水利工程邊坡穩(wěn)定性研究

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邊坡形態(tài)規(guī)模與變形機(jī)理分析

1邊坡的形態(tài)規(guī)模

根據(jù)層面、坡面及節(jié)理裂隙赤平投影分析(圖2)，J1、J2對(duì)左岸邊坡穩(wěn)定性不起控制作用，其穩(wěn)定性主要受J3控制，受卸荷作用的影響，在左岸J3以?xún)A北東方向(產(chǎn)狀為NW290°～335°/NE∠70°～80°)為主。受此外傾結(jié)構(gòu)面的控制，邊坡前緣的強(qiáng)風(fēng)化、強(qiáng)卸荷巖體屬潛在不穩(wěn)定塊體，在暴雨、地震等作用下，可能失穩(wěn)而發(fā)生崩塌、掉塊。

2邊坡變形機(jī)理分析

從巖體力學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)看，巖體邊坡的破壞不外乎剪切和拉斷兩種形式。大量的野外調(diào)查資料及理論研究表明，絕大部分巖體邊坡的破壞均為剪切滑動(dòng)破壞。研究滑動(dòng)破壞問(wèn)題的關(guān)鍵在于研究滑動(dòng)面的形態(tài)、性質(zhì)及其受力平衡關(guān)系［1］。同時(shí)，滑動(dòng)面的形態(tài)及其組合特征不同，決定著要采用的具體分析方法的不同。金佛山左岸巖質(zhì)邊坡的變形發(fā)育主要在坡腳平緩結(jié)構(gòu)面，向坡前臨空方向產(chǎn)生緩慢的蠕變性的滑移。上部巖性為塊狀灰?guī)r，巖體堅(jiān)硬，厚度大，底部為粉砂巖夾頁(yè)巖，巖性相對(duì)軟弱，存在易壓縮變形的特點(diǎn)。針對(duì)相對(duì)較軟弱的粉砂巖層，增加了鉆孔，采用孔內(nèi)全斷面成像方法，查明對(duì)應(yīng)層位深度分別為57．8～62．8m和93．5～98．5m，確實(shí)存在相對(duì)軟弱、破碎的粉砂質(zhì)頁(yè)巖層，為軟弱夾層，屬滑坡體深部潛在軟弱面，目前尚未完全貫通形成滑動(dòng)面。上部為崩坡積土層和強(qiáng)風(fēng)化巖塊等，中、下部以弱風(fēng)化粉砂巖、頁(yè)巖巖體為主，摻雜有強(qiáng)風(fēng)化、強(qiáng)卸荷巖體，部分巖體看似完整，但產(chǎn)狀凌亂，局部還有架空現(xiàn)象。因此，認(rèn)為左岸巖質(zhì)高邊坡是潛在滑坡，是一個(gè)深層、順層、復(fù)合機(jī)制成因的滑坡，下部為順層牽引-塑流性質(zhì)、上部為壓致拉裂推移式。

穩(wěn)定性分析

1邊坡計(jì)算模型

對(duì)重慶市金佛山水利工程壩址區(qū)左岸巖質(zhì)高邊坡穩(wěn)定性采用有限元強(qiáng)度折減法，分析天然、開(kāi)挖、加固狀態(tài)的邊坡穩(wěn)定性。飽和狀態(tài)模擬開(kāi)挖前后遇強(qiáng)降雨的土體飽和情況，加固之后考慮竣工期和蓄水期兩種情況。據(jù)王俊杰，等［2］提出的邊坡簡(jiǎn)化計(jì)算方法和陳錦璐，等［3］在網(wǎng)格、邊界條件對(duì)有限元計(jì)算結(jié)果的影響分析研究，將邊坡剖面簡(jiǎn)化并劃分網(wǎng)格，如圖3。

2計(jì)算參數(shù)

結(jié)構(gòu)模型采用摩爾庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則，采用非關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則(剪脹角φ=0)。屈服準(zhǔn)則假定:作用在某一點(diǎn)的剪應(yīng)力等于該點(diǎn)的抗剪強(qiáng)度時(shí)，該點(diǎn)發(fā)生破壞，剪切強(qiáng)度與正應(yīng)力呈線性關(guān)系。摩爾庫(kù)倫模型是基于材料破壞時(shí)應(yīng)力狀態(tài)的莫爾圓提出的，破壞線是與莫爾圓相切的直線，強(qiáng)度準(zhǔn)則為:τ=c－σtanφ(1)式中:τ為剪切強(qiáng)度;σ為正應(yīng)力;c為材料黏聚力;φ為材料內(nèi)摩擦角。相應(yīng)的計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

3失穩(wěn)破壞判定準(zhǔn)則

目前，判斷邊坡失穩(wěn)破壞的標(biāo)準(zhǔn)通常包括:有限元數(shù)值計(jì)算的不收斂、塑性區(qū)的貫通、廣義剪應(yīng)變的貫通等［4］。呂慶，等［5］認(rèn)為在小應(yīng)變假設(shè)中用數(shù)值計(jì)算不收斂作為判據(jù)，但是，計(jì)算不收斂的原因比較多，如荷載過(guò)大，計(jì)算單元有奇異等。因此，以此為判據(jù)適用范圍有一定的限制。欒茂田，等［6］建議采用塑性應(yīng)變貫通作為判據(jù)，以此作為判據(jù)時(shí)主觀因素占很大成分，未排除彈性塑性應(yīng)變的影響，破壞界限比較模糊。分析邊坡失穩(wěn)破壞的主要特征可知，不管其內(nèi)部的變形機(jī)理是廣義剪應(yīng)變還是塑性應(yīng)變，其最終結(jié)果是產(chǎn)生位移，位移是邊坡內(nèi)部作用的外在表現(xiàn)?；瑒?dòng)主要是由剪應(yīng)變和位移造成的。隨著強(qiáng)度參數(shù)的不斷折減，邊坡上的位移矢量和剪應(yīng)變不斷向坡腳處增大，因此，以坡頂特征點(diǎn)位移突變?yōu)槭Х€(wěn)判據(jù)，意義明確，界限清晰。

4計(jì)算結(jié)果分析

各工況有限元強(qiáng)度折減法計(jì)算得到的安全系數(shù)見(jiàn)表2。鑒于方案1的安全系數(shù)最小，筆者給出了該方案的強(qiáng)度折減系數(shù)與坡頂位移的變化曲線(圖4)，塑性應(yīng)變?cè)茍D、位移等值線云圖(圖5)。圖6為邊坡開(kāi)挖后天然含水與飽和狀態(tài)時(shí)的塑性應(yīng)變?cè)茍D。圖4表明，折減系數(shù)在1．42時(shí)發(fā)生坡頂?shù)奈灰剖噶康耐蛔?，此后，位移陡增，表明此時(shí)塑性區(qū)已經(jīng)貫通，開(kāi)始滑動(dòng)，當(dāng)安全系數(shù)為1．42時(shí)處于臨界狀態(tài)。因此，以此作為安全系數(shù)，概念、意義明確。圖5顯示，金佛山左岸巖質(zhì)高邊坡具有圓弧-折線的潛在滑動(dòng)面，形態(tài)由底部的條狀帶頁(yè)巖控制，滑坡體前緣及淺層巖體變形強(qiáng)烈。下部為順層牽引-塑流性質(zhì)、上部為壓致拉裂推移式，是一個(gè)深層、順層、復(fù)合機(jī)制成因的潛在滑坡。邊坡巖體隨變形發(fā)展，平行臨空面的裂隙容易被拉開(kāi)［7］，在遇到沉積巖的巖層分界面時(shí)，裂隙被巖層結(jié)構(gòu)面分割。在薄弱、結(jié)構(gòu)有突起的部位，形成應(yīng)力集中區(qū)和近似平行于坡面的臺(tái)階狀裂隙。最終，薄弱裂隙連通、巖體滑動(dòng)。以1∶0．3的坡比折線形開(kāi)挖巖體表面強(qiáng)風(fēng)化和弱風(fēng)化的部分巖體。開(kāi)挖后天然和飽和狀態(tài)的安全系數(shù)分別為1．73和1．62。圖6顯示，飽和后土體軟化［8］，整個(gè)塑性區(qū)包圍的巖體增大，潛在下滑巖體增大。天然狀態(tài)時(shí)潛在滑弧在前部形成直線段，塑性區(qū)離開(kāi)挖后的臨空面較近，表部卸荷巖體容易形成裂隙而最終達(dá)到整體的塑性區(qū)貫通。臨空面上巖體卸荷回彈，坡頂?shù)暮蟛慨a(chǎn)生張拉裂縫，在雨水入滲作用下，由于裂隙底部的巖體滲透系數(shù)小，排水不暢，靜水壓力作用于裂隙面，增大了下滑力，這往往是暴雨后巖質(zhì)邊坡容易產(chǎn)生破壞的重要原因［9］。

鑒于上述分析，建議清除表層強(qiáng)風(fēng)化、強(qiáng)卸荷巖體，開(kāi)挖坡度應(yīng)小于外傾結(jié)構(gòu)面的最小傾角并保護(hù)好開(kāi)挖面，及時(shí)錨噴支護(hù)。巖質(zhì)高邊坡的上部還存在韓家店組(S2h)的頁(yè)巖，以黏土礦物為主，抗風(fēng)化能力差。在天然含水量的情況下新鮮巖石層面結(jié)合尚牢，遇水軟化，濕水后易崩解。因此，建議上部采用10cm厚混凝土噴錨支護(hù)，下部有寬張裂隙帶J2，是巖體風(fēng)化和卸荷的產(chǎn)物，有方解石填充，采用錨桿錨固，并用自密實(shí)混凝土填充，保證巖體的完整性，防止此卸荷裂隙擴(kuò)張。加固后邊坡采用簡(jiǎn)化計(jì)算方法，在加固區(qū)域分別采用提高巖體強(qiáng)度指標(biāo)以代替加固區(qū)域的強(qiáng)度參數(shù)，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，加固區(qū)巖體強(qiáng)度參數(shù)提高20%。加固后邊坡天然和飽和含水狀態(tài)安全系數(shù)分別為1．85和1．78，均比未加固時(shí)有明顯提高，加固效果顯著。

結(jié)論

從邊坡形態(tài)規(guī)模、變形機(jī)理及安全性方面，對(duì)金佛山左岸巖質(zhì)高邊坡進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)，得出以下結(jié)論。1)邊坡前緣的強(qiáng)風(fēng)化、強(qiáng)卸荷巖體屬潛在不穩(wěn)定塊體，建議清除表層強(qiáng)風(fēng)化、強(qiáng)卸荷巖體，開(kāi)挖坡度小于外傾結(jié)構(gòu)面最小傾角并保護(hù)好開(kāi)挖面、及時(shí)錨噴支護(hù);弱卸荷帶以?xún)?nèi)巖體受卸荷作用影響小，完整性和穩(wěn)定性較好，邊坡現(xiàn)狀整體穩(wěn)定，發(fā)生大規(guī)模破壞可能性極小。2)左岸巖質(zhì)高邊坡是一個(gè)深層、順層、復(fù)合機(jī)制成因的潛在滑坡，下部為順層牽引-塑流性質(zhì)、上部為壓致拉裂推移式。（本文作者：王俊杰、邱珍鋒 單位：重慶交通大學(xué)）