基于Slide软件的人工高边坡有限元分析

潘永胆，袁国栋，和丽清，安可君

(1.长江工程职业技术学院，湖北 武汉 430212； 2.中国葛洲坝集团，湖北 宜昌 443002；3.云南农业大学 热带作物学院,云南 普洱 665099；4.华能澜沧江水电股份有限公司 糯扎渡水电厂，云南 普洱 665005)

1 基本资料

1.1 项目概况

乌干达卡永加水电站主要致力于发电，其主体结构包括大坝、厂房和泄洪建筑物.该水电站发电装机容量900 MW，正常蓄水位70 m，最大坝高80 m，总库容5.08×108m3.该水电站建设项目属于大型水利工程，建筑物主要由大坝、泄洪建筑物、输水和发电结构等组成；主要建筑物安全性级别为二级.

乌干达高型混凝土重力坝一期水电站项目坝址位于卡永加村庄上游约9.3 km处.坝址属于高中山区，两侧山脉高程均超过400 m，河谷相对呈现U形，通过综合考虑地形、地质条件以及项目布局，在坝址范围内确定坝轴位置.卡永加河水向170°方向流动，正常蓄水位70 m时的水面宽度约为379.5 m.河岸上树木繁茂，较多地区覆盖着第四纪松散地层，局部基岩裸露.坝址基岩为大块角砾晶体凝灰岩，岩性简单，地质构造损伤小，岩体风化均匀，坝区内无断层和断裂.

1.2 工程地质条件

左岸坝肩为人工陡坡，现场钻孔数据和地质绘图揭示：海拔39.0 m～63.8 m主要由微风化岩体和弱风化带下段组成，伴有块状或次块状结构；海拔63.8 m～95.8 m人工陡坡主要由镶嵌结构的弱风化带上段组成；海拔95.8 m以上人工陡坡主要由崩积层(崩积与坡积混合层)和碎石组成，其中崩积层厚8.5 m～10.0 m，并伴有泥土.边坡处现场踏勘无明显断裂构造，其地下水主要是基岩裂缝水，地下水水位为4.00 m～24.20 m，其顶层约有8 m(部分10 m)厚的覆岩，其主要为伴有泥土的碎石(巨砾)，结构疏松，稳固性差.在覆岩底部，有软塑型粉质黏土.人工边坡中下部为岩石，岩石局部裂缝发育但无明显方向性.

右岸坝肩为人工陡坡，现场钻孔数据和地质绘图揭示：海拔11 m～114.5 m人工陡坡主要由弱风化带下段和微新岩体组成，伴有块状或次块状结构；海拔114.5 m以上的人工陡坡主要为弱风化带上段，镶嵌结构.边坡处的地下水主要是基岩裂缝水，地下水水位为11.3 m～18.8 m.右岸人工边坡主要是岩石，岩石局部裂缝发育但无明显方向性.

2 计算方法和力学参数

现阶段用于边坡稳定性计算的专业软件比较多，通用软件Ansys和Adina建模计算过程比较复杂，这给工程的实际应用带来诸多不便.Rocscience公司开发的边坡稳定性计算软件Slide，是通过与各种极限平衡方法的结果比较，用上、下界限法和极限平衡法分析非均质土体的几何不规则边坡剖面，给出有限元分析法产生的安全系数、临界滑动面位置，准确模拟边坡稳定性的软件.因其建模过程方便，计算快捷，在边坡稳定性计算中应用广泛[1].

本文结合工程实例成果，采用Rocscience Slide二维边坡稳定分析软件[2]，首先建立计算模式，并确定左右岸人工陡坡破坏模式，其次定义几何、材料、地下水三个边界条件，并进行材料特性值和滑移面设置和不同工况条件的计算，最后比较分析计算结果K值与安全系数规范值[K]，判断左右岸边坡不同工况的最危险滑动面和安全系数，参考类似工程项目措施提出左右岸人工陡坡加固处理措施.

根据现场钻孔取样、力学实验、地质资料和经验数据，确定本次计算参数.为保证计算参数取值的可靠性[3]，坝址处边坡的主要物理力学参数，如表1所示.

表1 土体物理力学计算参数

3 计算结果分析

3.1 左岸坝肩陡坡

根据左岸边坡高度和地质条件，选择左岸坝肩高边坡进行稳定性2D数值计算和分析.使用Rocscience Slide软件评估施工期间和运行期间不同计算工况下的边坡稳定性和安全系数[4].计算结果数据，如表2所示.

表2 左岸边坡计算工况和安全系数

计算结果表明，左坝肩边坡稳定性主要受上部夹杂石头(卵石)和土壤的崩积物影响，短暂状况(施工期)安全系数1.18，大于规范值1.15(最大值)，岩石坡的整体稳定性能够满足规范要求.持久状况(运行期)安全系数1.18，小于规范值1.25(最大值)，需采用加固和支护措施后方能满足安全要求.

3.2 右岸坝肩陡坡

根据右岸边坡最大开挖坡度和地质条件，选择典型横截面，采用2D平面数值有限元分析.计算结果数据，如表3所示.

表3 右岸边坡计算工况和安全系数

计算结果表明，右岸边坡短暂状况(施工期)安全系统3.49，大于规范值1.15(最大值)，整体稳定性良好；持久状况(运行期)边坡的安全系数5.01，大于规范值1.25(最大值)，整体稳定性良好.

4 结论与建议

1)左岸坝肩陡坡每隔10 m～15 m设置高度不同的3 m宽马道，开挖坡度为1∶0.5～1∶0.75.考虑到左岸交通需求，高程75 m处应设置8 m宽马道，左坝肩上应扩大到18 m，便于缆索起重机卸载材料.为防止开挖坡面岩块的不稳定和石块掉落，边坡上应设置边坡系统锚杆及钢筋网加强型喷射混凝土支护和排水设施.开挖边坡应采用边坡系统锚杆(直径25 mm，每个长6.0 m)支护，间距2.5 m×2.5 m.每层坡顶应设置两排边坡系统锚杆(直径28 mm，每个长9.0 m，间距2.5 m×2.5 m).坡面应采用12 cm厚的钢筋网加强型喷射混凝土进行保护，排水孔应按次序排列，每个排水孔长6.0 m，直径56 mm，间距3.0 m×3.0 m.较大的不稳定岩块上应布置长25 m～45 m、预应力1500 kN或2000 kN的预应力锚索.左坝肩顶部大部分地区分布着崩积物，夹杂着石头(卵石)和土壤.崩积物较厚，应在马道上方105 m高程处设置一排深25 m的防滑桩.防滑桩埋入微风化岩体内2 m深，防滑桩断面尺寸为3.0 m×3.0 m，间隔5.0 m.边坡上应提供排水沟、截水沟、排水孔和其他设施进行排水.

2)右岸坝肩陡坡每隔15 m～20 m应设置高度不同的3 m宽马道，并且开挖坡度为1∶ 0.3～1∶0.5.考虑到右岸的交通需求，应在75 m高程处设置10 m宽马道.为防止开挖坡面岩块的不稳定和石块掉落，边坡上应设置边坡系统锚杆及钢筋网加强型喷射混凝土支护和排水设施.开挖边坡应采用边坡系统锚杆(直径25 mm，每个长6.0 m)支护，间距2.5 m×2.5 m.每层坡顶应设置两排边坡系统的锚杆(直径28 mm，每个长9.0 m，间距2.5 m×2.5 m).坡面应采用12 cm厚的钢筋网加强型喷射混凝土进行保护，排水孔应按次序排列，每个排水孔长6.0 m，直径56 mm，间距3.0 m×3.0 m.较大的不稳定岩块上应布置长25 m～45 m、预应力1000 kN或2000 kN的预应力锚索.