比较两种折减法在岩质边坡稳定性分析中的差异

2015-12-21罗青海

水利与建筑工程学报 2015年3期

罗青海

（邵阳市水利水电勘测设计院，湖南邵阳422000）

现阶段，随着国内外水电建设项目的不断增多，边坡稳定性问题已成为工程师们普遍关注的焦点，而岩质类边坡因其安全隐患大，影响范围广等特点，一直是工程建设过程中的难点和重点。目前，学者们常采用数值分析法对岩质边坡进行分析，岩质边坡稳定分析主要包括有限元法（FEM）、离散单元法（DEM）、不连续变形分析法（DDA）、有限差分法（FDM）以及边界元（BEM）法等，其中又以有限元法强度折减法应用较为广泛[1－4]。如:郑颖人等[5－8]对有限元强度折减法的计算精度和影响因素进行了分析，给出了提高计算精度的具体措施；陈国庆、黄润秋[9]等基于动态和整体强度折减法的边坡稳定性分析，提出只对局部土体单元进行强度折减、其余土体单元保持原有强度不变的局部强度折减法；钟志辉[10]等将局部强度折减法用于土质边坡的位移研究，得到了折减系数－位移曲线。但遗憾的是，还未有文献针对整体强度折减法和局部强度折减法在岩质边坡稳定性分析中的差异进行分析研究。本文所采用的局部强度折减法仅对边坡滑裂面岩体力学参数进行折减，且需考虑对刚度参数的折减，更符合工程实际。

因此，本文基于有限元强度折减系数法，以东风水库岩质边坡为例，探讨整体强度折减法和改进的局部强度折减法在分析岩质边坡稳定性过程中的差异，并比较两种方法下的边坡安全系数﹑边坡位移以及塑性区分布规律，以期为改进的局部强度折减法在岩质边坡分析中的推广应用提供依据。

1 强度折减法

1.1 整体强度与局部强度折减法的比较

现阶段运用较多的整体强度折减法，主要通过不断降低边坡岩体抗剪强度参数，将岩土体的真实抗剪强度（黏聚力和内摩擦角）除以一个折减系数，直到有限元计算不收敛为止，根据有限元计算结果即可得到边坡危险滑动面，此时的折减系数就是边坡的安全系数[11－13]，具体见式（1）、式（2）。而局部强度折减法是一种改进的强度折减法，通过不断折减滑裂面岩土力学参数达到不稳定状态，其余部位岩体力学参数不变，并增加了对岩体弹性模量的折减，局部强度折减法是基于对滑裂面岩体参数进行折减，计算得到的破坏区域更小，更符合工程实际，具体计算见式（3）。

式中:c和φ为岩土体真实的黏聚力和内摩擦角；c′和φ′为经过折减后的黏聚力和内摩擦角；E为岩土体真实的弹性模量；E′为经过折减后的弹性模量。

计算采用专业岩土软件Plaxis进行模拟，强度准则为摩尔库伦准则。边坡支护采用锚喷支护，锚杆用软件自带的锚杆单元模拟，并施加预应力200 kN/m，混凝土喷护采用板单元模拟，主要参数包括轴向刚度EA和抗弯刚度EI，轴向刚度EA表示为抗滑桩单位宽度受力，取5×106kN/m，抗弯刚度EI表示单位宽度力乘长度的平方，大小为8 500 kN·m2/m。

1.2 局部强度折减法分析路线

结合局部强度折减法的特点，提出一套岩质边坡稳定性分析流程，如图1所示。

图1 边坡局部折减法分析路线图

2 案例比较分析

2.1 工程概况

东风水库位于隆回县西洋江镇远山村所辖范围，距隆回县城52km，距西洋江镇12km，水库总库容788万m3，正常蓄水位410.0m，设计灌溉面积4 544hm2（其中烟田1733.33hm2），水库坝址采用上坝址。工程以灌溉为主，兼防洪等综合效益。水库坝址为低山峰脊峡谷地貌，尖峭的山峰沿地层走向呈线状排列，峰脊明显。峡谷深切，谷底狭窄，为“V”形横切河谷。库区两岸大部分为斜坡山地，河流阶地不发育，库岸主要为高陡岩质边坡，坡角为45°～65°。岩性以灰色厚层石英砂岩、粉砂岩、细砂岩。

2.2 模型构造

根据现场勘查情况，对原始边坡断面和岩体分布做了一定简化处理，边坡取水平方向长150m，高100m，边坡坡高50m，坡角60°，软弱夹层倾角34°，边坡内含有一条对稳定性影响较大的软弱夹层带。该模型不考虑地形和岩性的影响，初始应力仅考虑边坡天然状态下的自重应力，忽略其构造应力，且不考虑地下水的作用。为便于监测计算过程中边坡的位移变化情况，在模型上布置了A、B、C、D 4个监测点，各参数取值见表1，计算模型见图2、图3。

表1 有限元计算力学参数

图2 计算模型

图3 有限元网格及边界条件

2.3 结果对比分析

（1）稳定安全系数

采用两种折减法分别对天然状态下和加固状态下的案例边坡进行稳定性分析，计算得到边坡的稳定安全系数见表2。

表2 不同工况下边坡安全系数

由表2可知，边坡在天然状态下，采用整体折减法和局部折减法得到的安全系数分别为1.474和1.476，两者计算结果相差不大，边坡天然状态下稳定性较差，需采取相应的加固措施；对边坡进行加固处理后，两种方法得到的安全系数几乎一致，且支护效果明显。上述表明，从边坡稳定安全系数角度来看，局部强度折减法与整体折减法得到的安全系数相差很小，实际工程中均可以使用。

（2）边坡位移

为探讨整体折减法和局部折减法对边坡位移的影响，采用不同折减系数，计算各测点的位移变化情况，计算结果见图4～图7（水平方向向右为正，竖直方向向上为正）。

图4 整体折减法水平位移

图5 局部折减法水平位移

由图4～图7可知，两种方法反映出的边坡整体位移随折减系数变化趋势较为接近。但在折减系数相同的情况下，采用整体折减法计算得到的水平和竖直位移均比采用局部折减法的计算结果大（图中A、B、C 3个监测点表现突出，D点在坡脚处表现不明显），当边坡发生破坏时，采用整体折减法得到的A点水平位移值比局部折减法大5mm左右（图4、图5），而整体折减法计算的B、C点竖直位移比局部折减法大11mm左右（图6、图7）。

图6 整体折减法竖直位移

分析产生上述结果的原因，由于整体折减法折减的是所有岩土体单元的参数，造成的岩土体参数弱化范围更广，而改进后的局部折减法只折减了滑裂面岩体强度和刚度参数，其余岩土体参数保持不变，参数弱化范围仅限于滑裂面附近，采用局部折减法计算的位移大小的范围更符合实际。

图7 局部折减法竖直位移

（3）塑性区

目前，工程上常采用塑性区是否贯通来判别边坡破坏，且塑性区分布范围可用来评价边坡岩土体的破坏情况。本文采用两种折减法计算得到案例边坡破坏时及支护后的塑性区，见图8。

图8 不同工况下边坡破坏时塑性区分布

由图8可知，两种折减法确定的危险滑裂面相同，均沿着软弱夹层分布。但图8（a）中的塑性点和拉断点明显较图8（b）中分布更多，且分布范围更广。图8（c）表明，加固后预应力锚杆把软弱夹层上部岩体和内部岩体连接成一个整体，改善了边坡的受力分布，提高了边坡整体稳定性，滑裂面沿着坡脚位置剪切滑出，而不是天然状态下沿着软弱结构面滑移。上述结果表明，整体折减法得到的边坡塑性破坏范围更广。