石洞水库坝肩边坡开挖后稳定性分析

(江西省赣抚平原水利工程管理局，江西 南昌 330096)

目前常用的边坡开挖后稳定性分析法为极限平衡分析法、数值分析法。隗锦涛、杨志刚[1-2]提出基于“地形、边坡开挖及岩土类型组合特征”的边坡地质分类方法，对不同类边坡的稳定性进行分析评价；张江伟[3]提出基于地震边坡稳定性分析，将其分为定性和定量两类；杨志刚、靳付成等[4-7]应用三维弹塑性有限元数值法对边坡开挖后的位移、应力状况进行分析模拟，并提出了支护建议；韩万东、谷明宇等[8]简述了3种基于极限平衡理论分析边坡稳定性的方法，并提出水对边坡稳定性有很大的影响；高涛、毛巨省等[9]基于FLAC3D建立边坡数值模型，对边坡的稳定性进行数值模拟，研究边坡的应力和位移。

1 工程地质条件

石洞水库共有1座主坝、7座副坝、3座溢洪道，8座大坝均为均质土坝。主坝为碾压式均质土坝，坝顶高程78.63m(其中最大坝高33.38m)，坝顶长468m，坝宽10.20m。水库大坝肩边坡主要包括右岸肩坡和左岸溢洪道高边坡。大坝两岸为低山区，其中右岸坡为坡度较大的悬坡，且高度最高达到472.90m。根据坝址两岸地势以及山区高度，其右岸肩边坡最高在110m以上。

采用极限平衡分析法对右岸肩坡的剖面(见图1)进行分析，右岸肩边坡为一悬坡，边坡的成分主要为安山玢岩，肩坡顶部主要为砾岩。由于地势的影响，安山玢岩主要呈现弱风化，且岩体中裂缝较多，且裂缝表面有铁锈斑迹；砾岩由于处于肩坡顶部，常年的风蚀使岩体呈现弱风化，强度低，抗冲性差，同时顶部岩体的土壤质地黏粒含量达到了45%～50%。河床表面有卵石覆盖层，厚度达15～30m。

图1 右岸肩边坡剖面

2 肩坡稳定性分析

2.1 计算模型

选择计算机仿真软件FLAC3D，采用显示拉格朗日算法模拟出边坡的具体变化情况。FLAC3D利用强度折减换算方法模拟边坡的破坏程度及进程，便于为分析边坡的稳定性提供依据。前坪坝址右岸山体陡立、表面岩层外漏。主坝从右岸沿西北45°方向延伸至左岸，右岸坝轴线与天然边坡轴线之间成45°夹角。计算三维模型时设定河道方向为Y轴，与之垂直方向为X轴，竖直方向为Z轴。模型中原点为前坪0+600剖面与坝轴线的交点，沿河道下游延伸500m；以大坝表面为原点，沿竖直方向向下延伸150m。

计算参数主要为重力、水压力、地震影响力，四个方向均为竖向位移，底面约束为三向位移。计算模型中共有52660个单元、27459个节点(见图2)。计算中的材料采用安山玢岩、卵石及砾岩，由于水位对水库的蓄水量有着重要影响，设计和优化过程中均要考虑水位的影响，因此在计算过程中需要考虑水的作用，其中地表水考虑水压力，地下水考虑渗透力。根据水库边坡的材料成分以及有关资料，岩石的力学参数密度、弹性模量、黏聚力等见表1，考虑地震的影响，计算时增加防地震值，加速度按a=0.20g计。在边坡开挖的过程中，实际上主要从上向下进行。对水库右坝肩开挖，坡度采用1∶0.6，通过优化将坝肩坡度提高到1∶0.2，同时坡面设置柔性防护网。

表1 岩石力学计算参数

图2 右坝肩计算模型

2.2 结果分析

2.2.1 无水情况下右岸肩坡开挖后的位移

在无水情况下，计算右坝肩完全开挖后的位移。结果表明：在开挖面附近产生一定的位移，其中位移最大部位在底部，位移值为2.45cm，位移最小部位在顶部；边坡顶部的位移延伸量最小，底部向下的位移延伸量相对于其他地方较大。开挖后的位移见图3。

图3 原设计方案边坡位移

在无水情况下，按照优化后的设计方案计算右坝肩完全开挖后的位移。结果表明：在开挖面附近产生一定的位移，其中位移最大部位在底部，位移值为2.16cm，位移最小部位在顶部。与原设计方案相比优化后位移值有所减少。此外位移相对较大的地方还有河道附近。优化方案开挖后的位移见图4。

图4 优化方案边坡位移

2.2.2 正常水位情况下右岸肩坡开挖后的最大主应力

在正常水位情况下对水库右坝肩完全开挖后，根据设计方案计算其河道以及开挖面上主要压力。结果表明最大主应力主要分布在河道和开挖面上，且全部为压应力。同时在同一高度处，非开挖表面的最大主应力明显低于开挖表面。按设计方案开挖后右岸肩坡的最大主应力见图5。

图5 原设计方案最大主应力

根据优化方案计算水库河道以及开挖面上主要压力。结果表明最大主应力主要分布在河道和开挖面上，且全部为压应力。同时在同一高度处，非开挖表面的最大主应力明显低于开挖表面。按设计方案开挖后右岸肩坡的最大主应力见图6。

图6 优化方案最大主应力

2.3 不同方案对比

原方案在无水、正常水位以及附加地震的情况下，最大主应力为正值，主要表现为拉应力；优化方案下，边坡经过完全开挖后，无论在何种工况下最大主应力值均为负值，说明在优化方案下，最大主应力均不显示拉应力；对比分析边坡的最大位移，优化方案的最大位移比原方案在无水、正常水位以及附加地震的情况下相对差分别为0.21cm、0cm、1.02cm，相对差较少，同时优化方案的工程量较原方案小(见表2)。

表2 不同方案下最大应力与位移对比值

3 开挖后边坡安全系数

3.1 模型与参数

利用边坡稳定性分析软件SLOPE/W，采用极限平衡分析法分析计算右岸肩边坡的安全系数。根据右岸肩边坡的剖面图(见图1)建立边坡的开挖模型，计算模型长度和宽度分别选取230m和185m，计算中的材料采用安山玢岩、卵石及砾岩。由于水位对水库的蓄水量有着重要影响，设计和优化过程中均要考虑水位的影响，因此在计算过程中需要考虑水的作用，其中地表水考虑水压力，地下水考虑渗透力。

3.2 计算结果

在无水工况下，利用软件计算得到边坡开挖后的安全系数。用原方案开挖后边坡的安全系数为1.51(见图7)，用优化方案开挖后边坡的安全系数为1.49(见图8)，二者安全系数相差值为0.015。

图7 原设计方案安全系数

图8 优化方案安全系数

原设计方案与优化设计方案在不同工况下的安全系数值见表3。在原设计方案下，边坡经过开挖后在无水情况下安全系数为1.51；洪水时期正常水位时的安全系数为1.46；在极端情况下考虑地震的影响，边坡在正常蓄水位下的安全系数为1.20。采用优化方案后，边坡在不同工况下的安全系数均有所降低，开挖后边坡的安全系数为1.49，考虑地震影响时，边坡正常蓄水位下的安全系数为1.11，坡体相对较为稳定。

表3 不同方案下各工况的安全系数

4 结 论

本文采用数值分析法对石洞水库右岸肩剖面图进行分析，利用极限平衡分析法法计算开挖后边坡的安全系数，对比分析原方案和优化方案肩坡的最大主应力与最大位移以及开挖后边坡的安全系数。由于原方案开挖坡度采用1∶0.6，通过优化将坝肩坡度提高到1∶0.2，优化方案的开挖坡度高于原方案，因此安全系数低于原方案，但在边坡稳定性允许范围内，且与原方案安全系数最大差为0.05；两种方案最大位移差为1.02cm。原方案开挖面上的最大主应力主要为拉应力，而优化方案无论在何种工况下均不显示拉应力。

优化方案相比原方案可以减少边坡开挖量14.70万m3，大大减少了施工量，压缩了施工时间，降低了施工投资费用。