某調壓井邊坡的穩定性分析

王玉麗，章朝峰

(江西水利職業學院，南昌 330013)

1 工程概況

某水電站調壓井位于廠房西側山脊上，邊坡地面高程1 880～2 190 m，地形較緩，平均自然坡度25°～40°。出露地層第四系殘坡積碎石土及沖洪積砂卵礫石，塊石，三疊系上統曲嘎寺組灰色薄層，極薄層板巖夾砂巖，巖層產狀變化較大，走向N40°W至近EW，傾上游或山內，傾角50°～80° 調壓井井筒圍巖為三疊系上統曲嘎寺組薄層，極薄層夾中厚層含炭質板巖，砂板巖，巖層產狀N55°～70°W/SW ∠80°～85°，走向與洞筒軸線近于垂直，陡傾，小褶曲及裂隙發育。坡表以下0～91.6 m為強風化至弱風化巖體，巖體破碎，不穩定，為Ⅴ類圍巖。91.6～139.5 m為微新巖體，屬Ⅳ類圍巖。該工程的布置圖及計算所選取的剖面位置見圖1。

圖1 地形分布及剖面位置示意圖

本文以立洲水電站調壓井邊坡為實例，結合當地的水文地質資料，運用二維剛體極限平衡法[1-3]和三維有限單元法[4]進行模擬計算，主要分析調壓井運行時內水外滲作用對邊坡穩定的影響，以及排水洞開挖后對于減小內水外滲的影響，維護邊坡穩定的效果。

2 技術路線

2.1 分析過程

1) 天然邊坡典型剖面二維穩定分析。對通過調壓井中心線的縱剖面11-11運用二維剛體極限平衡法進行穩定分析，應用陳勝宏老師課題組程序core-LAM以及Geo-slope軟件進行計算，搜索坡體的最危險滑面位置，計算相應安全系數，進行邊坡穩定初步分析。計算方法包括Sarma法、Spencer法、剩余推力法、改進剩余推力法。

2) 不同工況下的應力應變分析。通過Ansys建立三維有限元模型，用課題組有限元程序core-FEM305進行計算，得到不同工況下坡體的位移分布、應力分布和點安全度的分布圖。選取其中的典型斷面的結果，分析調壓井邊坡的穩定性變化情況。

2.2 分析工況

工況一：天然邊坡工況。該工況為考慮自重和地下水作用的天然邊坡。

工況二：調壓井運行工況。該工況下，調壓井開挖完成，但未開挖排水洞?？紤]地下水作用，且地下水為調壓井內達最高涌浪時分布狀態。

工況三：排水洞開挖完成工況。該工況為開挖調壓井后又開挖了1號和2號排水洞的工況。同樣，以地下水分布為調壓井達最高涌浪時的分布狀態。

2.3 材料參數

簡化后的各地層的材料參數見表1。建立模型時的材料分區以w-w1剖面的地質剖面圖為例說明，見圖2。

表1 巖體材料參數

圖2 簡化地質剖面圖(以w-w1剖面)

2.4 模型建立

天然邊坡工況的有限元模型包含了整個模擬范圍的巖體，見圖3。工況二的有限元模型包括邊坡和調壓井的開挖以及調壓井襯砌；工況三的有限元模型在工況二的基礎上，開挖1號和2號排水洞，排水洞示意圖見圖4。

圖3 有限元模型

3 結果分析

3.1 二維剛體極限平衡法計算結果分析

計算工況為天然工況，分別運用core-LAM程序和Geo-slope程序進行二維計算分析。以11-11縱剖面為典型剖面進行初步分析。在Geo-slope中 運用Spencer法進行最危險滑面的搜索，得到3處主要的滑弧及其安全系數，見圖5、圖6、圖7。在core-LAM中，運用Sarma法、Spencer法，RTM和RTMI對相應滑弧的安全系數進行計算，兩種程序計算得到的安全系數見表2。

圖5 整體滑弧示意圖

圖6 上部滑弧示意圖

圖7 下部滑弧示意圖

計算方法Core-lamGeo-slopeSarmaSpencerRTMRTMISpencer安全系數(1)1.1901.1831.0901.0901.178安全系數(2)1.3421.3311.330———1.331安全系數(3)0.9740.9600.9530.9530.960

分析比較可知：

1) Sarma法假定條塊間和底滑面都達到極限平衡狀態，是邊坡穩定分析的上限解，計算出的安全系數最大。

2) Core-lam和Geo-slope兩種不同的程序，運用相同的極限平衡條分法——Spencer法時，計算所得安全系數非常接近，相差0.4%左右。

3) 上部滑弧的安全系數較整體滑弧和下部滑弧的安全系數大，而邊坡下部的安全系數最小，即邊坡下部穩定性最差。由此推斷，邊坡開挖調壓井后，調壓井運行時產生的內水外滲作用，將會使得下部的穩定性更差?？紤]通過開挖排水洞，改善邊坡內滲流場，從而減少調壓井內水外滲對邊坡穩定的不良影響，增加邊坡的安全可靠度。

4) 由于工況二條件下，地下水位在較深的巖層中，且在下部最危險滑弧范圍之外。根據剛體極限平衡原理可知，二維剛體極限平衡法無法反映地下水位變化對下部可能滑動體的影響。因此，進一步考慮用三維有限單元法對邊坡進行穩定分析。

3.2 三維有限元計算結果分析

1) 工況二下，選取典型剖面11-11位移矢量圖進行分析，見圖8。

在調壓井運行工況下，相應于自然邊坡，產生了朝向井壁外的最大水平位移為17.4 mm，坡表中下部的位移基本在1～2 mm的大小范圍。這說明與天然邊坡相比，調壓井運行后邊坡產生了不穩定的發展。

圖8 工況二 剖面11-11位移矢量圖

2) 工況三與工況二進行對比。選取典型剖面11-11、a-a1的點安全度分布云圖進行分析。

對屈服區域發生變化的部位用橢圓形符號進行標記說明，可以觀察出邊坡主要在中部和下部的屈服區有所減小。說明排水洞的開挖，對于減少調壓井內水外滲作用，維護邊坡下部的穩定有積極作用。見圖9～圖12。

圖9 工況二剖面11-11點安全度分布云圖

圖10 工況三剖面11-11點安全度分布云圖

圖11 工況二剖面a-a1點安全度分布云圖

圖12 工況三剖面a-a1點安全度分布云圖

4 結 論

1) 運用二維剛體極限平衡法對于邊坡穩定進行定量分析，是比較成熟的分析方法，但是使用范圍有限。尤其對于地下水位在可能滑坡體外部的情況，二維剛體極限平衡法不能進一步反映水位變化對邊坡穩定性的影響，需進一步采取三維方法進行研究。

2) 該調壓井開挖后，在運行時產生了內水外滲現象，導致地下水位變化，改變了坡體滲流場，主要對調壓井下部坡體的穩定性產生了不利影響。

3) 在坡體內開挖排水洞之后，滲流場得到改善。排水洞的開挖對于調壓井下部坡體及井周坡體的穩定性有增強作用。

4) 對于排水洞圍巖穩定性還有待進一步分析。