩石风化差异大，岩溶较发育，受矿山开采爆破影响，岩石节理裂隙发育，岩体内部自上而下发育有4～5条裂隙，长度约50～100 m，倾角约85°～90°，将岩体切割成大小不一的块体，在长期风化、溶蚀作用下形成危岩体，目前受大气降雨的冲刷、岩体溶蚀及风化作用等因素影响，变形有加剧趋势。边坡上方有多座电压等级为500 kV输电线路铁塔，若崩塌继续发展将会危及铁塔安全，崩塌区概况如图1所示。崩塌范围内出露地层为第四系残坡积粉质黏土(Qdl+el)及三叠系中统杨柳井组白云岩(T2yl)，分述如下。

图1 崩塌区概况

1)第四系残坡积粉质黏土(Qdl+el)，在崩塌范围表层大面积分布。组成物质为黄色、黄褐色粉质黏土和块碎石混杂堆积，稍湿—湿，结构松散；碎石岩性多为白云岩块体，呈次棱角—棱角状，含量约10%～20%，粒径0.5～2 cm，该层层厚不均，约0.1～0.5 m，分布主要为基岩表层覆盖及裂隙充填。

2)三叠系中统杨柳井组白云岩(T2yl)，灰色，薄至厚层状。岩体节理裂隙发育，岩溶较发育，出露于危岩带陡崖及陡斜坡地带。

2 数值模型

2.1 计算剖面选取

该处崩塌区陡崖总长约60 m，坡顶分布有4～5条裂缝，裂缝总体竖向发育，东北侧有一铁塔，根开约17 m，为考虑后缘裂缝对边坡稳定性最不利的影响，在裂缝数量最多的东北侧中部选取剖面进行数值模拟，为研究铁塔与边坡的相互影响，将剖面延长至铁塔后侧，计算剖面为1-1′，剖面位置如图2所示。

图2 1-1′剖面位置图

2.2 模型建立

Midas/GTS软件能够满足数值模型的建模要求。由于在岩质边坡稳定性分析中稳定系数对黏聚力和内摩擦角的变化最为敏感[10]，而裂隙的存在主要对岩体的力学参数造成劣化，因此通过将岩体裂缝进行实体建模并选用填充黏土的力学参数，可以对裂缝进行合理模拟。由于研究区域表层粉质黏土层较薄且分布不均，对该边坡稳定性影响甚小，为方便建模计算，除裂隙内部粉质黏土填充部分外，未对该土层做单独分层。为消除边界效应的影响，并考虑到塔基对边坡的影响，对边坡前侧35 m、后侧100 m、底部30 m范围内的岩土体进行建模分析。

本文使用AutoCAD 2007建立1-1′剖面线框，导入Midas/GTS软件进行模型建立、网格划分和参数赋值。所建数值模型中，白云岩、裂缝、铁塔基础均采用实体模型建立，铁塔上部结构采用Midas/GTS软件自带的梁单元进行模拟。在网格划分时单元类型采用三角形+四边形，在坡体、裂缝及铁塔基础处网格划分稍密，网格尺寸约1 m，在边界处网格稍疏，网格尺寸约2 m。模型建立完成后，节点数共4 521个，单元数共4 874个，数值模型如图3所示。

图3 1-1′剖面数值模型

模型的约束方式为对底面边界施加x、y方向约束，对左、右边界施加x方向约束，上部边界为自由面。

2.3 计算参数选取

粉质黏土及白云岩的力学参数由室内试验结合当地工程经验选取，裂隙部分选用粉质黏土参数，铁塔塔材、基础参数根据工程经验选取，参数见表1所列。

表1 稳定性计算参数表

3 边坡稳定性分析

3.1 天然工况分析

选取的计算方式为强度折减法，该方法在岩质边坡塑性区搜寻中的应用已得到了陈建宏[11]和王红梅[12]等的验证。为模拟边坡在天然工况下的变形情况，计算时白云岩取天然重度，求解其在重力作用下的位移云图。由于该处崩塌的主要破坏模式为倾倒式，由内而外发生破坏，故重点分析其横向位移。经过模拟计算，得到天然工况下该边坡的水平位移云图如图4所示。

图4 天然工况水平位移云图

通过图4可以看出，由于裂隙的发育破坏了岩体的完整性，折减了裂隙发育部位的黏聚力和内摩擦角，故在裂缝外侧靠近坡面部分发生了较大的横向位移，该向外变形趋势在裂缝处有明显分界，位移最大值发生在边坡上部，该发展趋势将导致岩体在裂缝中下部薄弱部分发生折断，继而造成倾倒式崩塌。计算结果与实际破坏机理相符，对实际情况有着较为合理的反映和预测。

通过Midas/GTS软件后处理系统中的结果标记功能，可以直接读取边坡上方铁塔基础处的沉降差，根据数值模拟结果，两塔腿沉降差为0.17 mm，可见该处崩塌若不继续发展，对上方铁塔安全运行暂无影响。

在计算结果的后处理中可直接读取稳定性系数。结果显示，边坡天然工况下的稳定性系数为1.34。根据DZ/T 0218—2016《滑坡防治工程勘查规范》所推荐的稳定性评价标准，可以得出天然工况下该边坡处于基本稳定状态，但安全系数较低，若不对坡顶、坡面加以保护，随着降水对裂缝及坡面的持续冲刷，裂缝进一步扩展，安全系数持续降低，边坡有可能转为欠稳定状态，危及坡脚处崩塌影响范围内居民的人身财产安全。

3.2 暴雨工况分析

边坡在暴雨工况下的稳定性计算，白云岩取饱和重度，黏聚力和内摩擦角也按表1进行折减，调整参数后其余条件与天然工况分析中保持不变。根据计算结果，得到暴雨工况下边坡的横向位移云图如图5所示。

图5 暴雨工况水平位移云图

将图5与图4进行对比分析，可发现暴雨工况与天然工况下边坡水平位移的分布趋势大体相同，均为在裂隙发育区域发生破坏，横向位移最大值发生在坡体上部，随变形增加最终在裂缝中下部发生岩体折断导致倾倒式崩塌。两者区别在于考虑降雨作用时，边坡的位移值及其分布区域均明显大于天然工况，这与实际情况吻合。

在暴雨工况下，边坡上方铁塔基础的沉降差为0.20 mm，说明若边坡不继续垮塌，当前状态下对铁塔安全运行暂无影响。

根据计算结果，暴雨工况下边坡的稳定性系数为1.23，边坡处于欠稳定状态。

4 支护方案研究

4.1 支护措施模拟

岩质陡边坡崩塌治理普遍采用加筋肋板挡土墙和格构+锚杆2种支护方案。经综合考虑，该岩质边坡选用格构+锚杆边坡支护方式，该支护方式造价低，施工难度相对小。其中格构梁截面尺寸500 mm×500 mm，锚杆间距为2.5 m×2.5 m，入射角为20°，锚杆长度27 m，计算参数见表2所列。

表2 支护结构参数表

有限元方法对边坡支护手段模拟的合理性已经得到了广泛的论证[13-14]。该岩质边坡格构采用实体模型建立，锚杆采用梁单元建立，支护结构数值模型如图6所示。

图6 支护结构模型

4.2 支护效果评价

选取暴雨工况下的力学参数对施加支护措施后的边坡进行数值模拟计算，得到的水平位移云图如图7所示。

图7 支护后水平位移云图

根据图7可以看出，由于格构锚杆的支挡、锚固作用，边坡裂缝发育部分的横向位移有了明显减小，且位移区分布发生了由坡脚向自然坡面倾斜的趋势，破坏模式由倾倒式崩塌向均质岩体折线滑动转变，证明了在锚杆的作用下表层松散岩体得到良好的锚固作用，成为更加稳固、均质的岩体，达到了支护方案的预期效果。

加固后的边坡稳定性系数为1.52，边坡在暴雨工况下仍处于稳定状态，该方案起到了良好的支护作用，可以有效防止崩塌发生。

5 结论

1)利用Midas/GTS软件对岩质陡边坡进行数值建模，可以考虑到裂缝等复杂条件对基岩完整性的影响，对边坡稳定性进行更为贴合实际情况的评价，模拟位移结果与实际破坏机理及发展趋势相符。

2)根据边坡上方铁塔基础处竖向沉降计算结果，表明天然工况和暴雨工况下两塔腿沉降差均较小，现阶段下边坡变形暂时不会对铁塔稳定性造成影响，但若变形继续发展，则需对铁塔稳定性进行进一步评估。

3)通过对边坡格构+锚杆的支护方式进行数值模拟，表明该支护方式可以有效地增加裂缝切割岩体的稳定性，对破碎岩体位移有明显的控制作用，经加固后的边坡在暴雨工况下仍处于稳定状态，支护效果较为理想。