和平水库右坝肩高边坡施工期稳定性分析

摘 "要：高陡边坡存在裂隙发育、风化严重、卸荷强烈等不良的地质现象，直接影响到高边坡的稳定性。该文分别采用三维有限元强度折减法和二维刚体极限平衡法，对和平水库右坝肩边坡在开挖支护后的稳定性进行分析。研究结果表明，和平水库右坝肩边坡在完建工况下的稳定性满足规范要求，开挖和支护措施合理可行。

关键词：高边坡；工程地质；稳定性；强度折减法；刚体极限平衡法

中图分类号：TV223 " " "文献标志码：A " " " " "文章编号：2095-2945（2024）20-0115-04

Abstract： There are some bad geological phenomena in high and steep slope， such as crack development， serious weathering， strong unloading and so on， which directly affect the stability of high slope. In this paper， the three-dimensional finite element numerical strength reduction method and the two-dimensional rigid body limit equilibrium method are used to analyze the stability of the right abutment slope of Heping Reservoir after excavation and support. The results show that the stability of the right abutment slope of Heping Reservoir meets the requirements of the code， and the excavation and support measures are reasonable and feasible.

Keywords： high slope; engineering geology; stability; strength reduction method; rigid body limit equilibrium method

西南地区的大坝工程多位于高山峡谷地段，两岸的高陡边坡存在裂隙发育、风化严重、卸荷强烈等不良的地质条件，在人为开挖扰动的情况下，极易发生边坡失稳现象。因此，不少学者就高边坡在开挖过程中的稳定性开展了大量的研究。郭子钰等[1]采用极限平衡法与有限元法模拟了受弱层影响下的边坡稳定性，探讨了多种评判指标，综合描述了边坡的稳定状态；陈红如等[2]采用基于连续介质理论和显式有限差分法的Flac3D软件，分析某边坡在4种不同工况下的变形受力特征和破坏区分布规律，并分别采用强度折减法和摩根斯坦－普莱斯法计算边坡安全系数；廖赞[3]基于极限平衡法和离散元法，分析了某大型水电站坝址区右岸边坡的危险滑动面及其稳定性；谢璇等[4]基于Flac3D软件对某码头设计边坡进行开挖模拟，分析了边坡的应力场和位移场状态，并用强度折减的方法对开挖后的各级边坡进行安全系数的求解；冯忠居等[5]采用Flac3D分析边坡开挖全过程的变形机理，结合Geo-studio研究边坡开挖各阶段的破坏概率变化规律，提出以稳定系数和破坏概率为指标判断边坡开挖稳定性的二元评价方法，综合评估边坡开挖各阶段的稳定性；徐驰[6]使用有限元分析软件MidasGTS/NX，采用强度折减法（SRM），分析了中洞抽水蓄能电站上水库高边坡在自然工况和暴雨工况下的稳定性。

和平水库大坝右坝肩边坡较陡，开挖揭示的全风化层较深，施工中发现出露的岩体相当破碎，表层局部甚至呈散粒状，边坡存在局部或整体滑动的安全隐患，对边坡的稳定性不利，直接影响到大坝工程的安全。因此，应当对大坝右坝肩边坡进行稳定分析，获得边坡的安全系数，对加固处理措施的有效性进行评价。

1 "工程概况

和平水库位于安宁河一级支流茨达河上游沙沟河段，水库坝址地处茨达乡上游约4.7 km处的沙沟处，水库距德昌县城37 km，德昌县距西昌65 km。坝址以上流域面积61 km2，水库正常蓄水位选定为1 820.00 m，对应库容为2 230万m3，水库总库容为2 327万m3，调节库容2 087万m3，大坝为钢筋混凝土面板堆石坝，坝顶高程1 823.00 m，最大坝高为89.0 m。和平水库的开发任务是以农业灌溉为主，兼顾乡镇、农村供水。

和平水库由拦河大坝、溢洪道、放水洞（兼放空洞）等建筑物组成。大坝右岸地形坡度20～45°，大部分覆盖第四系残坡积碎砾石土，局部裸露辉长岩，全风化带厚3.59～5.65 m，强风化带厚7.56～11.25 m，弱风化带厚15.90～23.25 m。右坝肩边坡的上、下部分别采用无黏结锚索和锚杆进行支护，锚索的纵横间距6.0 m，长L=30 m，预应力为1 000 kN；锚杆的直径为28 mm，长L=8.0 m，间距4.0 m，拉拨力为250 kN。边坡表面采用直径8 mm，间距200 mm的钢筋挂网，并喷射12 cm厚C20细石混凝土。

右坝肩边坡开挖与支护的典型剖面图如图1所示。

2 "右坝肩边坡稳定分析

2.1 "三维有限元计算模型

根据设计资料，锚杆的间距4 m，锚索间距6 m，以典型剖面为中心均延伸28 m作为三维计算模型。X方向为水平指向坡内，Y方向为竖直向上，Z方向由右手螺旋法则确定。三维有限元模型所取的计算范围为1 842.77≤X≤1 966.60，923.19≤Y≤坡顶，-2≤Z≤26。

基于三维弹塑性有限元强度折减法，进行大坝右坝肩边坡的稳定分析。图2为右坝肩边坡的三维有限元计算网格图，单元数为20 173个，节点数为21 885个。计算时，将模型四周的铅直面和底部施加法向约束，坡面自由。

本次计算考虑开挖并支护完成的完建工况，暂不考虑地下水、降雨、地震的作用。根据右坝肩边坡的典型地质剖面，采用三维有限元强度折减法，分析大坝右坝肩边坡在开挖支护工况下，在不同强度折减系数下的变形及塑性变化过程。通过边坡表面最大位移是否出现突变以及边坡内部塑性区是否发展贯通来综合判断边坡的稳定安全性。将边坡视为理想弹塑性材料，采用Drucker-Prager屈服准则，用三维实体单元模拟，将锚杆和锚索视为线弹性材料，采用三维杆单元模拟。基本计算参数详见表1。

2.2 "基于有限元强度折减法的右坝肩边坡稳定分析

有限元强度折减的基本原理即不断折减岩体材料的抗剪强度参数，即黏聚力c和内摩擦角φ，得到一组新的抗剪强度参数c′和φ′，使边坡达到极限破坏状态，此时的折减系数Fs即为边坡的稳定安全系数。具体计算公式如下

c′=c/Fs，

φ′=arctan（φ/Fs）。

分别取强度折减系数Fs为1.0（不折减）、1.1、1.2、1.3、1.4和1.5，对材料的抗剪强度参数进行折减，得到各强度折减系数情况下边坡的位移和塑性区分布。

2.2.1 "强度折减过程中的最大位移变化

图3为右坝肩边坡在各强度折减系数下的最大位移变化曲线，当强度折减系数Fs为1.0、1.1、1.2、1.3、1.4和1.5时，对应的最大位移分别为24.9、26.1、27.7、29.8、32.5和36.2 cm，最大位移均发生在坡顶附近。

由图3可知，右坝肩边坡在强度折减过程中，位移呈逐渐变大的趋势，当强度折减系数为1.2时，曲线出现了相对明显的拐点（曲线斜率的突变），因此，右坝肩边坡的稳定安全系数为1.2左右。图4为强度折减系数为1.2时的位移分布图。

2.2.2 "强度折减过程中的塑性屈服区变化

根据计算得到的右坝肩边坡在各强度折减系数下的塑性区分布情况，其塑性区部位及贯通情况汇总见表2。

由表2可知，右坝肩边坡在强度折减过程中，塑性区的范围呈逐渐变大的趋势，主要发生在全风化层上部及全、强风化层之间及锚索部位，当强度折减系数为1.2时，塑性区基本贯通。因此，右坝肩边坡的稳定安全系数为1.2左右。图5为强度折减系数为1.2时的塑性区分布。

2.3 "基于刚体极限平衡法的右坝肩边坡稳定分析

为进一步验证三维有限元强度折减法的可行性和成果合理性，采用Slide软件对右坝肩边坡在开挖支护后的完建工况进行二维稳定性分析。Slide是一款适用于土质边坡和岩质边坡稳定性的分析软件，它在条分法的基础上根据极限平衡进行边坡的稳定性划分。通过定义一个或几个圆心半径搜索区域，采用Slide软件自动搜索该区域并计算出所有有效滑移面的安全系数，并给出最小安全系数及滑移面。经试算，搜索出的最危险滑动面及计算成果如图6所示。由图可知，边坡最危险滑动面沿全风化层贯穿，最小安全系数Fs为1.129。

2.4 "右坝肩边坡的稳定安全系数

根据右坝肩边坡在强度折减过程中最大位移及塑性区变化情况综合分析，右坝肩边坡的稳定安全系数为1.2左右，根据刚体极限平衡法的右坝肩边坡稳定分析，右坝肩边坡的稳定安全系数为1.13左右。2种方法计算出来的边坡稳定安全系数均满足规范要求。分析结果表明，与刚体极限平衡法相比，采用三维弹塑性有限元强度折减法得到的边坡稳定安全系数略大。分析其原因主要有以下2点：①有限元强度折减法考虑了边坡材料的弹塑性变形，对边坡的滑动有一定的抑制作用；②边坡三维的约束效应，与二维计算模型相比，会对边坡的滑动起到一定的阻止作用。

3 "结论

本文基于三维有限元强度折减法和二维刚体极限平衡法，对和平水库右坝肩边坡在施工完建工况下的稳定性进行了分析，主要结论如下。

1）基于三维有限元强度折减法的计算结果表明，随着强度折减系数的增大，右坝肩边坡的整体位移和塑性区的范围逐渐增大，塑性区也逐渐贯通。右坝肩边坡稳定安全系数（折减系数）为1.2左右。

2）基于二维刚体极限平衡法的计算结果表明，右坝肩边坡最危险滑动面的稳定安全系数为1.13左右。

3）基于三维有限元强度折减法和二维刚体极限平衡法计算出来的边坡稳定安全系数均满足规范要求，说明和平水库右坝肩边坡的开挖和支护方式是合理可行的。

参考文献：

[1] 郭子钰，王勇，李晓俊，等.基于极限平衡法和有限元法的边坡稳定性综合分析[J].露天采矿技术，2023，38（6）：45-47，51.

[2] 陈红如，李坚，李冬冬，等.滇中引水石鼓水源工程强风化岩质边坡稳定分析与治理[J].水利水电快报，2023，44（11）：64-72.

[3] 廖赞.基于极限平衡法和离散元法的某水电站高边坡稳定性

分析[J].人民黄河，2023，45（10）：146-150，157.

[4] 谢璇，谢门东.基于Flac3D软件的某码头设计边坡稳定性分析[J].中国水运，2023，23（10）：80-82.

[5] 冯忠居，李德，江冠，等.基于可靠度理论的高边坡二次开挖稳定性分析[J].中国安全生产科学技术，2023，19（8）：130-136.

[6] 徐驰.中洞抽水蓄能电站上水库高边坡稳定分析[J].珠江水运，2023（19）：90-93.