宋 慧,楊 濤,秦永濤

(1.中國水電顧問集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,四川 成都 610072;2.西南交通大學(xué) 巖土工程系,四川 成都 610031)

1 前 言

錦屏一級(jí)水電站大壩壩高 305 m,正常蓄水位為 1880 m,電站裝機(jī)容量為 3200 MW,庫容為 77億 m3,是雅礱江流域規(guī)劃擬建的最大庫容水電站。該水電站地處青藏高原向四川盆地過渡的斜坡地帶,河床高程為 1625～1640m,河床比降為 3‰左右,沿河兩岸山勢(shì)陡峻,呈典型高山峽谷地貌景觀。

碼頭營地邊坡(約壩 1+182～1+291m,高程1655～1718m)位于泄洪霧化區(qū)內(nèi),該段邊坡為兩個(gè)小沖溝之間一突出的小山脊上,上游側(cè)沖溝較明顯,邊坡上緩下陡,在 1715m高程以上坡度 45°～55°,以下坡度約 70°。由于受長期的風(fēng)化卸荷影響,邊坡體發(fā)育多條卸荷裂隙,這些卸荷裂隙相互聯(lián)通構(gòu)成了巖石邊坡失穩(wěn)塊體的邊界。一般而言,卸荷裂隙并非規(guī)則平面,因此潛在失穩(wěn)塊體的邊界也不平直。本文介紹了點(diǎn)安全系數(shù)穩(wěn)定性分析方法,然后采用該方法計(jì)算了危巖體的穩(wěn)定性,并驗(yàn)算了支護(hù)后的塊體穩(wěn)定性。

2 碼頭營地邊坡工程地質(zhì)條件

邊坡體基巖裸露,巖性主要為第 8層大理巖,巖層產(chǎn)狀 N50°～60°E/NW∠30°～40°,巖層走向與邊坡近平行,緩傾山里,邊坡為逆向坡。裂隙主要發(fā)育第①、④組裂隙。第①組層面裂隙產(chǎn)狀 N50°～60°E/NW∠30°～40°,延伸一般 1～3m,間距 30～50cm,裂面多輕度銹染,表層局部微張 0.3～0.5cm;第 ④組裂隙產(chǎn)狀 N30°～ 40°E/SE∠70°～80°,延伸一般 1～3m,局部大于 10m,間距 50～80cm,裂面多銹染,張開 0.5～2cm。

該段邊坡發(fā)育一條長大卸荷裂隙 XL,產(chǎn)狀N30°～40°E/SE(NW)∠70°～ 80°,走向與邊坡近乎平行,上部靠下游側(cè)張開約 10～20cm,上游側(cè)未見發(fā)育,上下延伸約 20m,自坡頂向下延伸至約1672m高程,裂面銹染,局部充填有碎塊石。該部位坡體處于強(qiáng)卸荷帶內(nèi),巖體松弛強(qiáng)烈、破碎。根據(jù)對(duì)邊坡體地質(zhì)條件的分析,危巖體可能存在以卸荷裂隙 XL為后緣切割面,剪斷下部大理巖,向河床內(nèi)滑塌破壞(見照片 1)。

3 點(diǎn)安全系數(shù)計(jì)算方法

在數(shù)值計(jì)算中,破壞面上一點(diǎn)達(dá)到塑性破壞,只表明該點(diǎn)在最危險(xiǎn)截面上的正應(yīng)力和最大剪應(yīng)力間滿足屈服準(zhǔn)則,但這一正應(yīng)力并不一定在該點(diǎn)垂直于滑面,即使這一正應(yīng)力在該點(diǎn)垂直于滑面,也不能保證滑面上的最大剪應(yīng)力方向與滑動(dòng)方向一致[1]。因此,滑帶上一點(diǎn)達(dá)到塑性屈服,并不意味著垂直滑帶的正應(yīng)力和平行滑動(dòng)方向的剪應(yīng)力間也滿足屈服準(zhǔn)則。任何一個(gè)滑帶單元,都受到相鄰滑帶單元的約束,其變形需要滿足變形協(xié)調(diào)條件,并不是說,滑帶單元全部塑性屈服就意味著滑坡整體安全系數(shù)小于 1,滑坡一定會(huì)失穩(wěn)。而只有當(dāng)所有滑帶單元垂直滑面的正應(yīng)力和平行滑動(dòng)方向的剪應(yīng)力間都滿足屈服條件時(shí),滑坡才會(huì)整體失穩(wěn)。

照片 1 碼頭營地危巖體

該點(diǎn)在滑動(dòng)方向的抗剪強(qiáng)度由下式確定:

式中 τu、σn——分別為滑面抗剪強(qiáng)度和垂直滑面的正應(yīng)力(以壓為正);

c、φ——分別為滑帶材料的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角。

滑面上該點(diǎn)的點(diǎn)安全系數(shù) Fp定義為[2]:

式中 τ——滑面滑動(dòng)方向剪應(yīng)力,由數(shù)值計(jì)算結(jié)果通過應(yīng)力分析確定[1]。

滑坡的整體安全系數(shù) F3d定義為:

式中 ne——滑帶單元總數(shù);

Fip——單元 i的點(diǎn)安全系數(shù);

SiE——單元 i所代表的滑帶面積。

在單元點(diǎn)安全系數(shù)計(jì)算中,需要得到滑帶單元的真實(shí)應(yīng)力狀態(tài)和單元的滑動(dòng)方向,計(jì)算分為 3步:

(1)計(jì)算步 1:全計(jì)算域選用彈性本構(gòu)模型計(jì)算坡體的初始應(yīng)力場(chǎng);

(2)計(jì)算步 2:選用與坡體材料相應(yīng)的本構(gòu)模型,滑帶采用 Mohr-Coulomb模型,計(jì)算坡體實(shí)際應(yīng)力場(chǎng);

(3)計(jì)算步 3:分析計(jì)算步 1和計(jì)算步2,得到滑帶單元節(jié)點(diǎn)計(jì)算步 2相對(duì)于計(jì)算步 1的位移增量。

通過上述計(jì)算步驟,得到了滑帶單元的實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)和單元各節(jié)點(diǎn)真實(shí)的滑動(dòng)方向,據(jù)此可計(jì)算滑帶單元的點(diǎn)安全系數(shù)和滑坡的整體安全系數(shù)。

4 危巖體穩(wěn)定性

4.1 計(jì)算模型

建立危巖體的三維實(shí)體模型,并據(jù)此劃分計(jì)算網(wǎng)格,建立計(jì)算模型(見圖1)。

根據(jù)點(diǎn)安全系數(shù)的計(jì)算理論,計(jì)算主要是要得到潛在滑動(dòng)面的應(yīng)力場(chǎng),對(duì)應(yīng)力場(chǎng)影響較大的是滑體(危巖體)的重力和滑動(dòng)面的抗剪參數(shù)。計(jì)算中所取的材料參數(shù)見表1?；瑒?dòng)面的抗剪強(qiáng)度參數(shù)是根據(jù)危巖體的破壞特征通過反算確定,是考慮了后緣拉裂面(卸荷裂隙 XL)與底滑面(Ⅳ1類巖體)的空間面積比按加權(quán)平均后得到的滑面綜合參數(shù)。

圖1 計(jì)算模型

4.2 計(jì)算結(jié)果

在自重作用下,模型達(dá)到平衡后的潛在滑面的點(diǎn)安全系數(shù)等值線如圖 2所示?；孀钚“踩禂?shù)略低于 1.0,位于危巖體底部偏下游側(cè);滑面最大安全系數(shù)為 1.18,位于滑面上部偏下游側(cè)。點(diǎn)安全系數(shù)的分布符合現(xiàn)場(chǎng)危巖體的破壞特征,表明所選用的計(jì)算參數(shù)基本符合實(shí)際情況。滑面大部分點(diǎn)安全系數(shù)為 1.08～1.12,點(diǎn)安全系數(shù)對(duì)面積的加權(quán)平均值(三維整體安全度)為 1.12,表明在自重工況下危巖體的穩(wěn)定性較差,達(dá)不到設(shè)計(jì)安全系數(shù)。點(diǎn)安全系數(shù)的分布規(guī)律同時(shí)也表明,危巖體中部安全系數(shù)較小,可能發(fā)生自中部開始的失穩(wěn),故需優(yōu)先考慮在中部采取加固措施。

按照規(guī)范要求應(yīng)采用二維剛體極限平衡分析方法確定危巖體的單寬支護(hù)力,據(jù)此換算整個(gè)危巖體總支護(hù)力為 4800t,然后采用點(diǎn)安全系數(shù)復(fù)核危巖體的加固效果。將支護(hù)力重點(diǎn)布置在中部,加固后的滑面點(diǎn)安全系數(shù)如圖 3所示。由于支護(hù)力的施加,極大地改善了滑面的應(yīng)力狀態(tài),大大提高了滑面各點(diǎn)的安全系數(shù)。除局部極少區(qū)域的點(diǎn)安全系數(shù)小

表1 材料計(jì)算參數(shù)

圖2 無支護(hù)滑面點(diǎn)安全系數(shù)等值線

5 結(jié) 論

對(duì)于復(fù)雜破壞面的滑坡體(危巖體)由于其滑動(dòng)面并非規(guī)則平面,采用楔形體計(jì)算理論評(píng)價(jià)塊體的穩(wěn)定性結(jié)果偏差較大。針對(duì)錦屏一級(jí)水電站左岸碼頭營地邊坡由多組不規(guī)則的風(fēng)化卸荷裂隙圍限出一較大規(guī)模的危巖體的實(shí)際情況,本文采用點(diǎn)安全系數(shù)方法評(píng)價(jià)塊體的穩(wěn)定性。在地質(zhì)調(diào)查分析的基礎(chǔ)上建立塊體的數(shù)值計(jì)算模型,計(jì)算獲得滑動(dòng)面的應(yīng)力狀態(tài),對(duì)滑動(dòng)面應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析,定義點(diǎn)安全系數(shù)。通過點(diǎn)安全系數(shù)的分布評(píng)價(jià)塊體的失穩(wěn)機(jī)理,通過點(diǎn)安全系數(shù)對(duì)破壞面的加權(quán)平均值評(píng)價(jià)塊體的整體穩(wěn)定性。結(jié)果表明,底部偏下游側(cè)穩(wěn)定性于 1.2外,絕大部分滑面的點(diǎn)安全系數(shù)均大于 1.2,最大安全系數(shù)達(dá)到 1.78。點(diǎn)安全系數(shù)對(duì)面積的加權(quán)平均值(三維整體安全度)為 1.41,表明整個(gè)危巖體的穩(wěn)定性已滿足設(shè)計(jì)要求,特別是滑面中部的穩(wěn)定性得到極大改善,成為整個(gè)滑面最穩(wěn)定的區(qū)域。較差,危巖體上部偏下游側(cè)穩(wěn)定性略高,點(diǎn)安全系數(shù)分布特征符合現(xiàn)場(chǎng)宏觀變形現(xiàn)象。點(diǎn)安全系數(shù)對(duì)面積的加權(quán)平均值為 1.12,塊體穩(wěn)定性不滿足設(shè)計(jì)要求,需要進(jìn)行加固。采用 4800t總支護(hù)力對(duì)危巖體進(jìn)行加固,支護(hù)力重點(diǎn)布置在中部,加固后絕大部分滑面的點(diǎn)安全系數(shù)均大于 1.2,最大安全系數(shù)達(dá)到1.78。點(diǎn)安全系數(shù)對(duì)面積的加權(quán)平均值為 1.41,表明整個(gè)危巖體的穩(wěn)定性已滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3 支護(hù)后滑面點(diǎn)安全系數(shù)等值線

[1]楊濤.工程高邊坡病害空間預(yù)測(cè)理論及其應(yīng)用[D].成都:西南交通大學(xué),2006.

[2]楊濤,周德培,馬惠民,等.滑坡穩(wěn)定性分析的點(diǎn)安全系數(shù)法[J].巖土力學(xué),2010,31(3):971-975.