基于有限元计算的边坡稳定性分析

吕耀成 牛军贤

(1.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安 710065； 2.中国有色金属工业西安勘察设计研究院,陕西 西安 710065)

基于有限元计算的边坡稳定性分析

吕耀成1牛军贤2

(1.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安 710065； 2.中国有色金属工业西安勘察设计研究院,陕西 西安 710065)

采用现场调查和有限元分析方法，对羊曲水电站的厂房边坡的稳定性进行了分析，经分析认为，因受开挖卸荷的影响，坡体表部应力发生明显的分异，最大主应力总体为压应力，厂房外侧开挖边坡坡脚出现应力集中，坡脚至坡顶位移呈增大的趋势。

边坡，稳定性分析，有限元

0 引言

随着经济的发展、国家基础设施的大规模建设，以及西部大开发战略的进一步深化，西部一大批水利水电工程相继启动，水电工程所带来的环境地质工程问题随即出现，其中最主要的一个环境问题即为边坡的稳定性问题。这一问题是土木工程和岩土工程中的重要研究课题，在岩土工程或土木工程领域占据相当重要的地位[1]。

目前，研究边坡稳定的传统方法主要有：极限平衡法，极限分析法，滑移线场法等。这些建立在极限平衡理论基础上的各种稳定分析方法没有考虑土体内部的应力应变关系，无法分析边坡破坏的发生和发展过程，在求安全系数时通常需要假定滑裂面形状和位置等[2，3]。随着计算机软件、硬件的飞速发展，采用理论体系更为严格的方法进行边坡稳定分析已经成为可能。有限单元法全面满足了静力许可、应变相容和应力、应变之间的本构关系。使有限元分析边坡稳定成为近年来的新趋势，有限元方法不仅能计算出土体内的应力场分布，还可以了解边坡逐步破坏机理，跟踪边坡内塑性区的开展情况[4-8]。这样既可判定整体稳定性，又预测在不同的条件下哪些重要部位会出现失稳，通过提前支护或加固防止边坡失稳，减少人们财产损失。因此，对水利水电工程的边坡稳定性采用有限元分析研究有着重要的经济效益。

1 边坡工程概况

该边坡位于青海省兴海县与贵南县交界的黄河上，羊曲水电站的厂房边坡。厂房边坡走向NE75°，开挖边坡高约110 m；侧向边坡走向SE165°，开挖边坡高约60 m～70 m。厂房边坡基岩主要为二叠系深灰～黑灰色砂质板岩(P1-Sb)，岩层产状NW315°/NE∠78°，物质组成为碎石土，结构松散，厚约5 m～32 m不等，平均堆积厚15 m。

2 厂房边坡稳定性分析

2.1 厂房边坡稳定性定性分析

现场调查表明，该边坡部位无一定规模的崩塌、滑坡及不稳定斜坡发育，边坡整体稳定性较好。但因开挖坡面陡、高度较大，断层及节理裂隙较发育。因此，开挖边坡不仅存在结构面组合块体稳定问题，而且也存在变形稳定问题。厂房开挖边坡面产状为324°/SW∠34°～73°。结合厂房边坡部位的结构面的发育特征，进行该边坡可能的组合块体的稳定性计算，在分析的可能的组合块体中，边坡开挖过后，部分块体在地震、暴雨及其二者组合工况条件下处于极限平衡～不稳定状态。

2.2 厂房边坡稳定性有限元分析

2.2.1 计算模型的建立及参数选取

厂房边坡有限元计算模型以图1为依据, 边坡开挖高程介于2 553.5 m～2 665 m，开挖高度约111.5 m，开挖部位坡体以弱风化～微新的砂质板岩为主，仅2 650 m高程以上分布有少量的碎石土覆盖层，建立的有限元计算模型如图1所示。选取的计算参数同前。

2.2.2 计算结果分析

1)应力场特征。

图2为开挖边坡的最大主应力特征云图，受边坡内断层及风化分带的影响，最大主应力分布不均匀，且开挖边坡范围内应力较低：弱风化带岩体的最大主应力一般小于1.5 MPa，至厂房边坡开挖面底部附近应力达1.5 MPa～3.0 MPa。边坡开挖后，因受开挖卸荷的影响，坡体表部应力发生明显的分异，最大主应力总体为压应力，拉应力分布不显著，在开挖边坡坡脚、马道内侧坡脚部位应力有明显的集中，其应力最大值约3.0 MPa～1.5 MPa。

图3为计算的开挖边坡的最小主应力云图。边坡开挖后，厂房外侧开挖边坡坡脚出现应力集中，应力值为0.75 MPa，内侧边坡坡脚为0.25 MPa，洞脸边坡部位应力总体小于0.25 MPa，开挖边坡表面拉应力分布不明显。

2)边坡的最大剪应变能特征。

开挖边坡的最大剪应变能特征如图4所示。边坡开挖后，裂隙L1及第四系坡、洪积物附近最大剪应变能均有所增大，其值在0.002～0.004左右，断层F14，F20处最大剪应变值略有减小，其值为0.004～0.01。

3)坡体位移场及破坏区分布特征。

计算的开挖边坡的位移分布如图5所示。厂房边坡开挖后总位移分布特征受断层F14及F20的影响较大，在断层F14，F20部位位移值为3 cm～3.45 cm；厂房外侧开挖边坡坡脚位移为1.5 cm，坡脚至坡顶位移呈增大的趋势，至2 616 m处位移增大至2.4 cm；内侧边坡坡脚位移较外侧大，约为2.1 cm，各级马道部位的位移介于1.65 cm～2.1 cm。

3 结语

根据现场调查结合有限元分析，对厂房边坡的稳定性进行了定性和定量分析。厂房边坡开挖面陡，最大边坡开挖高度达110 m，边坡地带发育有 F14，F20等断层。边坡开挖后，沿断层及其影响带以及边坡上部第四系覆盖层分布处有张、剪破坏区；此外，开挖面与结构面的组合可形成不同规模的块体稳定问题，部分块体在天然或暴雨、地震条件下处于极限平衡不稳定状态。受开挖卸荷的影响，边坡开挖后坡体位移受断层影响较大，断层发育部位最大位移可达3 cm～3.45 cm；坡面上马道以及坡脚部位位移值相对较大，可达1.5 cm～2.4 cm。

[1] 阳克青,范育青.ANSYS在高速公路边坡稳定分析中的应用[J].华东公路,2008(6)：11-13.

[2] 陈祖煜.土质边坡稳定分析:原理方法程序[M].北京:中国水利水电出版社，2003.

[3] 陈士军.滑坡稳定分析方法研究[D].武汉:武汉大学,2003.

[4] 罗启北,万海涛,张艳霞.ANSYS在边坡稳定分析中的应用[J].贵州工业大学学报(自然科学版),2006,35(6)：78-81.

[5] Griffith D V, Lane P A.Slope stability analysis by finite element[J].Geotechnique,1999,49(3):387-403.

[6] 郑颖人,赵尚毅,张鲁渝.用有限元强度折减法进行边坡稳定性分析[J].中国工程科学,2002,4(10)：57-61.

[7] 郑颖人,赵尚毅,时卫民,等.边坡稳定分析的一些进展[J].地下空间，2001,21(4)：262-271.

[8] 张孟喜,陈炽昭.土坡稳定分析的有限元追踪法[J].岩土工程学报,1991,13(6)：51-52.

Analysisofslopestabilitybasedonfiniteelementcalculation

LVYao-cheng1NIUJun-xian2

(1.POWERCHINAXibeiEngineeringCorporationLtd,Xi’an710065,China；2.Xi’anEngineeringInvestigationandDesignResearchInstituteofChinaNationalNon-ferrousMetalsIndustry,Xi’an710065,China)

Based on site investigation and finite element analysis method, the slope stability be analysised for Yangqu Hydropower Station Powerhouse. By the analysis that for the influence of excavation unloading, slope surface stress obvious differentiation, the maximum principal stress overall compressive stresses, excavation slope toe lateral stress concentration, the toe of the slope to the top of slope displacement increases.

slope， stability analysis， finite element

1009-6825(2014)36-0046-03

2014-10-15

吕耀成(1981- )，男，硕士，工程师

TU413.62

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