边坡有限元稳定性分析方法应用浅析

刘洁玉　王威　王茜

【摘要】本文以具体工程为案例，采用不同的线弹性有限元分析方法，对某工程区边坡进行稳定计算，并将结果对比分析，为工程设计提供理论支撑。

【关键词】边坡；线弹性有限元；变形；应力

0 引言

目前，边坡稳定性的分析方法主要有极限平衡法、塑性极限分析法和有限元法等。极限平衡法目前应用最为广泛，该方法视潜在滑体为刚体，未考虑应力—应变关系，不能求得边坡的真实受力状况。塑性极限分析法虽克服了上述不足，但也只能给出假设滑动面上的应力场和位移场，同样不能考虑整体变形对其稳定的影响。而有限元法其优势在于可计算土坡的变形和应力分布，大致确定潜在滑动面的位置，为工程设计提供更可靠的依据。本文以具体工程为案例，采用两种不同的有限元方法对其稳定性进行研究分析，得出的结论可供工程设计参考。

1、 工程及边坡概况

某工程位于甘肃省境内，属三等中型工程，左岸坝肩边坡属枢纽区A类Ⅱ级边坡，区域地震基本烈度为Ⅶ度，设防烈度为Ⅶ度。

工程坝址位于峡谷进口处，两岸山体相对高差大于150m。坝址左岸为岩质岸坡，自然坡度70～80°，局部近直立，岩体中未发现顺河向断层和缓倾角软弱结构面，中陡倾角结构面规模较小；岸坡岩体强风化（或卸荷）厚度5～10m，局部15m，弱风化带厚度一般15～20m，局部达25m左右；透水性小于3Lu的岩体埋深35m左右。

2、边坡稳定分析

2.1 计算模型

由于天然边坡顺河向地质情况及边坡体形变化不大，计算模型可以简化为平面应力应变问题进行计算。按照实际地形进行建模，横河向宽度约170m，铅直向高度约300m。模型左右边界施加对应方向的法向约束，模型底部边界施加竖向约束。计算模型采用ANSYS平面有限元单元划分为四节点四边形单元，模型单元17472个、节点17849个。采用PHASE2离散网格划分为三节点的三角形单元，模型单元3004个、节点1699个。计算模型及划分网格见图2.1-1。按照左岸坝肩边坡不同时期，分为天然工况、正常蓄水工况、正常蓄水工况+暴雨、正常蓄水工况（天然工况）+地震荷载。

图2.1-1 计算模型（见图1）

2.2 应力分析

在各种工况下，边坡最大主应力基本平行于坡面展布，符合一般应力分布规律。正常蓄水遇地震工况边坡稳定最为不利，坡面拉应力最大值为0.058Mpa（ANSYS），0.33 Mpa（PHASE2），最小主应力量值均较小，且主要表现为压应力，局部存在较小的拉应力，分布在坡面表层，没有出现拉应力贯通区域，说明坡体表面不会出现拉张破坏。坡面压应力最大值为6.71Mpa（ANSYS），2.68Mpa（PHASE2），產生于边坡坡脚处最大值远小于Ⅳ类强风化碎裂结构岩体抗压强度值：45Mpa～55Mpa，因此边坡不会发生受压破坏。

2.3 位移分析

在各种工况下，边坡整体变形较小，不考虑边坡在前期天然状况下由自重作用所引起的变形，正常蓄水遇地震工况边坡稳定最为不利，横河向X 方向最大变形为2.62mm（ANSYS），17mm（PHASE2），发生在边坡表层中部位置。铅直向Y 方向最大变形为0.52mm（ANSYS），17mm（PHASE2），发生边坡表层顶部位置。

3、结论

根据上述计算结果，边坡有限元的数值计算是收敛的，浅层无大的应力及位移变形，边坡内塑性区不存在从坡底到坡顶的相互贯通，故边坡基本稳定。经分析，存在以下原因，使得两种计算结果存在差异。

（1）平面有限元计算仅反映各计算断面内的岩区力学特性，未计入单宽各岩体构造面在空间的相互影响，因此，计算结果在某种程度上与实际情况存在差别。

（2）PHASE2考虑了边坡岩体包含的断层、裂隙等天然结构面，ANSYS未计入其影响，因此PHASE2应力大小及位移变形较ANSYS计算结果偏大，但各工况应力位移变化规律一致。

（3）采用线弹性有限元方法进行边坡稳定计算，除受到单元网格大小划分影响外，还受到非线性收敛精度和叠代次数等因素的影响。

参考文献：

[1]DL5180-2003 《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》；

[2]DL/T5353-2006 《水利水电工程边坡设计规范》

[3]DL5077-1997 《水工建筑物荷载设计规范》；

[4]DL5073-2000 《水工建筑物抗震设计规范》；

[5]《某坝址地震安全性评价报告》（甘震安评【2008】20号）；

[6]《某水电站工程初步设计报告·4.工程地质》。