基于Slide的水电站高边坡稳定性分析及支护方案研究

李云波，董 泳，刘肖峰，刘 俊，崔 笑

(1.南京市水利规划设计院股份有限公司，江苏 南京 210022；2.中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京 100024；3.河海大学水利水电学院，江苏 南京 210024)

0 引 言

边坡稳定是岩土工程安全的重要评价指标，边坡土体失稳下滑引起的坍塌破坏，极大威胁施工及周边建筑物的安全[1]。特别地，由于水电站所在的库区边坡涉及到水库的安全，其边坡稳定较一般山体边坡的安全要求等级更高。因此，对水电站的边坡进行稳定性分析，以及对存在安全隐患的边坡加强处理十分必要。在边坡稳定分析中，最为常用的方法是极限平衡法，很多学者基于此方法对边坡稳定性进行了研究。师志刚等[2]对旬阳水电站鱼类增殖站土质边坡进行了稳定性分析；冯炜等[3]对狮子山滑坡在天然和暴雨工况下的稳定性及相应支护措施进行了分析研究；王庭元等[4]分析了某电厂岩质边坡在各种工况下的运行稳定性。由于计算机技术和有限元计算软件精度的提高，越来越多的工程采用有限元软件进行边坡稳定的计算和校核[5]。聂绪斯等[6]基于GEO-SLOPE软件对某露天矿山边坡稳定性分析并对相关的治理方案进行了选择研究；叶志程等[7]采用MIDAS GTS/NX对文成县某边坡的稳定性综合分析；周乐[8]基于FLAC3D软件对垂直高边坡工后稳定性进行了数值模拟分析。

高边坡较一般边坡的力学特性复杂，影响安全稳定的因素较多，需要专业的有限元分析软件进行计算研究。Rocsciencee公司研发的Slide有限元分析软件目前在工程领域应用较为广泛，很多学者基于此软件对边坡稳定性进行了研究。李炳阳等[9]计算了水闸的渗流并进行安全分析；张永贵等[10]对魏家峁露天煤矿边坡的稳定性进行了计算分析；苟栋元等[11]对山区公路路堑边坡的加固设计进行稳定性分析。但由于高边坡工程的复杂性，Slide软件针对涉水高边坡工程稳定性的计算研究应用较少，其应用的可靠性需要进一步验证，需要结合具体工程进行进一步深入探讨。为此，本文以西南某水电站高边坡为研究对象建立计算模型，计算圆弧滑面采用下限解法，通过简化毕肖普法求解最危险滑面的安全系数，并根据计算结果制定相应的支护方案。

1 计算理论及工况

1.1 计算理论

边坡稳定分析计算采用有效应力法，抗剪强度应力τf按下式确定[12]

τf=c′+σ′tanφ′

(1)

式中，σ′为土体的有效法向应力；c′、φ′为土体的有效应力抗剪强度指标。采用简化毕肖普法进行边坡稳定安全系数计算[13-14]，公式为

c′ibisecαi}/(1+tanαitanφ′/K)/

(2)

式中，K为安全系数；Wi为第i滑动条块自重；Qi、Vi为分别作用在第i滑动条块上的外力在水平向和垂直向的分力；ui为第i滑动条块底面的孔隙压力；αi为第i滑动条块底滑面的倾角；bi为第i滑动条块宽度；c′、φ′为第i滑动条块底面的有效黏聚力和内摩擦角；MQi为第i滑动条块水平向外力Qi对圆心的力矩；R为圆弧半径。

1.2 计算工况

库区高边坡的安全稳定分析一般有正常运行工况和降雨工况。①正常运行工况。考虑不利组合，计算时，坡外水位选择死水位，地下水位按天然水位线考虑。荷载组合为：自重+地下水压力+边坡外水压力(对应死水位)。②降雨工况。施工期按暴雨且坡外无水的最不利组合，采用孔压系数法，计算拟通过给定滑面上的孔隙水压力系数ru=0.1模拟降雨。孔隙水压力根据浸润线的位置按简化原则确定。孔隙水压力系数说明见图1。图1中，h为滑裂面以上浸润线的高度；H为土体高度，即为降雨时潜在滑裂面以上浸润线的高度。

图1 孔隙水压力系数说明

假定流场的等势线铅直，A点承受的孔隙水压力μ=rwh，其中，rw为水容重。则A点的孔隙水压力系数ru定义为该点的孔隙水压力μ与相应该点滑裂面以上岩柱质量的比值，即

(3)

对于降雨工况，若设定孔隙水压力系数ru=0.05，假设土的容重一般为2.0 g/cm3，根据式(3)，h与H的比值为0.1，也即假定在连续降雨的条件下，边坡内的水不能及时排出，潜在滑裂面以上浸润线的高度约为相应土柱高度的10%。若设定孔隙水压力系数ru=0.1，则潜在滑裂面以上浸润线的高度约为相应土柱高度的20%。根据工程所在地气候特点，降雨工况取ru=0.1模拟降雨对图1中浸润线的影响。

2 工程应用

2.1 工程概况

图2 典型剖面

图3 边坡稳定计算模型(单位：m)

表1 材料力学参数

2.2 结果分析

基于slide有限元软件，采用毕肖普法对正常运行工况及降雨工况下的泄洪排沙洞出口段边坡稳定性进行了分析。计算结果见图4。从图4可知，正常运行工况下，边坡安全系数为1.245，小于规范要求的安全系数下限值1.25。降雨工况下，边坡安全系数为1.132，小于规范要求的安全系数下限值1.20。由上可知，该边坡在正常运行工况及降雨工况下的安全系数均不满足规范要求。为了安全考虑，应采取支护措施对该边坡进行支护。

图4 基于slide有限元软件的边坡稳定计算结果

2.3 支护方案

2.3.1 回填石渣处理方案

考虑从高程1 113 m马道进行回填石渣，回填石渣坡脚延伸至泄槽挡墙墙背高程1 105 m，整体填土坡度近1∶3。回填石渣处理方案见图5。计算模型见图6。

图5 回填石渣处理方案(高程：m)

石渣回填后正常运用及降雨工况边坡稳定计算结果见图7。从图7可知，回填石渣后正常运行及降雨工况下的安全系数分别为1.398和1.279，均大于规范要求的安全系数上限值，说明采取回填石渣支护措施能有效提高边坡的稳定性。

图7 石渣回填后边坡稳定计算结果

2.3.2 增设土钉处理方案

在高程1 105～1 113 m之间布置长12 m、直径25 mm的土钉，间距3 m×3 m，梅花形布置，共布置33根。增设土钉方案边坡稳定计算结果见图8。从图8可知，增设土钉后正常运行及降雨工况下的边坡安全系数分别为1.322和1.204，均大于规范要求的安全系数上限值，说明采取增设土钉支护措施能有效提高边坡的稳定性。

图8 增设土钉边坡稳定计算结果

2.4 方案比选

经以上计算分析，采用回填石渣或增设土钉处理方案均可满足规范要求。考虑到本工程现场弃渣较多，若全部堆在坝后可能坝后压坡规模过大，若使用回填石渣方案进行支护，可消耗掉部分弃渣量，能有效减少坝后压坡的规模。采用回填石渣方案后，计算出的正常运行及降雨工况下的安全系数分别为1.398和1.279，而采用土钉支护方案下的正常运行及降雨工况下的安全系数分别为1.322和1.204，采用石渣回填后边坡的安全裕度更高，稳定性更好。经综合考虑，最终确定采取回填石渣方案对该边坡进行处理。

3 结 语

本文基于Slide软件对我国西南某水电站泄洪排沙洞出口边坡进行了稳定性分析及支护措施研究，得出以下结论：

(1)Slide软件结合极限平衡法可用来分析水电站库区高边坡的安全稳定，可为其他工程提供借鉴。

(2)泄洪排沙洞出口段边坡在正常运用及降雨工况均小于规范要求安全系数的下限值，该部位开挖边坡稳定性不满足规范要求，需要采取一定的支护措施。经计算，采取回填石渣和增设土钉2种支护方案均满足规范要求。经综合比选，确定采取回填石渣方案对该边坡进行处理。

(3)为进一步提高库区高边坡的稳定计算结果的准确性，可计算多组断面，综合分析边坡的安全稳定性。