某调压井边坡的稳定性分析

王玉丽，章朝峰

(江西水利职业学院，南昌 330013)

1 工程概况

某水电站调压井位于厂房西侧山脊上，边坡地面高程1 880～2 190 m，地形较缓，平均自然坡度25°～40°。出露地层第四系残坡积碎石土及冲洪积砂卵砾石，块石，三叠系上统曲嘎寺组灰色薄层，极薄层板岩夹砂岩，岩层产状变化较大，走向N40°W至近EW，倾上游或山内，倾角50°～80° 调压井井筒围岩为三叠系上统曲嘎寺组薄层，极薄层夹中厚层含炭质板岩，砂板岩，岩层产状N55°～70°W/SW ∠80°～85°，走向与洞筒轴线近于垂直，陡倾，小褶曲及裂隙发育。坡表以下0～91.6 m为强风化至弱风化岩体，岩体破碎，不稳定，为Ⅴ类围岩。91.6～139.5 m为微新岩体，属Ⅳ类围岩。该工程的布置图及计算所选取的剖面位置见图1。

图1 地形分布及剖面位置示意图

本文以立洲水电站调压井边坡为实例，结合当地的水文地质资料，运用二维刚体极限平衡法[1-3]和三维有限单元法[4]进行模拟计算，主要分析调压井运行时内水外渗作用对边坡稳定的影响，以及排水洞开挖后对于减小内水外渗的影响，维护边坡稳定的效果。

2 技术路线

2.1 分析过程

1) 天然边坡典型剖面二维稳定分析。对通过调压井中心线的纵剖面11-11运用二维刚体极限平衡法进行稳定分析，应用陈胜宏老师课题组程序core-LAM以及Geo-slope软件进行计算，搜索坡体的最危险滑面位置，计算相应安全系数，进行边坡稳定初步分析。计算方法包括Sarma法、Spencer法、剩余推力法、改进剩余推力法。

2) 不同工况下的应力应变分析。通过Ansys建立三维有限元模型，用课题组有限元程序core-FEM305进行计算，得到不同工况下坡体的位移分布、应力分布和点安全度的分布图。选取其中的典型断面的结果，分析调压井边坡的稳定性变化情况。

2.2 分析工况

工况一：天然边坡工况。该工况为考虑自重和地下水作用的天然边坡。

工况二：调压井运行工况。该工况下，调压井开挖完成，但未开挖排水洞。考虑地下水作用，且地下水为调压井内达最高涌浪时分布状态。

工况三：排水洞开挖完成工况。该工况为开挖调压井后又开挖了1号和2号排水洞的工况。同样，以地下水分布为调压井达最高涌浪时的分布状态。

2.3 材料参数

简化后的各地层的材料参数见表1。建立模型时的材料分区以w-w1剖面的地质剖面图为例说明，见图2。

表1 岩体材料参数

图2 简化地质剖面图(以w-w1剖面)

2.4 模型建立

天然边坡工况的有限元模型包含了整个模拟范围的岩体，见图3。工况二的有限元模型包括边坡和调压井的开挖以及调压井衬砌；工况三的有限元模型在工况二的基础上，开挖1号和2号排水洞，排水洞示意图见图4。

图3 有限元模型

3 结果分析

3.1 二维刚体极限平衡法计算结果分析

计算工况为天然工况，分别运用core-LAM程序和Geo-slope程序进行二维计算分析。以11-11纵剖面为典型剖面进行初步分析。在Geo-slope中 运用Spencer法进行最危险滑面的搜索，得到3处主要的滑弧及其安全系数，见图5、图6、图7。在core-LAM中，运用Sarma法、Spencer法，RTM和RTMI对相应滑弧的安全系数进行计算，两种程序计算得到的安全系数见表2。

图5 整体滑弧示意图

图6 上部滑弧示意图

图7 下部滑弧示意图

计算方法Core-lamGeo-slopeSarmaSpencerRTMRTMISpencer安全系数(1)1.1901.1831.0901.0901.178安全系数(2)1.3421.3311.330———1.331安全系数(3)0.9740.9600.9530.9530.960

分析比较可知：

1) Sarma法假定条块间和底滑面都达到极限平衡状态，是边坡稳定分析的上限解，计算出的安全系数最大。

2) Core-lam和Geo-slope两种不同的程序，运用相同的极限平衡条分法——Spencer法时，计算所得安全系数非常接近，相差0.4%左右。

3) 上部滑弧的安全系数较整体滑弧和下部滑弧的安全系数大，而边坡下部的安全系数最小，即边坡下部稳定性最差。由此推断，边坡开挖调压井后，调压井运行时产生的内水外渗作用，将会使得下部的稳定性更差。考虑通过开挖排水洞，改善边坡内渗流场，从而减少调压井内水外渗对边坡稳定的不良影响，增加边坡的安全可靠度。

4) 由于工况二条件下，地下水位在较深的岩层中，且在下部最危险滑弧范围之外。根据刚体极限平衡原理可知，二维刚体极限平衡法无法反映地下水位变化对下部可能滑动体的影响。因此，进一步考虑用三维有限单元法对边坡进行稳定分析。

3.2 三维有限元计算结果分析

1) 工况二下，选取典型剖面11-11位移矢量图进行分析，见图8。

在调压井运行工况下，相应于自然边坡，产生了朝向井壁外的最大水平位移为17.4 mm，坡表中下部的位移基本在1～2 mm的大小范围。这说明与天然边坡相比，调压井运行后边坡产生了不稳定的发展。

图8 工况二 剖面11-11位移矢量图

2) 工况三与工况二进行对比。选取典型剖面11-11、a-a1的点安全度分布云图进行分析。

对屈服区域发生变化的部位用椭圆形符号进行标记说明，可以观察出边坡主要在中部和下部的屈服区有所减小。说明排水洞的开挖，对于减少调压井内水外渗作用，维护边坡下部的稳定有积极作用。见图9～图12。

图9 工况二剖面11-11点安全度分布云图

图10 工况三剖面11-11点安全度分布云图

图11 工况二剖面a-a1点安全度分布云图

图12 工况三剖面a-a1点安全度分布云图

4 结 论

1) 运用二维刚体极限平衡法对于边坡稳定进行定量分析，是比较成熟的分析方法，但是使用范围有限。尤其对于地下水位在可能滑坡体外部的情况，二维刚体极限平衡法不能进一步反映水位变化对边坡稳定性的影响，需进一步采取三维方法进行研究。

2) 该调压井开挖后，在运行时产生了内水外渗现象，导致地下水位变化，改变了坡体渗流场，主要对调压井下部坡体的稳定性产生了不利影响。

3) 在坡体内开挖排水洞之后，渗流场得到改善。排水洞的开挖对于调压井下部坡体及井周坡体的稳定性有增强作用。

4) 对于排水洞围岩稳定性还有待进一步分析。