边坡坡体稳定性有限元分析

边坡坡体稳定性有限元分析

有限单元法是20世纪60年代和70年代发展起来的有效数值分析和数值研究方法。为了将永久性（岩体）结构转变为由有限几个有限大小的单元组成的离散结构，可以根据具体情况指定不同的性质，错误的计算模型可以应用于上述复杂岩体的实际问题，以便在一定程度上模拟上述复杂岩体的实际问题。通过建立在刚体边界平衡的基础上，传统的分析方法可以更加准确、合理。但是,尽管有限元法的理论研究已基本成熟,但在工程具体应用中却还存在不少问题,如岩体模型的选取、参数的确定、单元的划分、边界条件的确定等.因此,如何根据工程实际情况用好有限元法还需不断地探索.1前震旦系南、北马道开采带柴石滩水库位于昆明市宜良县,库容4.37亿m3,灌溉面积1.16hm2,电站装机容量60MW,是一个具有灌溉、发电、防洪等综合效益的大型工程.水库右岸溢洪道是该水库的唯一泄洪设施,其附近山体高240多米,自然坡度近70度,岩体节理、裂隙发育,是典型的复杂结构岩体超高边坡.边坡于1997年3月开挖,当年雨季后即出现失稳趋势,并于当年9月28日发生方量为1万立方米的较大规模塌滑.为改善边坡稳定状况,设计部门采取了削坡开挖方案:在高程1732m至1648m段共设计8个马道,每个马道宽3.0m,两级马道间高差为12m,坡度为1∶0.35至1∶0.4.溢洪道引渠段出露岩层由下至上依次为:a.前震旦系南沱组冰碛砾岩及砂质页岩(zbn);b.陡山沱组石英砂岩(zbd);c.灯影组第1层硅质白云岩(zbdn1),第2层粘板岩及钙质斑点状白云岩(zbdn2),第3层泥沙质白云岩(zbdn3),第4层硅质白云岩(zbdn4)等岩层.区内地质构造复杂,在溢洪道引渠段桩号0～33m至0～55m,高程1664.00m至1710.00m范围,F1、F4、F10、F14等八条断层以及zbd上部假整合面相互切割交叉,使该边坡的(zbdn1)硅质白云岩(zbdn2)粘板岩极其破碎,呈全强风化状,成为溢洪道高边坡重要的不稳定因素.2模型和方法2.1夹层力学特性分析本边坡岩体构造包括岩块、断层、软弱夹层、节理等几种岩体类型,根据各种岩体构造类型在边坡稳定中的影响程度,分别采用不同的单元进行模拟.岩块即岩体中的完整块体,用常规的实体单元进行模拟.软弱夹层力学指标相对较低,一般厚约几厘米到几十厘米不等,夹层内材料多为破碎岩石或夹层泥.对于对岩坡稳定影响较大的夹层采用薄层单元进行摸拟;对于较次要的夹层,采用等效单元进行概化摸拟.节理由于其发育的数量繁多,因此对它们的分析难于一一进行摸拟,故采用概化地质模型对其进行概化、利用等效单元进行摸拟.断层因其规模大小不一,摸拟方法不一:对岩体稳定影响不大的次要断层如F4、F10、F14,采用等效单元进行模拟;宽度很大的断层,如宽达数米的宽大断层F1作为“无应力”的边界处理.显然,薄层单元及等效单元的应用能有效提高计算的精度,但同时也提高了对参数资料的要求并大大增加了计算量.2.2溢洪道—典型剖面选取根据边坡稳定的赤平投影分析方法可判断,本边坡倾向与岩层倾向之间的交叉切割关系是有利于边坡稳定的,同时结构面也在边坡内不构成不利于稳定的结构面,坡内不会形成大规模的平面或楔体滑动和倾倒破坏.因此岩石强度问题为溢洪道稳定性的控制性因素.从溢洪道—闸室段地质平面图来看,区内南半部分即溢洪道桩号0～67.156m以南主要出露力学特性较好的zbd石英砂岩、zbn冰碛砾岩及砂质页岩,且仅发育F14断层,地质构造较简单,因而边坡稳定性较好;而在区内北半部分,即溢洪道桩号0～67.156m以北主要出露zbd全强风化粘板岩,其力学指标相对较低,且又受F4、F14、F1等断层交叉切割,岩石极为破碎,呈全强风化状态,故该区边坡稳定性较差.而1997年9月28日发生塌滑的区域位于溢洪道桩号0～52.128m至0～59.612m之间高程1664.0m至1690.0m段,则恰好证明了上述关于边坡不同区段稳定性的初步分析.因此,本次重点选取边坡稳定性较差的溢洪道桩号0～52.128m断面作为典型剖面进行分析.2.3等效单元认定本次研究过程中,限于参数资料的缺乏,F4、F14断层均采用等效单元进行摸拟,实体单元均采用三角形单元,所以柴石滩水库溢洪道高边坡地形削坡开挖前的桩号0-52.128断面共划分118个单元,边坡削坡开挖后共划分出个105个单元.2.4岩体物理力学参数测试本边坡岩石力学指标试验主要成果如表1所示.本次稳定分析研究中使用的岩体物理力学参数在上述试验成果基础上,依据传统工程地质综合分析方法,参照已建的具类似工程地质条件水利水电工程岩石参数指标基础,及有关文献资料加以折减而得,具体参数指标如表2所示.2.5自由边边界本边坡桩号0-052.128剖面存在混合边界条件:其一是剖面上的临空面为自由边,该边界上的结点可自由变形;以F1断层为边界的边界上各结点,由于F1断层为张性断层,断层带宽达4.0米,将其视为“无应力”边界来处理,即将其视为具有同自由边类似的自由变形的特性.边坡削坡开挖前此类结点共有29个结点,边坡削坡开挖后此类结点共有33个结点.边界条件其二是zbd石英砂岩与zbdn2粘板岩的分界面,由于该剖面上zbd石英砂岩的力学指标远较其上覆粘板岩力学指标为高.同时据估算,剖面上zbd石英砂岩所受压应力约为其抗压强度的1%.而且zbd石英砂岩下伏地层为强度更高的zbn冰碛砾岩,因此将zbd石英砂岩与zbdn2粘板岩分界面视为零位移边界对边坡稳定分析不会产生大的误差.该边界条件为:vs=0,vi=0.3有限元算例采用有限元法求解边坡稳定分析问题,常常涉及上百甚至上千个方程,一般均借用计算机来实现.本次研究中根据有限元的基本原理,编写了一套简单的平面三角形有限元程序,但程序不涉及前后处理过程,程序框图略.为便于分析、研究边坡整体受力情况及边坡不同部位稳定情况,根据计算结果依次作出边坡削坡开挖前后两种情况的最大主应力、最小主应力、稳定系数及结点位移等值线图,详细资料见图1～图6.4结论对比分析边坡削坡前后边坡应力等值线图及边坡稳定系数等值线图,我们发现:1边坡稳定性分析首先,从坡内应力分布情况来看,无论是边坡削坡前还是边坡削坡后,均在坡面附近一定区域存在一定范围的平行坡面分布的拉应力区.尤其是边坡削坡前,拉应力区连贯性强、范围大.拉应力区的存在,反映边坡可能发生变形破坏的形式和特点.该边坡于1997年9月28日发生的较大规模的塌滑正是由于水对岩石的浸泡软化以及雨水对坡面的冲刷造成的,从而也间接证明了计算结果的准确性.其次,从稳定系数分布情况来看,无论是边坡削坡前还是边坡削坡后,坡体内均存在较大面积稳定系数Fs≤1的区域(即稳定系数等值线图中阴影部分).尤其是边坡削坡前,不仅上述面积接近总面积的2/5,而且该区域在剖面中上部从坡面穿过60、61等单元到达35单元中部,而后者往里即为断层带宽度达4.0m的F1断层,二者一旦贯穿边坡,即形成沿F1断层、35单元、34单元、45单元、44单元以至坡角的连续临界面,进而在一定的诱因下上述连续临界面便将成为该边坡发生大规模滑坡的滑动面.2边坡应力等值线形态变化对稳定性的影响对比边坡削坡前后最大应力等值线图可以看出:边坡削坡减载后,坡体内应力最大值由削坡前的1123.9kPa减小至1041.4kPa,二者相差82.5kPa,可见削坡减载的效果是明显的.更有意义的是,削坡后应力等值线形态发生了很大变化,总体上与坐标轴横轴平行.应力等值线形态的变化对边坡稳定性的积极影响可以从边坡削坡后的稳定系数等值线图上清晰地看出:坡体内,Fs≤1的区域面积减小、连贯性变差,尤其是在坡体中下部上述区域与Fs>1的稳定区域交错叠置,从而较大程度地提高了边坡的稳定性.3边坡综合治理措施综上所述,边坡削坡后,坡体内仍然存在局部的拉应力区,坡体内Fs≤1的不稳定区域仍