某调压井边坡的稳定性分析

第２４卷第２期　２０１８年２月　水利科技与经济　Ｗａｔｅｒ　Ｃｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ｅｃｏｎｏｍｙ　Ｖｏ１．２４　ＮＯ．２　Ｆｅｂ．．２０１８　某调压井边坡的稳定，陡分析　王玉丽，章朝峰　（江西水利职业学院，南吕３３００１３）　［摘要］在天然边坡中进行开挖、建造调压井之后，调压井运行时会改变天然渗流场的分　布，使边坡中的应力场重新分布，扰动了边坡原有的稳定性。针对某调压井边坡，采用二维刚　体极限平衡法、三维有限单元法，分析其运行时内水外渗导致边坡稳定性的变化，以及采取开　挖排水洞措施后，对于边坡稳定性影响分析　研究成果可为本工程维护边坡稳定提供一定依　据，为同类型工程的研究方法提供参考价值。　［关键词］调压井边坡；刚体极限平衡法；有限单元法；排水洞；稳定分析　［中图分类号］　ＴＶ２２３　［文献标识码］　Ｂ　［文章编号］　１００６—７１７５（２０１８）０２—００４７—０５　１　工程概况　某水电站调压井位于厂房西侧山脊上，边坡　地面高程ｌ　８８０～２　１９０　ｍ，地形较缓，平均自然坡　度２５。～４０。　｝ｌＩ露地层第四系残坡积碎石土及　冲洪积砂印砾石，块石，三叠系上统曲嘎寺组灰　８０。调压井井筒围岩为　叠系上统曲嘎寺组薄　层，极薄层夹中厚层含炭质板岩，砂板岩，岩层产　状Ｎ５５。～７０。Ｗ／ＳＷ　８０。～８５。，走向与洞筒轴　线近于垂直，陡倾，小　ｆ｝ｎ及裂隙发育。坡表以　下０～９１．６　ＩＴＩ为强风化至弱风化岩体，岩体破碎，　不稳定，为Ｖ类围岩　、９１．６～１３９．５　ｍ为微新岩　色薄层，檄薄层板岩夹砂岩，岩层产状变化较大，　走向Ｎ４０。Ｗ至近ＥＷ，倾上游或山内，倾角５０。～　体，属Ⅳ类同岩。该Ｔ程的布置冈及计算所选取　的剖面位置见图ｌ。　图１　地形分布及剖面位置示意图　本文以立洲水电站调压井边坡为实例，结合　当地的水文地质资料，运用二维刚体极限平衡　法　和ｉ维有限单元法［４　３进行模拟计算，主要　分析渊压井运行时内水外渗作用对边坡稳定的　影响，以及排水洞开挖后对于减小内水外渗的影　响，维护边坡稳定的效果。　［收稿日期］２０１７—０７—０４　［作者简介］　ｔ　丽（１９９０一），女，湖北荆门人，硕十研究生，主要从事水利１Ｉ　程及水。ｒ边坡研究工作；章朝峰（１９８８　），男，江西抚州人，硕十研究生，主要从事水　边坡及岩土工程丁作．　一４７．．．——　第２４卷第２期　２０１８年２月　水利科技与经济　Ｗａｔｅｒ　Ｃｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ｅｃｏｎｏｍｙ　Ｖｏ１．２４　Ｎｏ．２　Ｆｅｂ．，２０１８　２技术路线　２．１分析过程　性变化情况。　２．２分析工况　工况一：天然边坡工况。该工况为考虑自重　和地下水作用的天然边坡。　１）天然边坡典型剖面二维稳定分析。对通　Ⅲ／　恒　过调压井中心线的纵剖面１　１—１　１运用二维刚体　极限平衡法进行稳定分析，应用陈胜宏老师课题　组程序ｃｏｒｅ—ＬＡＭ以及Ｇｅｏ—ｓｌｏｐｅ软件进行计　工况二：调压井运行工况。该工况下，调压　加加　井开挖完成，但未开挖排水洞。考虑地下水作　用，且地下水为调压井内达最高涌浪时分布状　态。　加加∞　加　舳　∞　∞　∞　加算，搜索坡体的最危险滑面位置，计算相应安全　系数，进行边坡稳定初步分析。计算方法包括　Ｓａｒｍａ法、Ｓｐｅｎｃｅｒ法、剩余推力法、改进剩余推力　法。　工况三：排水洞开挖完成工况。该工况为开　挖调压井后又开挖了１号和２号排水洞的工况。　同样，以地下水分布为调压井达最高涌浪时的分　布状态。　２）不同工况下的应力应变分析。通过Ａｎ—　ｓｙｓ建立三维有限元模型，用课题组有限元程序　ｅｏｒｅ—ＦＥＭ３０５进行计算，得到不同工况下坡体的　位移分布、应力分布和点安全度的分布图。选取　其中的典型断面的结果，分析调压井边坡的稳定　２．３材料参数　简化后的各地层的材料参数见表１。建立模　型时的材料分区以Ｗ—ｗｌ剖面的地质剖面图为　例说明，见图２。　表１岩体材料参数　一２００　—１００　Ｏ　１００　２００　３００　４００　５００　６００　水平坐标／ｍ　图２简化地质剖面图（以Ｗ—ｗｌ剖面）　２．４模型建立　括边坡和调压井的开挖以及调压井衬砌；工况三　的有限元模型在工况二的基础上，开挖１号和２　天然边坡工况的有限元模型包含了整个模　拟范围的岩体，见图３。工况二的有限元模型包　～号排水洞，排水洞示意图见图４。　４８一　王玉丽，等：某调压井边坡的稳定性分析　第２期　图３有限元模型　图５整体滑弧示意图　图４排水洞示意图　图６上部滑弧示意图　３　结果分析　３．１　二维刚体极限平衡法计算结果分析　计算工况为天然工况，分别运用ｃｏｒｅ—ＬＡＭ　程序和Ｇｅｏ—ｓｌｏｐｅ程序进行二维计算分析。以　１１—１１纵剖面为典型剖面进行初步分析。在　Ｇｅｏ—ｓｌｏｐｅ中运用Ｓｐｅｎｃｅｒ法进行最危险滑面的　搜索，得到３处主要的滑弧及其安全系数，见图　５、图６、图７。在ｃｏｒｅ—ＬＡＭ中，运用Ｓａｒｍａ法、　Ｓｐｅｎｃｅｒ法，ＲＴＭ和ＲＴＭＩ对相应滑弧的安全系数　进行计算，两种程序计算得到的安全系数见表２。　图７下部滑弧示意图　表２纵剖面１１—１ｌ二维稳定性计算结果　分析比较可知：　２）Ｃｏｒｅ—ｌａｉｎ和Ｇｅｏ—ｓｌｏｐｅ两种不同的程　１）Ｓａｒｍａ法假定条块间和底滑面都达到极　限平衡状态，是边坡稳定分析的上限解，计算出　的安全系数最大。　序，运用相同的极限平衡条分法——Ｓｐｅｎｃｅｒ法　时，计算所得安全系数非常接近，相差０．４％左　右。　４９－—－—　第２４卷第２期　２０１８年２月　水利科技与经济　Ｗａｔｅｒ　Ｃｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ｅｃｏｎｏｍｙ　Ｖ０１．２４　Ｎｏ．２　Ｆｅｂ．，２０１８　３）上部滑弧的安全系数较整体滑弧和下部　滑弧的安全系数大，而边坡下部的安全系数最　小，即边坡下部稳定性最差。由此推断，边坡开　挖调压井后，调压井运行时产生的内水外渗作　用，将会使得下部的稳定性更差。考虑通过开挖　排水洞，改善边坡内渗流场，从而减少调压井内　反映地下水位变化对下部可能滑动体的影响。　因此，进一步考虑用三维有限单元法对边坡进行　稳定分析。　３．２三维有限元计算结果分析　１）工况二下，选取典型剖面１１—１１位移矢　量图进行分析，见图８。　水外渗对边坡稳定的不良影响，增加边坡的安全　可靠度。　４）由于工况二条件下，地下水位在较深的　岩层中，且在下部最危险滑弧范围之外。根据刚　体极限平衡原理可知，二维刚体极限平衡法无法　在调压井运行工况下，相应于自然边坡，产　生了朝向井壁外的最大水平位移为ｌ７．４　ｍｍ，坡　表中下部的位移基本在１～２　ｍｍ的大小范围。　这说明与天然边坡相比，调压井运行后边坡产生　了不稳定的发展。　图８工况二剖面１１一ｌ１位移矢量图　２）工况三与工况二进行对比。选取典型剖　部的屈服区有所减小。说明排水洞的开挖，对于　减少调压井内水外渗作用，维护边坡下部的稳定　有积极作用。见图９一图ｌ２。　面１１—１１、ａ—ａｌ的点安全度分布云图进行分析。　对屈服区域发生变化的部位用椭圆形符号　进行标记说明，可以观察出边坡主要在中部和下　图９工况二剖面１１—１１点安全度分布云图　图１０工况三剖面１１—１１点安全度分布云图　一５０—　王玉丽，等：某调压井边坡的稳定性分析　第２期　图１１工况二剖面ａ—ａ。点安全度分布云图　图ｌ２工况三剖面ａ—ａ．点安全度分布云图　４　结　论　周坡体的稳定性有增强作用。　４）对于排水洞围岩稳定性还有待进一步分　用范围有限塞苎　析，。　篓　銎　。　要　墨篓　尤其对于地下水位在可能滑坡体　。［参考文献］　………　［Ｉ］ＫＲＡＨＮ　Ｊ．Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　Ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｗｉｔｈ　Ｓｌｏｐｅ／Ｗ［Ｍ］．Ｃａｎ一　ａｄａ：ＧＥＯ—ＳＩ　ＯＰＥ／Ｗ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｌｔｄ．，２００４．　［２］陈胜宏·高坝复杂岩百地基及岩石高边坡稳定分析　［Ｍ］·北京：中国水利水电出版社，　００　·　一　’一　…一一外部的情况，二维刚体极限平衡法不能进一步反　映水位变化对边坡稳定性的影响，需进一步采取　三维方法进行研究。　２）该调压井开挖后，在运行时产生了内水　场：　竺　翟　竺　主要对调压井下部坡体的稳定性产生了不利　，出版　，篡　～～　２００５　影响。　［４　３朱伯芳．有限单元法原理与应用［Ｍ】．北京，中同水　，３）在坡体内开挖排水洞之后，渗流场得到　改善。排水洞的开挖对于调压井下部坡体及井　利水电　版社１９９８．　ｊ　；　｛　编辑部版权声明　：　；　；　｝　为扩大本刊及作者知识信息交流渠道，加强知识信息推广力度，本刊已许可中国学术期　｝　ｉ　刊（光盘版）电子杂志社在ＣＮＫＩ中国知网及其系列数据库产品中，以数字化方式复制、汇　：　÷　编、发行、信息网络传播本刊全文。该著作权使用费及相关稿酬，本刊均用作为作者文章发　÷　Ｔ　表、出版、推广交流（含信息网络）以及赠送样刊之用途，即不再另行向作者支付。凡作者向　；Ｔ　Ｉ｛　本刊提交文章发表之行为即视为同意我社上述声明。　ｔ　ｔ　ｔ　｛　ｔ　《水利科技与经济》编辑部　｛　＋　＋．．ｔ　－．＋．．＋一＋一＋．．＋一十．．＋＊＋　＋．．＋　＋．．＋．．＋．－＋．．＋．．＋“十．．＋　＋”＋．．＋”＋．．＋“＋．－十”＋　＋－．十－．＋．－＋“＋．．＋　＋．．＋　＋　＋．．＋　＋　＋　＋－Ｊ　一５】一