劉家艷,楊惠青
(1.二灘水電開發(fā)有限責(zé)任公司兩河口建設(shè)管理局(籌),四川成都610051;2.中國電信云南楚雄分公司,云南楚雄657000)
在國家實(shí)施“西部大開發(fā)”和“西電東送”的戰(zhàn)略大前提以及國家、行業(yè)、地方等的政策支持下,興起了又一個(gè)水電開發(fā)的高潮。水電工程中的高邊坡失穩(wěn)將對工程建設(shè)、工程運(yùn)行和社會影響產(chǎn)生嚴(yán)重后果。國內(nèi)外邊坡發(fā)生破壞性的事故也較為頻繁,因此,對高邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析是水電工程建設(shè)面臨的一個(gè)重大工程技術(shù)問題。筆者根據(jù)工程施工和工程建設(shè)實(shí)踐,總結(jié)歸納了幾種傳統(tǒng)的邊坡穩(wěn)定性分析方法,結(jié)合工程案例,采用傳統(tǒng)的邊坡穩(wěn)定性分析方法對電站的進(jìn)水口邊坡進(jìn)行了比較分析。
邊坡變形破壞的機(jī)理就是研究在特定的工程地質(zhì)條件下,邊坡從開始變形到破壞全過程所產(chǎn)生的一系列力學(xué)的、物理的和化學(xué)的變化,它揭示了邊坡變形破壞的內(nèi)在規(guī)律,從而對邊坡穩(wěn)定性的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢作出正確的評價(jià),并建立符合實(shí)際的數(shù)學(xué)模型。
目前,對機(jī)理的研究主要是圍繞潛在失穩(wěn)分離面的形成和發(fā)展變形破壞的力學(xué)過程進(jìn)行,其主要內(nèi)容有邊坡巖體變形的地質(zhì)模式、力學(xué)作用過程及判斷、影響邊坡穩(wěn)定性的各種因素的定量分析等。
(1)邊坡巖體變形的地質(zhì)模式。
由于工程建設(shè)的不斷發(fā)展,邊坡變形和破壞的實(shí)例越來越多,通過進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)及歸納分析,建立了相應(yīng)的地質(zhì)模式。邊坡變形的地質(zhì)模式主要包括工程地質(zhì)巖組特征、巖體結(jié)構(gòu)特征、巖體應(yīng)力條件、水文地質(zhì)條件、邊坡破壞形態(tài)及變形破壞的力學(xué)原理和時(shí)間效應(yīng)等。
(2)力學(xué)作用原理及判據(jù)。
邊坡以變形表明其發(fā)展,以失穩(wěn)破壞宣告其消亡并形成新的邊坡。從統(tǒng)計(jì)物理學(xué)角度出發(fā),變形長期積累的量變過程是一個(gè)線性過程,質(zhì)變是一個(gè)非線性非穩(wěn)定態(tài)過程,深刻揭示這個(gè)過程并抓住這個(gè)過程變化的臨界點(diǎn),就可以對邊坡的失穩(wěn)作出正確預(yù)報(bào)。邊坡的破壞需要較長時(shí)間的演變過程,在該過程中包含著復(fù)雜的巖體力學(xué)作用機(jī)理,是應(yīng)力狀態(tài)和巖體強(qiáng)度之間矛盾發(fā)展的結(jié)果。
(3)影響邊坡穩(wěn)定性的因素。
邊坡的變形和破壞是受其內(nèi)在的一些基本因素和外界的一些誘發(fā)因素制約的,因此,深入研究這些因素作用于邊坡的機(jī)理,就可以準(zhǔn)確預(yù)報(bào)邊坡的變形發(fā)展。
巖體的破壞機(jī)制是指破壞的力學(xué)過程。破壞判據(jù)是破壞時(shí)應(yīng)力應(yīng)變條件的表達(dá)式,亦稱破壞準(zhǔn)則。由于巖體本身性質(zhì)的差異和受力條件不同,一般分為脆性破壞和延性破壞兩種形式;其破壞機(jī)制歸納為張破裂、剪破裂及塑性流動等三種類型。
(1)張破裂破壞機(jī)制的判定準(zhǔn)則:①最大正應(yīng)變理論。大量試驗(yàn)資料表明,無圍壓和低圍壓條件下,在軸向壓力作用下,張破裂面大多與σ1作用的方向平行。根據(jù)廣義的虎克原理推導(dǎo)出產(chǎn)生張破裂的巖石應(yīng)力判據(jù);②裂紋擴(kuò)展準(zhǔn)則。通過試驗(yàn)研究認(rèn)為,巖體介質(zhì)內(nèi)部存在著隨機(jī)分布的裂紋,當(dāng)荷載達(dá)到一定值時(shí),在最利于破裂的裂紋端部產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象而使裂紋擴(kuò)展,根據(jù)應(yīng)力在裂紋周邊產(chǎn)生切向應(yīng)力和徑向應(yīng)力可導(dǎo)出裂紋端部開始破裂的條件。
(2)剪破裂破壞機(jī)制的判定準(zhǔn)則:巖石剪破裂的判據(jù)一般采用熟知的庫侖-莫爾準(zhǔn)則。
(3)塑性流動破壞機(jī)制的判定準(zhǔn)則:對于塑性流動,可以根據(jù)壓應(yīng)力的剪切效應(yīng)進(jìn)行判定。
在開挖過程中,由于邊坡巖體的原始平衡狀態(tài)遭到破壞,坡體中的應(yīng)力將重新分布,以求達(dá)到新的平衡。在新的應(yīng)力條件下,坡體可能發(fā)生局部的或整體性的變形和破壞。當(dāng)邊坡巖體中出現(xiàn)了外界貫通的破壞面,使被分割的巖體以一定的加速度脫離母體時(shí),稱為邊坡巖體的破壞。變形和破壞的形式主要有以下幾種類型。
(1)蠕動:在上部巖體的重力作用下,使表部巖層發(fā)生長期緩慢地變形及松動現(xiàn)象,以巖塊間的剪切位移及巖塊的歪斜扭轉(zhuǎn)為主要特征;
(2)滑坡:又分均質(zhì)滑坡、順層滑坡及切層滑坡;
(3)崩坍:崩坍多發(fā)生在由堅(jiān)硬巖層組成的高陡邊坡地段,其特征是由多組軟弱面切割的巖體沿邊坡傾倒翻滾,墜落坡腳,除地質(zhì)因素影響以外,風(fēng)化和水作用以及爆破開挖等均對崩坍的產(chǎn)生和發(fā)展有直接的影響;
(4)傾倒:邊坡巖塊受到幾何形狀、產(chǎn)狀、裂隙水以及結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化的影響,以某一點(diǎn)(或棱線)為轉(zhuǎn)動軸心,繞其向外側(cè)臨空面轉(zhuǎn)動的現(xiàn)象。初始階段,巖塊以角位移(轉(zhuǎn)動)為其主要變形形式,繼而使邊坡巖體松動、架空,可視為大規(guī)?;瑒拥那罢?
(5)坍塌:是在邊坡較陡、發(fā)生自上而下、由外向內(nèi)逐層坍落破壞的現(xiàn)象。破壞面很不規(guī)則,大多參差不齊,主要受裂隙切割面的控制;
(6)坍滑:兼有滑坡與坍塌兩種特征,有一定的滑動面,但巖體又不是整體的滑動。
邊坡穩(wěn)定的影響因素分為內(nèi)在因素(地質(zhì)因素)和外在因素,其中內(nèi)在因素是基本因素。影響因素及特征見表1。
邊坡穩(wěn)定性分析的目的是要正確得出邊坡穩(wěn)定狀況結(jié)論,為制定開挖安全措施提供依據(jù)。分析采用的基本、簡便、實(shí)用的方法主要有自然歷史法、力學(xué)分析法,工程類比法。當(dāng)然,還有許多分析方法,如應(yīng)力應(yīng)變分析法、模型試驗(yàn)法、隨機(jī)評價(jià)法、系統(tǒng)工程分析法等,文中的分析方法采用的是前三種簡便分析方法,并將三種方法互相驗(yàn)證、互相補(bǔ)充,經(jīng)過綜合后確定了邦朗電站進(jìn)水口邊坡的穩(wěn)定性。
(1)自然歷史分析法:它是其他分析方法的基礎(chǔ),為力學(xué)計(jì)算方法決定邊界條件和選擇參數(shù),為工程地質(zhì)類比法提供比擬依據(jù)。分析時(shí),根據(jù)工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件,研究坡體的巖體結(jié)構(gòu)特征和變形破壞跡象,并進(jìn)一步聯(lián)系邊坡的自然環(huán)境和歷史條件的發(fā)展變化,查明促使穩(wěn)定性發(fā)生變化的主導(dǎo)因素,得出定性的結(jié)論。
(2)力學(xué)分析法:力學(xué)分析法是一種廣泛適用的方法,它可得出穩(wěn)定性的定量評價(jià)。其可靠性取決于計(jì)算參數(shù)和邊界條件、軟弱面抗剪指標(biāo)選擇,因此,力學(xué)分析法必須以正確的地質(zhì)分析為基礎(chǔ)。其又分為以下二種:
①力學(xué)計(jì)算法:主要利用抗滑力與下滑力之比來判斷邊坡的穩(wěn)定性,即K=抗滑力/下滑力,式中K為穩(wěn)定系數(shù)。當(dāng)K=1時(shí),邊坡處于臨界狀態(tài)(極限平衡狀態(tài));K>1時(shí),邊坡穩(wěn)定;K<1時(shí),邊坡不穩(wěn)定;
②赤平極射投影法:即赤平投影法,該方法是斜坡穩(wěn)定分析中的圖解法之一,常用吳爾弗投影網(wǎng)作為投影工具。利用該方法進(jìn)行斜坡穩(wěn)定性分析時(shí),常需應(yīng)用力學(xué)計(jì)算法予以驗(yàn)證。赤平投影法的特點(diǎn)是能以二維平面圖形表示物體幾何要素的空間方位,并能方便地求得它們之間的夾角與組合關(guān)系。為了對滑動體形態(tài)和幾何尺寸等作出明確解答,常將赤平投影、垂直投影和比例投影方法結(jié)合運(yùn)用。
表1 影響邊坡穩(wěn)定性因素及特征表
(3)工程地質(zhì)比擬法:工程類比法是應(yīng)用自然歷史分析法認(rèn)識和了解各種斜坡的工程地質(zhì)因素,把已有的天然斜坡或人工邊坡的研究或經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用到條件相似的斜坡的研究分析中去。進(jìn)行類比時(shí),應(yīng)使類比條件盡可能相似。
緬甸某電站進(jìn)水口明渠最大高度約55m,長約200m,底寬約30m,坡角約77°,軸線方向?yàn)镹40.5°E~N65.5°E。巖性為花崗巖、千枚巖、花崗片麻巖三大類,基巖主要為中粗?;◢弾r,風(fēng)化強(qiáng)烈,局部膠結(jié)較差,覆蓋層厚,一般為2~4 m,由殘積土夾花崗巖塊石組成,強(qiáng)風(fēng)化厚約4~5 m。經(jīng)過對結(jié)構(gòu)面組合的穩(wěn)定性進(jìn)行分析認(rèn)為,邊坡穩(wěn)定受結(jié)構(gòu)面控制,表現(xiàn)為塊體組合局部失穩(wěn)。
(1)平均走向N54°W,傾向SW,傾角40°,主要為片狀節(jié)理;
(2)平均走向N77°E,傾向NW或SE,傾角80°;
(3)平均走向N9°W,傾向NE,傾角76°。
由于電站進(jìn)水口明渠靠近溢洪道,而且從開挖出來的基巖結(jié)構(gòu)構(gòu)造及地貌看,地質(zhì)條件類似于溢洪道。因此,在進(jìn)行進(jìn)水口明渠邊坡施工工程地質(zhì)預(yù)報(bào)時(shí),可使用溢洪道的基礎(chǔ)地質(zhì)參數(shù):巖石比重:λ=2.6t/m3;節(jié)理內(nèi)摩擦角:φ=65°;節(jié)理內(nèi)聚力(粘結(jié)強(qiáng)度):C=0;地震加速度:α=0.25g。
爆破開挖后,從工程地質(zhì)方面考慮,邊坡的穩(wěn)定條件主要取決于軟弱面的臨界傾角和軟弱面間的內(nèi)摩擦角的大小,以及節(jié)理裂隙的產(chǎn)狀與邊坡軸線、邊坡的相互關(guān)系(表2)。軟弱面是產(chǎn)生大量塌方或順層滑坡的主要因素。
根據(jù)公式F=(防止滑坡的總力/引起滑坡的總力)計(jì)算,在勘測設(shè)計(jì)報(bào)告的穩(wěn)定性分析中,結(jié)論是以楔形塊滑動破壞方式為主。不計(jì)地震力時(shí),東邊坡穩(wěn)定系數(shù)F=3.5,西邊坡F=4.4;計(jì)入地震力時(shí)(α=0.25g),其穩(wěn)定系數(shù)東邊坡F=1.7,西邊坡F=2.2;因此,在選擇上述基礎(chǔ)地質(zhì)參數(shù)、邊界條件、軟弱面抗剪指標(biāo)等條件下,引渠兩側(cè)邊墻的穩(wěn)定安全系數(shù)是足夠的。
表2 明渠軸線與三組主要節(jié)理走向夾角關(guān)系表
在不考慮地震加速度及三組主要節(jié)理的相互組合的情況下,單一結(jié)構(gòu)面的計(jì)算結(jié)果見表3。進(jìn)水口明渠三組單一結(jié)構(gòu)面的巖質(zhì)斜坡力學(xué)計(jì)算公式為:
由于c=0,則公式簡化為:F=tgφ/tga
式中G為滑動體重量;l為滑動面長度;φ、c為滑動面上的內(nèi)摩擦角與內(nèi)聚力。
表3 單一結(jié)構(gòu)面計(jì)算結(jié)果表
(1)破壞模式的判斷。
①某一地質(zhì)不連續(xù)面的走向與坡面的走向交角小于22.5°,且傾角小于坡面傾角時(shí),將會產(chǎn)生單滑面破壞模式;
②Makland試驗(yàn)準(zhǔn)則:如果兩條地質(zhì)不連續(xù)面的交線傾角小于在該相交線方向上的坡面傾角時(shí),則會發(fā)生楔型塊滑動破壞模式;但如果兩個(gè)地質(zhì)不連續(xù)面中的任何一個(gè)的傾角在坡面傾角和相交線傾角之間,則會在兩地質(zhì)不連續(xù)面中傾角較大的一個(gè)發(fā)生平面滑動破壞模式。
平面滑動破壞模式為:電站進(jìn)水口邊坡的破壞為平面滑動破壞模式,滑裂面為C組節(jié)理面;B組節(jié)理與坡面走向(N65.5°E時(shí))交角小于22.5°,節(jié)理傾角接近坡面傾角,因此,兩邊墻還有潛在的平面滑動破壞模式,滑裂面為B組節(jié)理面。
楔型塊滑動破壞模式為:由A、B組節(jié)理組成的楔型滑動塊破壞模式,以及由B、C組節(jié)理組成的楔型滑動塊破壞模式。
(2)滑動方向的判斷。
在赤平投影中,按軟弱面的產(chǎn)狀,標(biāo)出它們的傾向線及軟弱面的交線。
①若交線在兩傾向線之間,則交線為滑動面;②若交線在兩傾向線之外,則當(dāng)中一條傾向線為滑動方向;③若交線與一根傾向線重合,則該傾向線即為滑動方向。
從以上電站進(jìn)水口邊坡穩(wěn)定性分析看,電站進(jìn)水口的邊坡是不穩(wěn)定的,邊坡破壞的滑動模式主要以平面滑動破壞模式和楔型滑動塊破壞模式為主要表現(xiàn)形式。因此,為了確保電站進(jìn)水口施工安全和工程安全,必須在邊坡穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)上,判明影響邊坡穩(wěn)定的主導(dǎo)因素,對邊坡變形破壞形式和原因作出判斷,制定出可行的開挖措施并加強(qiáng)邊坡變形觀測。在開挖邊坡時(shí),特提出以下開挖建議措施:
(1)盡量改善邊坡的穩(wěn)定性:攔截地表水和排除地下水,防止邊坡穩(wěn)定條件惡化。可在邊坡變形區(qū)以外開挖截水溝和變形區(qū)以內(nèi)開挖排水溝,攔截和排除地表水,同時(shí)采用噴漿、勾縫、覆蓋等方式保護(hù)坡體不受滲水的侵害。對于地下水的排除,需根據(jù)巖體結(jié)構(gòu)特征和水文地質(zhì)條件,采用傾向坡腳、傾角為10°~15°的排水孔進(jìn)行排水。
(2)對于不穩(wěn)定型邊坡的開挖,必須先作穩(wěn)定處理,然后再進(jìn)行開挖。盡量避免雨季施工,力爭一次處理完畢,否則,雨季施工應(yīng)采用臨時(shí)封閉措施,作好穩(wěn)定性觀測和預(yù)報(bào)工作。
(3)按照“先坡面、后坡腳”自上而下的開挖程序施工并限制坡比,坡高要在允許范圍內(nèi)。開挖時(shí),注意不切斷層面或棱線,不使滑體懸空而失去支撐作用。坡高應(yīng)盡量控制在不涉及有害軟弱面及不穩(wěn)定巖體。
(4)控制爆破規(guī)模,應(yīng)不使爆破震動附加動荷載使邊坡失穩(wěn)。為避免造成過多的爆破裂隙,在開挖鄰近最終邊坡時(shí),應(yīng)采用預(yù)裂、光面爆破,必要時(shí)改用小炮、風(fēng)鎬或人工撬挖。
巖石越完整均勻,越有利于預(yù)裂爆破;反之,在爆破作用下,會首先沿結(jié)構(gòu)面張開,擴(kuò)大巖石的破壞范圍。巖石的裂隙發(fā)育程度和裂隙的主要方向?qū)︻A(yù)裂爆破效果影響較大。走向平行于預(yù)裂縫比橫穿過預(yù)裂縫的裂隙對預(yù)裂爆破的影響要小,與預(yù)裂線平面交叉成銳角的裂隙最有可能促使壁面不平整和超挖。因此,根據(jù)地質(zhì)情況,在確定預(yù)裂孔孔距時(shí),建議應(yīng)考慮巖石裂隙密度和主要裂隙的產(chǎn)狀,對孔距進(jìn)行修正。提高預(yù)裂面的平整度,以緩沖、反射開挖爆破的振動波,控制其對保留巖體的破壞影響。
由于電站進(jìn)水口明渠屬于高邊坡開挖,邊坡高度大于50m,根據(jù)上述施工地質(zhì)工程穩(wěn)定性的分析,部分邊坡可能存在或局部有不利的結(jié)構(gòu)面。由于電站進(jìn)水口作為工程的主要建筑物,且洞臉及明渠開挖結(jié)束后,還有其他的工作要在其下部施工,因此,建議在開挖期間,一方面要及時(shí)適時(shí)支護(hù)跟進(jìn),另一方面要加強(qiáng)邊坡的變形觀測,監(jiān)視已開挖邊坡的穩(wěn)定情況和變形破壞的發(fā)展情況,預(yù)測發(fā)展動向,作險(xiǎn)情預(yù)報(bào),防止事故的發(fā)生,為加強(qiáng)邊坡穩(wěn)定支護(hù)提供正確及時(shí)的施工地質(zhì)資料。
(1)觀測范圍。
巖體變形包括水平位移和垂直位移。按工地現(xiàn)有條件和進(jìn)水口明渠的實(shí)際情況,其觀測范圍為:①小范圍整體巖體的的滑動;②局部巖體失穩(wěn);③單獨(dú)結(jié)構(gòu)的節(jié)理裂隙和張開裂隙觀測;④大范圍內(nèi)巖體滑動監(jiān)測(射線網(wǎng)觀測方法)。
(2)觀測目的。
為施工開挖提供施工地質(zhì)資料,補(bǔ)充地質(zhì)勘探調(diào)查資料;監(jiān)視邊坡變形破壞發(fā)展情況,預(yù)測發(fā)展動向,作險(xiǎn)情預(yù)報(bào),防止事故的發(fā)生;觀測已開挖邊坡的穩(wěn)定情況。
(3)觀測方法。
根據(jù)工地現(xiàn)有的觀測條件和實(shí)際施工情況以及現(xiàn)有的觀測手段,只能采用簡易觀測方法和大地射線網(wǎng)測量的觀測方法。
①明渠邊坡變形的簡易觀測。
設(shè)置標(biāo)樁:在動體或張開裂縫部位與不動體部分各設(shè)兩組或幾組標(biāo)樁,每兩組大致成四邊形。標(biāo)樁可用鋼釬打入地下或插錨筋布設(shè)。通過鋼尺丈量水平位移,水準(zhǔn)測量高程變化;
設(shè)置刻度板:在動體和不動體上,順滑動方向布設(shè)帶有刻度、相互垂直、密貼的兩板,定期量測高程和水平位移值;
設(shè)置玻璃片:橫跨裂隙兩側(cè)使用水泥砂漿埋設(shè)玻璃片,觀測玻璃片是否錯(cuò)斷及錯(cuò)開的距離和方向。
設(shè)置混凝土墩,使用垂球觀測:在不動體上設(shè)樁,動體上設(shè)混凝土墩,使用垂球量測位移量;
②明渠邊坡變形的射線網(wǎng)觀測方法。
根據(jù)實(shí)際地形和施工地質(zhì)條件,以及邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果,在邊坡上布設(shè)S1~S6六個(gè)觀測點(diǎn)呈三角形,從電站控制網(wǎng)測點(diǎn)定期或不定期進(jìn)行觀測。
(1)由于電站進(jìn)水口發(fā)育三組節(jié)理,節(jié)理面普遍張開,充填泥屑和滑石、粘土,局部巖石破碎。邊坡穩(wěn)定如上述分析受巖體結(jié)構(gòu)控制,表現(xiàn)為不利節(jié)理組合,導(dǎo)致巖體失穩(wěn),因此,為保證邊坡的穩(wěn)定,應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測,及時(shí)進(jìn)行加強(qiáng)噴錨支護(hù);
(2)電站進(jìn)水口邊坡高度超過50m,屬高邊坡開挖,并且其覆蓋層較厚,全、強(qiáng)風(fēng)化層約3~5 m厚,因此,建議選擇適合的開挖邊坡方法,局部削坡并注意排水,防止地表水沖刷、浸泡而降低巖石強(qiáng)度,導(dǎo)致不利節(jié)理組合的巖塊倒塌失穩(wěn);
(3)根據(jù)巖石和節(jié)理組合分布情況,設(shè)計(jì)合理的邊坡開挖爆破,施工時(shí),應(yīng)嚴(yán)格采用預(yù)裂爆破,以減少對邊坡圍巖的過大擾動和破壞,保持邊坡圍巖的穩(wěn)定。
在該電站進(jìn)水口表面覆蓋層剝離時(shí),經(jīng)過對已開挖的導(dǎo)流洞、溢洪道、正在開挖的進(jìn)廠交通洞以及施工區(qū)地質(zhì)資料進(jìn)行查勘和分析,作出了電站進(jìn)水口邊坡不穩(wěn)定的施工處理措施。在施工時(shí)應(yīng)注意邊坡的穩(wěn)定性觀測和可能的邊坡失穩(wěn)的位置,該報(bào)告提交后迅即在電站進(jìn)水口邊坡的預(yù)測失穩(wěn)的位置發(fā)生了塌方,說明該報(bào)告施工地質(zhì)預(yù)報(bào)是準(zhǔn)確、成功的,邊坡的穩(wěn)定性分析方法、原理、選擇的地質(zhì)基礎(chǔ)參數(shù)、邊界條件是可靠、適用的。