基于强度折减的洛宁抽水蓄能电站黄土边坡稳定性研究

张学清，潘福营，殷 康，龚振如，贾伟珑，朱 涛

（1.河南洛宁抽水蓄能有限公司，河南省洛阳市 471700；2.国网新源控股有限公司，北京市 100161；3.中国科学院大学，北京市 100049）

0 引言

随着人类活动的延伸，越来越多的大型工程出现，带来一些边坡安全问题。边坡失稳往往危及生命及财产安全，带来不可衡量的经济损失，如交通阻断、河道淤积堵塞、城镇掩埋、工程停工等。

国内外学者对土质边坡失稳展开研究，土力学的创始人Terzaghi[1-2]首先用土力学来揭示滑坡机理，并用工程案例进行解释；Morgenstern[3]等提出孔隙水压力发生变化揭示形成滑坡的机理；Skempton[4]提出黏性土的残余强度理论来分析滑坡；唐晓松[5]等通过强度折减法逐步折减迫近极限平衡揭示类均质、层状、软硬互层边坡的破坏机理；张宝龙[6]等通过力学分析和数值模拟来分析坡高和坡角对边坡破坏模式的影响。

关于黄土边坡的破坏机理，许领[7]等对于黄土滑坡发生机制、滑坡远程滑动机制和地震作用下诱发滑坡的国内外现状进行总结；文建军[8]等研究加载速率对黄土边坡滑动速率的影响；唐东旗[9]等针对不同坡高、坡面角度、开挖进尺来分析对黄土边坡的影响；孙萍[10]等通过现场试验研究不同雨强条件下土壤的参数变化趋势、渗流的特点以及边坡的变形特点；张子东[11]等通过研究三轴试验中土体的应力—应变曲线来分析黄边坡在开挖卸荷中的变形机理；王杰[12]等通过寻找最大位移值和塑性区来确定潜在滑裂面，并与Bishop法进行对比。

本文以洛宁抽水蓄能电站业主营地区域五级黄土边坡为例，运用FLAC 3D有限差分软件，对该边坡分步开挖施工及运行进行数值模拟，通过计算不同工况下边坡的变形，评价边坡安全状态。

1 工程概况

洛宁抽水蓄能电站位于河南省境内，属黄河水系洛河右岸一级支流白马涧。业主营地区域位于下水库左岸西北侧，场平高程600～640m。场区内地形总体较开阔，地形总体地势南低北高，西南侧有山体，西北及东北为冲沟。位于场址东侧约135m 处的白马涧，该河段水流平缓，常年有流水，场址区高于河面约100m。

业主营地区域规划用地设计高程为637～655m，其内主要建筑物有：综合办公楼、中控楼、活动中心、食堂、设代监理楼、运行公寓及业主公寓、消防站、锅炉房等。建筑物均为不超过4 层的多层民用建筑。

1.1 地质构造

工程场址区发育的断裂构造主要有洛河断裂和一些小规模断层。历史上没有破坏性地震的记载，工程区范围内不存在规模较大的断裂，仅分布一些规模较小的断层，且都不是活动断层。

1.2 工程地质条件

工程区内广泛分布第四系（Q4）松散堆积物，主要分布在山脊、坡顶及沟底部位，场区岩土层大致可以分为3层，从上至下依次为：

①层：耕植土，灰褐色，软塑～可塑状，稍湿。含少量植物根茎，分布较均一，厚度0.4～0.8m，属高～中等压缩性土。

②层：黄土层，黄褐色，可塑～硬塑状，稍湿。分布较均一，厚度1.0～15.6m，属高等压缩性土。

1.3 水文地质条件

区内地下水主要有两种类型：一种是赋存于土层中的孔隙潜水，补给来源为大气降水和场区内渠道水的渗漏，受季节性影响明显；另一种是基岩裂隙水，主要来源于地表降水渗透，通过裂隙向下运移，地下水量小，受季节变化影响较大。

1.4 边坡支护设计

在设代监理楼、运行公寓及业主公寓后方有一高边坡，边坡高度 40m，坡比从上至下依次为1：1.75、1：1.75、1：1.50、1：1.50、1：1.50，边坡高度每 8m 设置 2m 宽马道。边坡采用C25混凝土网格梁支护；在网格梁节点处设置锚杆，锚杆钢筋直径25mm（HRB400），长度6m，钻孔直径90mm；在坡脚处设置C30混凝土挡墙，墙高5m。对五级边坡需进行安全监测，采用水平位移总量30mm及位移速率3mm/s的双重控制标准。支护剖面图见图1。

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2 数值模型

2.1 模型建立

根据业主营地区域地形图，先采用Hypermeh软件建立模型，然后基于限差分方法采用FLAC 3D软件进行数值模拟。图2为建立的边坡数值模型。模型底部尺寸136m×147m，其中，基岩埋深为22～31m，基岩厚度为64～104m，共划分134089个单元，26026个节点。

图2 五级边坡数值模型图Figure 2 Numerical model diagram of five grade slope

2.2 计算参数及工况

岩土体的计算参数选取见表1。

表1 岩土体计算参数表Table1 Table of calculation parameters of rock and soil mass

计算工况分别考虑边坡施工期在无支护、锚杆支护、挡土墙支护条件下，以及边坡运营期等4种工况，如表2所示。

表2 边坡计算工况表Table2 Table of slope calculation conditions

3 计算结果及分析

3.1 边坡开挖阶段

3.1.1 锚杆支护效果

图3、图4为边坡开挖没有进行支护的位移云图，可以看出：无锚杆支护下边坡整体出现较大的位移，位移最大值出现在坡脚处，位移值约为140mm。图5、图6为边坡开挖且进行及时支护的位移云图，可以看出：在锚杆支护下，边坡位移得到较好的控制，位移最大值出现在坡脚处，位移值约为16mm。

图3 无支护的边坡水平位移剖面图Figure 3 Horizontal displacement profile of an unsupported slope

图4 无支护的边坡水平位移整体展示图Figure 4 The overall horizontal displacement diagram of the slope without support

图5 锚杆支护下边坡水平位移剖面图Figure 5 Horizontal displacement profile of slope under bolting support

由图3～图6可以看出：边坡潜在滑动面位于土岩分界线处；由于边坡开挖后及时施加锚杆支护，边坡出现的位移最大值得到明显降低，锚杆支护对边坡位移的抑制作用很大。

图7、图8为边坡开挖先进行锚杆+挡土墙支护的位移云图。将图6和图8进行对比发现，最大位移值均出现在坡脚处，最大位移值由无挡土墙16mm降到有挡土墙的6mm，由此可见，挡土墙的锁脚作用很明显。

图6 锚杆支护下边坡水平位移整体展示图Figure 6 The overall horizontal displacement diagram of the slope under bolt support

图7 挡土墙支护下边坡水平位移剖面图Figure 7 Horizontal displacement profile of slope under retaining wall support

图8 挡土墙支护下边坡水平位移整体展示图Figure 8 The overall horizontal displacement diagram of the slope under retaining wall support

3.1.3 数值模型验证

在现场第三级边坡顶部682m平台设置了一个30m深的测斜孔，通过将数值计算结果和现场监测数据进行对比，以验证数值计算模型的合理性。从图9中可以看出，数值计算结果和监测数据相差不大，边坡位移的分布趋势是一致的，表明本次计算采用的数值模型是合理的。

图9 数值计算和现场监测数据对比Figure 9 Comparison of numerical calculation and field monitoring data

3.2 边坡运行阶段

有必要考虑到边坡在运营期内遇到若干次强降雨以及雨季工况下的安全，采用岩土参数劣化的形式模拟边坡在降雨状态下的变形，选取饱和状态下土体参数模拟降雨状态[13-14]。工况1至工况3均在锚杆+挡土墙支护条件下，对应于岩土参数受降雨影响产生不同程度的劣化，岩土参数取值见表3，三种工况均采用锚杆加挡土墙支护，其中，工况3下的土体参数与饱和状态大致相等，可视为强降雨工况。

表3 模拟降雨工况下的土体的参数Table 3 Parameters of soil under simulated rainfall conditions

图10～图15是各工况下边坡水平位移剖面图和水平位移整体展示图。边坡位移最大值由14.0mm分别增大到21.3mm及27.9mm，最大位移值仍然出现在坡脚处，位移值从坡顶到坡脚呈现递增趋势。

图10 工况1边坡水平位移剖面图Figure 10 Working condition 1 section of slope horizontal displacement

图11 工况2边坡水平位移剖面图Figure 11 Working condition 2 section of slope horizontal displacement

图12 工况3边坡水平位移剖面图Figure 12 Working condition 3 section of slope horizontal displacement

图13 工况1边坡水平位移整体展示图Figure 13 Working condition 1 shows the overall horizontal displacement of the slope

图14 工况2边坡水平位移整体展示图Figure 14 Working condition 2 shows the overall horizontal displacement of the slope

图15 工况3边坡水平位移整体展示图Figure 15 Working condition 3 shows the overall horizontal displacement of the slope

以第三级边坡马道处682m平台监测点为参考点，对比四种工况下监测点位移值，同时与边坡最大位移值对比，见图16，可以看出，随着参数裂化，位移值大致呈线性增加，边坡位移最大值斜率大，增幅大一些。

图16 不同工况下监测点位移变化趋势Figure 16 The displacement trend of monitoring points under different working conditions displacement of the slope

由此可见，经过强降雨或雨季的若干次干湿循环，边坡出现的位移值没有超过30mm的控制值，边坡安全风险处于可控状态。

4 结论

根据对五级边坡不同工况下的数值计算结果，得出以下结论：

（1）施工期施加支护对边坡位移的抑制作用明显。边坡出现的位移最大值得到明显降低，锚杆支护对边坡位移的抑制作用很大，挡土墙的锁脚作用很明显。

（2）现场监测数据与数值模拟结果大致吻合，表明本次计算采用的数值模型是合理的。

（3）经过强降雨或雨季的若干次干湿循环，边坡出现的位移值没有超过控制值，边坡安全风险处于可控状态。