游 萍,林曉強,況磊強

(1.四川電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院,成都,610072;2.貴州桐梓河水電開發(fā)有限公司,貴州遵義,5630002;3.四川大學(xué)水利水電學(xué)院,成都,610065)

1 前言

巖體是一種復(fù)雜的地質(zhì)體,通常認為由巖塊和結(jié)構(gòu)面兩部分組成。結(jié)構(gòu)面如節(jié)理、斷層、巖層層面、剪切帶、軟弱夾層等;巖塊則是被結(jié)構(gòu)面切割后形成的不同大小的巖石塊體,巖塊內(nèi)物質(zhì)相對連續(xù)致密。結(jié)構(gòu)面發(fā)育可能存在很大的差異,巖體變形失穩(wěn)往往是由于結(jié)構(gòu)面發(fā)生張開、閉合、錯動而引起的,因此,結(jié)構(gòu)面的存在及其強度,控制著巖體的強度及穩(wěn)定性。

1985年GoodmanR E與石根華正式提出塊體理論(Block Theory)[1～2]。其基本假設(shè)為:(1)結(jié)構(gòu)面為平面并貫穿研究的巖體;(2)結(jié)構(gòu)體為剛體,不考慮巖體的變形;(3)巖體破壞沿結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生剪切滑移。其核心是尋找關(guān)鍵滑移塊體。由于結(jié)構(gòu)面的組合是隨機的,則由結(jié)構(gòu)面切割而成的巖石塊體為隨機塊體。在邊坡開挖面處,隨機塊體有可能成為關(guān)鍵滑移塊體。

隨機塊體主要是指由地質(zhì)勘探階段位置不能確定的裂隙或裂隙面與巖體開挖面切割形成的塊體。隨機塊體研究方法是根據(jù)裂隙產(chǎn)狀及開挖臨空面的方位,利用塊體理論搜索在多組裂隙切割條件下,巖體開挖面上各類關(guān)鍵塊體的類型,分析塊體幾何特征及其穩(wěn)定性。可移動塊體的判斷準則為:若節(jié)理錐完全落于某邊坡開挖面或交角的空間錐內(nèi),則該節(jié)理錐為相應(yīng)的可移動塊體,且當節(jié)理錐的剩余滑動力為正(即滑動力大于阻滑力),則該節(jié)理錐相應(yīng)的塊體為關(guān)鍵塊體。目前,塊體理論已在我國被廣泛應(yīng)用[3～9]。

2 工程概述

某水電站泄水建筑物由泄洪洞和放空洞組成,其放空洞進口位于一凹腔陡崖之上,下游側(cè)緊鄰泄洪洞進口,整個坡段全長100m,邊坡總體呈上緩下陡,在約1630m高程以下為陡崖,坡度約為65°～70°,之上自然坡度35°～50°,自然邊坡高度500m～700m。放空洞縱軸線方向S11.4°W,縱剖面呈臺階狀地形,在1590m和1700m高程左右均有一緩坡平臺,其上下陡坎坡度65°～70°。放空洞進口開挖坡高約140m,洞臉邊坡走向為N78°33′03″W,開挖坡比1∶0.5。

該放空洞進口邊坡巖體裂隙比較發(fā)育,由于裂隙面和結(jié)構(gòu)面的組合切割,使巖體被切割成不連續(xù)的塊體。

坡體內(nèi)主要出露澄江～晉寧期花崗閃長巖(δ02(3))和中粗?；◢弾r(γ2(4)),其下部公路邊侵入少量細晶花崗巖脈(γl),洞口一帶基巖直接裸露。

坡體中主要結(jié)構(gòu)面有J4、J7、J2、J6四組,此外,還零星發(fā)育延伸較短小的J9組裂隙。巖體結(jié)構(gòu)總體為塊狀結(jié)構(gòu),局部次塊狀。放空洞進口段裂隙發(fā)育統(tǒng)計情況見表1。

表1 放空洞進口裂隙發(fā)育統(tǒng)計和計算參數(shù)取值

3 節(jié)理組合

此邊坡巖體的結(jié)構(gòu)面發(fā)育具有明顯的不均衡性,其主要發(fā)育有J4、J7、J2和J6四組節(jié)理。因此,可能出現(xiàn)某3組或4組節(jié)理面(加臨空面)切割而成的塊體。為了找出各臨空面上的可移動塊體,根據(jù)地質(zhì)資料和調(diào)研分析,分別按不同危險節(jié)理組合(表2)計算分析搜索最大關(guān)鍵塊體,分析其穩(wěn)定性。

表2 隨機塊體分析中的不同節(jié)理組合

4 關(guān)鍵塊體搜索

對不同節(jié)理組合進行下極點全空間赤平投影,分析可移動塊體的類型。然后根據(jù)塊體的剩余滑動力大小,初步判斷該可移動塊體是否為力學(xué)可移即關(guān)鍵塊體。采用石根華博士的關(guān)鍵塊體搜索程序SRM,搜尋邊坡的最大關(guān)鍵塊體,并計算各最大關(guān)鍵塊體的滑動力系數(shù)和安全系數(shù)。

4.1 J4、J7和J2組合

根據(jù)關(guān)鍵塊體搜索程序SRM,搜尋出由J4、J7和J2三組節(jié)理形成的最大關(guān)鍵塊體,其滑動力系數(shù)和安全系數(shù)見圖1和圖2。最大關(guān)鍵塊體只有001(其形狀見圖3),由J4和J7構(gòu)成滑動面。其滑動力系數(shù)為0.70,安全系數(shù)為0.26,體積為50.48m3,滑動力為900.36kN(巖體容重取2.60×103kg/m3)。塊體在坡面出露面積為54.48m2,平均深度0.93m,小于設(shè)計錨桿長度6m～9m;按施工設(shè)計的3.0m×3.0m錨桿布置(錨桿深度6m～9m),平均每塊出露塊體約布置6根錨桿,每根錨桿平均受力148.74kN,在錨桿受力范圍之內(nèi)。圖1中,“110”等為節(jié)理錐的編號。

圖1 邊坡最大關(guān)鍵塊體位置及滑動力系數(shù)分布(J4、J7和J2組合)

4.2 J4、J7和J6組合

根據(jù)關(guān)鍵塊體搜索程序SRM,搜尋出由J4、J7和J6三組節(jié)理形成的最大關(guān)鍵塊體,其滑動力系數(shù)和安全系數(shù)見圖4和圖5。只找到最大關(guān)鍵塊體001,其形狀見圖6,由J4和J7構(gòu)成滑動面。其滑動力系數(shù)為0.70,安全系數(shù)為0.26,體積為67.59m3,滑動力為1205.54kN,塊體在坡面出露面積為75.29m2,平均深度0.90m,小于設(shè)計錨桿長度6m～9m;每根錨桿平均受力144.11kN。

4.3 J4、J7、J2和J6組合

洞臉邊坡以上開挖邊坡方向為N78°33′03″W,開挖坡比1∶0.5。計算取值為:傾向11.5°,傾角63°。根據(jù)關(guān)鍵塊體搜索程序SRM,搜尋出由J4、J7、J2和J6四組節(jié)理形成的最大關(guān)鍵塊體,其滑動力系數(shù)和安全系數(shù)見圖7和圖8。最大關(guān)鍵塊體只有0010這一塊,其形狀見圖10,由J2和J6構(gòu)成滑動面。其滑動力系數(shù)為0.09,安全系數(shù)為0.82,體積為37.33m3,滑動力為85.61kN,塊體在坡面出露面積為27.54m2,平均深度1.36m,小于設(shè)計錨桿長度6m～9m;按施工設(shè)計的3.0m×3.0m錨桿布置(錨桿深度6m～9m),平均每塊出露塊體約布置3根錨桿,每根錨桿平均受力27.98kN。

圖9 邊坡最大關(guān)鍵塊體0010形狀示意(J4、J7、J2和J6組合)

4.4 J4、J7、J2和J9組合

根據(jù)關(guān)鍵塊體搜索程序SRM,搜尋出由J4、J7、J2和J9四組節(jié)理形成的最大關(guān)鍵塊體,其滑動力系數(shù)和安全系數(shù)見圖10和圖11。找到最大關(guān)鍵塊體0000和0010,其安全系數(shù)各為1.93和1.76,均不可動,所以在J4、J7、J2和J9組合下右岸放空洞進口邊坡以上沒有可動的關(guān)鍵塊體。

表3給出了上述分析的綜合結(jié)果。經(jīng)分析可知,此邊坡在各種危險節(jié)理組合情況下形成的塊體條件較好,關(guān)鍵塊體在坡面的出露面積相對較大,平均深度為1m～1.5m左右,小于錨桿的設(shè)計長度6m～9m,且錨桿受力最大約150kN,均在錨桿受力范圍之內(nèi),能達到穩(wěn)定要求。

表3 邊坡最大關(guān)鍵塊體匯總

5 結(jié)論

應(yīng)用塊體理論赤平解析法分析某水電站放空洞進口邊坡的穩(wěn)定性,可以得到如下結(jié)論:

5.1 從塊體理論分析結(jié)果來看,此邊坡穩(wěn)定性總體情況較好,只是由于結(jié)構(gòu)面切割在局部可形成不穩(wěn)定塊體,局部塊體的穩(wěn)定性主要受控于J4、J7兩組陡傾角裂隙,需密切關(guān)注J4、J7的發(fā)育情況。

5.2 塊體理論是裂隙巖體穩(wěn)定性識別、分析的有效方法,一定程度上彌補了連續(xù)介質(zhì)理論的局限性。

5.3 塊體理論通過關(guān)鍵塊搜索,可明確不穩(wěn)定塊體的幾何特征與穩(wěn)定性。放空洞進口邊坡小斷層和擠壓破碎帶較發(fā)育,其產(chǎn)狀對上游側(cè)邊坡穩(wěn)定不利,應(yīng)加強錨固措施;在下游側(cè)邊坡巖體中,不存在控制邊坡穩(wěn)定的軟弱結(jié)構(gòu)面。因此,工程邊坡在開挖過程中,應(yīng)采取相應(yīng)的支護措施。

〔1〕Shi Genhua,Goodman R E.Block Theory and Its App lication to Rock Engineering[M].New York:Prentice Hall,1985.

〔2〕Shi G H,Goodman R E.The Key Blocks of Unrolled Joint Traces in Developed Maps of Tunnel Walls[J].international Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics.1989,(13):131～158.

〔3〕劉錦華,呂祖珩.塊體理論在工程巖體穩(wěn)定分析中的應(yīng)用[M].北京:水利電力出版社,1988.

〔4〕鄔愛清,張奇華.巖石塊體理論中三維隨機塊體幾何搜索[J].水利學(xué)報,2005,36(4).

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