山區(qū)大面積場平工程挖方邊坡穩(wěn)定性分析

邵先鋒 (國網(wǎng)安徽省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，安徽 合肥 23000)

李大華，李秋喜 (安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

山區(qū)大面積場平工程挖方邊坡穩(wěn)定性分析

邵先鋒 (國網(wǎng)安徽省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，安徽 合肥 23000)

李大華，李秋喜 (安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

為了研究皖南山區(qū)復(fù)雜工況下的邊坡穩(wěn)定性，結(jié)合宣城市±1100kV古泉換流站邊坡工程，利用MIDAS GTS軟件對選取邊坡建立二維模型，并通過對其選用合適的地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行數(shù)值計算，得出該原始邊坡的安全系數(shù)，分析了原始邊坡的穩(wěn)定性。采用大型有限元軟件MIDAS GTS對其治理方案進(jìn)行模擬，驗證了加固措施的合理性和有效性,并采取措施對邊坡位移進(jìn)行實時監(jiān)測。通過邊坡位移的監(jiān)測值與MIDAS GTS軟件的模擬值對比分析驗證了MIDAS GTS軟件的模擬值與監(jiān)測值高度的一致，為以后同類型工程提供了參考依據(jù)。

邊坡穩(wěn)定性；MIDAS GTS；模擬分析；監(jiān)測值

邊坡穩(wěn)定性是指邊坡巖、土體在一定坡高和坡角條件下的穩(wěn)定程度[1]，各大工程在施工的過程中都面臨著邊坡穩(wěn)定性的問題。我國越來越多的工程建設(shè)向地形地貌非常復(fù)雜的山區(qū)發(fā)展，而在這些地區(qū)在進(jìn)行工程建設(shè)時，不可避免地出現(xiàn)大量的高填土方和深挖土方，因此邊坡穩(wěn)定性越來越受到工程建設(shè)方的關(guān)注[2]。

為了研究皖南山區(qū)復(fù)雜地質(zhì)工況下的邊坡穩(wěn)定性，筆者以±1100kV準(zhǔn)東(昌吉)-皖南(古泉)特高壓直流工程某代表性邊坡為工程背景，運用MIDAS GTS軟件對邊坡分別進(jìn)行原始工況、降雨工況、加固后降雨工況的邊坡穩(wěn)定性分析，并把邊坡加固后的位移變形監(jiān)測數(shù)值與模擬數(shù)值進(jìn)行對比分析，為以后同類型工程施工提供參考依據(jù)，并驗證了MIDAS GTS在工程中的實用性。

1 工程概況

±1100kV準(zhǔn)東(昌吉)-皖南(古泉)特高壓直流工程是目前世界上電壓等級最高、輸電容量最大、輸電距離最遠(yuǎn)、技術(shù)水平最先進(jìn)的特高壓直流輸電工程，是特高壓直流輸電技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展的新高峰。根據(jù)初步估算，該工程挖方量約130m3，填方量約128m3，涉及土方工程量極大。工程地貌為構(gòu)造剝蝕低丘崗地，整體地勢由西向東傾斜、降低。丘陵、崗地坡度極緩，坡度7～25°；場地地面標(biāo)高一般51.0～89.0m,最終場平標(biāo)高76.1m。場地三維地形圖如圖1所示。

建設(shè)場地呈中部高，南、北兩側(cè)低，以東北角最低，為人工水塘。該站外挖方邊坡位于站區(qū)的西側(cè)、西南側(cè)和東側(cè)中間，總長約1109.6m，最高約13.6m；該臨建場地外圍挖方邊坡長度為341.1m，最高14.6m。其總體設(shè)計是放坡+土釘+NF高強植基毯護(hù)面，NF高強植基毯采用土釘固定，放坡坡率為1∶1.25，每8.0m坡高設(shè)置一寬度為2.0m的馬道。皖南山區(qū)地質(zhì)比較復(fù)雜，所選邊坡地質(zhì)情況從地表往下依次為卵石、粉質(zhì)黏土(可塑)、黏土、粉質(zhì)黏土(硬塑)、泥質(zhì)粉砂巖。施工期間為宣城地區(qū)的雨季，根據(jù)往年的天氣資料統(tǒng)計，6、7月份為當(dāng)?shù)氐拿酚昙竟?jié)，整個施工周期內(nèi)雨天和晴天基本相當(dāng)。

圖1 場地三維地形圖

2 模型的建立

根據(jù)實際邊坡運用AutoCAD建立二維邊坡模型，邊坡模型剖面尺寸為70m(長)×30m(高)，其中邊坡高為19m，并按1∶1.25放坡。地質(zhì)分別為卵石(中密)、粉質(zhì)黏土(可塑)、黏土(可塑)、粉質(zhì)黏土(硬塑)、泥質(zhì)粉砂巖(強風(fēng)化)，邊坡模型如圖2所示。宣城古泉山區(qū)地質(zhì)本構(gòu)模型采用修正莫爾-庫倫模型，服從平面應(yīng)變下的修正莫爾-庫倫準(zhǔn)則，其穩(wěn)定性分析采用了有限元法中的強度折減法，表1為各土層物理力學(xué)性能指標(biāo)參數(shù)。

圖2 二維邊坡模型

表1 各土層物理力學(xué)性能指標(biāo)參數(shù)

把建好的模型保存為DWG格式，并通過MIDAS GTS NX軟件中的導(dǎo)入功能把二維邊坡模型導(dǎo)入，然后進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分順序由黏土層開始，依次朝兩邊進(jìn)行，其中黏土層播種尺寸為1，粉質(zhì)黏土播種尺寸為1.5，卵石層與泥質(zhì)粉砂巖播種尺寸為2，劃分后的邊坡模型如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格劃分后的邊坡模型

圖4 原始邊坡水平方向位移云圖

圖5 原始邊坡豎直方向位移云圖

3 邊坡計算結(jié)果分析

3.1 原始邊坡分析

首先分析原始邊坡，即只考慮地基支撐與重力作用條件下，運用MIDAS GTS對邊坡進(jìn)行模擬，得出邊坡的穩(wěn)定系數(shù)為1.32，在1.30～1.50之間，基本能夠達(dá)到《巖土工程勘察規(guī)范》(GB50021-2001)規(guī)定的限值，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，能夠達(dá)到邊坡穩(wěn)定要求。原始邊坡水平方向位移云圖如圖4所示，原始邊坡豎直方向上的位移云圖如圖5所示。

由圖4可知，原始邊坡在自重荷載作用下，邊坡在水平方向朝著邊坡臨空面方向發(fā)生位移。邊坡水平位移主要發(fā)生在一級邊坡整段和二級邊坡的中部位置以下。其中，二級邊坡沿水平方向的位移大約在0～0.18cm，在一級邊坡的坡腳處邊坡發(fā)生的水平位移較大，邊坡變形范圍在0.14～0.36cm，加號代表邊坡發(fā)生位移變形的方向和X軸方向一致。坡腳的紅色區(qū)域代表邊坡發(fā)生最大位移的位置，沿X軸位移變形數(shù)值在0.30～0.36cm，這是由于邊坡開挖，原本處于平衡狀態(tài)的土體在邊坡臨空面處喪失了橫向約束造成的，此位置由于位移變形過大，很容易發(fā)生邊坡失穩(wěn)破壞。綠色區(qū)域范圍內(nèi)是邊坡在水平方向上發(fā)生位移變形的主要區(qū)域，邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞的滑裂面為圓弧形。

由圖5可知，邊坡在豎直方向上的最大變形出現(xiàn)在邊坡的頂端，靠近二級邊坡臨空面的位置，整個邊坡在豎直方向上的位移變形大約在-0.74～0cm。其中負(fù)號代表邊坡的豎直方向的位移變形正好和Y軸相反，即和重力的方向一致，這是因為邊坡在豎直方向上的位移變形是由于自重荷載作用引起的。二級邊坡頂部的藍(lán)色區(qū)域在豎直方向上的位移變形最大，大約在0.61～0.74cm，這是因為邊坡開挖造成在邊坡臨空面的頂端大量土體約束喪失，邊坡土體變得松軟產(chǎn)生的塌滑現(xiàn)象。

3.2 降雨工況下邊坡穩(wěn)定性分析

邊坡施工時期處于皖南多雨季節(jié)，考慮邊坡在大雨工況下的穩(wěn)定性有利于提前做好防御措施防止邊坡失穩(wěn)，為安全施工做好準(zhǔn)備。在考慮特大降雨工況下，利用MIDASGTS對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行模擬分析，得出邊坡在雨水滲流工況下的穩(wěn)定安全系數(shù)為1.004，小于《巖土工程勘察規(guī)范規(guī)》(GB50021-2001)規(guī)定的1.30～1.50的范圍，邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。降雨工況下邊坡水平方向位移云圖如圖6所示，邊坡豎直方向位移云圖如圖7所示。

由圖6可知，原始邊坡在自重荷載作用下，邊坡在水平方向朝著邊坡臨空面方向發(fā)生位移，邊坡水平位移主要發(fā)生在第1級邊坡整段和第2級邊坡的中部位置以下。其中，第2級邊坡沿水平方向的位移大約在0.11～0.45cm，在一級邊坡的坡腳處邊坡發(fā)生的水平位移較大，邊坡變形范圍在0.45～0.68cm，坡腳的紅色區(qū)域代表邊坡發(fā)生最大位移的位置，沿X軸位移變形數(shù)值在0.57～0.68cm，此位置由于位移變形過大，邊坡將變形破壞。綠色區(qū)域范圍內(nèi)是邊坡在水平方向上發(fā)生位移變形的主要區(qū)域，邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞的滑裂面為圓弧形。

由圖7可知，邊坡在豎直方向上的最大變形出現(xiàn)在邊坡的頂端，靠近二級邊坡臨空面的位置，整個邊坡在豎直方向上的位移變形大約在-0.81～0cm。二級邊坡頂部的藍(lán)色區(qū)域在豎直方向上的位移變形最大，大約在0.74～0.81cm。

圖6 降雨工況下邊坡水平方向位移云圖 圖7 降雨工況下邊坡堅直方向位移云圖

由原始邊坡和降雨后的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行對比分析可知，降雨后和降雨前邊坡的應(yīng)力應(yīng)變特征基本相似，只是在降雨后邊坡位移和邊坡應(yīng)力數(shù)值要比降雨前大很多。降雨后邊坡土體軟化，不能滿足邊坡穩(wěn)定性要求，將會沿著滑裂面發(fā)生滑坡失穩(wěn)破壞。

3.3 加固后降雨邊坡穩(wěn)定性分析

經(jīng)過土釘加固后再用MIDASGTS對邊坡進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析，其穩(wěn)定性安全系數(shù)達(dá)到1.41，能夠達(dá)到規(guī)范限值。加固后的邊坡在降雨工況下水平方向位移云圖如圖8所示，加固后的邊坡在降雨工況下沿豎直方向位移云圖如圖9所示。

由圖8和圖9可知，加固后的邊坡在水平方向上的變形在0.1～0.22cm，變形主要分布在邊坡的坡腳處，在豎直方向上的位移在-0.68～0cm,邊坡豎直方向上的變形最大值分布在邊坡的頂部。與邊坡加固前的邊坡位移變形相比，邊坡在水平方向和豎直方向上的位移變形都得到了很大的改善。

圖8 加固后降雨邊坡水平方向位移云圖

圖9 加固后降雨邊坡沿堅直方向位移云圖

利用MIDASGTS對原始邊坡、降雨后的邊坡、加固后降雨邊坡進(jìn)行分析，得到3種工況下的邊坡安全系數(shù)見表2。由表2可知，原始邊坡在只受自身自重的天然狀態(tài)下，邊坡安全系數(shù)為1.32，邊坡基本能夠滿足穩(wěn)定性要求，但在降雨工況下，邊坡安全系數(shù)會驟然下降到1.004，邊坡喪失了穩(wěn)定性，有發(fā)生滑坡失穩(wěn)的風(fēng)險。為使邊坡穩(wěn)定性能夠滿足工程需要，對邊坡進(jìn)行土釘放坡+土釘+NF高強植基毯護(hù)面的加固措施，在加固降雨工況下邊坡安全系數(shù)為1.41，能夠滿足邊坡穩(wěn)定性要求，這說明邊坡加固措施取得了良好成效。

表2 各工況下邊坡安全系數(shù)

4 監(jiān)測值與模擬值的對比分析

運用LEICA全站儀與Quikslpoe軟件相結(jié)合，對邊坡進(jìn)行監(jiān)測，Quikslpoe軟件能夠?qū)⒈O(jiān)測到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖表，很形象地顯示出監(jiān)測點的位移和變化規(guī)律。把監(jiān)測到的邊坡位移結(jié)果與MIDASGTS模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析，監(jiān)測點布置在各級邊坡上，每級監(jiān)測點不少于5個，監(jiān)測點間距為15～30m，對可能形成的滑動帶、重點監(jiān)測部位加密布點，在MIDASGTS模型中提取相應(yīng)監(jiān)測點的位置如圖10所示。

在開始監(jiān)測前，用全站儀對各測點反復(fù)測量多次，待數(shù)值穩(wěn)定后取平均值作為初始坐標(biāo)值，以后每次測量時用全站儀強制對中測出各個觀測點的即時坐標(biāo)，記錄在專用觀測表內(nèi)，與初始坐標(biāo)相比，計算出累計位移量。前后2次累計位移量之差，即得前后2次的位移量。以邊坡X方向的監(jiān)測值與模擬值為例，對邊坡進(jìn)行對比分析，結(jié)果如圖11所示。

由圖10和圖11可知，邊坡在水平方向的位移變形由坡頂?shù)狡履_逐漸增大，在二級邊坡處沿X方向邊坡位移變形增加的比較緩慢，在一級邊坡上邊坡位移變形沿X方向的位移變形開始急劇增加，到坡腳處邊坡位移變形達(dá)到最大值，再往下到坡底處，邊坡的水平位移變形快速減小并趨于穩(wěn)定。邊坡X方向最大位移出現(xiàn)在坡腳處，監(jiān)測值與MIDASGTS的模擬值呈現(xiàn)出高度的一致性。

5 結(jié)論

1)通過運用MIDASGTS對復(fù)雜地質(zhì)工況下的邊坡進(jìn)行模擬，選用合適的地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行模擬計算，得出該原始邊坡的安全系數(shù)為1.32，基本能夠滿足邊坡穩(wěn)定性要求。在降雨工況下，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)降為1.004，邊坡穩(wěn)定性急劇下降，存在邊坡失穩(wěn)的安全隱患。

2)邊坡容易發(fā)生變形失穩(wěn)的部位在邊坡的坡腳處，尤其在降雨工況下邊坡坡腳將發(fā)生向臨空面方向的位移變形，邊坡頂部也會發(fā)生較大的邊坡沉降,邊坡沿著圓弧形的滑裂面發(fā)生滑動失穩(wěn)破壞。

3)通過運用大型有限元軟件MIDASGTS對加固后的邊坡進(jìn)行建模分析，經(jīng)過放坡+土釘+NF高強植基毯護(hù)面加固后的邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)提高為1.41，邊坡的穩(wěn)定性得到明顯改善。通過邊坡加固前后的對比分析驗證了其加固措施的有效性及其在邊坡加固中的價值。

4)由MIDASGTS軟件的模擬值與監(jiān)測值高度的一致性驗證了MIDASGTS在該工程中的實用性，值得在工程中推廣應(yīng)用，同時對以后的同類型工程提供了參考依據(jù)。

[1]張菊連,沈明榮.高速公路邊坡穩(wěn)定性評價新方法[J].巖土力學(xué),2011,32(12):3623～3629+3636.

[2]呂群財.土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性分析與治理技術(shù)研究[D].南京:南京大學(xué),2014.

[編輯] 計飛翔

2016-12-01

國家電網(wǎng)安徽省電力公司資助項目(1P12001500010681000000)。

邵先鋒(1983-)，男，高級工程師,現(xiàn)主要從事建設(shè)工程項目管理方面的研究工作。

李秋喜(1989-), 男，碩士生，現(xiàn)主要從事邊坡工程方面的研究工作,823133343@qq.com。

TU470

A

1673-1409(2017)05-0054-06

[引著格式]邵先鋒，李大華，李秋喜.山區(qū)大面積場平工程挖方邊坡穩(wěn)定性分析[J].長江大學(xué)學(xué)報(自科版)，2017,14(5)：54～59.