GeoStudio软件在某水库边坡稳定分析中的应用

GeoStudio软件在某水库边坡稳定分析中的应用

发表时间：2018-01-26T14:51:45.033Z 来源：《防护工程》2017年第27期作者：黄文虎[导读] 水库蓄水后，在水的作用下库区边坡岩土体的物理力学性能均有不同程度的降低，为避免水库边坡失稳。

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摘要：水库蓄水后，在水的作用下库区边坡岩土体的物理力学性能均有不同程度的降低，为避免水库边坡失稳，需重新评价库岸边坡的稳定性。本文采用GeoStudio软件，建立XLD水电站库区芦稿集镇边坡稳定分析模型，采用极限平衡理论（Morgenstern-Price法）对其稳定性进行分析，计算不同工况组合下的边坡稳定安全系数，评价蓄水后集镇新址边坡的整体和局部稳定性，为类似水库边坡工程的规划设计提供参考。

关键词：GeoStudio软件；边坡稳定分析；极限平衡法；安全系数；应用

1 引言

水库蓄水后，原库区自然边坡的地下水补给、渗流和排泄等条件必定发生变化[1]，同时由于地下水与岩土体之间发生复杂的物理化学作用，岩土体的物理力学性能均有不同程度的降低，而大型水库水位周期性涨落的特点、特殊的区域地质环境和水环境条件决定了库区边坡具有潜在破坏的可能性，因此需对库岸边坡的稳定性需要重新分析和论证。本文以XLD水电站库区芦稿集镇边坡为例，采用GeoStudio软件中Slope模块进行边坡稳定分析，计算方法选用Morgenstern-Price法，分析结果表明按集镇新址竖向规划的边坡稳定安全系数满足规范要求。

2 边坡稳定分析极限平衡法及GeoStudio软件简介

(1) 极限平衡法的由来

Fellenius (1927)提出边坡稳定分析的瑞典圆弧法[2]，该法假定土条底法向应力可以简单地看作是土条重量在法线方向的投影，同时由于滑裂面是圆弧，因此法向力通过圆心，对圆心取矩时不出现，使计算工作大大简化。Bishop (1950)对传统的Fellenius 法作了重要改进，他首先提出了安全系数F的定义，然后通过假定土条间的作用力为水平方向，求出土条底的法向力，再通过力矩平衡来确定安全系数。Janbu (1954)假定土条间力为水平，Lowe 和Karafiath (1959)建议条间力倾角为土条顶部和底部倾角的平均值，美国陆军工师团假定条间力的倾角等于平均坝坡。由此求得的安全系数因为没有满足力矩平衡要求，也是简化法。

随着计算机的出现和普及，一部分研究者致力于建立同时满足力和力矩平衡对滑裂面形状不作假定的严格分析方法，Morgenstern & Price (1965)提出了适用于任意形状滑裂面严格方法，求解过程中假定土条间不产生拉力且作用于土条界面上的剪力不超过按摩尔?库仑法则提供的抗剪强度。Spencer提出了条间力倾角为常数的方法，这一方法实际上是Morgenstern?Price 法中f(x)=1的一种特例。

(2) GeoStudio软件

GeoStudio软件[3]是由加拿大岩土软件开发商GEO-SLOPE公司在20世纪70年代开发的面向岩土、采矿、交通、水利、地质、环境工程等领域开发的一套岩土工程综合仿真分析软件，其SLOPE/W模块（边坡稳定分析）在与SEEP/W模块（地下水渗流分析）耦合时，可计算边坡在降雨、库水位升降、地震及其不同组合情况下的边坡稳定性[4]。

3 工程概况

芦稿集镇[5]为XLD水电站库区的迁建集镇。集镇新址位于金沙江左岸宽缓斜坡地带，场地覆盖层较厚，以冲洪积物为主；场地地面高程640～710m，顺金沙江长约430m，宽约85～190m，地形平缓开阔，斜坡带地形坡度一般10～20°，局部陡立。后边坡为覆盖层和基岩混合边坡，覆盖层分布高程为705m～1000m，后部基岩边坡高大于100m，岩性为粉细晶白云岩、白云质灰岩夹少量砂岩、粉砂岩。勘探揭示覆盖层边坡主要为崩坡积块碎石土，块碎石有一定胶结，结构较紧密，未见明显的滑带，仅局部存在砾石夹粘土；边坡中部发育约40万m3的变形体，变形体后缘为高5m的陡坎，陡坎下断续分布拉裂缝。

图2 场地后边坡P1工程地质现状剖面图

场地所在斜坡平均坡度10o～14o，局部18～20o。地层以粗颗粒土为主，工程性状较好；下伏基岩产状为N37～40°E/NW∠18～24°，倾向山内，有利于边坡稳定。该边坡天然状态下整体稳定。场地前缘边坡整体高度40～45m，坡度30°～40°，覆盖层表层相对松散，在重力和雨水冲刷作用下，局部会产生小规模的塌滑。在库区蓄水后，在波浪、动水位作用下该部位存在局部坍塌可能。

4 边坡稳定计算与分析

(1) 计算模式

假定滑动面为基岩与覆盖层分界面，对场地的覆盖层进行整体稳定性计算；在场地前缘局部有呈透镜体状分布的砾砂层，厚度1.5～2.8m，假设场地后缘覆盖层边坡沿基覆界线滑动，前缘沿该砾砂层剪出；假设场地后部的变形体沿场地前缘的砾砂层剪出。根据覆盖层边坡土体堆积的整体形态和集镇新址场平的竖向规划，以P1剖面计算建成后的覆盖层边坡整体和局部稳定性。

(2) 计算参数

(3) 计算方法和工况

边坡稳定性计算采用极限平衡法中的Morgenstern-Price法，计算程序采用GeoStudio软件中SLOPE/W模块；计算分别考虑2种工况，即天然状态、地震工况（Ⅶ度地震，a=0.1g）。

(4) 计算结果和分析

①覆盖层整体边坡：天然工况下安全系数为1.30（规范最小容许值1.15）；地震工况时安全系数为1.21（规范最小容许值1.02）。②变形体局部：天然工况下安全系数仅为1.31（规范最小容许值1.15）；地震工况时安全系数为1.23（规范最小容许值1.02）。按集镇新址场地的规划竖向，场地后缘覆盖层和变形体的边坡稳定计算成果满足规范要求。

图4 场地后坡覆盖层地震工况下边坡稳定安全系数

5 结语

(1) 芦稿集镇边坡整地与局部稳定稳定性计算结果表明，按集镇新址竖向规划的边坡稳定安全系数满足规范要求。在施工过程中，应严格按照规划设计方案，避免对场地后边坡坡脚的大范围开挖，以免引起新的边坡稳定问题。

(2) GeoStudio软件用于水库边坡稳定分析，从前期建模、计算方法、参数、工况和成果等方面来看，建模过程比较便捷，稳定分析方法涵盖全面，参数输入简单方便，工况组合接近实际，计算成果与现行规范采用的安全系数法的评价原则一致。