复杂水工边坡稳定性研究方法探讨

摘 要 随着经济的发展，水工建筑项目的规模不断扩大，数量不断增多，人为的开挖建设加上自然灾害的破坏，使水工边坡的结构被改变，极大的影响了边坡的稳定性。水工建筑的安全和平稳运行与边坡的稳定息相关，尤其对于地质情况复杂的水工边坡，其稳定性更不容忽视。本文针对某水电站调压井边坡的实际情况，将三维极限平衡法和有限单元法加相结合，建立了三维有限元模型三维稳定进行分析，具有一定的参考价值。

关键词 水工边坡；稳定性；三维极限平衡

中图分类号TV5 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2014）119-0080-02

我国地形复杂，边坡范围广泛，地质情况错综复杂，岩体结构多样化，在对边坡地形地质情况的分析方面具有很大的难度。随着社会经济的发展，水工建筑项目的数量不断增加，规模不断扩大，建筑项目的建设开挖对水工边坡的岩体结构造成了极大的影响。边坡的稳定性的好坏直接影响着上面建筑物的安全性和稳定性，一旦边坡的稳定性发生变坏，直接对生产安全造成影响，因此，边坡稳定性的问题一直是岩石工程学科和工程地质学科共同关注和研究的问题。水工建筑物在边坡上的建设施工，需要进行一系列的开挖、浇筑、加工等环节，尤其水工边坡，受水位的变化和降雨等自然灾害的影响，其稳定性的分析比其他普通边坡难度更加，地质情况更加复杂。因为水工边坡的稳定性影响巨大，因此对其稳定性的研究不容忽视。

1 工程概况

以某水电站的建设为例，其调压井位于山脊之上，边坡地面高度从1870m到2218m，地形自然坡度平均在27°到45°之间。表面底层岩体组成为残坡积累下来的碎石土和洪水冲积下来的砾石和石块，岩层有较大的产状变化。向上游呈52°到75°的倾斜角度。调压井围岩为叠系上统曲嘎寺组薄层、板岩夹砂岩，中厚层由炭质板岩和砂岩组成，有较大产状变化，其余洞筒轴线呈接近垂直的走向，岩层发育为裂隙发育，小褶曲。破体表面100m内为风华岩体，岩质破碎稳定性极差，属于第五类围岩。在调压井的东北和西南两侧井壁围岩已经呈倾倒破坏和滑移破坏状态。在100m到140.8m之间为四类岩体，微新。

2 边坡三维极限平衡模型的建立

2.1 边坡三维极限平衡计算方法和步骤

本文为了能够对水工边坡的形态更加真实准确进行模拟，最大限度的减少三维模型的误差，从而减少安全系数计算中的误差，以得到更科学准确的计算结果。三维极限平衡计算是在数字高程模型的基础上对水工边坡进行建模分析。在对边坡进行三维建模时，通常分为三个主要步骤：第一步，在坡面轮廓的模拟上选择利用空间去面拟合函数，以拟定边坡的整体轮廓。本文选择的调压井的东北侧边坡进行建模，运用三维极限平衡模型建立右手坐标系，源点设立在调压井井中心，X轴为向东方向，Y轴为正北方向，Z轴呈竖直向上的方向，模型范围为X方向为650m，Y方向为1500m，Z方向为490m。第二步，结构面信息的模拟是选择使用空间平面函数，根据对现场的勘察结果，以出露点的方位和水工边坡结构面的倾斜方向和倾斜的角度为已知条件，对边坡体内的结构面的分布加以确定。第三步，建立三维滑坡体。首先选择典型的精体，选择边坡岩体的各项参数，根据对边坡现场进行勘察结果中出露点的方位建立三维计算模型，如下图1所示：

3 水工边坡稳定性结果分析

3.1 开挖前的稳定性分析

为了对三维模型的结果进行更为准确的分析，我们对水工边坡进行了二维极限平衡法进行了稳定性的分析，并将结果与三维极限平衡模型进行对比分析。我们在对水工边坡开挖前对三维有限元模型中的一部分剖面进行结果对比分析。结果发现在水工建筑的调压井进行开挖以前，水工边坡从整体上呈现为压应力的状态，调压井开挖位置附近出现最大值为0.13MPa的拉应力，拉应力与岩体的抗拉强度比较起来略小；在动工开挖之前水工边坡浅层的岩体是安全的，即使在开挖面内部深处存在小块的塑型屈服区，但因为其分布的状态为团状，还没有达到滑动要求，综合分析起来水工边坡此时具有良好的稳定性。

开挖前二维和三维模型的结果分析虽然具有一定的差异性，但是两种模型的分析结果都表明边坡岩体的状态是稳定安全的，相对来说二维分析结果更为真实。

3.2 开挖后的稳定性分析

边坡开挖动工以后，开挖面周围的岩移的强度和方向因为在三维效应下有所改观，左右两侧岩体虽然都有水平位移产生，但是位移长度不大。在塑性屈服去的分布方面变化不明显，并没有滑动的迹象，仍然表现为良好的稳定性。三维相对于二维来说，稳定性方面有明显的优势，在开挖以后，二维的结构硬件不能对边坡的稳定情况真实的反映出来，在此方面三维更有优势。由此可见，在边坡上开挖竖井，对其进行三维稳定性的分析效果更优。

参考文献

[1]陈胜宏.高坝复杂岩石地基及岩石高边坡稳定分析[M].北京：中国水利水电出版社，2011.

[2]冯树仁，丰定详，葛修润.边坡稳定性的三维极限平衡分析方法及应用[J].岩土工程学报，2012，21（6）：657-661.