库水升降作用下岸坡道路安全性的有限元分析

黄强　阳波

摘要：水电站在投入运行后，为满足防洪、航运、发电的需要，其水库水位通常处于动态变化之中，这会对库岸边坡的稳定性造成影响，危及岸坡上道路的安全。文章为了探究库水升降作用下岸坡道路的沉降破坏规律，以三峡水库为例，在获取库水升降作用下岸坡岩土参数的基础上，采用Ansys软件建立有限元模型进行了模拟分析，提取了路面的沉降参数，同时通过理论验算证明了数值模拟的可靠性。结果表明：水库水位升降次数越多，道路的沉降情况越严重，这说明库水升降作用会对路基造成持续损伤;道路中靠近库区一侧的沉降值及其增长幅度大于另一侧，说明越靠近库区的道路受水位升降作用的影响越大。

关键词：库水升降;道路沉降;有限元分析

中国分类号：U416.01文献标识码：A

0 引言

近年来，为满足三峡库区经济社会发展的需要，三峡水库沿岸城镇不断加大道路建设的规模，其中有不少道路修建于水库岸坡之上。而由于防洪、航运、发电需要，库区水位在145～175 m之间呈周期性变化，见表1。库区水位涨落会使边坡巖土处于饱和-失水-再饱和的循环之中，造成土体物理力学参数的劣化，引起岸坡路基的沉降。据调查，三峡库区沿岸已经有部分道路因库水升降作用而产生了沉降裂缝。因此，探究岸坡道路在库水升降作用下的沉降破坏规律及防治措施，对于保证三峡库区的道路交通安全至关重要。

在传统的边坡地质灾害研究中，国内外学者们所关注的焦点几乎都是滑坡问题，但在滑坡尚未发生时，边坡稳定性降低所引起的地基沉降也会引发严重事故。对于边坡的安全性研究，常用的传统计算方法是简化毕肖普法，但只适用于单级边坡，用于多级边坡时存在较多缺陷，而在实际道路工程中多级边坡却很常见。

为了弥补上述问题的不足，探究库水升降作用下的岸坡道路沉降规律，本文在获取库水升降作用下岸坡岩土参数的基础上，通过Ansys软件建立整体模型进行了仿真计算，并提出了防治道路沉降的改进措施。针对多级边坡安全系数的确定，本文通过数值模拟以及与对数螺旋机构法的对比，证明了有限元强度折减法的可靠性，以期能够为类似工程提供借鉴。

1 边坡土体参数的确定

在三峡库区，大多数岸坡都是岩质岸坡，主要成分是泥岩和砂岩。泥岩和砂岩属于软岩，在天然状态下能够维持较好的稳定性，但当外部条件发生变化时，其力学性质波动较大。这些外部条件中影响最大的因素之一就是水，岩土体的含水量及渗流作用等会直接影响边坡的稳定性。更为重要的是，三峡水库的水位呈周期性变化，使得边坡岩土体处于饱和-失水的动态循环之中，这会对岩土体内部结构造成损伤，使岸坡的稳定性发生变化。因此，确定库水升降作用下岸坡岩土体的物理力学参数是本文研究的基础，由于边坡所经受的库水作用从本质上来看是岩土体的饱和失水作用，因此可以采用饱和失水试验来确定参数。

为确定边坡岩土体的物理力学参数，笔者参考了文献[3]唐小琳所做的饱和失水试验。该试验选取的研究对象是泥岩和砂岩（本文仅参考泥岩），采用钻孔取芯法采集试验岩样，取回岩样后按照规范加工为高100 mm、直径50 mm和高50 mm、直径50 mm的圆柱形标准试件，共加工制作12个试件。试验拟定：以土样饱水浸泡24 h，再烘干12 h至天然干燥状态为一次饱和失水试验，利用CMT5305万能实验机测得土体的各项力学参数。其试验结果见表2，从表中的数据可以看出，随着库水升降次数的增加，土体的力学参数不断劣化。

2 有限元模拟

2.1 多级边坡安全系数计算

边坡作为道路地基，其稳定性决定了道路的安全性，因此在研究道路沉降问题之前应该计算边坡的安全系数。我国现行《边坡技术规范》中推荐的边坡安全系数计算方法为毕肖普法，但此方法只适用于单级边坡，该规范中未提及多级边坡安全系数的计算方法。而在实际的道路工程中，边坡往往都是带台阶的多级边坡，这在修建盘山公路时最为常见。多级边坡常用的计算方法为对数螺旋机构法和有限元强度折减法。

有限元强度折减法是直接对边坡的力学参数进行折减，然后建立有限元模型进行分析，以出现塑性贯通区或运算不收敛为失稳临界条件，以此确定安全系数。强度折减公式如下：

相比于学者们在边坡研究中常用的对数螺旋机构法，有限元强度折减法计算简便，不用考虑边坡外形影响，也不用分析边坡是否发生局部破坏还是整体破坏（对数螺旋机构法中局部破坏和整体破坏的计算方法差别较大）。为了证明有限元强度折减法适用于多级边坡安全系数的计算，现建立一个三级边坡，模拟计算后与文献[5]高连生和文献[6]邓东平的理论计算结果进行对比，结果见表3。

由表3可知，本文所用折减法求得的安全系数与邓东平和高连生的计算结果分别相差27.5%和19%。图1为边坡即将失稳时的塑性变形云图，由图1可知边坡的塑性贯通区是具有一定宽度的条状区域，而不是一条线，因此前者的内部功率更大，滑体在重力作用下更难发生滑动，安全系数也更大。综上所述，本文计算结果与其他理论计算结果的差值处于合理范围，有限元强度折减法可以用于多级边坡安全系数的计算。

2.2 有限元整体模型分析

为了进一步分析库水升降作用下岸坡公路的沉降特性，采用D—P本构模型建立一个带台阶的三级边坡，并在一、二级台阶上建立公路，采用实体单元solid45，在公路与边坡之间建立接触对，使二者形成整体模型，接触对的摩擦系数设置为0.8，整体模型见图2。边坡采用表2中的材料参数，公路采用C40混凝土。对初始状态下的边坡进行强度折减，安全系数>1，因此在库水升降作用之前边坡处于稳定状态，不会滑坡，初始状态下的边坡沉降云图如图3所示。

在确定了初始边坡的安全性后，采用表2中的数据进行模拟计算，并提取公路的沉降值。图2中的黑色区域为公路1，白色区域为公路2。库水升降1次时沉降值随库水升降次数变化的曲线见图4～5。