水电站进场公路边坡有限元与极限平衡综合分析

孟凡成，彭坤杰，孟 云，严 雨，谢寿平

(1.贵州高速公路集团有限公司，贵州 贵阳 550004；2. 中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北 武汉 430056)

0 引 言

重庆市石柱县万胜坝水库工程电站厂房位于方斗山北西麓赶家桥煤矿下游，行政隶属于石柱县沿溪镇。该电站进场公路位于傍山斜坡地形，公路施工不可避免地对斜坡坡脚进行开挖，形成深挖路堑边坡，这些工程边坡的稳定性状况，直接关系到进场道路的正常建设和安全运营，并在一定程度上影响着水电站进场公路的通行安全问题[1]。边坡一旦发生变形破坏，就会导致处治工程失效甚至产生灾难性的后果，即增加了投资，又延误了工期，还给运营安全留下了隐患[2,3]。因此，如何通过综合研究，对边坡稳定性进行合理的评价和科学的预测[4]，提出科学合理的设计方案，对加快施工进度，降低工程造价，减少施工和运营期间的边坡地质灾害，保证万胜坝水库工程电站顺利建成具有十分重要的作用。

目前，在边坡勘察设计中大多采用地质分析与刚体极限平衡方法[5]，这类分析方法主要依赖于地质环境条件的分析，而边坡稳定性的影响因素很多且复杂[6,7]，单一的分析方法远不能满足当前边坡勘察设计的需求，然而综合的研究方法已成为当前边坡稳定性分析的必然趋势。

以水电站进场公路深挖路堑边坡为例，采用有限元与极限平衡相结合的综合分析方法，对路堑边坡开挖过程的稳定性进行研究，弄清路堑边坡施工开挖稳定性和滑移面的演化规律，提出科学合理的设计施工方案，对于保证电站进场公路边坡施工和运营安全具有十分重要的工程实践意义。

1 边坡概况及有限元分析模型建立

1.1 边坡工程地质概况

该电站进场公路K0+000～K3+125.276段存在深挖路堑，其中K2+210～K280段公路挖方高度最大为54.18m。地貌上属中山侵蚀地貌，地形起伏较大。

根据钻探揭露和区域地质资料揭示，K2+210～K280段进场公路边坡地层由表及里分别为④粉质黏土层、⑤强风化泥岩层和⑦中风化砂岩层(见图1)。

图1 路堑边坡地质剖面图Fig.1 Geological profile of cutting slope

根据勘察成果，泥岩属于软质岩石，是陆源碎屑沉积的最细粒部分，主要由黏土矿物(如水云母、高岭石、蒙脱石等)和碎屑矿物(石英、长石、云母等)组成，具有遇水崩解、易风化的工程特点。坡体开挖后一旦长时间暴露于地表，在日照、温差和降雨的综合作用下风化强烈，导致坡体裂隙增多、岩体强度降低，坡面易发生崩解、剥落，会对边坡的稳定性造成影响。

根据勘察试验成果，结合现场地质情况，对边坡岩土体物理力学参数进行综合取值，详见表1。

表1 边坡岩土体物理力学参数Tab.1 physical and mechanics parameters of rock-soil mass for cutting slope

1.2 深挖方边坡设计概况

本段路堑采用台阶式放坡，典型断面设计见图2。

图2 深挖路堑边坡设计图Fig.2 Design scheme of deep cutting slope

除第一阶边坡高度8 m外，第二至第五级边坡高度均为10 m，平台宽度2 m，第六级边坡高度为6.4 m，宜分层、分级开挖、防护。

边坡开挖坡率是根据边坡的工程地质条件，参考相关规范综合确定。采用坡率如下：第一级坡比1∶0.5，采用光面爆破施工；第二～第五级坡比为1∶0.75，第六级坡比为1∶1.25，边坡防护根据边坡的地质条件确定。

1.3 有限元分析模型建立

根据路堑边坡的工程地质条件，采用有限元建模建立边坡的数值分析模型，共剖分了4 258个单元，4 367个节点，见图3。

图3 边坡有限元分析模型Fig.3 Finite element analysis model for cutting slope

模型左右边界约束X方向位移，底面边界约束X和Y方向位移。

2 边坡有限元强度折减分析

2.1 有限元强度折减法

有限元强度系数折减法[8]的基本原理是将坡体强度参数(黏聚力和内摩擦角值)同时除以一个折减系数F，得到一组新的值，然后作为新的材料参数输入，再进行试算，利用相应的稳定判断准则，确定相应的F值为坡体的最小稳定安全系数，此时坡体达到极限状态，发生剪切破坏，同时又可得到坡体的破坏滑动面，具体计算步骤可参考文献[9,10]。

2.2 边坡有限元强度折减分析结果

对建立的路堑边坡地质模型进行有限元分析，得到不同开挖阶段路堑边坡的有限元强度折减计算结果，见表2和图4。

表2 深挖路堑边坡稳定性强度折减计算结果Tab.2 Calculation results of deep cutting slope stability for SSR

图4 深挖路堑边坡有限元强度折减计算成果图Fig.4 Plots of deep cutting slope for SSR

从表2可以看出：随着边坡逐级开挖，边坡的稳定性也逐步增大，尤其是第二级和第一级边坡开挖后，边坡的稳定性有较大幅度提高。这是由于随着边坡的开挖，浅表层的粉质黏土层被挖除了，坡体为强风化泥岩层，边坡岩土层的物理力学性质也逐步提高了。因此，边坡的稳定性也逐步提高了，与工程地质定性判断一致。

从图4可以看出：边坡可能的滑移面随着边坡逐级开挖施工逐步发生调整，且均为圆弧形滑动，原始边坡、第三级至第六级边坡开挖时从残坡积层发生圆弧滑动，第二级边坡开挖时从残坡积层和强风化泥岩层发生圆弧滑动，第一级边开挖时从强风化泥岩层发生圆弧滑动。

3 边坡稳定性刚体极限平衡分析

为了与强度折减法计算的结果进行对比，采用边坡刚体极限平衡分析方法对边坡原始坡形、不同开挖条件下的稳定性进行了计算，计算结果见表3。各施工工况条件下路堑边坡可能滑移面见图5。

从表3可以看出：随着边坡的开挖，边坡的稳定性有逐步提高，尤其是第二级和第一级边坡开挖后，边坡的稳定性提高幅度较大，与路堑边坡开挖有限元折减分析结果一致。

从图5可以看出：随着边坡逐级开挖施工，边坡可能的滑移面也逐步调整，而且原始边坡、第六级至第二级边坡开挖时，边坡可能的滑移面在残坡积层，第一级边坡开挖时，边坡可能的滑移面发生第二级边坡以上。因此，路堑边坡第二级与第四级边坡应采取适当的加固措施，避免边坡从第二级边坡顶发生从强风化泥岩层圆弧滑动。

表3 深挖路堑边坡稳定性刚体极限计算结果Tab.3 Calculation results of deep cutting slope stability for rigid limit equilibrium method

4 边坡稳定性综合评价

对路堑边坡开展强度折减和刚体极限平衡分析，综合两种计算结果，得到路堑边坡稳定性随逐级施工开挖的演化过程，见图6。

从图6可以看出：有限元强度折减法得到路堑边坡的稳定性演化规律与刚体极限平衡法一致，路堑边坡的稳定性随着逐级开挖，稳定性系数逐步有所提高，尤其是第二级和第一级边坡开挖，稳定性提高的幅度较大。对比两种方法得到的路堑边坡稳定性计算结果基本一致，且有限元强度折减法得到的稳定性系数略大于刚体极限平衡法。

图5 深挖路堑边坡刚体极限平衡计算成果图Fig.5 plots of deep cutting slope for rigid limit equilibrium method

图6 深挖路堑边坡稳定性演化Fig.6 Stability evolution of deep cutting slope

对比图4和图5，两种计算方法得到的路堑边坡原始坡形、逐级开挖时，边坡可能滑移面的位置和形状基本一致，且均为圆弧形滑动，尤其是第一级边坡开挖后，路堑边坡的滑移面从残坡积层滑出变化为从第三级边坡坡脚位置滑出。

综合分析以上成果，路堑边坡在施工开挖过程中始终处于稳定状态，表明了根据坡体的工程地质性质提出的坡率是能够满足边坡整体稳定性。鉴于强风化泥岩层长期暴露于坡面，受到自然条件(降雨、温差等)的长期作用下风化强烈，导致坡体裂隙增多、岩石强度降低，坡面易发生崩解、剥落，力学性质会逐步恶化，边坡的稳定性将逐步降低，有可能从第二级边坡坡顶发生圆弧形滑动。因此，边坡的防护应根据坡面岩体的工程特性和滑移面的变化提出针对性的措施，即建议第二级～第四级边坡应采取锚杆框架植草防护措施，第一级边坡采用浆砌片石护面墙防护，第五～第六级边坡采取拟挂网混植防护措施，并且开挖一级后应立即进行防护施工，及时封闭坡面,即能够有效阻止日晒雨淋导致的风化加剧，不仅避免表层风化剥落的发生、发展，而且能保证坡体长期稳定。

5 结 论

采用有限元强度折减法和刚体极限平衡法对水电站进场深挖路堑边坡逐级开挖施工的稳定性进行了计算分析，综合评价了边坡的稳定性，所得结论如下：

(1)随着深挖路堑边坡的逐级开挖施工，边坡的稳定性逐步提高，尤其是第二级和第一级边坡开挖后，边坡的稳定性有较大幅度提高，边坡可能的滑移面也随着开挖过程逐步调整。

(2)两种计算方法得到的路堑边坡原始坡形、逐级开挖时，边坡可能滑移面的位置和形状基本一致。原始边坡、第六级至第二级边坡开挖时可能从残坡积层发生圆弧滑动，第一级边坡开挖时可能从强风化泥岩层发生圆弧滑动，可能滑动面的调整为防护措施选择提供了依据。

(3)鉴于强风化泥岩坡面在日照、温差和降雨的综合作用下风化强烈，导致坡体裂隙增多、岩体强度降低，坡面易发生崩解、剥落，力学性质会逐步恶化，边坡的稳定性将逐步降低，有可能从第二级边坡坡顶发生圆弧形滑动。为了确保路堑边坡的长期稳定性，建议第二级至第四级边坡应采取锚杆框架植草防护措施，第一级边坡采取浆砌片石护面墙，第五～第六级边坡拟挂网混植防护，并且开挖一级后应立即进行拟挂网混植防护施工，及时封闭坡面。