基于MIDAS的表孔溢洪洞进口边坡稳定性分析

陈 蕾

（新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000）

1 前言

水工建筑物边坡稳定性是指边坡岩、土体在地形地貌、地质构造以及设计开挖坡比条件下形成的具有一定高度和开挖角度的整体稳定程度，边坡稳定性涉及面广泛，只要施工过程中存在基础开挖均会不同程度的面临着边坡稳定性的问题。近年来，随着社会经济技术的不断发展，我国越来越多的建筑工程向地形地貌、地质条件复杂地区发展、且设计结构变化程度也越来越大，而在这些地区进行工程建设时，很难避开深基坑、高边坡、高填方、节理裂隙多发育、水位变化大以及地震烈度大等诸多方面的问题，因此边坡稳定性越来越受到工程建设方的关注。

某综合利用水利枢纽工程总库容6 098万m3，由大坝、泄水建筑物和灌溉放水建筑物组成，根据《某水库地震安全性评价报告》工程区基岩50年超越概率10%的地震动峰值加速度为256.2gal，对应的地震基本烈度为Ⅷ度。

溢洪洞进口边坡基岩粉砂岩，岩层产状为280°NE∠25°，进口洞脸边坡走向94°，岩层与洞脸边坡夹角6°，为顺向坡，岩层缓倾坡外，顺层结构面发育，倾角25°—30°，对岸坡稳定不利。根据现场开挖揭露，洞脸边坡分布有f1、f10—f14共5条断层。其中，f1断层280°NE∠25°—30°，宽2—3m，由断层泥及碎裂岩组成，断层泥厚20—30cm；f10、f12、f13断层分布于洞脸边坡，产状295°—340°NE∠35°—50°，破碎带宽5—10cm，带内充填碎裂岩及糜棱岩；f11位于洞脸边坡，产状340°SW∠50°—55°，破碎带宽5—10cm，带内充填碎裂岩及糜棱岩；f14位于左侧边坡，产状330°NE∠43°破碎带宽5—20cm，带内充填碎裂岩及糜棱岩，在下雨时有水渗出。边坡分布f10—f13，f11倾向坡内，f12、f13缓倾坡外，其中f12走向与边走向近平行，对开挖边坡不利。综合分析，溢洪洞进口洞脸边坡断层发育且地震烈度高，溢洪洞进口引渠和控制段以下部分开挖后，坡脚被挖除，坡脚以下形成不利临空面，故需对溢洪洞进口边坡进行稳定性分析。

MIDAS GTS是一款新型的解决岩土工程结构分析等领域的有限元软件，专门设计用于岩土工程和设计领域，对几何建模和网格划分技术具有较强的设计功能，对于用实体单元模拟岩土体的应力应变状态以及处理非线性问题更具普适性，同时具有专门对边坡稳定进行分析的模块，便于设计人员操作和输出需要的结果。其中，边坡稳定性分析采用SRM法，既强度折减法，将输入的黏聚力和内摩擦角不断折减直至模型失稳，而后得出安全系数，由此得出来的分析结果更贴近边坡的真实状态[1-2]。故本工程采用有限元强度折减法计算分析边坡安全系数，通过位移是否发生突变和岩体是否出现大范围塑性区且有贯通的趋势来判定是否失稳[3-4]。

2 模型建立

（1）材料参数选取

根据地质勘察及现场实际情况提供地勘资料，选定计算参数见表1，预应力锚索参数见表2。

表1 材料力学参数表

表2 预应力锚索力学参数表[5]

（2）计算工况及荷载

根据相关规范要求，主要对溢洪洞进口边坡的以下几种工况的稳定性进行计算，模型不考虑表层锚杆及挂网喷护的作用。

工况一：施工期，边坡处于干燥状态，内外没有水，无附属建筑物；荷载为材料自重，材料取干密度，施加100t级预应力锚索，长25（30）m，间距5m。

工况二：正常运用期，当水库蓄水至正常蓄水位，向材料施加自重，考虑水位以下岩体处于饱和状态，施加100t级预应力锚索，长25（30）m，间距5m。

工况三：运行期，受暴雨影响，边坡饱和，向材料施加自重，全部岩体取饱和容重，施加100t级预应力锚索，长25（30）m，间距5m。

工况四：正常运行期遭遇地震。采用拟静力法模拟地震荷载，基岩加速度取0.3g。向模型施加的荷载：自重、地震惯性力，施加100t级预应力锚索，长25（30）m，间距5m。

（3）边坡安全系数

根据边坡规范规定，水工建筑物边坡设计安全系数允许值见表3。

表3 水工边坡稳定安全系数标准允许值

依据规范，该表孔溢洪洞进口边坡可以划分为4级边坡，对应正常运用期安全系数1.15，非常运用期为1.1、1.05。故应用有限元强度折减法计算时，正常运用期的安全系数应大于1.15，非常运用条件I（施工期及降雨饱和状态）安全系数应大于1.10，非常运用条件II（正常运用期遭遇地震）安全系数应大于1.05。

（4）有限元模型

根据地勘资料、设计开挖图以及现场实际坡体结构特征，选取代表性地质剖面洞脸剖面和左侧高边坡剖面建立二维有限元模型，采用Midas/GTS软件进行数值模拟，建立的二维网格模型见图1—2。分析不同运行工况，需考虑库水或强降雨作用下对岩体结构的饱和作用，建模忽略外水对边坡的压重有利因素，考虑预应力锚索及地震作用。采用四边形的网格类型，岩土体的本构关系采用理想弹塑性模型，根据史述昭等学者根据试验数据和工程实践经验提出Mohr-Coulomb屈服准则对岩土体具有较好的适应性、破坏行为更接近实际，且该屈服准则在岩土工程领域应用的相对广泛，故本计算模型屈服准则采用Mohr-Coulomb屈服准则[5]。

图1 洞脸剖面有限元模型

图2 左侧边坡有限元模型

影响数值模拟的一个重要因素是计算边界条件的选取，避免计算结果存在“黑箱子”问题，本计算模型y轴方向使用地表地面线，对影响边坡较大的节理、裂隙和断层严格按照地勘资料建模，并在划分网格的时候加密划分处理，目的就是让模型计算输出的结果精确可靠。

3 有限元计算结果

限于篇幅限制，本文仅列出等效塑性贯通区云图，以期能反映边坡失稳的位置。

3.1 边坡洞脸剖面塑性贯通区计算结果

边坡洞脸计算结果见图3—6。

图3 完建期洞脸剖面等效塑性区（FOS=1.54）

图4 运行期洞脸剖面等效塑性区（FOS=1.50）

图5 暴雨饱和洞脸剖面等效塑性区（FOS=1.39）

图6 运行期+地震洞脸剖面等效塑性区（FOS=1.13）

从等效塑性区云图图3—6中可以看出，在各个工况下边坡洞脸处边坡在自重、外水、预应力锚索、节理裂隙及断层相互作用下，塑性贯通区主要体现在断层中，其中施工完建期塑性贯通区出现在表层f13断层附近，且边坡稳定安全系数最大，为1.54。而运行期、暴雨饱和及地震工况主要出现在f1断层附近，边坡稳定安全系数依次减小，分别为1.5、1.39、1.13。说明，增加预应力锚索后，安全系数均满足边坡设计规范中“正常运用期安全系数1.15，非常运用期为1.1、1.05”的要求，说明开挖后按设计提供的支护方案条件下，该边坡将处于稳定状态。

3.2 左侧边坡剖面塑性贯通区计算结果

左侧边坡计算结果见图7—10。

图7 完建期左侧边坡等效塑性区（FOS=1.38）

从等效塑性区云图图7—10中可以看出，在各个工况下边坡洞脸处边坡在自重、外水、预应力锚索、节理裂隙及断层相互作用下，各工况下塑性贯通区出现的位置几乎一致，未有明显区别，均在主要体现在表层强风化岩体中，完建期、运行期、暴雨饱和及地震工况边坡稳定安全系数依次减小，分别为1.38、1.2、1.17和1.12。说明增加预应力锚索后，安全系数均满足边坡设计规范中“正常运用期安全系数1.15，非常运用期为1.1、1.05”的要求，说明开挖后按设计提供的支护方案条件下，该边坡将处于稳定状态。

为了便于分析，将图3—10计算成果汇总于表4。

表4 各工况边坡有限元计算安全系数结果汇总表

图8 运行期左侧边坡等效塑性区（FOS=1.20）

图9 暴雨饱和左侧边坡等效塑性区（FOS=1.17）

图10 运行期+地震左侧边坡等效塑性区（FOS=1.12）

根据表4可知，通过塑性区范围及贯通情况，洞脸边坡在施工期主要存在沿着f13断层滑动的趋势，在运行期随着库水、雨水及地震等外部环境影响，f1断层力学参数弱化，主要表现在沿着f1断层存在滑动趋势；左侧边坡在不同工况下，均沿着强风化线存在滑动趋势。但是边坡安全系数均满足规范要求，塑性区不存在贯通情况，预应力锚索应力最大为880KN，小于允许轴力1 000KN，可以判断在施做锚索后边坡整体稳定，不存在滑塌现象。

需要指出的是，为了增加安全储备，本次有限元计算未考虑表层喷锚支护措施的有利作用。本工程采用总长4.5m、入岩4.4m的Φ25钢筋锚杆，间、排距2m，并挂有φ8、间、排距200mm的钢筋网片，表层喷射100mm后C25混凝土，且要求锚杆与钢筋网片必须可靠连接以达到整体受力的目的。通过对两个边坡剖面的计算分析，对于洞脸剖面，边坡失稳主要出现在断层位置，因此增加表层封闭、尽量减少外水对节理、断层力学参数的弱化作用显得非常重要。对于左侧洞脸剖面边坡失稳主要出现在表层强风化层范围内，因此表层边坡防护对边坡的稳定性更加具有直观的作用，因此综合来看，预应力锚索主要对深层裂隙、断层的滑动起抗滑作用，而表层防护措施针对表层滑动起一定作用、且对表层边坡的张开裂隙、断层具有封闭作用，因此实际边坡稳定安全系数较有限元计算结果会更大一些，充分说明边坡稳定的结论是正确的。

5 结论

通过有限元分析溢洪洞进口边坡在不同工况下按设计方案进行支护后塑性贯通区开展情况，判断出边坡潜在滑动面及可能出现的位置，并得到不同工况下的边坡稳定安全系数，为设计的合理性和可靠性提供理论依据，同时指导现场施工。□