三维强度折减法在碳酸盐岩区...边坡工程中的数值分析与应用_郑中.pdf

54http:/电 力 勘 测 设 计第7期DOI：10.13500/j.dlkcsj.issn1671-9913.2023.07.011三维强度折减法在碳酸盐岩区高填方边坡工程中的数值分析与应用郑 中，何铠岐，冯 波，鄢明章(中国电力工程顾问集团西南电力设计院有限公司，四川 成都610021)摘要：西南山地、丘陵的碳酸盐岩区地形起伏大，有岩溶槽谷、陡坎等特殊地貌，这一区域电力工程中的填方边坡横向剖面沿边坡走向变化剧烈，边坡设计中不宜简化为平面问题。采用三维强度折减法，可根据实际的地貌变化、地层分布和边坡形状建立有限元分析模型。通过分析可以获得填方边坡受力状态、变形情况及稳定性系数，为工程设计提供依据。对比不同处理方式下边坡稳定性计算结果，从而探索岩溶槽谷地貌上填方边坡的合理设计方案。关键词：强度折减法；碳酸盐岩区；高填方；边坡工程中图分类号：P642 文献标志码：A 文章编号：1671-9913(2023)07-54-06Application of 3D Strength Reduction Method for High Filled Slope Design in Thermal Power PlantZHENGZhong,HEKaiqi,FENGBo,YANMingzhang(Southwest Electric Power Design Institute Co.,Ltd.of China Power Engineering Consulting Group,Chengdu 610021,China)Abstract:ThelandformofelectricpowerprojectinmountainousandhillyregionofsouthwestChinaisgenerallylargeterrainvariation,whichhasspecialgeomorphologiessuchasgullyandscarp.Thesectionoffilledslopeintheseprojectsvaryintenselyalongslopetrend.Samplingtheslopestabilityproblemtoplaneproblemisnotsuitableinthissituation.Amodelcanbeerectedby3Dstrengthreductionmethod,withfullinformationoflandformvariationandsoillayerdistribution.Thestressstate,deformationregularandsafetyfactoroffilledslopecanbegotfromthecalculationresultof3Dmodel.Thebestdesignplanofhigh-filledslopeongullyarediscussedbycomparingthecalculationresultsofdifferentplans.Keywords:strengthreductionmethod;carbonaterockarea;highfilling;slopeengineering*收稿日期：2021-12-31 第一作者简介：郑中(1988)，男，硕士，高级工程师，主要从事电力工程结构及岩土设计研究等工作。0引言山区电力工程因多变的地质条件，容易形成复杂的高填方边坡。此类复杂地质条件下高填方边坡的分析与设计一直是工程热点和难点。目前评价边坡稳定性，主要采用极限平衡法和岩土数值分析方法1。传统的二维极限平衡法，分析计算较为方便，但该方法做了许多近似假设，如需要假设滑动面、不考虑土体内部的应力应变关系、不能直观反映土与支挡结构的相互作用等；处理三维问题时，为了求解稳定性系数需要设定更多假定，计算复杂度55三维强度折减法在碳酸盐岩区高填方边坡工程中的数值分析与应用http:/ 工程勘测 第7期 大大增加，计算公式运用存在很多限制条件；目前还没有一种被普遍接受的三维极限平衡法理论。西南山区、丘陵区电力工程的高填方边坡，由于其特殊的地质条件，采用二维方法分析获得的结果不具有充分的可靠性和经济性。随着有限元计算方法及软件的发展，采用有限元强度折减法(岩土数值分析方法之一)对边坡工程进行分析，已经得到了广泛的推广和应用2-6。三维强度折减法为复杂地质条件下高填方边坡的分析与设计提供了新的思路。目前，采用三维强度折减法分析电力工程中复杂地形条件下的填方边坡研究较少。本文对采用有限元强度折减法对西南地区某电厂高填方边坡工程进行计算分析，以期获得不同条件下的边坡稳定形状，为工程设计提供支撑。1强度折减法简介土体的失稳，主要是由荷载的增加或土体强度的降低引起的。强度折减法是通过土体强度参数的降低来实现对失稳情况的模拟。该方法基本原理是将土体的强度参数粘聚力 c 和内摩擦角的正切值 tan 折减一个系数后，作为一组新的土体参数代入，判断土体是否达到极限破坏状态，反复迭代，当土体达到极限平衡时，其强度参数的折减倍数，就是边坡的稳定性系数值。具体计算式如式(1)所示。tantansffcFc=(1)式中：c、为未折减的土体抗剪强度指标；cf、f是折减 Ff倍后的土体抗剪强度指标。基于其基本原理，强度折减法比传统的极限平衡法更具有优势。该方法能考虑土体应力状态和路径、边坡施工过程、设置支护结构等因素对边坡稳定性的影响，分析过程中还能获得边坡变形情况。2工程概况与地质条件以西南地区某电厂工程为例，该工程位于碳酸盐岩区，其地貌主要由溶蚀残丘和岩溶槽谷组成。根据工程厂区布置，厂址北侧为挖方区，其他三侧为填方区。其中，厂区西偏北一段填方边坡位于岩溶槽谷之上(呈喇叭口状，槽谷两侧基岩裸露)，填方最大高度约 22 m，该处边坡平面布置如图1所示，边坡地形如图2所示。岩溶槽谷走向与边坡纵向约成 60。填方边坡取样机汽车衡灰库图1边坡平面布置右侧基岩出露线边坡走向岩溶槽谷走向高低左侧基岩出露线图2边坡地形图该岩溶槽谷的天然地层主要由四层不同性质的岩土构成：槽谷后缘表层为硬塑状红黏土；槽谷中部和前缘表层为可塑状红黏土，局部为含角砾、碎石红黏土；槽谷后缘基岩上方存在软塑状红黏土，该层土力学性质较差；红黏土层下为白云岩层。沿岩溶槽谷沟底走向的地质剖面如图 3 所示。通过对工程勘测资料的初步分析，拟采用坡率法处理该边坡，不设置支护结构；边坡分三级放坡，拟采用的边坡坡率如图 3 所示，其中边坡方案一为三级 12 放坡、每两级间设置2 m 宽平台；边坡方案二为一、三级 12 放坡、二级 12.5 放坡、一二间级设置 6 m 宽平台、其他平台宽度为 2 m。此外，槽谷上覆红黏土56http:/电 力 勘 测 设 计第7期力学指标尚可，通过换填该层土来提高边坡稳定性是否可行，也需要通过分析确定。本次边坡分析采用三维强度折减法，以期获得合理的边坡设计方案。边坡方案二边坡方案一自然地面线6 m1 21 21 21 2.52 m约57 m约22 m图3岩溶槽谷地质剖面及边坡方案图表1场地主要土层特征表层号土层定名厚度/m特征描述重力密度/(kN/m3)压缩模量/Pa粘聚力C/kPa内摩擦角/压实填土015土夹石21.010.05251红黏土局部硬塑16.65.635152红黏土1.55可塑16.65.229103红黏土局部软塑16.63.5132白云岩中风化26.0150353有限元分析模型简介3.1 分析模型前处理限于实际的工程地质资料无法提供完整的三维土层信息，以及不规则三维模型网格划分较为困难，需要对实际工程边坡作部分简化。1)简化土层。岩溶槽谷大部分为可塑状红黏土，仅在槽谷后缘存在硬塑和软塑状红黏土。软塑状红黏土埋深大，根据工程经验可判断该层土对边坡稳定性无影响；根据勘测资料，硬塑状红黏土力学指标略高于可塑状红黏土，分析时按可塑状考虑。2)拟合红黏土土层空间分布。利用基岩出露线和岩溶槽谷剖面，拟合出红黏土土层沿槽谷走向的变化。3)简化边坡。从布置图可以看到，该段边坡由三段折减组成。为了简化建模和避免网格畸形，边坡模型范围取岩溶槽谷段边坡，边坡在三维空间走向简化为直线。3.2 有限元模型建立通过三维等高线图建立地表及土层界面三角网曲面，通过直接建模生成填方边坡外形面，利用地表及土层界面三角网曲面、边坡外形面切割实体空间生成有限元模型。生成的有限元计算模型如图 4 所示。边界条件：约束模型四周边界的水平位移，约束模型底面边界的水平及竖向位移。网格划分：采用 10 节点的四面体单元完成网格划分，边坡方案二划分后的网格如图 5 所示。土体模型：分析采用弹塑性的摩尔库伦材料模型，采用不相关联的流动法则。57三维强度折减法在碳酸盐岩区高填方边坡工程中的数值分析与应用http:/ 工程勘测 第7期 可塑状红黏土中风化白云岩边坡压实填土岩溶槽谷走向(a)整体分析模型岩溶槽谷走向中风化白云岩可塑状红黏土(b)原状土部分模型图4分析模型(a)模型整体网格边坡压实填土可塑状红黏土中风化白云岩(b)沿槽谷走向网格剖面图5边坡计算网格4三维强度折减法分析高填方边坡4.1 边坡稳定性系数对三维有限元模型按地应力场求解、边坡分级加载弹塑性应力应变场求解、强度折减法稳定性系数求解的顺序进行分析，获得的稳定性系数见表 2 所列。表2计算获得的边坡稳定性系数边坡方案稳定性系数 Fs方案一1.358方案二1.566方案二(换填红黏土)1.621边坡方案一求解得到的稳定性系数是1.358，边坡方案二求解得到的稳定性系数是1.566；第二级边坡放缓并加宽一二级边坡间的平台，能够有效提升边坡的稳定性；针对本次高度达到 22 m 的填方边坡，边坡方案二求解获得稳定性系数具有较高的稳定性保证。对岩溶槽谷中的红黏土换填后，边坡的稳定性略有提高，稳定性系数达到 1.621。对比不换填的方案，稳定性系数提升较小。综合分析结果和工程经济性，工程采用方案二。4.2 最危险滑移块体三维强度折减法稳定性求解的过程中，可根据计算过程自动生成最危险滑移块体。本次所分析的高填方边坡最不利滑移块体如图 6 所示，岩溶槽谷剖面上最不利滑移面如图 7 所示。(a)边坡方案一(b)边坡方案二58http:/电 力 勘 测 设 计第7期(c)边坡方案二(换填红黏土)图6最不利滑移块体边坡压实填土可塑状红黏土中风化白云岩(a)边坡方案一边坡压实填土可塑状红黏土中风化白云岩(b)边坡方案二边坡压实填土可塑状红黏土中风化白云岩(c)边坡方案二(换填红黏土)图7槽谷剖面上最不利滑移面通过分析可以发现边坡方案一和方案二的最不利滑移块体包含了整个三级填方边坡，其稳定性由整体稳定性控制，如图 6(a)、图 7(a)所示。方案一和方案二槽谷剖面上最不利滑移面均通过压实填土层和可塑状红黏土层，如图6(b)、图 7(b)所示。由于方案二第二级边坡变缓，一二级平台加宽，方案二槽谷剖面上最不利滑移面比方案一平缓。红黏土层换填后，边坡最不利滑移块和槽谷剖面上最不利滑移面发生变化，如图 6(c)、图 7(c)所示。换填后土层整体指标提升，边坡整体稳定性增加，但由于压实填土材料自身力学性质，第一级边坡的局部稳定起控制作用。从计算结果可以看出，边坡稳定未受到软塑状红黏土区域土体影响。4.3 边坡变形情况三维有限元法计算获得填土过程中最大水平(垂直于边坡走向)及竖向位移见表 3 所列。各方案最大竖向位移均发生在岩溶槽谷后缘最大堆高位移，最大水平位移发生在填土内部。将填方边坡放缓并增加平台宽度后，边坡变形减小。由于压实填土和原状可塑红黏土压缩模量差异较大，换填后边坡变形较小。表3边坡变形情况m边坡方案最大竖向位移最大水平位移方案一0.6080.162方案二0.5630.124方案二(换填红黏土)0.3850.0605结论1)通过三维强度折减法分析，获得了高填方边坡 3 种方案下的稳定性系数、最不利滑移块体位置以及岩溶槽谷剖面最不利滑移面。较全面真实地反映了实际工程情况。2)边坡方案二求解得到的强度折减法边坡稳定性系数为 1.566，高于第一种方案的 1.358。鉴于本高填方边坡高度达到 22 m，边坡方案二具有更高的稳定性保证。3)换填红黏土层之后，边坡的稳定性有所提高，但提高的幅度有限。可塑状红黏土层力学指标较高，结合分析结果建议可不换填该土层。4)目前很多学者研究对比了使用极限平衡法和强度折减法求得边坡稳定性系数的异同7-8，但我国 GB503302013建筑边坡工程技术规范9尚未对采用强度折减法需控制的边坡稳定安全系数做出规定，本文亦未对该问题进行探讨，后续工作中可进一步完善。59三维强度折减法在碳酸盐岩区高填方边坡工程中的数值分析与应用http:/ 工程勘测 第7期 参考文献1 郑颖人.岩土数值极限分析方法的发展与应用J.岩石力学与工程学报，2012，31(7)：1297-1316.2 GRIFFITHS D V,LANE P A.Slope stability analysis by finite elementsJ.Geotechnique,1999,49(3)：387-403.3 陈国庆，黄润秋，石豫川，等.基于动态和整体强度折减法的边坡稳定性分析J.岩石力学与工程学报，2014，33(2)：243-256.4 栾茂田，武亚军，年廷凯.强度折减有限元法中边坡失稳的塑性区判据及其应用J.防灾减灾工程学报，2003，23(3)：1-8.5 赵尚毅，郑颖人，张玉芳.极限分析有限元法讲座II：有限元强度折减法中边坡失稳的判据探讨J.岩土力学，2005，26(2)：332-336.6 陈金锋，宋二祥，徐明.强度折减法有限元法在昆明新机场高填方边坡稳定分析中的应用J.岩土力学，2011，32(增刊1)：636-641.7 赵尚毅，郑颖人，时卫民，等.用有限元强度折减法求边坡稳定安全系数J.岩土工程学报，2002，24(3)：343-346.8 张鲁渝，郑颖人，赵尚毅，等.有限元强度折减法计算土坡稳定安全系数的精度研究J.水利学报，2003(1)：21-27.9 中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑边坡工程技术规范：GB503302013S.北京：中国建筑工业出版社，2013.(编辑 卢靖冉)(上接第6页)绝缘配合裕度均能够满足要求，但线路高抗上可能出现严重的过电压。2)针对该类变电站提出了避雷器优化配置方案：常规 220 kV 出线的出线套管处装设 1 组避雷器，降压运行的 500 kV 线路高抗和出线套管处各装设 1 组避雷器；2 台主变的主变进线各装设 1 组避雷器。经验证，在该避雷器配置方案下站内设备能够得到有效保护，变电站出线关键位置配备避雷器能有效限制站内设备的雷电侵入波过电压。参考文献1 谢广润.电力系统过电压M.北京：中国电力出版社，2018.2 刘静，程登峰，易华劼，等.同塔双回500 kV输电线路降压至220 kV运行的防雷J.武汉大学学报(工学版)，2015，48(6)：831-835.3 龙玉华.高压电气设备外绝缘试验时高海拔修正因数的计算J.高压电器，1993(4)：22-27.4 赵宇明，黎小林，吕金壮，等.高海拔地区外绝缘参数海拔修正方法研究J.南方电网技术，2011，5(2)：59-63.5 全国高电压试验技术和绝缘配合标准化技术委员会.绝缘配合 第二部分：使用导则：GB/T 311.22013S.北京：中国电力出版社，2013.6 张纬钹，何金良，高玉明.过电压防护与绝缘配 合M.北京：清华大学出版社，2012.7 张颖，高亚栋，杜斌，等.输电线路防雷计算中的新杆塔模型J.西安交通大学学报，2004，38(4)：365-368.8 HARA T，YAMAMOTO O.Modelling of a transmission Tower for lightning surge analysisJ.IEE ProceedingsC：Generation，Transmission and Distribution，1996，143(3)：283-289.9 黄文武，肖明杰，杨旭，等.输电线路雷击闪络分析中杆塔模型的研究J.高压电器，2015，51(6)：166-172.10 李荣华，夏艳梅.110 kV变电所雷电侵入波过电压保护配置J.电工技术，2008(6)：17-19.11 刘渝根，刘纬，陈先禄.500 kV变电站雷电侵入波研究J.重庆大学学报(自然科学版)，2000(3)：17-19.12 相龙阳，彭春华，刘刚.500 kV变电站雷电过电压的仿真研究J.电力科学与工程，2011，27(2)：30-35.13 YANG L，WU G，CAO X.An optimized transmission line model of grounding elect under lightning currentsJ.Science China Technological 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