有限元法与极限平衡法结合分析某电站库区滑坡体稳定性

2017-11-15

四川水利 2017年5期

(中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司成都分院，成都，610091)

陈琰

(中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司成都分院，成都，610091)

将有限元法与极限平衡法相结合，进行滑坡体的稳定性分析。由有限元法计算得到最危险的滑面以及破坏范围，为极限平衡法提供计算模式，提高了滑坡体稳定性分析的准确率及工作效率，不仅确定了滑坡体可能的破坏范围，还得到相应的安全系数，进而对滑坡体的处理措施提供依据。

极限平衡法有限元法滑坡体稳定性

水库蓄水后，滑坡体前缘水位抬高11m，在库水浸泡作用下，将进一步恶化坡体前缘的地质条件，可能诱发其前缘局部牵引式失稳。滑坡体上有居民分布，且雅安至望鱼旅游公路经过该坡体。通过对滑坡体蓄水后的稳定性进行分析，可为滑坡体的处理措施提供依据。

当前，传统的极限平衡法是稳定性分析最常用的方法，计算简捷、适用广泛而又方便。有限元法进行边坡稳定性分析在工程中的应用越来越多，对于复杂地形地质条件的边坡，不需事先假定破坏面的形状或是位置，通过计算可以得到可能的滑动面以及应力应变位移等信息，但要计算安全系数，单一判据往往得到的结果不够准确，而采用多个判据计算往往工作量较大。将极限平衡法与有限元法相结合，有限元法为极限平衡法提供滑坡体变形类型、破坏范围和边界条件，而极限平衡法计算出滑坡体安全系数，从而更高效、准确地对滑坡体稳定性进行评价。

1 滑坡体概况

某水电站位于青衣江一级支流周公河中下游，地处四川省雅安市雨城区沙坪镇和周河乡境内。库区位于川西平原西部边缘山区，山脉及河谷走向近南北。陡滩滑坡体位于黄村上游左岸，距坝址直线距离约3.3km，滑坡体在平面上呈一扇形分布，地表有厚3m～27m残坡积、崩塌堆积土层分布，洪水期受河水冲刷较严重，前缘部分受河水冲刷，形成新的不利边坡稳定的临空面，并在暴雨时地下水位壅高等共同作用下，使堆积体前缘产生滑移，形成地裂缝，受滑坡坡体前缘滑移的影响，陡滩村公路两侧部份民房产生开裂变形。

滑坡体分布区物质成分为坡残积粘土夹碎石(局部为砂岩块石)，滑坡体下伏基岩为J2sn薄至中厚层棕红、砖红色泥岩，粉砂质泥岩夹少量钙泥质细砂岩及J2s薄至中厚层紫红色泥岩夹灰红色、灰绿色粉～细砂岩，长石石英砂岩。

2 计算依据

2.1 滑坡体成因及现状

根据地表地质测绘资料反映，滑坡体前缘沿河流方向主要发育有两条地裂缝，距现河床边水平约50m范围内，缝宽20cm～50cm，延伸长度均大于10m，可见深度大于1.0m，沿地裂缝在滑坡体前缘出现拉裂小错台。由于附近居民多盖砖混房屋，基础置于覆盖层之上，结构敏感，地基土体的轻微变形对房屋结构影响较大，甚至公路边部分民房已见开裂变形现象。

水库蓄水后，考虑库水抬高和地下水浸润曲线时，滑坡体前缘706.50m高程线以下均存在浸没、淹没问题，残坡积粘土夹碎石在库水浸泡及浸没作用下，物理力学指标将进一步下降，增加了诱发滑坡体失稳的可能性。

2.2 计算参数

根据地质专业现场勘查、土样试验以及工程经验给出滑坡体物理力学参数见表1。

表1 滑坡体物理力学参数

根据滑坡体的地形地貌及现状，选取典型剖面进行稳定性分析，见图1。

图1 滑坡体典型计算剖面

3 稳定性分析

首先采用ANSYS软件进行有限元法计算，通过不断降低岩土体抗剪强度参数，直至达到岩土体极限状态，形成滑坡体破坏面，然后用理正软件对有限元计算得到的破坏面采用传统极限平衡法进行安全系数的计算。

库水位抬高、地下水位线上升，持续暴雨致使岩土体饱和，库水位陡降以及地震都是影响滑坡体稳定性的主要因素。考虑水库蓄水至正常蓄水位，地下水相应抬升，将岩土体天然自重状态作为持久工况，自重加暴雨作为短暂状况；将库水位陡降为偶然状况一，自重加地震作用作为偶然状况二。

3.1 有限元法

本次计算的有限元材料模型采用摩尔-库伦本构模型进行建立，整个分析过程为非线性——小应变分析，通过应变值来确定滑坡体最不利滑面位置，即若应变过大，发生塑性变形，则计算不收敛，表明滑坡体将沿该滑面首先出现失稳破坏，失稳破坏判据理论为摩尔-库伦强度理论。

有限元模型考虑水库蓄水后，汛期持续降雨情况下，滑坡体内地下水位抬升，通过对相应土体参数折减，进行分析计算，得到临界状态时的应变云图，如图2所示。分析可知，滑坡体汛期地下水位至基岩顶面均为潜在不稳定滑面，破坏模式为滑坡体中前部牵引式破坏失稳。

图2 滑坡体典型坡面应变分析云图

3.2 极限平衡法

极限平衡法的理论基础是将滑动区域可能的滑动体视为刚体，设在滑动面(带)上的岩土体处于塑性极限平衡状态，而后利用刚体力学的观点分别计算滑动体所受的抗滑力(或力矩)和滑动力(或力矩)，利用二者的比值作为边坡稳定性的衡量标准，其值即为安全系数。库岸滑坡体或堆积体可能沿堆积体或滑坡体底面和覆盖层内部发生破坏，可采用传递系数法进行抗滑稳定计算。本文分析的滑坡体可能的滑动面由一些倾角较缓、相互间变化不大的折线段组成，适用该方法。

采用理正计算软件对滑坡体典型剖面进行计算。计算滑面根据有限元法分析得到的可能滑动区域拟定，并对剪出面和后缘拉裂面进行搜索，得到最不利滑动面，如图3所示。