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核电厂边坡稳定性评估

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《中华建设杂志》2014年第九期

一、边坡稳定的定量分析法

边坡稳定的定量分析是根据边坡岩体的力学性质以及各种可能的工况组合,选取适当的边坡断面进行力学分析,根据确定的岩体参数和一定的假设条件进行分析计算,得出边坡稳定与否的结论。实际工程中存在许多无法完全定量的因素,这些因素的不确定性对边坡稳定的定量计算有一定的影响,因此所谓的定量分析并不是完全意义的“定量”。定量分析的方法主要有极限平衡法、有限元法以及概率法。

(1)极限平衡法极限平衡法是在假定已知的滑面上对坡体进行静力平衡分析,首先将边坡体离散成条块,然后根据其受力状况建立力或力矩的平衡方程,计算边坡的安全系数。它是目前应用最广泛、理论最成熟的边坡稳定性分析方法,基于不同的假定条件,极限平衡法又衍生出许多不同的计算分析方法,如:Morgenstern-Price法、简化Janbu法、简化Bishop法、传递系数法、Sarma法、Spencer法等。其中简化Bishop法多用于破裂面近似呈圆弧形的滑体,其它几种方法可用于滑动面为任意形状的边坡。据有关文献,Sarma法与M-P法计算结果较为相近,比以前的计算方法更接近真实值。随着工程技术的不断发展,一些学者对上述方法进行了研究和发展,作出了有益的改进。如陈祖煜和Morgenstern对M-P法的计算格式进行改进,使得该方法收敛性非常良好,且满足严格平衡条件,在国际岩土界受到欢迎。随着计算机技术被广泛应用于工程界的各种计算中,上述列举的方法也被人们编入程序,大大减轻了计算的负担。类似的软件在不断被开发,如国内应用较广的理正岩土工程软件、国外的Geostudio软件等。极限平衡法在进行计算时均有不同的假设条件,在建模和进行稳定性计算过程中采取了一定的简化措施,但精度均能满足工程需要。在实际工程中一般采用多种计算方法进行对比分析,得出更为精确的结果。

(2)有限元法有限元法在岩土力学中应用较为普遍,应用该法分析边坡,不但能对其稳定性作出定量评价分析,而且在分析中还能考虑到构成边坡物质的不连续性和非均质性,因此具有一定的优越性。该法理论成熟,利用计算机作为辅助工具,在分析中应用较广的是二维线性有限元分析,采用位移法求解。目前在二维和三维方面的计算软件都比较成熟,如基于显性有限差分方法的岩土工程商用计算软件FLAC等。和极限平衡法相比,有限元法无需事先假设边坡滑动面,也不必满足一些假定条件,而是根据变形协调的理念建立起应力和应变之间的本构关系,建立边坡运动的模型,找出边坡破坏的模式,为边坡稳定性分析和治理提供依据。边坡稳定性分析的有限元法可以编制边坡岩土体的位移分布图和主应力分布图,找出重点研究对象和易发生破坏的区域。为了研究有限元法和传统的极限平衡法之间的关系,找出边坡安全系数的计算方法,近年来一些专家学者在这方面作出了有益的探索,得出了很有价值的计算方法。如Giam和Donald于1988年提出了一种由已知应力场确定临界滑裂面及最小安全系数的方法-CRLSS法;Zou等人通过有限元法获得的应力分布规律确定滑动面的位置,然后利用动态规划的数值方法搜索最危险滑裂面和相应的安全系数。有限元法对边坡达到极限破坏状态的判据没有统一的标准,有时候计算精度不足,因此限制了其应用的普遍性。由于计算技术的发展突飞猛进,而进行边坡稳定性分析时本构关系的建立则显得滞后,因此有限元法在本构关系的研究以及模型建立方面还需进行深入地研究。

(3)概率法早期的边坡稳定性分析方法均采用刚体极限平衡理论,在模型的建立过程中进行一定程度的简化,此类简化使得计算和分析过程不再繁琐,因此各理论方法在工程实践中得到普及,并衍生出多种多样的计算方法。实际上边坡体是一个各种因素的组合体,与地形地貌、地质环境、岩体特征、水文地质条件等关系密切。而概率法就是将影响边坡稳定性的许多因素作为变量,确定出各因素对边坡稳定性影响的主次关系,然后通过试验取得各变量的原始数据,并对试验取得的大量的数据进行统计分析,找出各种因素的函数分布规律及其与边坡稳定性之间的内在联系,进而计算出边坡稳定状态的概率大小。在该领域一些学者进行了有益的探索,如Hudson等人对边坡体内不连续面的几何特征采用概率统计法进行了定量的分析和研究,并得出有价值的结论。随着计算机技术的广泛应用,概率论理论又发展出很多“不确定性”分析方法,例如BP神经网络法、灰色理论法、模糊评判法等。

二、结语

核电厂的边坡稳定性问题往往关乎核电厂的安全,是工程技术人员高度重视的问题。实际工程中往往采用多种方法进行综合评价,根据本人的实际工程经验和做法,一般可以按照如下思路进行评价:边坡区工程地质条件分析→边坡稳定性定性评价→定量分析计算→敏感因子分析→极端工况复核→边坡变形破坏模式分析。经过多种方法的对比分析,最后确定出边坡安全的放坡开挖方案。

作者:顾斌单位:中国核电工程有限公司郑州分公司

中华建设杂志责任编辑:杨雪    阅读:人次