王慶樂,周彬

(中鐵二院工程集團(tuán)重慶設(shè)計(jì)研究院,重慶400015)

邊坡穩(wěn)定的強(qiáng)度折減法是通過不斷降低巖土體控制性結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度使邊坡達(dá)到極限破壞狀態(tài),從計(jì)算得到邊坡的破壞滑動(dòng)面和強(qiáng)度儲(chǔ)備安全系數(shù)的一種計(jì)算方法。有限差分強(qiáng)度折減法在求解安全系數(shù)時(shí),不需要進(jìn)行條分,而是程序自動(dòng)求出滑動(dòng)面,同時(shí)它可以分析邊坡巖體各個(gè)部位的變形狀況隨時(shí)間的發(fā)展演化趨勢(shì)。它在邊坡穩(wěn)定性計(jì)算上具有很大的優(yōu)越性和應(yīng)用前景。本文采用有限差分強(qiáng)度折減法對(duì)某水電站左岸壩頭開挖邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行量化評(píng)價(jià),從而為邊坡工程設(shè)計(jì)和支護(hù)提供依據(jù)。

1 強(qiáng)度折減法原理及破壞準(zhǔn)則

1.1 強(qiáng)度折減法原理

強(qiáng)度折減安全系數(shù)的定義與邊坡穩(wěn)定分析的極限平衡條分法安全系數(shù)的定義是一致的,都屬于強(qiáng)度儲(chǔ)備安全系數(shù)[1]。對(duì)于實(shí)際的邊坡工程,它們都表示了是整個(gè)滑面的安全系數(shù)而不是某個(gè)應(yīng)力點(diǎn)的安全系數(shù),公式表示為

1.2 破壞準(zhǔn)則分析

強(qiáng)度折減法分析邊坡穩(wěn)定性的一個(gè)關(guān)鍵問題是如何根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果來判別邊坡是否達(dá)到極限破壞狀態(tài)。目前的失穩(wěn)判據(jù)主要有4類準(zhǔn)則[2-7]。

(1)計(jì)算不收斂。(2)結(jié)構(gòu)面某一幅值的廣義剪應(yīng)變的貫通。(3)特征點(diǎn)的位移法,繪制研究對(duì)象多個(gè)特征點(diǎn)的位移與折減系數(shù)的關(guān)系曲線,以位移曲線出現(xiàn)較為明顯的轉(zhuǎn)折,作為達(dá)到極限破壞。(4)結(jié)構(gòu)面塑性區(qū)貫通。

這4種準(zhǔn)則在許多文獻(xiàn)中都做過分析和比較,本人經(jīng)過分析認(rèn)為:準(zhǔn)則1受數(shù)值計(jì)算軟件和所建模型的質(zhì)量依賴較大,作為收斂準(zhǔn)則缺乏客觀性。剪應(yīng)變?cè)隽?只能確定邊坡破壞的滑動(dòng)方向,但不能說明是否達(dá)到破壞。由于邊坡的穩(wěn)定性與位移速率變化趨勢(shì)將存在比較密切的關(guān),因此準(zhǔn)則3是比較合理的。塑性區(qū)的大范圍發(fā)育和貫通,直接關(guān)系到邊坡是否達(dá)到破壞,所以準(zhǔn)則4也是較為合理的。

本文綜合利用水平位移變化規(guī)律和剪應(yīng)變?cè)隽康陌l(fā)展程度這兩個(gè)判別條件共同判斷邊坡是否達(dá)到臨界破壞狀態(tài)。當(dāng)水平位移增量與強(qiáng)度折減系數(shù)增量之比△δ/△Ft急劇變化時(shí),并且?guī)r土體內(nèi)部形成貫通的規(guī)模較大的塑性區(qū)時(shí),則認(rèn)為邊坡處于臨界破壞狀態(tài),此時(shí)的強(qiáng)度折減系數(shù)即為邊坡的安全系數(shù)[8]。

2 工程概況

某電站位于雅礱江大河灣干流河段上,大壩采用混凝土雙曲拱壩方案,壩高305m。壩區(qū)河谷狹窄、谷坡陡峻、邊坡高陡;自然邊坡高達(dá)1 000余米,壩區(qū)整體上處于由砂板巖和大理巖構(gòu)成的緊閉向斜部位,右岸為順傾坡,左岸為反傾向坡。

壩頭部位段谷坡高陡,絕大部分基巖裸露。巖性主要為砂板巖(T2-3z)和大理巖(T2-3z),另外還可見少量后期侵入的煌斑巖脈。左岸壩頭自然邊坡在1 850m高程以上為砂板巖邊坡,坡度為40°～50°;以下為大理巖邊坡,坡度為55°～70°。巖層總體產(chǎn)狀N0°～ 30°E,NW ∠25°～45°,走向較穩(wěn)定,與河流基本平行,傾向山里,屬典型的逆向坡。

壩頭邊坡內(nèi)部發(fā)育有:近EW的中等傾角小斷層(如:f42-9),總體走向NNW～NNE裂隙密集帶或深部裂縫,煌斑巖脈(X),f5斷層,這些結(jié)構(gòu)面與自然坡面共同組合,圍成了一個(gè)大塊體,具估算,該塊體體積約340萬方。按現(xiàn)有大壩軸線布置方案,根據(jù)左岸拱肩槽及1885以上開挖體形,壩頭邊坡大塊體將被切割成規(guī)模不同的兩個(gè)塊體。一個(gè)是由f42-9、X、SL44-1、上游坡面圍限的大塊體(以下簡(jiǎn)稱“上游大塊體”);另一個(gè)是,f42-9、f5、下游坡面圍限的小塊體(以下簡(jiǎn)稱“下游坡小塊體”)。前者規(guī)模較大,根據(jù)計(jì)算,體積約250萬方。后者規(guī)模較小。左岸壩頭邊坡的工程地質(zhì)問題非常突出。這些壩頭塊體一旦失穩(wěn),將會(huì)對(duì)大壩帶來摧毀性破壞。

3 計(jì)算模型建立

本次采用FLAC3D軟件對(duì)該水電站左岸壩頭邊坡的開挖過程進(jìn)行計(jì)算。由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性,三維建模時(shí)對(duì)地質(zhì)原型進(jìn)行了適當(dāng)?shù)母呕?/p>

1)計(jì)算模型所使用的坐標(biāo)系,X坐標(biāo)正方向與河流近平行,指向河流下游,從大壩坐標(biāo)X=1 788到X=2 268,共480m;Y 軸正方向?yàn)镾65°W,與河流方向近垂直,大壩坐標(biāo)Y=-101.166 5到Y(jié)=598.833 5,共700m;Z坐標(biāo)方向?yàn)榇瓜蚍较?正方向鉛直向上,從高程Z=1 400到Z=2 250,共850m。

2)由于壩頭邊坡有明顯的邊界條件,巖層層面對(duì)壩頭邊坡的“大塊體”影響不大,因此在數(shù)值計(jì)算中,沒有考慮巖層的層面,對(duì)巖性不同的巖體只是體現(xiàn)在物理力學(xué)參數(shù)上。巖級(jí)考慮了3個(gè)大的巖級(jí)(Ⅱ～Ⅳ類),并將Ⅲ、Ⅳ、還細(xì)分為Ⅲ1、Ⅲ2、Ⅳ1、Ⅳ2。

3)各巖級(jí)及結(jié)構(gòu)面的計(jì)算參數(shù)巖體力學(xué)參數(shù)總體上按勘測(cè)部門建議值確定。對(duì)于部分巖級(jí)的參數(shù),根據(jù)模型中的巖級(jí)概化情況作了適當(dāng)調(diào)整。左岸深拉裂縫概化為強(qiáng)度較低的帶,選取參數(shù)時(shí)結(jié)合參考報(bào)告中的力學(xué)參數(shù)(表1)。

蓄水后地下水位的變化,可將蓄水后庫(kù)水對(duì)斜坡的影響作如下考慮:浮力和坡體的軟化,計(jì)算時(shí)可通過采用浮容重和軟化后的力學(xué)參數(shù)來實(shí)現(xiàn)[9]。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)表Tab.1 Main physical-mechanical parameters of rockmass

4)模型邊界均采用單向約束,及順江方向的兩邊界為X方向約束,橫江方向的兩個(gè)邊界為Y向約束,底邊界為Z向約束。

5)本次模擬計(jì)算,邊坡巖體本構(gòu)關(guān)系按按彈塑性考慮,屈服準(zhǔn)則采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則。

6)由于三維邊坡地形地質(zhì)條件較復(fù)雜,本文在開挖邊坡表面時(shí)選擇了5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),其具體位置見表2。

表2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)Tab.2 Coordinate monitoring points

經(jīng)過網(wǎng)格剖分,模型共有 48 167個(gè)節(jié)點(diǎn),241 035個(gè)單元。為便于分析,沿z軸方向,在X=200m(Ⅱ-Ⅱ)、X=275m(Ⅱ1-Ⅱ1)和 X=360(V-V)處切出3個(gè)剖面。計(jì)算模型如圖1所示。

4 壩頭邊坡穩(wěn)定性計(jì)算

4.1 蓄水前左岸壩頭邊坡的整體穩(wěn)定性

蓄水前,通過分析以上各監(jiān)測(cè)點(diǎn)在不同強(qiáng)度折減系數(shù)時(shí)的水平位移,可以得到如圖2所示的各節(jié)點(diǎn)的水平位移增量與強(qiáng)度折減系數(shù)增量之比值△δ/△Ft和強(qiáng)度折減系數(shù)Ft的關(guān)系曲線。從圖2可知,在天然條件下,五個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的△δ/△Ft隨Ft的變化趨勢(shì)基本一致,當(dāng)折減系數(shù)增加到1.45后,△δ/△Ft值突然急劇增加,此時(shí)巖體的塑性區(qū)范圍較大,并且貫通,圖3～圖6典型剖面的塑性區(qū)分布圖,綜合△δ/△Ft-Ft的關(guān)系圖和塑性區(qū)分布圖,可以認(rèn)為壩頭開挖邊坡處于臨界破壞狀態(tài),此時(shí)的強(qiáng)度折減系數(shù)1.45即為天然條件下強(qiáng)度折減法計(jì)算的壩頭邊坡安全系數(shù)。

4.2 蓄水后左岸壩頭邊坡的整體穩(wěn)定性

在蓄水后,通過分析各監(jiān)測(cè)點(diǎn)在不同強(qiáng)度折減系數(shù)時(shí)的水平位移,可以得到如圖6所示的各節(jié)點(diǎn)的水平位移增量與強(qiáng)度折減系數(shù)增量之比值△δ/△Ft和強(qiáng)度折減系數(shù)Ft的關(guān)系曲線。從圖6可知,在天然條件下,五個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的△δ/△Ft隨Ft的變化趨勢(shì)基本一致,當(dāng)折減系數(shù)增加到 1.50后,△δ/△Ft值突然急劇增加,通過圖7—圖9,可以看出此時(shí)巖體的塑性區(qū)較大,并且已經(jīng)貫通。綜合△δ/△Ft-Ft的關(guān)系圖和塑性區(qū)分布圖,可以認(rèn)為壩頭開挖邊坡處于臨界破壞狀態(tài),此時(shí)的強(qiáng)度折減系數(shù)1.50即為蓄水后天然工況下壩頭邊坡的安全系數(shù)。

6 結(jié)論

1)通過利用有限差分強(qiáng)度折減法對(duì)壩頭開挖邊坡的穩(wěn)定性計(jì)算,可以得出,蓄水前,在天然工況下其穩(wěn)定性系數(shù)為1.45;蓄水后,在天然工況下其穩(wěn)定性系數(shù)為1.50。結(jié)合大塊體的邊界條件分析,可以認(rèn)為,在施工期及蓄水工況下,左岸壩頭開挖邊坡蓄水前后在天然工況下,整體是穩(wěn)定的。

2)對(duì)于巖質(zhì)邊坡而言,控制其穩(wěn)定性的因素主要是發(fā)育在邊坡內(nèi)部的控制性結(jié)構(gòu)面,應(yīng)用有限差分強(qiáng)度折減法可以成功地解決巖體滑動(dòng)面的空間組合滑動(dòng)范圍等問題,同時(shí)可以再現(xiàn)巖體各部位的變形狀況隨時(shí)間的發(fā)展演化趨勢(shì)。

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