邊坡坡體穩(wěn)定性有限元分析

邊坡坡體穩(wěn)定性有限元分析

有限單元法是20世紀(jì)60年代和70年代發(fā)展起來的有效數(shù)值分析和數(shù)值研究方法。為了將永久性（巖體）結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橛捎邢迬讉€(gè)有限大小的單元組成的離散結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)具體情況指定不同的性質(zhì)，錯(cuò)誤的計(jì)算模型可以應(yīng)用于上述復(fù)雜巖體的實(shí)際問題，以便在一定程度上模擬上述復(fù)雜巖體的實(shí)際問題。通過建立在剛體邊界平衡的基礎(chǔ)上，傳統(tǒng)的分析方法可以更加準(zhǔn)確、合理。但是,盡管有限元法的理論研究已基本成熟,但在工程具體應(yīng)用中卻還存在不少問題,如巖體模型的選取、參數(shù)的確定、單元的劃分、邊界條件的確定等.因此,如何根據(jù)工程實(shí)際情況用好有限元法還需不斷地探索.1前震旦系南、北馬道開采帶柴石灘水庫位于昆明市宜良縣,庫容4.37億m3,灌溉面積1.16hm2,電站裝機(jī)容量60MW,是一個(gè)具有灌溉、發(fā)電、防洪等綜合效益的大型工程.水庫右岸溢洪道是該水庫的唯一泄洪設(shè)施,其附近山體高240多米,自然坡度近70度,巖體節(jié)理、裂隙發(fā)育,是典型的復(fù)雜結(jié)構(gòu)巖體超高邊坡.邊坡于1997年3月開挖,當(dāng)年雨季后即出現(xiàn)失穩(wěn)趨勢,并于當(dāng)年9月28日發(fā)生方量為1萬立方米的較大規(guī)模塌滑.為改善邊坡穩(wěn)定狀況,設(shè)計(jì)部門采取了削坡開挖方案:在高程1732m至1648m段共設(shè)計(jì)8個(gè)馬道,每個(gè)馬道寬3.0m,兩級(jí)馬道間高差為12m,坡度為1∶0.35至1∶0.4.溢洪道引渠段出露巖層由下至上依次為:a.前震旦系南沱組冰磧礫巖及砂質(zhì)頁巖(zbn);b.陡山沱組石英砂巖(zbd);c.燈影組第1層硅質(zhì)白云巖(zbdn1),第2層粘板巖及鈣質(zhì)斑點(diǎn)狀白云巖(zbdn2),第3層泥沙質(zhì)白云巖(zbdn3),第4層硅質(zhì)白云巖(zbdn4)等巖層.區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,在溢洪道引渠段樁號(hào)0～33m至0～55m,高程1664.00m至1710.00m范圍,F1、F4、F10、F14等八條斷層以及zbd上部假整合面相互切割交叉,使該邊坡的(zbdn1)硅質(zhì)白云巖(zbdn2)粘板巖極其破碎,呈全強(qiáng)風(fēng)化狀,成為溢洪道高邊坡重要的不穩(wěn)定因素.2模型和方法2.1夾層力學(xué)特性分析本邊坡巖體構(gòu)造包括巖塊、斷層、軟弱夾層、節(jié)理等幾種巖體類型,根據(jù)各種巖體構(gòu)造類型在邊坡穩(wěn)定中的影響程度,分別采用不同的單元進(jìn)行模擬.巖塊即巖體中的完整塊體,用常規(guī)的實(shí)體單元進(jìn)行模擬.軟弱夾層力學(xué)指標(biāo)相對(duì)較低,一般厚約幾厘米到幾十厘米不等,夾層內(nèi)材料多為破碎巖石或夾層泥.對(duì)于對(duì)巖坡穩(wěn)定影響較大的夾層采用薄層單元進(jìn)行摸擬;對(duì)于較次要的夾層,采用等效單元進(jìn)行概化摸擬.節(jié)理由于其發(fā)育的數(shù)量繁多,因此對(duì)它們的分析難于一一進(jìn)行摸擬,故采用概化地質(zhì)模型對(duì)其進(jìn)行概化、利用等效單元進(jìn)行摸擬.斷層因其規(guī)模大小不一,摸擬方法不一:對(duì)巖體穩(wěn)定影響不大的次要斷層如F4、F10、F14,采用等效單元進(jìn)行模擬;寬度很大的斷層,如寬達(dá)數(shù)米的寬大斷層F1作為“無應(yīng)力”的邊界處理.顯然,薄層單元及等效單元的應(yīng)用能有效提高計(jì)算的精度,但同時(shí)也提高了對(duì)參數(shù)資料的要求并大大增加了計(jì)算量.2.2溢洪道—典型剖面選取根據(jù)邊坡穩(wěn)定的赤平投影分析方法可判斷,本邊坡傾向與巖層傾向之間的交叉切割關(guān)系是有利于邊坡穩(wěn)定的,同時(shí)結(jié)構(gòu)面也在邊坡內(nèi)不構(gòu)成不利于穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)面,坡內(nèi)不會(huì)形成大規(guī)模的平面或楔體滑動(dòng)和傾倒破壞.因此巖石強(qiáng)度問題為溢洪道穩(wěn)定性的控制性因素.從溢洪道—閘室段地質(zhì)平面圖來看,區(qū)內(nèi)南半部分即溢洪道樁號(hào)0～67.156m以南主要出露力學(xué)特性較好的zbd石英砂巖、zbn冰磧礫巖及砂質(zhì)頁巖,且僅發(fā)育F14斷層,地質(zhì)構(gòu)造較簡單,因而邊坡穩(wěn)定性較好;而在區(qū)內(nèi)北半部分,即溢洪道樁號(hào)0～67.156m以北主要出露zbd全強(qiáng)風(fēng)化粘板巖,其力學(xué)指標(biāo)相對(duì)較低,且又受F4、F14、F1等斷層交叉切割,巖石極為破碎,呈全強(qiáng)風(fēng)化狀態(tài),故該區(qū)邊坡穩(wěn)定性較差.而1997年9月28日發(fā)生塌滑的區(qū)域位于溢洪道樁號(hào)0～52.128m至0～59.612m之間高程1664.0m至1690.0m段,則恰好證明了上述關(guān)于邊坡不同區(qū)段穩(wěn)定性的初步分析.因此,本次重點(diǎn)選取邊坡穩(wěn)定性較差的溢洪道樁號(hào)0～52.128m斷面作為典型剖面進(jìn)行分析.2.3等效單元認(rèn)定本次研究過程中,限于參數(shù)資料的缺乏,F4、F14斷層均采用等效單元進(jìn)行摸擬,實(shí)體單元均采用三角形單元,所以柴石灘水庫溢洪道高邊坡地形削坡開挖前的樁號(hào)0-52.128斷面共劃分118個(gè)單元,邊坡削坡開挖后共劃分出個(gè)105個(gè)單元.2.4巖體物理力學(xué)參數(shù)測試本邊坡巖石力學(xué)指標(biāo)試驗(yàn)主要成果如表1所示.本次穩(wěn)定分析研究中使用的巖體物理力學(xué)參數(shù)在上述試驗(yàn)成果基礎(chǔ)上,依據(jù)傳統(tǒng)工程地質(zhì)綜合分析方法,參照已建的具類似工程地質(zhì)條件水利水電工程巖石參數(shù)指標(biāo)基礎(chǔ),及有關(guān)文獻(xiàn)資料加以折減而得,具體參數(shù)指標(biāo)如表2所示.2.5自由邊邊界本邊坡樁號(hào)0-052.128剖面存在混合邊界條件:其一是剖面上的臨空面為自由邊,該邊界上的結(jié)點(diǎn)可自由變形;以F1斷層為邊界的邊界上各結(jié)點(diǎn),由于F1斷層為張性斷層,斷層帶寬達(dá)4.0米,將其視為“無應(yīng)力”邊界來處理,即將其視為具有同自由邊類似的自由變形的特性.邊坡削坡開挖前此類結(jié)點(diǎn)共有29個(gè)結(jié)點(diǎn),邊坡削坡開挖后此類結(jié)點(diǎn)共有33個(gè)結(jié)點(diǎn).邊界條件其二是zbd石英砂巖與zbdn2粘板巖的分界面,由于該剖面上zbd石英砂巖的力學(xué)指標(biāo)遠(yuǎn)較其上覆粘板巖力學(xué)指標(biāo)為高.同時(shí)據(jù)估算,剖面上zbd石英砂巖所受壓應(yīng)力約為其抗壓強(qiáng)度的1%.而且zbd石英砂巖下伏地層為強(qiáng)度更高的zbn冰磧礫巖,因此將zbd石英砂巖與zbdn2粘板巖分界面視為零位移邊界對(duì)邊坡穩(wěn)定分析不會(huì)產(chǎn)生大的誤差.該邊界條件為:vs=0,vi=0.3有限元算例采用有限元法求解邊坡穩(wěn)定分析問題,常常涉及上百甚至上千個(gè)方程,一般均借用計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn).本次研究中根據(jù)有限元的基本原理,編寫了一套簡單的平面三角形有限元程序,但程序不涉及前后處理過程,程序框圖略.為便于分析、研究邊坡整體受力情況及邊坡不同部位穩(wěn)定情況,根據(jù)計(jì)算結(jié)果依次作出邊坡削坡開挖前后兩種情況的最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力、穩(wěn)定系數(shù)及結(jié)點(diǎn)位移等值線圖,詳細(xì)資料見圖1～圖6.4結(jié)論對(duì)比分析邊坡削坡前后邊坡應(yīng)力等值線圖及邊坡穩(wěn)定系數(shù)等值線圖,我們發(fā)現(xiàn):1邊坡穩(wěn)定性分析首先,從坡內(nèi)應(yīng)力分布情況來看,無論是邊坡削坡前還是邊坡削坡后,均在坡面附近一定區(qū)域存在一定范圍的平行坡面分布的拉應(yīng)力區(qū).尤其是邊坡削坡前,拉應(yīng)力區(qū)連貫性強(qiáng)、范圍大.拉應(yīng)力區(qū)的存在,反映邊坡可能發(fā)生變形破壞的形式和特點(diǎn).該邊坡于1997年9月28日發(fā)生的較大規(guī)模的塌滑正是由于水對(duì)巖石的浸泡軟化以及雨水對(duì)坡面的沖刷造成的,從而也間接證明了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性.其次,從穩(wěn)定系數(shù)分布情況來看,無論是邊坡削坡前還是邊坡削坡后,坡體內(nèi)均存在較大面積穩(wěn)定系數(shù)Fs≤1的區(qū)域(即穩(wěn)定系數(shù)等值線圖中陰影部分).尤其是邊坡削坡前,不僅上述面積接近總面積的2/5,而且該區(qū)域在剖面中上部從坡面穿過60、61等單元到達(dá)35單元中部,而后者往里即為斷層帶寬度達(dá)4.0m的F1斷層,二者一旦貫穿邊坡,即形成沿F1斷層、35單元、34單元、45單元、44單元以至坡角的連續(xù)臨界面,進(jìn)而在一定的誘因下上述連續(xù)臨界面便將成為該邊坡發(fā)生大規(guī)模滑坡的滑動(dòng)面.2邊坡應(yīng)力等值線形態(tài)變化對(duì)穩(wěn)定性的影響對(duì)比邊坡削坡前后最大應(yīng)力等值線圖可以看出:邊坡削坡減載后,坡體內(nèi)應(yīng)力最大值由削坡前的1123.9kPa減小至1041.4kPa,二者相差82.5kPa,可見削坡減載的效果是明顯的.更有意義的是,削坡后應(yīng)力等值線形態(tài)發(fā)生了很大變化,總體上與坐標(biāo)軸橫軸平行.應(yīng)力等值線形態(tài)的變化對(duì)邊坡穩(wěn)定性的積極影響可以從邊坡削坡后的穩(wěn)定系數(shù)等值線圖上清晰地看出:坡體內(nèi),Fs≤1的區(qū)域面積減小、連貫性變差,尤其是在坡體中下部上述區(qū)域與Fs>1的穩(wěn)定區(qū)域交錯(cuò)疊置,從而較大程度地提高了邊坡的穩(wěn)定性.3邊坡綜合治理措施綜上所述,邊坡削坡后,坡體內(nèi)仍然存在局部的拉應(yīng)力區(qū),坡體內(nèi)Fs≤1的不穩(wěn)定區(qū)域仍